DWDM系统中可调谐光滤波器的发展与应用

1、DWDM系统中可调谐光滤波器的发展与应用摘要： 可调谐光滤波器是未来全光网络中的核心光器件，在DWDM系统中发挥着重要作用。文章对几种常用及极具发展潜力的可调谐光滤波器的原理以及最新进展进行了介绍，最后给出了可调谐光滤波器在可重构光分叉复用、光性能监测以及可调激光器方面的应用。关键词：可调谐光滤波器；密集波分复用；可重构光分叉复用；光性能监测1. 引言可调谐光滤波器（TOF）与可调谐激光器并称为光通信网络与系统中最为关键的两大光器件，随着密集波分复用（DWDM）信道数的增加，实现窄带宽的滤波，大功率的激光输出成为研究热点。由于TOF和激光源的结合就成为可调谐激光器，因而TOF的发展不可避免的成

2、为DWDM系统中的重中之重。目前DWDM系统普遍达到80路及以上的波分复用，基于各种技术的TOF也相应具备调谐范围宽、调谐速率快，窄带宽、驱动功率低，插入损耗小，隔离度高等特点。近年来，光学滤波的技术种类越来越多，根据不同技术制成的TOF由最初的TFF型、F-P腔型发展到声光可调谐滤波器（AOTF）型、微环谐振腔型、光子晶体型、光纤光栅型等。本文简介几种极具发展潜力的TOF的发展与应用。2. 可调谐光波长滤波器（TOF）类型2.1 介质膜滤光片型（TFF） 介质膜滤波器（TFF）技术是WDM系统商用后最成熟的波分复用技术，这一技术的核心在于介质薄膜滤光片。TFF型TOF工作原理为：在玻璃衬底上

3、镀膜，多层膜的作用使光产生干涉选频。介质膜型光滤波器对滤光片的制备有很强的依赖性，薄膜工艺的发展成为制约这种滤波器发展的主要因素，特别是高达200层的膜系对基板的应力作用以及基板厚度、类型和线膨胀系数对器件通带的波纹度（Ripple）、色散等关键指标的影响很大。目前TFF型光滤波器的关键技术难点在于提高器件隔离度和器件的消偏振。提高隔离度常用的方法是利用多个F-P腔的级联达到滤波的通带平坦，F-P腔数目越多，滤出波形的矩形度越好，然而多腔滤波片带来的负面影响是Ripple随腔数增大，这将直接影响到输出光的功率稳定性。对此，Herman Van de stadt 对不同数目的腔叠加的反射率匹配条

4、件进行了详细的分析，通过调整中间F-P腔其与两边的各腔反射镜的反射率达到匹配1。TOF的消偏振问题近年来有很多研究，文献2通过薄膜矩阵算法将滤波片间隔层混以高低折射率混合的材料，对准偏振光的中心波长，文献3通过特征矩阵找到满足不同偏振光反射率相同的折射率材料，实现偏振光的带宽重合。基于TFF技术国外已经发展了两种技术，一个是日本的SANTEC公司，该技术使用非均匀多腔薄膜滤光片通过机械推拉改变腔长滤波，另一个是美国Optoplex公司申请的三端口TOF专利，通过转动滤波片的角度来实现波长可调。图5为基于Optoplex公司三端口TOF专利设计两端口TOF原理图。图1 一种消偏振的两端口可调谐光

5、滤波器在近年的DWDM市场中，TFF技术波分复用器件占据一半份额，考虑到运营商对短期运营成本的考虑，在未来的2-3年内基于TFF技术的TOF仍将在DWDM系统中占据主导地位。2010年滤波片生产厂商lightwaves2020公司开始推出可调谐光滤波器模块，据悉该公司已推出基于其特有镀膜、器件微型化等技术的Alpha可调F-P型滤波器，其中一种基于TFF技术的滤波器利用步进电机驱动滤波片角度，具有3dB带宽小于0.2nm，损耗小于2dB，调谐范围达到20-150nm等优势。2.2 F-P腔型F-P腔型可调谐滤波器具有精细度高，调谐速度快，体积小等优点，在光纤通信系统中到了广泛的应用。目前F-P

