（光学专业论文）声光可调谐光信道监测仪的研究.pdf

中文摘要 随着波分复用( w d m ) 技术的发展，光通讯系统的传输能力可以被迅速扩 大数十倍甚至上百倍，但是由于w d m 系统中信道间隔很小，容易发生信道串扰， 严重时会导致通信中断和系统瘫痪，所以对信道的监测十分必要。我们采用集成 光学工艺，首次制成了以声光可调谐滤波器( a o t f ) 为分光元件的光信道监测 仪。它是一种全固态装置，没有任何机械传动和调节机构，同传统的光信道监测 仪相比，这种光信道监测仪具有很多优点，例如：扫描光谱范围宽、调谐速度极 快等，因而在光信道在线监测中具有非常广阔的应用前景。 本文对以声光可调谐滤波器为分光元件的光信道监测仪进行了理论和实验 研究。论文主要包括以下几个方面： 一、简述了光信道监测仪的基本原理，介绍了光信道监测仪中的几种分光元 件和不同的波长调谐方法： 二、简述了声光可调谐滤波器的基本结构和工作原理，介绍了a o t f 的模式 转换耦合模理论，分析了a o t f 中产生侧瓣的原因； 三、基于 a o t f 的滤波特性，介绍了声光可调谐光信道监测仪的实现原理， 设计了声光可调谐光信道监测仪的基本结构，并对声光可调谐光信道监 测仪的串扰水平及影响串扰的因素进行了详细分析，给出了采用不同结 构和不同声光作用长度的a o t f 作为分光元件时光信道监测仪的串扰 大小： 四、对设计的声光可调谐光信道监测仪进行了实验研究，分别给出了单信道 和多信道波长监测的实验结果，与理论分析吻合的很好；最后对监测仪 的测量精度和分辨能力进行了分析，提出了进一步提高监测仪性能的具 体方法。 关键词：光通讯波分复用光信道监测仪集成光学声光可调谐滤波器 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go fw a v e l e n g t h - d i v i s i o n - m u l t i p l e x i n g ( w d m ) t e c h n o l o g y , t h et r a n s m i s s i o na b i l i t yo fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e mm a ye n h a n c eac o u p l eo f t i m e sr a p i d l y a st h ec h a n n e ls p a c eo fw d m s y s t e mi sv e r ys m a l l ，i t se a s yt op r o d u c e c h a n n e lc r o s s t a l k ，a n de v e ni n t e r r u p tt h ec o m m u n i c a t i o n s oi t sn e c e s s a r yt om o n i t o r t h ep e r f o r m a n c eo fo p t i c a lc h a n n e l w em a d et h ea c o u s t i c o p t i c a lt u n a b l eo p t i c a l p e r f o r m a n c em o n i t o r ( o p m ) w i t ht h ef i l t e ro fa c o u s t o o p t i ct u n a b l ef i l t e r ( a o t f ) s u c c e s s f u l l yb yu s i n g t h e i n t e g r a t e do p t i c a lt e c h n i q u ef o rt h ef i r s t t i m e a c o u s t i c o p t i c a lt u n a b l e0 p mi sa l l s o l i d s t a t ed e v i c e w i t h o u ta n ym e c h a n i s md r i v e a n dt u n i n gs e t w h a t sm o r e ，i th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sw i d et u n a b l er a n g ea n d f a s tt u n a b l es p e e dc o m p a r e dw i t ht h eo t h e ro p m t h e r e f o r e ，t h ea c o u s t o o p t i ct u n a b l e o p mw i l lb eu s e da th o m ea n db o a r da tt h ef i e l do f o p t i c a lc h a n n e lm o n i t o r i n g w er e s e a r c h e d t h e a c