（光学工程专业论文）偏振延迟梳状分波器的研制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 j 一= = i _ t _ _ i ；j = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ； 摘要 梳状分波器技术由于其较高的性价比，在窄带密集波分复用系统中被大量使用。 目前商用的梳状分波器技术有两种：g t ( g i r e st o u r n o i s ) 腔迈克耳逊干涉技术和双折 射晶体技术。但是随着信道间隔越来越窄，双折射晶体技术制作的梳状分波器的尺寸 也越来越大，以至于不能满足实际使用的要求。我们设计的偏振延迟梳状分波器利用 了偏振延迟结构，可以大大的缩减器件尺寸，同时还具有双折射晶体梳状分波器，插 入损耗小、偏振相关损耗小、偏振模色散小、组装方便的优点。 本文对这种新型的偏振延迟结构的基本理论、设计思想以及用这种瓤型的偏捉延 迟结构制作的梳状分波器的结构设计等作了详尽的论述，摸索出了一套偏振延迟光梳 状分波器的制作工艺，并成功研制出实验样品。 本文主要内容分为以下几个部分： 第一部分阐述了梳状分波器的研究背景、国内外的发展及研究状况，并概括了全 文的主要研究内容和关键技术。在第二部分，作者介绍了实现梳状分波器的几种技术 方案，推导和分析了偏振光干涉梳状分波器的基本原理和偏振延迟梳状分波器的工作 原理，并利用琼斯矩阵计算了偏振延迟梳状分波器的输出光谱。在第三部分，作者阐 述了偏振光干涉梳状分波器温度补偿的一般方法和偏振延迟梳状分波器的温度补偿方 法，并设计了一种偏振延迟梳状分波器温度补偿方案。在第四部分，介绍了偏振分束 器和偏振合束器的工作原理，i 2 波片的工作原理，设计了2 5 g h z 梳状分波器用的偏振 延迟结构，提供了一种偏振无关梳状分波器的总体方案。在第五部分，根据设计需要 给出了本方案所使用的几种元件的具体尺寸和要求，并介绍了整个器件的研制工作及 样品测试，并针对其关键指标的影响因素进行了讨论。最后一部分对全文相关工作进 行了总结，并给出了以后改进的几种方案。 关键词，偏振光 干涉分束器相位延迟 温度补偿梳状分波器 华中科技大学硕士学位论文 一= = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = ；= 一 a b s t r a c t a st h ep r o g r e s so ft h eo p t i c a lc o m m t m i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h ei n c r e a s eo ft h ec h a n n e l n u m b e ra n dt h er i s i n go ft h ed a t at r a n s l a t i o ns p e e d ，i tt r e n d st od e s i g nan a r r o w e rc h a n n e l s p a c ed w d m ( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x e r ) d e v i c e b e c a u s et h ei n t e r l e a v e r t e c h n o l o g yh a sah i g h e rr a t i oo ft h ep e r f o r m a n c ea n dt h ep r i c e ，i ti sl a r g e l yu s e di nn a r r o w e r c h a n n e ls p a c ed w d ms y s t e m n o w a d a y s ，t h et e c h n o l o g yu s e di nt h ec o m m e r c i a l i n t e r l e a v e rd e v i c ei st h eg t ( g i r e st o u m o i s ) m i c h e l s o ni n t e r f e r e n c et e c h n o l o g yo rt h e d i r e f r a c t i o nc r y s t a l t h eg t ( g i r e st o u m o i s lm i c h e l s o ni n t e r f e r e n c ei n t e r l e a v e rr e q u i r e sa h i g l lt e c h n i c st h a tf e wc o m p a n yc a np r o v i d e b u tt h ed i r e f r a c t i o nc r y s t a li n t e r