第四章 光波分复用器

1、华南师大光电学院 黄旭光1.1.光波分复用光波分复用/ /解复用器的基本功能解复用器的基本功能 对多个信道的光波波长进行合成对多个信道的光波波长进行合成/ /分离的分离的光无源器件。器件的光无源器件。器件的N N个端口作为输入端个端口作为输入端输出端，一个端口作为输出端输入端。输出端，一个端口作为输出端输入端。 WDM - Wavelength Division Multiplexing (-WDM - Wavelength Division Multiplexing (-xer), DMUX DeMultiplexerxer), DMUX DeMultiplexer, , 第四章第四章 光波

2、分复用光波分复用/ /解复用器解复用器华南师大光电学院 黄旭光第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器 C, L, S bands, ITU-grad华南师大光电学院 黄旭光 在高容量光通信系统、接入网、全光网在高容量光通信系统、接入网、全光网络等领域中，光纤频带资源有着广泛应络等领域中，光纤频带资源有着广泛应用前景。同时在构成光纤网络中的光纤、用前景。同时在构成光纤网络中的光纤、光缆动态状况监测也用到光缆动态状况监测也用到WDMWDM技术。技术。第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器华南师大光电学院 黄旭光 1310/1550nm WDM 1310/1550

3、nm WDM 双波长复用双波长复用 CWDM CWDM 粗波分复用粗波分复用Spacing: 20nm, Spacing: 20nm, l l =1310 1610 nm, =1310 1610 nm,共有共有1212信道可用信道可用 信道间隔大信道间隔大, ,对各对各器件的指标要求降低器件的指标要求降低, ,不需冷却和温控不需冷却和温控, ,到具有低耗到具有低耗、廉价廉价( (低低30-40%)30-40%)、可靠可靠性高、易于维护等优点。性高、易于维护等优点。用于局域网和城域网用于局域网和城域网第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器华南师大光电学院 黄旭光第四章第四章 光

4、波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器 DWDM Dense WDMSpacing: 100 GHz (0.8nm), 50 GHz, 1552.52nmChannel #: 16, 32, 40华南师大光电学院 黄旭光2. 2. 主要技术主要技术第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器华南师大光电学院 黄旭光3.3.干涉膜型光波分复用器干涉膜型光波分复用器 由双光纤、自聚焦透镜和多层介质膜构由双光纤、自聚焦透镜和多层介质膜构成。其光学膜一般镀制成截止成。其光学膜一般镀制成截止( (短波或长短波或长波截止波截止) )滤光片或带通滤光片。如滤光片或带通滤光片。如13101310

5、1550nm1550nm的波分复用器的波分复用器第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器华南师大光电学院 黄旭光 选用超窄带滤光片时，可构成密集型波选用超窄带滤光片时，可构成密集型波分复用器。复用间隔可小至分复用器。复用间隔可小至lnmlnm。单窗口。单窗口二波密集型波分复用器二波密集型波分复用器. .第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器华南师大光电学院 黄旭光4.4.嵌入式光纤波分复用器嵌入式光纤波分复用器 由超薄型光学滤光片和光纤嵌入玻璃或金由超薄型光学滤光片和光纤嵌入玻璃或金属基体构成。在基体上开有一定夹角口两属基体构成。在基体上开有一定夹角口两个直槽

6、，将光纤置于直槽固定。切一个直槽，将光纤置于直槽固定。切一8 82020角度间隙，将滤光片插入其中，将另一角度间隙，将滤光片插入其中，将另一根光纤置于另一槽中固定根光纤置于另一槽中固定 第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器华南师大光电学院 黄旭光5. 多层介质膜滤波器多层介质膜滤波器: HLHLH(LLH(LLt t) H) Hr rL Li i (2NH) L(2NH) Li iH Hr r (L (Lt tL)HL)HLHLH 由厚度为由厚度为1/41/4l l的高反低反介质膜周期性的高反低反介质膜周期性堆积而成，两膜具有不同折射率。堆积而成，两膜具有不同折射率。DlD