o u s t o o p t i c t u n a b l eo p mw i t ht h ef i l t e ro fa o t f t h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y t h em a i nc o n t e n t so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h et h e o r e t i c a lb a s i so fc h a n n e lm o n i t o r i n g ，t h ed i f f e r e n tf i l e ra n dt h e d i f f e r e n tt u n i n gm e t h o do fo p mw e r ei n c l u d e d 2 t h eb a s i cs t r u c t u r ea n dw o r k i n g t h e o r yo fa o t fi se x p l a i n e d ，t h em o d e c o n v e r s i o na n dc o u p l i n go fa o t fw a si n t r o d u c e da n dt h er e a s o no fs i d e l o b ew a sa n a l y z e d 3 b a s e do nt h ef i l t e r i n gc h a r a c t e r i s t i co fa o t f , w ep r e s e n t e dan o v e l a c o u s t o o p t i ct u n a b l eo p m t h eb a s i cs t r u c t u r ea n dw o r k i n gt h e o r yw a s i n t r o d u c e d ，a n dt h ec r o s s t a l kl e v e lo fo p mw a sa n a l y z e d a tl a s t w e c a l c u l a t e dt h ec r o s s t a l kv a l u ew h e nt h ea c o u s t o - o p t i ci n t e r a c t i o nl e n g t h a n dt h es t r u c t u r ew e r ed i f f e r e n t 4 t h en o v e la c o u s t o o p t i ct u n a b l eo p mw a sr e s e a r c h e de x p e r i m e n t a l l y , i n c l u d et h es i n g l ec h a n n e la n dt h em u l t i p l ec h a n n e l sw e r em o n i t o r e d ，a n d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t t a l l yw i t ht h et h e o r ya n a l y s i sw e l l t h e nw e a n a l y z e dt h er e s o l v i n gp o w e ra n dt e s tp r e c i s i o n ，a n da tl a s tw eg a v et h e d e t a i l e dm e t h o d sf o rf u r t h e re n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fd e v i c e k e y w o r d s ：o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，w d m ，o p m ，i n t e g r a t e do p t i c s ，a o t f 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位做作者龇智白叫签字日期沙7 年月姗 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者虢智马m 签字日期：加1 年 ，月日 导师签名：立。迄 签字日期：文呻7 年7 月v 日 天津大学硕士学位论文 绪论 绪论 绪1 光信道监测仪的背景及其发展 光信道监测仪( o p m ) 作为光通讯系统中的信道监测仪器，它的产生与发 展和波分复用( w d m ) 技术的广泛应用是密不可分的【l 】。为了满足通讯系统对 传输速度和传输容量的需求，通信运营商和系统供应商都选择了高速波分复用系 统作为优化网络的首选方案，因而w d m 技术能够以其巨大的传输容量和高效的 传输带宽在光纤通信网络中得到广泛的应用【2 】。 