l e a v e ro n l y n e e d sas i m p l ef a c t u r e t h en a r r o w e rc h a n n e ls p a c et h ed w d ms y s t e mn e e d s t h el a r g e rt h e s i z eo ft h ed i r e f r a c t i o nc r y s t a li n t e r l e a v e ri s b e c a u s et h es i z ei st o ol a r g e ，i ti sh a r dt ol e a d t h ed e v i c et oc o m m e r c i a lu s i n g w ed e s i g nan e wp o l a r i z a t i o nd e l a yi n t e r l e a v e ru s i n gt h e p o l a r i z a t i o nd e l a ys t r u c t u r e ，w h i c hm a k e st h ed e v i c eh a sas m a l l e rs i z e i th a st h ea d v a n t a g e s ： l o wi n s e r t i o nl o s s ，l o wp o l a r i z a t i o nd e p e n d e n ti n s e r t i o nl o s s ，l o wp o l a r i z a t i o nm o d e d i s p e r s i o n , e a s ya s s e m b l e d ，a st h ed i r e f r a c t i o nc r y s t a li n t e r l e a v e r t h i st h e s i sd i s c u s s e st h eb a s i ct h e o r yo ft h ep o l a r i z a t i o nd e l a ys t r u c t u r e a n dt h ed e s i g n o ft h ei n t e r l e a v e ru s i n gt h ep o l a r i z a t i o nd e l a ys t r u c t u r e w ef i n daw a yt oa s s e m b l et h e p o l a r i z a t i o nd e l a yi n t e r l e a v e r , a n dh a v em a d e as a m p l ew i t hi t t h i st h e s i si sd i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gc h a p t e r s ： i nt h ef i r s tc h a p t e r , w es u m m a r i z et h er e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h ei n t e r l e a v e gt h e d e v e l o p m e n tf r o mh o m ea n da b r o a di n t h i sf i e l d ，t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dk e y t e c h n o l o g i e su s e di nt h ei n t e r l e a v e r i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h ea u t h o r si n t r o d u c es e v e r a l t e c h n o l o g i e sw h i c hc a nb eu s e di nt h ei n t e r l e a v e r , e l a b o r a t et h ep o l a r i z a t i o ni n t e r f e r e n c e i n t e r l e a v e r st h e o r ya n dt h ep o l a r i z a t i o nd e l a yi n t e r l e a v e r sw o r k i n gp r i n c i p l e ，a n da n a l y s e t h eo u t p u to p t i c a ls p e c t r u mw i t ht h ej o n e st h e o r y i nt h et h i r