6、腔型滤波器的分类很多，主要有MEMS型F-P腔滤波器，光纤型F-P腔滤波器，液晶型F-P腔滤波器等。光纤F-P腔滤波器的主要原理是通过将光纤端面进行抛光处理并镀以高反膜，以光纤端面之间的空气间隙作为F-P腔，通过压电效应改变腔长。目前在这一领域的先驱MOI公司宣称其产品由于没有透镜等准直光学器件，其产品能够提供工业上最大精细度范围为10-16000的选择。液晶型滤波器采用注入电流方法，通过电光效应改变腔内液晶分子的空间取向，从而改变液晶分子的非寻常光折射率实现调谐，这种光滤波器结构简单，调谐范围大，但是对温度敏感，而且易受液晶分子双折射导致的偏振影响。微机械调谐是近年发展势头非常迅猛的一种调谐

7、方式，基于这种原理的MEMS型光滤波器采用静电激励或热激励使反射镜发生机械位移，从而改变压电陶瓷材料的长度实现改变腔长的目的。4在OFC2010上，Dicon参展了其公司自主研发基于MEMS技术的TOF(如图2所示)，通过微机械系统调谐衍射光栅旋转角实现滤出波长变化。该公司的这种基于MEMS技术50GHZ的TOF近日已完成全可调范围内10亿次开关并且没有出现明显性能下降，它支持C或L波段工作，可以用于光通道监视，光频谱分析等各种领域。 图2 Dicon公司在OFC2010年推出MEMS型TOF原理图2.3 声光可调谐滤波器（AOTF）声光可调谐滤波器(AOTF)不受机械调谐精度影响，是DWDM

8、系统中一种很有应用前景的滤波器。其主要原理为：在各向同性介质中利用正常声光效应引起介质的弹性形变导致介质的折射率发生周期性的变化，有超声波传播的介质可以看作“光栅”对入射光进行滤波。然而，要制造高性能的TOF，必须使用各向异性介质，在声表面波（SAW）与光波相互作用下产生反常布拉格衍射，导致满足相位匹配条件（布拉格衍射条件）的入射光偏振态改变，与偏振控制器一起形成滤波器从而实现滤波。目前AOTF的关键技术难点在于压缩旁瓣效应与解决偏振依赖性。由于声波强度分布的影响，传统单级偏振依赖共线型AOTF透射谱旁瓣约为-9dB，3dB带宽约1.6nm，不适用于窄带滤波。近年来抑制旁瓣主要采用有加权耦合、

9、双折射、级联等几种方式。加权耦合通过改变声光耦合系数对旁瓣进行抑制，在2009年的APC会议上，石家庄大学提出通过优化高斯型权重函数改变声光耦合系数的方案能够将旁瓣压缩至-41dB。双折射切趾通过改变沿光波导方向的双折射率对旁瓣进行抑制，L.B.Aronson等人提出的基于双折射切趾的方案可以使旁瓣降至-30dB。多级滤波是通过多个单级器件级联实现压缩旁瓣。偏振依赖性是AOTF的关键技术， Bell实验室的David A.Smith提出了一种偏振无关的集成声光可调谐滤波器（IAOTF）结构，其主要原理是利用两个模分离器将TE模和TM模分入不同的波导并在输出端耦合（如图2所示）。加州大学的Cha

10、ng-seok Kim报道的AOTF利用Sagnac环加半波片的方式减小偏振相关损耗（PDL）5，另外，韩国国立全南大学的Kwang Jo Lee等人提出了一种解决AOTF偏振依赖性的新方法，利用声扭波耦合偏振模来达到消除AOTF的偏振依赖性的目的。6 图3（a） 依赖偏振的声光可调滤波器 图3（b） 不依赖偏振的声光可调滤波器目前国内外声光研究方面的工作比较多，声光可调谐光滤波器已经商用。Gooch& Honsego公司研制的AOTF可在高达一个倍频带的光谱范围内工作，在可见光范围内分辨率可达几个纳米，其旁瓣能够限制在-20dB以下。美国Brimorse公司研制的AOTF系列能够在整