波分复用技术是指在一根光纤中同时传送多个不同波长的光载波，而不像以 前只在一根光纤中传输一个光载波。所以采用波分复用技术可以使原来一根光纤 只传送一个光信道变为一根光纤传送多个不同的光信道，从而使光纤的传输能力 迅速提高数十倍甚至上百倍。波分复用与时分复用和码分复用相比具有很多优 点：一是巨大的传输容量，波分复用系统的复用光通路速率可以为2 。5 g b i t s 、 1 0 g b i t s 等，而复用光通路的数量可以是4 、8 、1 6 、3 2 ，甚至更多，因此系统的 传输容量可以达到3 0 0 4 0 0 g b i t s ，甚至更大。二是节约光纤资源，对于单波长通 信系统而言，1 个s d h 系统就需要一对光纤，而对于w d m 系统来讲，不管有 多少个s d h 分系统，整个复用系统只需要一对光纤。三是各个信道的传输透明， 升级扩容方便，只要增加复用信道数量与设备就可以增加系统的传输容量以实现 扩容，w d m 系统的各个复用信道是彼此独立的，所以各信道可以分别透明地传 送不同的业务信号，如语音、数据和图像等，彼此互不干扰，这给使用者带来了 极大的便利。四是利用e d f a 实现超长距离传输，一个带宽很宽的e d f a 就可以 对w d m 系统的各复用光通路信号同时进行放大，以实现系统的超长距离传输， 避免了每一个光传输系统都需要一个光放大器，w d m 系统的超长传输距离可达 数百公里，可以节省大量中继设备，从而降低成本。五是可以实现全光网络，全 光网络是未来光纤传输网的发展方向，在全光网络中，各种业务的上下、交叉连 接等都是在光路上通过对光信号进行调节来实现的，从而消除了e o 转换中电子 器件存在的瓶颈。 现在的光通信网络，包括骨干长途网、本地城域网和用户接入网，都以w d m 技术为平台，基于w d m 的光传送网构成了整个通信网络的基础物理层。而随着 天津大学硕士学位论文绪论 w d m 技术的不断升级，通信网络中的光信道问隔已由2 0 0 g h z 发展到了 1 0 0 g h z ，5 0 g h z 甚至2 5 g h z 。由于信道的数量越来越多，信道的速率不断提高， 传输的容量也越来越大，所以如何保证通信网络的安全与稳定运行就显得十分重 要【3 】。首先，对系统运营商和设备供应商而言，为了保证光网络在多信道和高速 率的条件下运行稳定可靠，就必须在光网络中比较重要的位置对各个光信道的波 长、功率和光信噪比( o s n r ) 进行监测；其次，由于光纤通信网络的广泛应用， 使网络的拓扑结构变得越来越复杂，所以要实现对网络管理的智能化和网络控制 的自动化也要求对网络中关键节点的状况进行实时监控；再者，随着现有光网络 逐渐老化，光通信网络面临着不断升级与更新的问题，对于那些即将被更新的光 网络，我们更需要对其工作状况进行实时监测；最后，对器件供应商和光纤制造 商来说，他们也需要更加快捷、简易和针对性更强的设备来对w d m 产品进行测 试。w d m 系统光信道监测仪的产生，正是为了满足这些需求而出现的一种精确、 轻便、快捷的监测仪器。 对w d m 系统的光信道进行监测，以前通常采用“导频 的方法，即采用一 种可以在全部w d m 信道中进行传输，并能够在各个网络节点处进行测量的低频 幅度调制来进行监测。还有一种方法是在数据传输信道中增加一个监控波长，这 样也可以实现类似的监测功能。但这两种方法都具有一些明显的缺点，首先是它 们不能提供某一特定信道的相关信息，其次它们自身也可能产生噪声，这些不足 都限制了它们在光信道实时监测中的广泛应用。 现在对光信道进行监测一般利用光信道监测仪，它们采用了波长选择器件， 可以实现对多个信道同时监测，并且能够提供每一信道的相关信息。光信道监测 仪首先从光纤中抽取少量的光功率作为信道的监测光，然后通过分光元件对不同 信道的相关参数进行监测。o p m 可以采用的分光元件很多，比如法布里一珀罗标 准具【4 】【5 1 、阵列波导光栅【6 】【7 】、光纤布拉格光栅【8 1 、钒酸钇( y v o 。) 晶体器件【9 】 等；目前，华为公司生产的光信道监测仪就采用的是阵列波导光栅作为分光元件， 而美国m i c r oo p t i c s 公司生产的光信道监测仪则采用的是光纤法布里一珀罗作为 分光元件。 光信道监测仪能够根据通信系统中光信号的特点，实时监测通讯线路卜大约 3 2 n m 波长范围内光信道的中心波长、光功率、o s n r 等参数。作为一个监测仪 器，除了要求指标上的稳定和准确之外，还要求能够适应各种恶劣的外部工作环 境。比如一个典型的o p m ，其技术指标主要包括：工作波长的调谐范围、波长 分辨率、波长精度、输入光功率范围、光功率分辨率、光功率精度、o s n r 、扫 描时问、工作电压、工作电流、工作温度、储存温度、工作湿度、储存湿度、外 观尺寸等。 天津大学硕士学位论文绪论 根据功能的不同，我们通常把o p m 分为低端和高端两种。其中低端的o p m 模块只能对光信号的功率和波长进行实时监控，这类o p m 模块成本较低，应用 面也较广；高端的o p m 模块能对光信号的波长、功率、o s n r 等参数进行实时 监控，相对成本比较昂贵，主要应用于光网络的关键节点的监测，为系统网管提 供准确可靠的网络参数。 