dc h a p t e r , t h ea u t h o r sg i v et h e t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o np o l a r i z a t i o ni n t e r f e r e n c e i n t e r l e a v e r s t h e o r ym o d ea n dt h e t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o np o l a r i z a t i o nd e l a yi n t e r l e a v e r st h e o r ym o d e ，a n dd e s i g naw a y t o m a k et h et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o np o l a r i z a t i o nd e l a yi n t e r l e a v e r , i nt h ef o u r t hc h a p t e r , w e i n t r o d u c et h ew o r k i n gt h e o r yo ft h ep o l a r i z a t i o nb e a ms p l i t e ra n dc o m b i n e r , a n dt h et h e o r y o ft h e1 2w a v e p l a t e ，a n dg i v ead e s i g no ft h ep o l a r i z a t i o nd e l a ys t r u c t u r ew h i c hi su s e di n t i 华中科技大学硕士学位论文 t h e2 5 g h zi n t e r l e a v e r , a n dg i v eas 仃u c t i l r eo fap o l a r i z a t i o nd e l a yi n t e r l e a v e r i nt h ef i f t h c h a p t e r , w eg i v eo u tt h es i z eo fs e v e r a lc o m p o n e n t su s e di nt h ep o l a r i z a t i o nd e l a yi n t e d e a v e r , a n dt h es a m p l ea s s e m b l i n ga n dt e s t i n gp r o c e s s a n di nt h el a s tc h a p t e r , t h ew h o l ew o r ki s s u m m a r i z e d k e yw o r d s ：p o l a r i z a t i o n i n t e r f e r e n c e p h a s ed e l a y p o l a r i z a t i o nb e a ms p l i t e ra n dc o m b i n e r t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n i n t e d e a v e r i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作卷签名：墨免这 日期：三f 年f f 月( 1l a 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密醴在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保蜕 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：曩免泞 r 期：护心年f 1 月f f 日 嗍：弼旃 日期：妒( 月if i ：1 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1d w d m 技术的发展趋势 2 0 世纪9 0 年代中期，人们对信息的需求日益膨胀，对优质服务的要求日益增加， 使得原有的通信能力远远不能满足实际的需求，造成通信网络容量危机。在这种情况 下，d w d m 技术应运而生，由于其显著的技术优势和良好的性价比，很快得到了迅速的 发胀和普通的应用。 经过近十年的发展，d w d m 技术已经取得了巨大的突破，并获得大规模商用。目前， 光通信市场已逐渐走出低谷，d w d m 设备也不例外，据美国k m i 公司预测，2 0 0 2 年一2 0 0 8 年全球d w d m 设备市场将有1 1 的复合年增长率，在光通讯设备市场中，这一增长率仅 次于s o n e t s d h 。