11、个光谱范围内进行快速调谐。Crystal Technology公司生产的AOTF广泛应用于光谱仪和色散等领域，该设备的工作波长为0.34-4.5微米。2.4 光纤光栅型光纤光栅型滤波器是光子研究领域比较热门的技术，应用于WDM中的光纤光栅是利用光纤材料的光敏性(外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化)，在纤芯内形成空间相位光栅，满足布拉格光栅条件（，为光栅周期）的波长就会反射，其他的会透射，其作用是在纤芯内形成一个窄带滤波器（如图4所示）。由于光纤光栅对温度和压力敏感，一般通过温控和压力控制等方式改变光栅周期达到调谐滤出波长的目的。光纤光栅型滤波器可以直接熔接到系统中，由紫外

12、光源写入光栅的办法能够使反射光的反射率达到接近100%。其波长、带宽、色散等可灵活控制，能得到矩形度高的光谱，滤波特性较好。然而，光纤光栅型滤波器应用于多通道时，如采用级联的结构，分波时需要大量的FBG。基于减小FBG的目的，这种类型的滤波器常常采用光纤光栅加环形器的反射型结构，这给光纤光栅型滤波器带来了额外的损耗和较高的成本负担。目前，旁瓣串扰和调谐范围是光纤光栅型滤波器发展必须考虑的重要因素，由于FBG是石英材料，其弹性模量大，在采用常规调谐方式时候，其波长可调谐范围仅为0.01纳米/度，这样若要满足C波段的调谐，需要温度变化范围非常大，不能满足实际应用的要求。目前国内外采用改变调谐结构、

13、设计切趾函数的方法解决以上问题。文献7通过改变调谐结构利用1只FBG可实现40nm可调FBG滤波器。文献8通过级联多相移技术的取样光纤光栅补偿相位波动减小旁瓣串扰。图4 光纤光栅型TOF示意图2.5 微环谐振腔型（Microring-resonant）微环谐振腔是当前的研究热点，它可以实现多种功能器件，并且具有结构紧凑、品质因子高、元件体积小等优点，适合用于大规模集成电路，目前已有研究机构证实大于100个微环耦合制作光器件的可能性。因此，基于微环谐振腔的滤波器与其他光滤波器相比具有更加优越的灵活性来实现信道的空间分离。在单环谐振腔中，为了形成稳定的场分布，腔内的振荡模在经过一次往返后必须是自再

14、现的，故相位的变化必须是2的整数倍，即系统输出被反馈的信号应与原输入信号相位相同。满足微环谐振方程（R为微环半径，n为微环波导有效折射率）的光滤出，实现滤波功能9。基于微环谐振腔的滤波器的调谐通常通过热调制和改变微环半径实现，文献10 另外给出了一种有源调谐方案，利用自由载流子的吸收效应，通过注入自由载流子改变半导体的折射率实现调谐。 微环谐振腔型滤波器从结构上可分为垂直耦合型和侧向耦合型，其中侧向耦合需要电子束光刻来精确控制微环与直波导间的间隔，而垂直耦合只需要靠外延生长就可以控制耦合系数，从材料上可分为绝缘体型、半导体型和聚合物型，其中基于绝缘体的微环插损小，但仅适用于无源器件，基于半导体

15、材料的微环又分为硅和三五族化合物，硅材料工艺成熟但无法提供增益，三五族化合物材料损耗较高并且工艺还不成熟。基于聚合物材料的微环结构稳定，工艺制作简单并且成本较低，因而是极具发展潜力的一种方案。目前微环谐振腔型滤波器的研究重点在于多环级联工艺，由于单环滤波器通带平顶不够平坦，故这种类型的滤波器不可避免的向多环级联发展。图5（a）给出了不同环数滤出光谱比较图，可以看出，当环数增大时，滤出光谱的矩形度越来越好11。但多环级联在实际制作中会引入环与环间谐振调谐问题与耦合系数精确控制问题，因而设计环与直波导，环与环之间的耦合系数这一步骤非常关键。基于微环谐振腔光器件的研究主要集中在国外并已商用。其中Li