7、l越越小，层数越多。小，层数越多。200GHz200GHz间隔间隔, , 几十层数。几十层数。串接使用，用于串接使用，用于8 8信道或与信道或与InterleaverInterleaver 组合。组合。第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器华南师大光电学院 黄旭光 优点优点: : 信道数灵活信道数灵活, , 插损和插损和PDLPDL低低, , 信道串信道串扰小，无须温控扰小，无须温控 缺点缺点: : 信道间隔难以小于信道间隔难以小于200GHz, 200GHz, 插损和成插损和成本随信道数而增加，插损均匀性差本随信道数而增加，插损均匀性差, , 分立体分立体器件，封装复杂。器

8、件，封装复杂。第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器华南师大光电学院 黄旭光6.6.耦合型耦合型WDMWDM 平面波导或熔锥光纤平面波导或熔锥光纤WDMWDM。波长间隔大。波长间隔大, , 用用于于 1310/1550 nm WDM1310/1550 nm WDM系统系统, 980/ 1550nm , 980/ 1550nm 和和1480/1550nm EDFA1480/1550nm EDFA双波长复用双波长复用第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器华南师大光电学院 黄旭光第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器 C: C: 耦合强度，耦合强

9、度，a: a: 为两光纤熔拉后锥体截为两光纤熔拉后锥体截面宽度，面宽度，n n2 2: :芯层折射率，芯层折射率，V: V: 归一化频率，归一化频率，C C随光波长而增大。通过熔拉技术调节两光随光波长而增大。通过熔拉技术调节两光纤的芯距和长度，可精确控制功率的转移纤的芯距和长度，可精确控制功率的转移, ,使不同波长的光从不同端口输出使不同波长的光从不同端口输出 P2 = P1cos2(CL)P4 = P1sin2(CL)华南师大光电学院 黄旭光第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器应用应用华南师大光电学院 黄旭光7.7.光纤光栅光纤光栅(FG)(FG) UV UV光诱导的纤芯

10、折射率周期光诱导的纤芯折射率周期L变化变化 第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器UV beam-1-1+1+1华南师大光电学院 黄旭光第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器最简单的正弦型最简单的正弦型FGFG，折射率，折射率: :L: L: 周期，周期，n neffeff: :有效折射率，有效折射率，d dn: 折射率调制深度折射率调制深度10(-410(-4-2).-2).前向和后向两种模式间的耦合波方程前向和后向两种模式间的耦合波方程 K=pdlB是耦合系数是耦合系数, , d d = = b b+ +- - b b- - - - 2 2p p/ /L

11、 Lzz边界条件边界条件: :华南师大光电学院 黄旭光第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器反射主峰带宽近似有反射主峰带宽近似有d d = = b b+ +- - b b- - - - 2 2p p/ /L, L, d d = 0 = 0 即动量守恒或即动量守恒或相位匹配相位匹配, ,lB = 2neffL, 此时此时有最大反射率有最大反射率 华南师大光电学院 黄旭光第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器华南师大光电学院 黄旭光第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器华南师大光电学院 黄旭光第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复

12、用器华南师大光电学院 黄旭光第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器华南师大光电学院 黄旭光 优点优点: : 可任意选择反射波长和带宽可任意选择反射波长和带宽, , 反反射带宽可很窄射带宽可很窄, , 适合适合DWDM, DWDM, 反射率可接反射率可接近近100%100% 缺点缺点: : 有较高的回波反射有较高的回波反射, , 必须使用必须使用光隔离器光隔离器, , 每一信道均需要昂贵的光环每一信道均需要昂贵的光环行器行器, , 插损和成本随信道数而增加插损和成本随信道数而增加, , 插插损均匀性差损均匀性差, , 分立器件分立器件, , 需要温控和应需要温控和应力补偿力补偿

13、, , 只适用于只适用于低信道数低信道数第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器华南师大光电学院 黄旭光第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器华南师大光电学院 黄旭光第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器其它应用其它应用: 色散补偿色散补偿华南师大光电学院 黄旭光 分布反馈式分布反馈式(DBF)(DBF)激光器激光器 第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器华南师大光电学院 黄旭光 光纤光栅传感器光纤光栅传感器 第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器华南师大光电学院 黄旭光第四章第四章 光波分复用光波分复用/