根据监测信道的波长间隔不同，o p m 模块可在型号上被分为5 0 g h z ， 1 0 0 g h z ，2 0 0 g h z 三种，其中目前比较常用的是2 0 0 g h z 和1 0 0 g h z 两种型号， 而5 0 g h z 的o p m 模块对性能要求较高，所以目前应用较少，但它应该是波分复 用系统发展的必然方向。从监测波长的范围来看，可分为s 、c 和l 三个波段。 评估一个o p m 模块是否优秀最重要的指标就是o s n r 的测量范围、测量精度和 调谐速度。对1 0 0 g h z 的系统，要求测得的o s n r 指标高于2 5 d b ，测量误差小 于百分之五。对5 0 g h z 的系统而言，由于通道间的串扰更加严重，系统对其o s n r 指标要求更为严格，一般要求o p m 模块也能达到2 5 d b 以上。 光信道监测仪作为一个功能模块，除性能指标之外，它的尺寸大小也十分重 要，尺寸越小，其市场优势就越大。在与系统通讯的接口协议上，目前各个厂家 都根据自己的设计来进行定义，暂时还没有一个统一的标准，所以现在o p m 模 块在系统上还没有被广泛统一采用。 目前，能够生产并提供o p m 模块的厂家，主要是一些国外的公司，其中包 括a x s u nt e c h n o l o g i e s ，b a y s p e c ，o c e a no p t i c s ，y o k o g a w a ，n o y e sf i b e rs y s t e m s ， c i s c o ，o p t o v a t i o n l i g h t c h i p ，n o r t e lt e l e c o m ，c o n t r o ld e v e l o p m e n t ，o p t e n i a ，l u c e n t 等十几家公司；在国内，主要是武汉的光迅科技股份有限公司( 简称武汉光迅) 。 在上述o p m 模块生产厂家里，以o c e a no p i t c s 、b a y s p e c 和a x s u n 这三家的产品 最全面，也占据了目前主要的市场份额。在国内，武汉光迅开发的o p m 模块比 较成熟，已经可以应用于c 波段i o o g h z 的w d m 系统。 绪2 声光可调谐滤波器的背景及其应用 光纤通信网络使用的多种光器件中，光学部分通常为三种结构：微光学结构、 纤维光学结构和集成光学结构。1 9 6 9 年美国贝尔实验室的s e m i l l e r 首先提出集 成光学器件的设想。什么是集成光学? 它是指各种光器件和光波导器件的集成技 术，即采用各种半导体工艺，在某种基片上制作出光器件和光波导器件，简称 p i c t l 0 1 。具体地说，就是在一个细小的基片上实现光发射、光探测、光耦合、光 分支、光波分复用、光滤波、光开关等一种和几种功能，以达到器件的微型化和 实现高功能密度。平面光波导技术和平面微制造技术的成功结合使这一设想变为 天津大学硕士学位论文绪论 现实。 历经三十年的研究开发，特别是近十几年，光通信向高速率、大容量的方向 发展，对于光集成器件的需求越来越迫切；同时，随着半导体制作技术的飞速发 展，光集成器件不断涌现，有些器件已逐步成熟，开始从实验室走向实用化。可 以预期，光集成器件将在光通信、光交换、光传感等领域大量使用，新的集成度 更高的器件将逐渐取代现有的分立元件，并且有一些平面集成光波导器件已经达 到了商用化的水平【l i 】。 光纤通信与超大规模集成技术同为当今信息化社会的支柱性产业，两者协调 发展将成为人类文明进步的必要条件。光纤通信实用化以来，人们在孜孜不倦地 追求系统的完美与光学元器件的技术进步。就光纤通信的发展趋势而言，首先是 超高速大容量和长距离化，其次是扩展应用领域，向着两点通信网络化发展。特 别是近来光纤通信的传输速率与信息量正以惊人速度增长，为提高系统性能相加 快普及步伐，光波导器件已成为光纤通信系统不可缺少的关键部件【l 引。目前，光 波导技术及相应的集成光学器件和光电集成回路，已成为发达国家优先发展的领 域【13 1 。 声光可调谐滤波器作为一种新型的集成光学器件，正是伴随着光纤通讯全光 网络的飞速发展和集成光学器件工艺水平的不断提高而发展起来的。它与其它滤 波器相比，具有调谐范围宽，调谐速度快，滤波带宽窄、调谐无运动部件等优点， 特别是具有多波长同时独立滤波处理功能。声光可调谐滤波器又分为“体器件” a o t f ( 自由光波) 和“波导器件”i a o t f ( 波导光波) 两种，而后者又具有体 积小、效率高、插入损耗低、驱动功率低等优点，特别适合应用于光纤通讯传输 系统。 鉴于a o t f 器件的优越性能，世界各国都开展了比较深入的研究，有利的推 动了a o t f 器件的发展。