16、ttle optics公司是这一行业的先驱，该公司推出的基于专利的微环谐振腔技术的甚高阶多腔滤波器，最多腔数达到11个（如图5（b），该系列产品中的5微环滤波器损耗小于1dB，11环滤波率损耗也在2dB以下，由此可见，基于微环谐振腔的滤波器在50GHZ、25GHZ甚至更窄的频率间隔将拥有无可匹敌的性能。近年来，中国科学院半导体研究所也致力于微环谐振腔型光器件的研究，其通过采用电子束曝光（EBL）和感应耦合等离子刻蚀（ICP）技术制作的基于绝缘体上硅（SOI）的微环Q值达到33000，已经接近世界先进水平。 图5（a）不同环数时透射光谱对比图 图5（b）little optics公司11环TOF

17、结构图 2.6 光子晶体型光子晶体自从1987年提出以来，其理论和数值模拟技术已经发展得比较成熟。由于光子晶体尺寸小，因而适合制作微小的集成光器件，也是DWDM系统中光学滤波器的发展趋势。光子晶体型滤波器通过在光子晶体的周期性结构中引入缺陷，可以使得光子禁带中产生透射模式，从而实现对光波的控制。光子晶体滤波器的滤波性能远优于普通光滤波片，其阻带区对透过光的抑制极易达到30dB以上，且其带阻陡峭度接近90度，矩形度极佳。另外，由于光子晶体具有优良的弯曲效应，能量传输基本无损失，所以光子晶体滤波器对通过波段的光波损耗非常小。这些优势让光子晶体技术引起了国内外大量研究机构的关注，利用光子晶体制作可调

18、滤波器的研究更是层出不穷。可调谐光子晶体滤波器主要有用禁带缺陷的变化或者光子晶体结构层次变化两种形式调谐。基于这两种方式调谐的几篇文献值得重视，文献12通过调节空气膜的厚度实现对三通道滤波的调谐要求，并提出了多通道透射峰半高宽随光子晶体折射率增加而减小的结论，为调节TOF多通道宽度提供了方法。文献13用空气作为杂质层，由表面微机械技术制备光子晶体结构，利用表面微机械技术实现对空气膜的厚度调谐。文献14在光子晶体缺陷处引入液晶材料，将液晶与一维光子晶体结合，利用光子晶体的光子禁带、缺陷特性和液晶折射率随电压变化而改变的特性构造新型TOF，当驱动电压由0.5V增至5V时，透射峰从1520nm移到1

19、552nm，调谐范围达到32nm，带宽在0.4-1.7nm之间。 光子晶体被科学界称为“光半导体”，目前光子晶体技术已经从理论研究阶段过渡到实验室阶段，可以预计，在未来的几年中，基于光子晶体的各种光器件将逐渐走向商用。3. TOF在DWDM系统中的应用TOF在DWDM系统中主要用作光信号的复用/解复用、信号监测等方面。下面列举其在DWDM各种不同领域的应用实例。3.1 TOF应用于ROADM可重构光分叉复用器（ROADM）是DWDM系统中的核心设备，它对全光网络的传输能力，组网方式，关键特性等具有重要影响。目前，ROADM根据信道上下路方式可分为基于TOF以及基于光开关两类。采用不同TOF是实

20、现ROADM技术的主要方案，它便于网络升级，给运营商带来了更多业务开展的便利及运营成本的降低。加拿大报道的利用光纤光栅制成的ROADM在1550nm窗口有8路TOF，各路波长间隔0.8nm，国内也有研究机构报道了基于AOTF的ROADM，器件隔离度达到32DB，损耗小于3DB。通常，基于AOTF的集成化多信道ROADM采用多个AOTF串联的方式，与精密的温控装置配合使用，其响应速度达到ms级，可覆盖整个C波段滤波。另外，采用TFF技术与波长选择开关（WSS）、波长阻塞器（WB）配合使用，可实现光通道任意波长上下话路，便于灵活选择光信号。图7展示了基于WB的RODAM方案。 图6 TOF应用于R