14、 /解复用器解复用器8.8.光栅型光栅型 由光栅由光栅、透镜和光纤阵列构成的透镜和光纤阵列构成的WMDWMD器件。器件。 信道间隔可达信道间隔可达100GHz,100GHz,信道数高信道数高华南师大光电学院 黄旭光第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器 9.9.刻蚀光栅刻蚀光栅 (EG)(EG) 2D 2D 平面光栅光谱仪平面光栅光谱仪 输入输入、输出波导输出波导( (狭缝狭缝) )、聚焦反射镜和光聚焦反射镜和光栅集成在同一平面上。集成光器件栅集成在同一平面上。集成光器件 华南师大光电学院 黄旭光第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器 优点优点: : 光谱分

15、辨率高光谱分辨率高, , 输入和输出在光输入和输出在光栅同一侧栅同一侧, , 尺寸小尺寸小, , 可用于信道数更高可用于信道数更高(64, 128ch)(64, 128ch)的的DWDMDWDM系统系统 缺点缺点: : 垂直和光滑的亚波长周期锯齿光垂直和光滑的亚波长周期锯齿光栅制备难度大栅制备难度大华南师大光电学院 黄旭光10.10.阵列波导光栅阵列波导光栅 (AWG)(AWG) 由输入由输入、输出波导输出波导、两个星型耦合器和两个星型耦合器和 阵列波导集成在同一平面上。集成光器件阵列波导集成在同一平面上。集成光器件InputD DLSlab WGsArrayed WGsOutput第四章第四

16、章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器华南师大光电学院 黄旭光第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器华南师大光电学院 黄旭光第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器AWG-AWG-闪烁的多缝衍射闪烁的多缝衍射华南师大光电学院 黄旭光50 Slits1000 Slits第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器华南师大光电学院 黄旭光Slab 1Slab 2l lcm第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器华南师大光电学院 黄旭光第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器* 光栅方程光栅方程 Ns (l)l)

17、d sinq q + Na (l)Dl)DL Ns (l)l) d1 sinq q1 = ml l Ns (l)l) d x / f + Na (l)Dl)DL Ns (l)l) d1 x1/f 1 = ml l Na D DL = ml lc Blazing angle m-th 干涉级干涉级 Dl/ DDl/ Dx = DlDlch / d, Dispersion equation * Typical Data AWG16, l lc = 1.55 m mm, DlDlch = 0.8 nm M = 100, m = 59= 59, D, DL = 63 m mm, R = 11.35 m

18、m. IL = 2.5 dB, CT -28 dB. 华南师大光电学院 黄旭光第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器* 光谱平坦型光谱平坦型AWGAWG技术技术华南师大光电学院 黄旭光* * PLC PLC制备技术制备技术A A. .平板波导生长平板波导生长SiO2/Si系列：系列：PECVD，FHD InGaAsP/InP系列：系列：MOCVD Polymer 材料材料: Spin CoatingB.光刻光刻 (Photomask, UV, 冲洗冲洗) + 干式干式RIE 陡直光滑陡直光滑Sidewalls IL, CT 要求：应力平衡，要求：应力平衡，D Dn 4x10-

19、4, D Dw, D Dh 0.5 m mm 第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器华南师大光电学院 黄旭光* Gaussian AWG40第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器 华南师大光电学院 黄旭光Test Result* Flattop AWG40第四章第四章 光波分复用光波分复用/ /解复用器解复用器Simulation Result华南师大光电学院 黄旭光ch1ch2ch3ch4ch5ch6ch7ch8WL(nm)1531.904 1532.687 1533.474 1534.258 1535.045 1535.829 1536.6141537.

20、4BW1(nm)0.3510.3470.3520.3530.3580.3570.3480.352BW3 (nm)0.4990.4990.5020.50.5010.5010.50.496IL(dB)4.864.884.864.774.754.754.744.71PDL(dB)0.420.460.470.290.270.310.30.26Ripple(dB)0.330.380.320.290.290.260.240.19Adj-Iso (dB)30.3129.1828.7630.0229.3429.0329.5429.94Non Adj-Iso(dB)31.0730.7631.4830.8530.

21、4930.7530.7130.75ITU Grid (nm)1531.91532.681533.471534.251535.041535.821536.611537.4ITU Error (nm)0.0040.0070.0040.0080.0050.0090.0040ch9ch10ch11ch12ch13ch14ch15ch16WL(nm)1538.186 1538.974 1539.762 1540.553 1541.341 1542.133 1542.9261543.72BW1(nm)0.3530.3530.3540.3520.3550.360.3560.356BW3 (nm)0.4990.4980.4990.50.50.50.5010.508IL(dB)4.734.724.734.7