但就其本身来说，d w d m 仍是一项很年轻的技术，距离人们对它的期 望任有很大的差距，有着巨大的发展空间，其相关技术的研究、开发、应用仍是十分 活跃的领域。设备制造公司纷纷投入巨额资金研究开发、宣传展示新产品，器件制造 公司不断推出新的高性能的器件以满足系统应用的要求，甚至出现公司之间的联合、 兼并，以增强在波分复用技术领域里的竞争力。运营公司纷纷着手用d w d m 技术建造宽 带光网络或改造现有的光传输网络。可以预见，以多波长传输为基础的波分复用技术 将具有广阔的发展空间。 从目前看来，d w d m 技术的发展趋势可以归结为更大的传输容量、更长的传输距离、 系统的优化、更强的组网能力、更灵活的接入和控制等几个方面。 ( i ) 更大的传输容量 d w d m 迅速得到推广并成为主流传输技术的主要原因就在于它能够提供方便快捷的 扩容放案，扩容可通过增加波分复用窗口的带宽、更小的信道间隔和更高的单信道传 输速率。其中要实现更宽的波长复用窗口，主要通过扩大光放大器的增益带宽、低色 散和低色散斜率光纤、大有效芯径光纤、色散补偿模块等技术的改进：要实现更小的 信道间隔，就需要更密集的波分复用器和解复用器、高波长稳定度的光源：要实现更 高的单信道传输速率，去了需要突破电子处理速度的限制外，还需要考虑调制方式、 华中科技大学硕士学位论文 系统的色散和偏振模色散的影响。 如在2 0 0 1 年的o f c 会议上n e c 公司展示的2 7 3 4 0 g b s ，传输速率达到1 0 9 2 t b s 的光传输系统，传输距离为1 1 7 公里，1 个光中继放大站，使用了s 、c 、l 三个光波段， 线路中采用了分布喇曼放大和集中的光纤放大器，并运用有效面积为1 1 0 pm 2 的纯硅 大有效面积光纤作为传输光纤，同时采用了极化复用技术将频带利用率提高到 0 8 b s h z 。同期展出的还有a l c a t e l 公司展出的2 5 6 4 2 7 g b s 的传输系统，传输速 率达到1 0 2 t b s ，传输距离为1 0 0 公里，在线路的接收端采用了分部喇曼放大，系统 使用了c 、l 两个波段，线路采用了色散斜率为0 0 5 7 p s ( n m 2 k m ) 的“t e r a l i g h t ” 光纤，其也采用了极化复用，使频带利用率达到了1 2 8 b s h z 。 ( 2 ) 更长的传输距离 除了利用d w d m 实现超大容量以外，超长距离密集波分复用传输也是一个很重要的 发展方向。超长距离传输是指无电中继传输距离超过2 0 0 0 公里的传输技术，其可适用 于核心网的长途和超长途陆地通信，以及无中继水下通信系统，可以解决长距离节点 无中继传输，减少价格昂贵的电中继节点的数目，实现对多种业务的透明传输，为运 营商提供了一条改善核心网性能、优化成本和提供新业务的途径。 从相关产品看来，烽火通信2 0 0 4 年推出了u l hd w d m 光传输系统，完成了3 0 4 0 公 里的无电中继传输，单跨距最大可达1 0 0 公里。该系统以其自有的1 6 0 l o g b s 波分 复用设备为平台，同时使用了c + l 波段，采用5 0 g h z 的信道间隔。采用了宽带色散补 偿技术、分布式喇曼放大技术、非线性效应抑制补偿技术、超强f e c 技术、动态增益 均衡技术和多种编码技术。系统具有1 ：n 信道保护功能，并可采用可配置的o a d m 实 现在中间站点的分插信道。 ( 3 ) 系统的优化 d w d m 干线的特点是高速、大容量、超长距离、高可靠性。由于当前d w d m 技术实现 的巨大传输容量以能满足实际的需求，因此在现有d w d m 容量的基础上，加强系统性能 的优化已获得最佳的传输效果，成为值得考虑的现实问题。d w d m 系统优化包括工程期 间系统阐述的优化和在维护中保持系统的运行状态优化两个方面。 系统参数的优化，是根据实际线路光缆的各种参数( 衰耗和色散等) ，利用科学的 2 华中科技大学硕士学位论文 算法工具对d w d m 链路进行最优化计算和配置，并在工程执行期间进行具体的优化调整， 尽可能消除或抑制信号传输过程中的失真和劣化，尤其是l o g b s 以上的高速信号对这 些失真和劣化非常敏感。失真包括线性失真和非线性失真两种，线性失真主要是由线 路光线的色度色散和衰耗引起的，而非线性失真是由于光信号强度太大产生的各种非 线性效应引起的。削弱和消除失真的主要途径有色散和色散斜率的精确补偿、光功率 斜率的精确补偿、器件设计的噪声抑制、控制入纤功率在合适的范围、适当的色散以 抑制f w m 等等。 维护中保持系统的优化是指提高系统运行的可靠性、降低运行功耗和提高系统的 集成度，以达到降低成本、减少维护费用、增加升级的灵活性。其中采用可调谐器件 是降低维护费用、提高系统灵活性的一个重要途径。