21、OADM示意图3.2 TOF应用于OPM 随着DWDM的发展，如何保障光网络在大容量、高速率，复杂的拓扑结构中有效运行是业内研究的重点方向。OPM作为DWDM系统的检测设备，主要应用在DWDM系统构建，DWDM系统错误检测，DWDM系统降级老化检测三个方面，其商用以来一直收到系统设备商的追捧，各大器件制造商在其OPM产品上大做文章，在2010年OFC大会上，各大厂商纷纷推出其基于不同原理的干涉型OPM模块，例如Aegis的基于热光调谐滤波器的OPM、AXSUN的基于MEMS滤波器的OPM以及Opptolex的基于机械TOF的OPM等。 干涉型OPM主要由三部分组成：TOF、探测器以及信号处理控

22、制器。图8所示的为Optoplex公司基于薄膜滤波技术的OPM原理图，其基本原理为：首先从光网络信号中，提取出一定的光功率，TOF对传送过来的输入光信号进行滤波，将一定带宽的光信号透过后导入光电探测器，光电探测器对光信号采样后将光信号的振幅转换为电信号传送给信号处理控制器。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，计算出光信号的通道中心波长、光功率、OSNR等指标，并将结果和光谱数据输出。图7 TOF应用于OPM示意图3.4 TOF应用于可调谐激光器可调谐激光器是高速光通信系

23、统、WDM网络系统、光测试系统和快速波长交换系统等的重要光源，国际上常用的调谐方法有调谐谐振腔角度、声光滤波器、电调液晶标准具等。其中最具代表性的模块为JDSU采用INP单片集成技术将激光器和滤波器集成到一个平台上推出小尺寸的可调激光器，以及Santur公司基于MEMS器件从一组激光器阵列中选择合适波长技术的可调激光器。近年来，我国可调谐激光器的开发也有较大进展，图9展示了吉林大学研制出基于介质膜滤波技术的可调谐环形掺饵光纤激光器，其调谐范围涵盖整个C波段，边模抑制比大于60DB，波长稳定性优于0.01nm，其在DWDM全光系统中具有很好的应用前景。图8 基于薄膜滤波技术的可调谐环形掺饵光纤激

24、光器4. 结束语 DWDM系统是当前最常见的光层组网技术，它的成熟使得光网络从带宽规划逐渐转移到带宽管理上，TOF作为DWDM系统中核心光器件，对光信号的复用/解复用、性能监测等方面具有重要的意义。由此，也必然要求TOF向窄带宽，宽调谐范围，高隔离度方向发展。在未来的光通信系统中，如何改进各种滤波技术，如何改进TOF的各项指标仍将是器件制造商研究的重点。参考文献：1 Herman van de Stadt, Johan M. Muller. Multimirror Fabry-Perot interferometers J. J. Opt. Soc. Am. A,1985,2(8):1363-

25、1370.2 顾培夫,李海峰,章岳光等.用于倾斜入射的波分复用薄膜滤光片的特性及改进J.光学学报,2003,23(3):377-380.3 俞侃,黄德修,樊玲等. 角度调谐滤光片带宽消偏振研究J.光学学报,2010,30(1):214-217.4 Jason S. Milne, John M. Dell. Widely Tunable MEMS-Based Fabry-Perot Filter. Journal of microeletromechanical systems. 2009, VOL.18, NO.4.5 C.-S.Kim, B.Choi, J.S.Nelson, Q.Li, P.Z.Dashti, and H.P.Lee. compensation of polarization-dependent loss in transmission fiber grating by use of a sagnac loop interferometer, Opt.Lett,vol.30, 2005, Page(s)20-22.6 Kwang Jo Lee, In-Kag Hwang, Hyun Chul Park, Byoung Yoon Kim. Polarization-Independent all-fiber ac