美国、德国、意大利、日本等国家从7 0 年代的体器件 到8 0 年代的波到器件，开展了一系列的技术研究，开发了各种器件，重点瞄准 新一代光通讯技术w d m 、o a d m 系统应用，美国于1 9 9 4 年开始的m o n e t 计 划，包含基于声光可调谐滤波器结构的8 波长通道o a d m 节点的研究；同时 a o t f 作为一种优异特性的滤波分光元件，在小型近红外光谱仪、可调谐光纤激 光器制作方面都有极大的应用价值；其中小型近红外光谱仪已在化工、制药、石 油行业生产线中得到成功应用。 国际上，声光滤波器a o t f 研制受到广泛重视，其中体器件a o t f 已经得 到了大量应用，目前逐渐加强波导器件i a o t f 的研究投入，其中德国p a d e r b o m 大学、日本富士通公司、美国、意大利的机构都开展了一系列研究工作。 国内自2 0 世纪9 0 年代开始此项技术的研究，其中北京大学、清华大学、武 4 天津大学硕士学位论文绪论 汉邮电科学院等单位都取得了一定的研究成果，天津大学理学院的光学实验室与 中国航天科工集团三院8 3 5 8 研究所也一直致力于该器件的研究工作，并取得了 一定的进展。 绪3 论文的主要内容 论文的主要内容是在已经研制成功的依赖于偏振的单级共线型声光可调谐 滤波器的基础上，对以声光可调谐滤波器为分光元件的光信道监测仪进行了理论 和实验研究，课题的研究内容具体由四部分组成。在第一章中，我们对光信道监 测仪在光通讯系统中的作用及发展过程做了简单的介绍，然后分别阐述了光信道 监测仪中常用的几种分光元件和波长调谐方法，并且对它们的结构和优缺点做了 客观的描述；在第二章中，我们首先介绍了声光模式转换的耦合模理论，然后对 集成声光可调谐滤波器的基本结构进行了描述，包括对偏振依赖的单级共线 a o t f 、不依赖偏振的单级准共线a o t f 以及不依赖偏振的两级和多级a o t f 的 结构特点和性能差异进行了详细的比较，最后详细分析了a o t f 产生侧瓣的原因 以及侧瓣对信道监测的影响，这对设计声光可调谐监测仪有重要的指导意义；在 第三章中，根据光信道监测仪的工作原理，我们利用a o t f 的滤波特性，设计了 声光可调谐光信道监测仪的基本结构，介绍了声光可调谐光信道监测仪的优点， 特别是在第三节中对所设计的声光可调谐光信道监测仪的串扰水平及影响串扰 的因素进行了详细分析，计算了采用不同结构和不同声光作用长度的a o t f 作为 分光元件时光信道监测仪的串扰大小；最后，在本文的第四章里，我们介绍了实 验中采用的仪器和相关实验条件，对设计的声光可调谐光信道监测仪的可行性进 行了实验研究，包括对监测仪的监测范围、半峰全宽、分辨能力等参数进行了实 验测量，并对单信道和多信道光源的工作波长进行了实时监测，测量结果和理论 分析吻合的较好，最后对声光可调谐光信道监测仪的测量精度和分辨能力进行了 分析和讨论，并捷出了进一步提高声光可调谐光信道监测仪性能的具体方法。 天津大学硕士学位论文第一章光信道监测仪概述 第一章光信道监测仪概述 本章首先阐述了衍射型和干涉型的光信道监测仪的工作原理，然后对目前光 信道监测仪中采用的各种分光元件的结构和特点进行了描述，最后介绍了光信道 监测仪中经常使用的几种调谐方法。 1 1 光信道监测仪的基本原理 目前，各个公司正在或者已经研发出来的o p m 有多种型号和种类，但根据 光信道监测仪的分光原理，我们可以把它们分为衍射型和干涉型两种。由于不同 种类o p m 模块使用的分光元件并不一样，使得不同o p m 模块在工作原理上又 有较大的变化和差异，所以我们下面简单介绍一下这两种主要的o p m 的工作原 理。 1 1 1 基于衍射型的o p m 基于衍射型的o p m 模块主要由三部分组成：衍射部分，阵列探测裂1 4 】，信 号处理器。这种类型的o p m 因衍射元件和衍射方式不同而在具体结构上有所差 异。其中，衍射元件主要有透射型衍射光栅【15 1 、反射型衍射光栅【1 6 1 和光纤光栅【1 7 】 等几种；而衍射方法主要包括单通、双通以及四通等。 基于衍射型的o p m 模块基本工作原理如下：首先，从光网络中提取出一定 比例功率的光信号；该光信号经过准直透镜后转变为平行光，并使平行光沿着衍 射光栅的最佳衍射角入射；经过衍射光栅后，得到衍射效率极大的衍射光，不同 波长( 频率) 的光信号被分离开；分离后的光信号经过会聚透镜，被会聚在阵列 探测器的不同象素上，并在阵列探测器上按波长( 频率) 依次分布；阵列探测器 对光信号进行实时快速采样，将光信号的幅度转换为电信号，从而获取原始的光 谱数据，并将原始数据传送给信号处理器；信号处理器对原始数据进行处理和分 析，根据光强的幅度和分布，进行去卷积运算，恢复光谱曲线，计算出光信号的 相关参数。 1 1 2 基于干涉型的o p m 基于干涉犁的o p m 也主要由三部分组成：可调谐滤波器，探测器和信号处 天津大学硕士学位论文 第一章光信道监测仪概述 理与控制器。同样，这种结构的o p m 模块因可调谐滤波器及其驱动不同而在结 构上有一定的差异。现在所采用的可调谐滤波器原理主要分为m i c h e l s o n 干涉仪 【1 8 】、f a b r y p e r o t 干涉仪【1 9 】和介质膜滤波甜2 川等；而所采用的驱动主要有压电陶 瓷、微电机系统( m e m s ) 以及温度传感等。 