在动态光器件研究和制造领域一 直处于领先地位的器件供应商a e g i s 公司在2 0 0 4 年的o f c 会议上推出了光通道检测器 件、可调光探测器和可调光滤波器，这些新产品的推出提供了一条为客户完成更紧凑 更低成本解决方案的新途径。 ( 4 ) 更强的组网能力 虽然目前d w i ) m 技术已成为光传输的主流技术，但其应用仍主要解决点到点的传输。 由于组网能力有限，其本身有很大的局限性，最大的局限性是不能在光层为业务提供 完善的保护机制。d w 眦系统要为业务提供有效的保护，只能采用线路保护的方式，即 铺设备用线路来进行业务保护，但这种方式成本较高，很难被运营商所接受。普遍采 用的认识基于业务层的保护，保护倒换由电来完成，与w d m 系统无关。 传输系统容量的快速增长对发展相应的交换系统提出了迫切的要求，而电子交换 处理的发展已接近极限。无法满足大容量信息交换的需求，因此要再光传输的基础上 发展相应的光交换与选路技术。由于基于波长复用的d w d m 传输技术已经得到普遍应用。 因此发展波长交换与选路成为必然的选择，即开发光分插复用( o a d m ) 和光交叉连接 ( o x c ) 等光交换节点设备，为进入节点的高速信息流提供动态光域处理，仅将属于该 节点及其子网的信息以波长为单位上下路，并交由电交换设备继续处理。这样不仅可 以克服电子交换的瓶颈问题，还可以增加网络重构的灵活性，从而在光域实现高速信 息流的传输、交换、路由、性能监测和故障恢复等功能。d w d m 技术从多波长传输向多 华中科技大学硕士学位论文 波长组网发展是历史的必然，是未来实现透明的、具有高度生存能力的光网络的需求。 据报道，美国v e r i z o n 公司已在2 0 0 3 年秋采用了r o a m d ( 可重配置光上下路复用 器) 技术升级t e x a sa & m 大学的宽带网络。而美国a t & t 公司在成功地进行实验室测试 后，打算在2 0 0 4 年第二季度部署首个全光交换网，该公司将0 a d m 、o x c 应用于d w d m 光网络，支持现有网络向全自动光传输网络的演进，并使用户享受到远程配置的灵活 性而无须人工进行设置。 ( 5 ) 更灵活的接入和控制 目前的d w d m 接口人主要是面向s d h 层、i p 业务、基于a t m 方式的宽带多媒体业务、 帧中继方式的高速数据业务等，这些业务首先需经过业务节点汇集处理后，再经过s d h 网元映射到s d h 帧结构中，再进入d w d m 层。由于i n t e r n e t 迅速发展，基于i p 协议的 分组数据业务呈爆炸式增长，因此发展已数据为重心、以分组为基础的新型通信网成 为必然趋势，使得i p 与d w d m 光网络的结合也成为必然的发展趋势。在未来的光网络 中，占主导地位的i p 业务在路由器中直接变换成光信号，通过相应的接口直接送入 d w d m 传送层中传输，从而实现“i po v e rd w d m ”，这就要求d w d m 能够提供多样化的接 口，以发挥公共传送平台的作用。 由于激烈的市场竞争，运营商已将关注重点从简单增加带宽转向为用户提供紧急 有效的服务，为用户提供更快更高效的服务，动态提供带宽和服务，并且希望能有效 支配网络资源、减少运行维护费用。而从网络控制和管理功能来说，由于i p 业务量的 不确定性和不可预见性，对网络带宽的动态分配要求也越来越迫切，所有这一切都呼 唤着d w d m 光网络的智能化，自动交换光网络a s o n ( a u t os w i t c h i n g o p t i c a ln e t w o r k ) 的概念就是在这一背景下提出的。 a s o n 能直接在光层上按需求提供服务，能够适应网络拓扑的变化( 结构和网元的 增减) ，通过公共的控制平台提高服务质量。根据网络和相关服务的需求改变网络的大 小，提供各种服务等级和保护机制。a s o n 的体系结构可分为三个相对独立又互相作用 的工作面，即控制平面( c o n t r o lp l a n e ) 、管理平面( m a n a g e m e n tp l a n e ) 和传送平 面( t r a n s p o r tp l a n e ) 。其中传送平面负责业务的传送，控制平面完成连接的建立删 除及其它操作的控制功能，管理平面则是以系统高级管理者的角色完成网络总体管理 4 华中科技大学硕士学位论文 功能。控制平面和管理平面都能对网络资源和传送平面起到控制和操作的作用。这三 个平面之间使用标准接1 ：3 来相互通信。a g o n 的出现是传送网发展的重大突破，它利用 独立的控制平台来实施动态配置和链接管理，具有提供动态链接的能力，能够支持多 种类型的业务，可根据实际的需求对带宽进行实时分配以实现光通道中的流量工程， 有利于更迅速的引入新的增值业务，很符合光网络的发展需要和网络业务多样性的特 点，被公认为是下一代光传送网的发展方向。 在a s o n 的具体应用方面，在2 0 0 3 年，德国的k o m n e t 项目组已经在柏林城域网上 完成了前期的a s o n 网络现场试验。