基于干涉型的o p m 模块基本工作原理如下：首先，从光网络的信号中，提 取出来一定比例的光功率，传送到可调谐滤波器；可调谐滤波器对输入的光信号 进行滤波，将一定带宽的光信号透过，再导入光电探测器中；光电探测器进行光 电转换，对光信号采样，将光信号的振幅转换为电信号传送给信号处理与控制器； 信号处理与控制器在接收了采样数据后，再发送指令，改变可调谐滤波器的通带 波长，如此反复，直到扫描完所需的整个波长范围；最后信号处理器将得到的采 样数据进行分析和处理，计算得出光信号的通道中心波长、光功率、o s n r 等指 标，并将结果和光谱数据输出。 1 2 光信道监测仪的分光元件 光信道监测仪的核心部分是一个分光元件，它是一种波长( 频率) 选择器件， 它的功能是从许多不同频率的输人光信号中，根据需要选择出一个特定频率的光 信号作为监测对象。一个质量优良的分光元件应该具有细度高以容纳更多的信 道、带宽窄以允许信道间隔小、波长可调节范围宽、在分组交换中用于多信道快 速交换时波长交换速度快、波长稳定性好和精度高等优点，并具有潜在的价格优 势。目前出现的用在光信道监测仪中的分光元件主要基于法布里一珀罗标准具、 光纤布拉格光栅、阵列波导光栅、介质薄膜等，下面我们分别对这些分光元件的 原理及其优缺点进行详细介绍。 1 2 1 法布里一珀罗型分光元件 e o f ( 2 0m 图1 1法布里一珀罗标准具工作原理图1 2 法布里一珀罗监测方案 f p 干涉仪，也称为标准具，是一种多光束干涉仪器( 如图1 1 所示) 。在光信 天津大学硕士学位论文 第一章光信道监测仪概述 道监测仪中，f p 干涉仪以透射方式工作。因此，研究f p 干涉仪的分光作用，只 需要研究其透射特性。根据多光束干涉原理，忽略介质吸收损耗，干涉仪的光强 度透过率和位相条件缈可表示为 k=ir=f可(而i-r而)2io ( 1 2 1 ) 培一一面i k 丽五丽历 u z j j 妒= ( - 竿- ) 2 n d e o s f l ( 1 2 2 ) 九 。 其中：i t 和i 。分别是入射光和透射光强度；r 是干涉仪两反射面的反射率；缈是 两相邻光束问的位相差；n 是两反射面之间介质的折射率；d 是两反射面的间距， 即介质厚度或f - p 腔长度。当满足够= 2 m n 时，可得干涉仪透射光强分布的极大 值，由式( 1 2 2 ) 可知，透射波长的大小仅由d 和所决定，所以我们可以通过固 定器件的腔长d ，然后调谐入射光波的角度实现对波长的选择，或者还可以固定 入射光波的角度，通过调谐器件的腔长也可以达到选波的目的。 以法布里一珀罗标准具作为o p m 分光元件的监测方案( 如图1 2 ) 具有很多优 点，比如精度高，分辨能力强，技术成熟，成本低等。但是，在w d m 系统实际 应用中，为了达到对0 8 r i m 波长间隔的相邻信道进行监测，对应的腔长调谐量为 1 2 5 n m ，而腔长调谐精度要做至l n m 量级对工艺要求非常高，实现起来非常困难， 目前，只有美国的微光公司提出的在光纤中实现f p 腔能基本满足要求。不过， 如果我们采用角度调谐的方式是容易实现的，对于1 0 0 g h z 的w d m 系统，对应的 角度步进大小约为0 2 度，这样的驱动装置采用步进电机就可以实现，但是同时 也存在调谐速度慢等缺点，不适合应用于信道的实时监测。 1 2 2 光纤布拉格光栅型分光元件 心 周期性折射事变化( 光娜) 图1 3 光纤布拉格光栅型分光元件 光纤布拉格光栅( 如图1 3 ) 是一种光纤折射率受到周期调制的光纤器件， 这种折射率的调制可使光纤内传输的光信号的不同模式进行耦合。对于短周期光 天津大学硕士学位论文第一章光信道监测仪概述 纤光栅，满足b r a g g 条件的人射光被光纤光栅耦合到反射模中，可得 五：弋2 n _ a ( 1 2 3 ) 允= 1 z j l n 式中，欠为光栅中心波长；1 1 为纤芯有效折射率；人为纤芯折射率的调制周期。 光纤布拉格光栅的中心波长灵敏性由光纤弹性、弹光和热光及加载的应力特性决 定。取一阶光栅衍射，并忽略高阶项，对式( 1 2 3 ) 作微分，则中心波长的变化量 可由下式决定： 从= 2 ( a 象+ n 釜l ) a l + 2 ( 人嘉+ n 等) ( 1 2 4 ) 式中，l 为光纤光栅长度；t 为光纤光栅温度。由式( 1 2 4 ) 可知，令l = 0 时， 通过温度变化可实现光纤光栅波长调谐；而令t = 0 ，即保持恒温，通过机械装 置调谐光纤光栅，也可实现光纤光栅的波长调谐。经过实验证明，采用温度控制 的方法对光纤光栅进行调谐速度较慢，而机械调谐方法需要有良好的机械稳定性 和可重复性。 1 2 3 阵列波导光栅型分光元件 图1 4 阵列波导光栅型分光兀件 图1 4 为阵列波导光栅( a w g ) 的结构示意图，它由n 个输入波导、n 个输出波 导和两个波导星形耦合器及一个相位阵列波导组成。从功能上讲，可以把a w g 看成由一个相位控制器、一个衍射光栅和外加辅助的输入与输出波导所组成。