该实验网采用全光的o x c 设备与带有2 r 收发器的 w d m 系统，利用纤内带外的监控信道o s c 传送a s o n 控制平面的信令。控制平面具有拓 扑发现、拓扑维护、快速指配( 连接的建立拆除) 和通道恢复功能，路由与信令过程 则分别借助于o s p f 和l d p 协议。另外在美国方面，a t & t 已率先在全美范围内敷设连接 约1 0 0 个城市的智能光网络，由约1 0 0 台智能光交换机l o s 和8 0 0 多台s o n e t 多业务 平台m s t p 构成。而在我国，多个运营商均己展开对a s o n 前期的研究以及相关实验网 的工作。我们相信在未来几年内还会有更多试验性质的智能光网络相继出现，智能光 网络技术将会在骨干网、城域网、接入网等多方面取得进展。 综上所述，虽然近几年光纤通讯产业市场低迷，技术发展的速度有所放缓，但是 越来越多的人认识到，光纤通讯以d w d m 技术为基础的核心光网络在整个电信网络中的 基础地位不会动摇，d w i ) m 技术在电网络向光网络的跨越中起着越来越重要的作用。 i 2w d m 器件的几种技术方案 d w d m 系统中的核心无源器件是w i ) m 器件”3 ，现在用于制造w d m 器件的技术主要有 光纤熔融拉锥技术、介质膜滤光片技术、阵列波导光栅技术、光纤光栅技术和梳状分 波器技术。 ( 1 ) 熔融拉锥型w d m 熔融拉锥型w d m 是将两根除去涂覆层的光纤以一定的方式并拢，在高温下加热使 其熔融，同时向两侧拉伸形成双锥体的光波导结构，从而实现光功率在光纤间的耦合。 其最大优点是耦合器附加损耗低，具有良好的环境稳定性。而且它的制造成本低，适 华中科技大学硕士学位论文 合大批量生产。由于其工艺简单技术成熟，是最早用于光纤通讯中的w d m 器件。 1 3 1 0 1 5 5 0 熔融拉锥型w d m 波分复用器用来进行两窗口波长复用和解复用，可使 单根光纤传输容量倍增，利用单根光纤进行双向通信，实现数字信号( 电话、数据) 和模拟信号( 光纤c a t v ) 的综合与分离。如图卜l 所示，可以在本地解复用下( d r o p ) 某一波长( 1 3 1 0 0 m 或1 5 5 0 n m ) 的信号，又在本地复用上( a d d ) 同一波长的信号；另一 波长( 1 5 5 0 n m 或1 3 1 0 n m ) 信号可直接通过，从而实现两种波长信号同纤传输( 4 端口 0 a d m ) 。根据用户需要，还可在本地复用上、下两个波长( 6 端口0 a d m ) 。 图卜l 上f 话路高隔离度型波分复用器示意图 ( 2 ) 介质膜滤光片型w d m 以介质膜窄带滤光片加微光透镜进行耦合的方式制作d w d m 器件是目前最为成熟 的方法。3 。介质膜窄带滤光片制作工艺已经相当成熟，并具有插入损耗小、偏振相关损 耗低、带宽宽、稳定性好等特点。其波长温度特性可小于l p m c ，因此不需要温度控 制。 从稳定性及生产等方面考虑，薄膜窄带滤光片型d w d m 器件的制作一般采用各个单 元级联的方式。单元的基本结构如图卜2 所示。每个滤光片具有只透过某个波长而其 余波长全部反射的性质。 鼍9 吲v - - t - - q , 兰 图卜2 单通道介质膜滤光片示意图 华中科技大学硕士学位论文 三嗣口口口e 三寻一i 刊寓口口口e 兰寻： 到煮口g 口三孑一 、一- 。”。 邕；刍口0 口e 兰丑一 ， ，j 图卜3多个单通道介质膜滤光片级联波分复用器示意图 目前采用的d w d m 波分复用器大部分采用的是将多个单通道的介质膜滤光片型w d m 级联起来，制作3 2 波、4 0 波和8 0 波d w d m 波分复用器( 基本结构如图1 - 3 所示) 。由 光路可逆原理，它也可以用作复用器。该结构从理论上来说，可以组成任意通道的d w d m 器件，但是当n 增加时，插入损耗相应增大。各路的插入损耗不均匀性也加大。所以 这种结构比较适合n 值较小的复用和解复用。对于制造更多通道的d w 附波分复用器， 通常可采取下面将介绍的梳状分波器技术。 利用如图卜2 所示的单元模块，还可以组合成光网络中的另一种重要光无源器件一 光分插复用器，该器件从主光路中取下所需要的波长，同时将载有新信息的波长加入 主光路。利用该单元模块，可以组合成单通道o a d m 和多通道o a d m 。这种结构的o a d m 中，单通道的o a d m 的结构图如图卜4 所示。这些器件具有插入损耗小、隔离度高、体 积小等优点。 口口口e 三寻一晰 口口口e 三弓一a 4 m 图卜4 单通道的o a d m 示意图 表i - i 典型的i o o g h z 的o a d m 指标 通道数单通道四通道 上话路典型插损( d b ) l53 o 下话路典型插损( d b ) 1 53 o i n o u t 典型插损( d b ) 0 82 5 最小隔离度( d b ) 2 52 5 ( 3 ) 阵列波导光栅型w d m 阵列波导光栅( a w g ，a r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n g ) 型复用解复用器是一种平面波 华中科技大学硕士学位论文 导器件，它具有插入损耗小且均匀性好、体积小、易于与其它器件集成等优点。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，在4 0 或8 0 波长 的d w d m 系统的驱动下，a w g 型d w d m 器件推广的势头强劲。 a w g 的结构如图卜5 所示，它由一个输入波导，n 个输出波导，两个平板波导( s l a b ) 和波导阵列组成，都集成在同一衬底上。输入、输出波导都位于罗兰圆周上。阵列中 的波导要正对输入输出波导的中心，并在端面处采用t a p e r 结构以减小耦合损失，波 导阵列数要保证所有衍射光能被收集。这样从输入波导进来的光就能被无畸变( 或畸变 小) 地传输到输出波导。波导阵列中相邻波导间的长度差为常数，输出平板波导的入射 光间有固定的相位差，所以称这种器件为波导阵列光栅。 图卜5a 孵原理示意图 波导阵列是a w g 实现色散功能的核心部分。波导阵列中各分支单元波导的几何长 度不同，一般设计成相邻单元波导长度之差为a w g 芯片中心波长的整数倍。由于波导 阵列中相邻波导间的长度差为常数，于是输出平板波导的入射光问有固定的相位差。 根据多光束干涉原理，当光到达输出平板波导的输出端时，不同波长的光信号会在输出 平板波导的输出端按位置分开，按位置分开的不同波长的输出光经n 个输出波导一一 分开，从而实现了将光信号解复用的功能。 ( 4 ) 光纤光栅型w 跏 所谓光纤光敏性就是在紫外激光作用下，纤芯折射率发生永久性改变。利用光纤 光敏性，采用特定曝光方法，能够形成光纤纤芯折射率变化的周期性结构一光纤光栅， 华中科技大学硕士学位论文 当折射率的周期性变化满足b r a g g 反射条件时，相应波长的光就会产生全反射。理论 上，反射率可达1 0 0 ，而且其余波长的光全部透过。 图卜6 光纤光栅原理圈 光纤光栅具有插入损耗低、对偏振不敏感、与普通光纤接续简便、光谱响应特性 ( 光谱形状、带宽、反射率、边模抑制比) 的动态可控制等特点，尤其具有优良的窄 带、平顶的光谱响应特性，易于批量生产且成本低，其缺点是温度特性差。并且需要 添加辅助器件。光纤光栅在光纤通信系统中的应用极为广泛“1 ：1 ) 密集波分复用解复 用滤波器( d e m u x ) ；2 ) 光学分插复用器( o a d m ) ( 如图卜7 和图卜8 所示) ；3 ) 色散补偿 器：4 ) e d f a 增益平坦滤波器：5 ) 光纤光栅外腔激光器；等等。 图1 - 7 光纤光栅和光环行器组成的光分插复用器 图卜8 光纤光栅和耦合器组成的光分插复用器 ( 5 ) 梳状分波器 在2 0 0 0 年3 月国际光纡会议( o f c ) 展览上，人们提出一种群组滤波器，称之为 i n t e r l e 8 v e r ，即光学梳状滤波器。如图卜9 所示。它的作用是是可把一列频率间 华中科技大学硕士学位论文 隔为f 的信号分两列频率间隔为2 f 的信号分别从奇偶信道输出的光滤波器。梳状分波 器的好处是可以将频率间隔小的光信号分为频率间隔大的光信号，这样可以减少d w d m 的制作难度，提高系统传输容量。 输出糖率间隅为f 的光信号 图1 - 9 梳状分波器分波示意图 现在制作5 0 g h z 的介质膜滤光片的技术还不成熟，我们可以利用一个5 0 g h z 的梳 状分波器和两个i o o g h z 间隔的d w d m 拼接为一个5 0 g h z 间隔的d w d m ( 如图卜1 0 所示) 。 先用一个5 0 g h z 的梳状分波器将8 0 个间隔为5 0 g h z 的波长分为奇偶两组，每组为波长 间隔为i o o g h z 的4 0 个波长。 8 0 渡 i 厂预蕊对一 _ 匿习= 斟筹 l 一_ | | ii 4 搽淼b 图卜1 0 采用5 0 g h z 的梳状分波器的5 0 g h z 间隔d w l ) m 结构图 还可以利用i o o g h z ，5 0 g h z 和2 5 g h z 梳状分波器和2 0 0 g h z 滤光片。构成2 5 g h z 的波分复用器件，如图卜1 1 所示： 图卜1 1 利用梳状分波器扩充复用解复用信道数 1 0 华中科技大学硕士学位论文 j 目_ l - _ l _ 自目= 目= = z t l = j _ _ _ e e j = = = = = = = _ _ l 是一家集光无源和有源器件的研发、生产 及销售为一体的高科技股份有限公司，有很强的光无源和有源器件的设计和加工能力。 公司拥有成熟的d w d m 的生产线和梳状分波器生产线。公司业已推出的i o o g h z 和5 0 g h z 梳状分波器性能稳定，技术成熟。