其 中输入星形平板波导和阵列波导组成相位控制器，使到达衍射光栅的光波相位与 光的输入端口、光波波长有关，与阵列波导输出端口相连的星形平板波导的输入 端面充当衍射光栅的作用。通过对a w g 结构参数的合理设计，可使周期性a w g 输入和输出端面波长呈现一一对应的关系，不同光波波长组成的入射光束经阵列 波导光栅传输后，按波长输出在不同的波导端口上，同时利用热光效应就可以实 现a w g 的波长进行调谐。 9 天津大学硕士学位论文 第一章光信道监测仪概述 a w g 的特点是信道间隔小、插入损耗低、均匀性好、复用信道数多、体积 小和易于与其它器件集成等；并且由于是波导集成器件，易于批量、自动化生产， 在成本上有一定的优势。但它也有不少缺点，比如如何精确控制a w g 中各个光 臂的长度差以消除不同路径之间的串扰，还有就是制备a w g 的基底材料具有温 度敏感性，这些不足都是a w g 大规模应用到实际信道监测中必须解决的重大技 术难题。 1 2 4 介质薄膜型分光元件 介质薄膜型分光元件是由介质薄膜( d t f ) 构成的一类芯交互型干涉器件， 它由几十层不同材料、不同折射率和不同厚度的介质膜，按照设计要求组合起来， 每层的厚度为1 4 波长，一层为高折射率，一层为低折射率，交替叠合而成。 当光入射到高折射层时，反射光没有相移；当光入射到低折射层时，反射光经历 1 8 0 0 相移。由于介质层厚为1 4 波长，因而经过低折射率介质层反射的光波经历 3 6 0 0 相移后与经过高折射率层的反射光波同相叠加。这样在中心波长附近各层反 射光叠加，在分光元件的前端面形成很强的反射光。但在这高反射区之外，反射 光突然降低，大部分光成为透射光。据此可以使薄膜干涉型分光元件对一定波长 范围呈通带，而对另外波长范围呈阻带，形成所要求的分光特性。薄膜干涉型分 光元件的结构原理如图1 5 所示。 图1 5 介质薄膜型分光元件 介质薄膜分光元件的主要特点是，可以实现结构稳定的小型化器件，信号通 带平坦且与极化无关，插入损耗低，通路间隔度好。缺点是通路数不会很多。具 体特点还与结构有关，例如薄膜型分光元件在采用软型材料的时候，由于分光元 件容易吸潮，从而会受环境的影响而改变波长；当采用硬介质薄膜时，材料的温 度稳定性优于0 0 0 0 5 n m o c ，一般不会产生波长变化。另外，这种器件的设计和 制造周期较长，产量较低，光路中使用环氧树脂作为介质材料时，隔离度不是很 高，带宽也不容易被压得很窄。所以只有应用到4 至1 6 个波长的w d m 系统中 1 0 天津大学硕士学位论文第一章光信道监测仪概述 时，采用该类型分光元件是比较理想的。 1 3 光信道监测仪的调谐方法 光信道监测仪中，最主要的部分就是分光元件，它的性能好坏直接决定了光 信道监测仪的测量精度、分辨能力等参数。根据w d m 系统高速度、大容量的要 求，一个好的光信道监测仪，除了要有较高的测量精度和分辨率外，还必须有快 的调谐速度，以满足w d m 系统快速、实时的监测要求。而光信道仪调谐速度的 快慢主要由分光元件调谐方法所决定，不同的分光元件采用的调谐方法也不尽相 同。目前，在光信道监测仪中通常采用的调谐方法有压电调谐【2 、热调谐【2 2 1 、 机械调谐1 2 副等。 压电调谐法主要用在法布里珀罗分光元件中，它主要是利用材料的压电效 应改变f p 腔的长度，从而达到滤波的目的。压电效应是指在机械应力作用下， 引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的 束缚电荷的现象。反之，当这类材料在外电场的作用下，其内部正负电荷中心位 移，又可导致材料机械变形，形变的大小与所加的电压大小成正比。在法布里一 珀罗o p m 中，每个波长的光波分别对应一个特定的谐振腔长，而加在谐振腔上 的扫描电压与谐振腔的长度又是一一对应的，所以通过连续的扫描电压信号就可 以选出所需要的工作波长。采用压电调谐的o p m ，调谐速度较快，可以达到几 十毫秒，但是要达n o 0 8 n m 的调谐精度比较困难，工艺制作难度也较大。 热调谐法通常用在阵列波导光栅o p m 中，它主要是利用热光效应实现波长 调谐的目的。通过对晶体进行局部加热，使阵列波导温度发生变化，从而引起波 导折射率的改变，而波导折射率的改变会使通过该波导的光波相位发生变化，进 而实现波长调谐。热调谐较之压电调谐最大优点的是在大范围的波长调谐过程 中，不会出现线宽扩展现象，但热调谐的响应速度较慢，只适合应用于相干光通 信和光测试等要求较窄线宽系统，不适合应用于光交换等高速系统。 机械调谐一般是通过步进电机改变入射光角度达到调谐的目的，该方法主要 用在法布里一珀罗o p m 中。在利用步进电机进行调谐时，它的精度主要由步进 电机的步距角或步距增量所决定。我们可以通过对电机驱动电流的调节实现对步 距角的控制。当采用三相步进电机，对步进电机进行2 0 细分，则步进电机的最 小步距角可以达到o 0 1 8 度，对应的步距增量为0 0 8 n m ，能够满足对1 0 0 g h z 的 w d m 系统进行调谐的要求。虽然采用步进电机进行机械调谐的方法比较简单， 也容易实现，但是其测量精度不高，而且调谐速度较慢，所以一般应用较少。 天津大学硕士学位论文第二章声光可调谐谐滤波器概述 第二章声光可调谐滤波器概述 本章首先阐述了声光可调谐滤波器的模式转换耦合模理论，然后介绍了声光 可调谐滤波器的几种不同类型，分别对它们的结构特点、工作原理和参数性能进 行了描述，最后对声光可调谐滤波器产生侧瓣的原因进行了详细分析。 2 1t e c ，t m 模式转换的耦合模理论 声光可调谐滤波器的滤波特性是通过声波与光波的相互作用实现的，我们可 以用耦合模理论【2 4 1 来对声光模转换过程加以分析。沿x 切y 传铌酸锂晶体钛扩 散单模光波导传播的光波有两个偏振模式，准t e o 模和准t m o 模。设它们的光 波电矢量分别为e r e 和e a m 。若沿光波传播方向的折射率受到周期性扰动，则介 电张量可以分解为： e ( x ，z ，y ) = f o ( x ，z ) + a e ( x ，z ，y ) ( 2 1 1 ) 其中占( o 是介电张量的主要部分，占是微扰部分，它延y 轴方向周期性变化。 不含微扰的波动方程为： v 2 岔一胪( o ( x ，z ) i ；岔= 0( 2 1 2 ) o t 一 其中童代表光波的电矢量。 其通解为正交归一的简正模的线性组合： 营= a ，局( x ，y ) e x p - i ( mt - , a , z ) 】 ( 2 1 3 ) i = t e ，t m 以t e 营t m 转换为例，设在t = - o 时，波导中只存在模( 工，z ) ，其振幅为a r e ， 则波方程的解为： e = 如( x ，z ) e x p - t 一z ) j ( 2 1 4 ) 上式说明，不存在微扰时，如果t = 0 时，波导中只存在t e 模( x ，z ) ，以后任 意时刻，也仅存在t e 模，不会激起t m 模。加上周期性微扰后，包含微扰的波 动方程为： v ：营彳h 础) + 坝琊川 警= o ( 2 1 5 ) 将周期性微扰进行傅里叶展开得： 1 2 天津大学硕士学位论文第二章声光可调谐谐滤波器概述 叫础川= 荟“那) e x p ( 一砌鲁刁 ( 2 6 ) m 0 o 群竺z c ( m ) 葛譬割亿 ，争= ，裂以e 冲 ( 一一所酬一 因为沿x 切y 传铌酸锂晶体钛扩散单模光波导中的准t e o 模和准t m o 模传播方 向相同，因此它们之间的耦合属于同向耦合。这时的l 屈i 届= l f i , l f i ：= - 1 。所 以，耦合模方程简化为： 此方程组的解为： 仁 、， e 如 帅 邶 必虬m z 丁一7牡乒纽肪 = 陋 力 如 抄 旦出 j 一出 q ， 一 卿 枷 伦 l，一：， 、川 ， c ( 魄 一一 钉 卜 = 力 矩 “ 厶 k 曼砂乙砂 天津大学硕士学位论文第二章声光可调谐谐滤波器概述 a r e ( y ) 4 ( y ) 式中，s = 。( 竽 y c o s ( 咖z ：p 一愕尘s m ( 妙 【 s f 嗝 若在z = 0 时只存在t e 模，即假设( 0 ) = l ，( o ) = 0 ，则在坐标为y 处的模 振幅为： 讪) = c o s c 咖r 等s i n 斗份 亿3 ， ( y ) ：f t c s i n ( s y ) e - i ( - 竽) y 卜“叫 能量从t e 模耦合到t m 模的比率，即转换效率为： 卜i s f 譬1 2 2s i n 2 ( s y ) = 尚s i n 2y 历丽) 亿4 ， 当满足布喇格条件时，= 0 ，耦合效率，即模转换效率最高： k = s i nz ( | 茁l y ) ( 2 1 1 5 ) 在一定媒质中，应变弹光张量p 是确定的，这时耦合系数依赖于光的偏振方 向和应变张量的振幅s ，后者又依赖于声波的传播方向和偏振方向。在x 切y 传的l i n b 0 3 晶体中，光波和声波都沿晶体的y 轴传播，若入射光的电矢量沿晶 体z 轴方向，为t e 模：出射光的电矢量沿x 轴，为t m 模，为使两个传播模式 之间实现布喇格耦合，声波必须是沿x 轴方向偏振的剪切波。 在波导型声光器件中，沿波导的折射率纵向扰动由平行于光波导方向传播的 声表面波来激发，叉指电极激发的应变为【s - d 】【e 】，其中 棚为压电系数张量， 阁为叉指电极激发的电场。根据弹光效应，引起的折射率变化为： l i = 【尸 s 】= 【p 】【d e 】 ( 2 2 1 6 ) 【p 、【d 分别为应变弹光系数张量和压电系数张量。对于x 切y 传l i n b 0 3 ， 【e 】= 【e x ，0 ，t ，有： 占。= 一”。2 刀。2 只l 瓯= 2 刀，2 刀。2 只i d 2 2 e x 0 ( 2 2 1 7 ) 在位相匹配条件下，占。能够使一种偏振模式完全转变为另一种偏振模式。 1 4 劲 、” m a 4 刁 、， p 劝 妇 蛳 卜一 竺s 毕一勉厶s 望勉 力 “ 撕 4 畎 吼 又唑厶 天津大学硕士学位论文第一章声光可调谐谐滤波器概述 2 2 声光可调谐滤波器的类型 2 2 1 依赖于偏振的单极共线型a o t f 依赖于偏振的共线型声光可调谐滤波器结构如图2l 所示，它以x 切y 传 l i n b 0 3 晶体为基底，主要山钛扩散的光波导