因此公司为了满足顾客对d w d m 产品更窄信道间隔的 需求，决定开发比5 0 g h z 梳状分波器的信道间隔更窄的梳状分波器，本论文就是在此 前提下开始的。 本论文的主要内容及关键技术包括： ( 1 ) 分析了偏振光干涉滤波器的基本原理，在此基础之上提出了一种利用偏振分束 器和偏振合束器的偏振延迟结构的方案，并推导了理论公式。 ( 2 ) 分析了一般偏振光干涉滤波器温度补偿的基本原理，和偏振延迟结构温度补偿 的基本原理，具体讨论了两种偏振延迟结构的温度补偿方案，并推荐了几种合适的材 料组合。 ( 3 ) 利用光率体分析了双折射晶体偏振分束器的基本原理，并按实际需求设计了满 足要求的偏振分束器。 ( 4 ) 按照信道间隔2 5 g h z 梳状分波器设计了用于偏振延迟结构的玻璃材料和玻璃长 度。设计了偏振无关偏振延迟梳状分波器的光路结构和实现的整体方案。 ( 5 ) 制作偏振延迟梳状分波器并测试了偏振延迟梳状分波器的插损、偏振相关损耗 和波长的温度漂移，并满足了设计要求。 华中科技大学硕士学位论文 = j j 目_ _ _ _ _ _ 目i = j = ；= = = = = = = = = 2 = = = 一 2 偏振延迟梳状分波器的工作原理 2 1 梳状分波器的几种实现方案 目前实现梳状分波器的技术有很多，如光纤马赫一泽德干涉仪型、光纤光栅组合型、 平面光波导马赫一泽德干涉仪型、偏振光干涉型和g t ( g i r e st o u r n o i s ) 腔迈克耳逊干涉 仪型等。 光纤马赫一泽德干涉仪型梳状分波器“属于全光纤结构设计，如图2 - 1 所示，其利 用两个3 d b 耦合器构成马赫一泽德干涉仪，插入损耗小，信道均匀性高，偏振相关损耗低， 成本低廉，但制作难度大( 波形、周期和波长控制困难) ，波长的温度特性差，隔离 度低，器件体积大。 输入输出一 ”二臻 二罗 i l t l l l l 3 、d b 耦厶u 7输出二 图2 一l 光纤马赫一泽德干涉仪型梳状分波器示意图 光纤光栅组合型梳状分波器。”“”“”“”分两大类：一种是将光纤光栅置于干涉仪结 构中得到具有梳状滤波效果的光线光栅型干涉仪( 如图2 2 所示) ，另一种是基于取 样光纤光栅或基于摩尔效应的相移光纤光栅制作而成。光纤光栅组合型梳状分波器其 耦合效率高插入损耗小( 纯光纤器件) ，偏振相关损耗低，成本较低，但温度特性差， 器件体积大，在制作通道数较多的梳状分波器难度加大。 图2 - 2 光纤光栅组合型梳状分波器示意图 平面波导马赫一泽德干涉仪型梳状分波器“”是利用平面波导工艺制作的利用马赫一 泽德干涉仪原理的梳状分波器( 如图2 - 3 所示) ，其信道均匀性高，隔离度高，可与 其它器件集成，但是其波长调节困难，温度特性差，插入损耗大。由于其可集成，有 利于缩减器件的整体尺寸，其发展应用前景十分广阔。 2 华中科技大学硕士学位论文 _ _ 目j 自_ # = = j e 自= 目_ l _ 自= = ；口自= = 2 = = = = = = e 一_ _ _ 锦k d 焉 输出= 圈2 - 3 平面波导马赫一泽德干涉仪型梳状分波器示意图 g t 腔迈克耳逊干涉仪型梳状分波器“”是采用g t ( g i r e st o u r n o is ) 谐振腔代 替迈克耳逊干涉仪干涉仪的全反射镜构成的梳状分波器。器件工作原理如图2 - 4 所示。 g t 谐振腔1 一，。一l u n j 厶 垃 g 1 。5 0 ：5 0 分束器，i - 毛1 1 i 一：j 1 岛1 e m ：。i 岳。 、 7 l 1 r 输出二 谐振腔2 3 4 ，；1 0 0 矾l 幽2 - 4g t 腔迈克耳逊干涉仪型梳状分波器示意图 一束光入射到5 0 ：5 0 分束器上，被分成两束e 。和e 。，e 入射到g t 谐振腔1 调相后被 沿原路返回到分束器，另一路e 2 入射到g t 谐振腔2 调相后沿原路返回到分束器，这两 束光在分束器上实现迈克耳逊干涉，其透射方向和反射方向光波电矢量分别为 ；叫咖盐些二瞿删p 也! ! 盐：! 璺：墨目( 2 - 1 ) 睾叫一f 业业二铵旦二剐f f f 塑盟! 黛二! 旦：垒l 弘2 ) l n l 3j。l 一， 式中e 1 入射光波电场矢量，l l 和l 。为迈克耳逊干涉仪的两个臂长，n 为介质折射率 ( 空气介质n = 1 ) ，k = 2 ，九为真空中波长，o 。和0 ：分别为g t 谐振腔1 ，2 的位相响 应，即 ot ( r o ，d o ) = 一2 t a n l ( 1 一r 。) ( 1 + r 。) t a n ( k n d 。) ( 2 3 ) oz ( r ，d 1 ) 2 t a n l ( 1 一r ，) ( 1 + r ) t a n ( k n d 。) ( 2 - 4 ) 式中d o 和d z 为g t 谐振腔1 、2 的腔长，r o 为g t 谐振腔1 的第一面的光波电振幅反 华中科技大学硕士学位论文 射系数，r - 为g t 谐振腔第面的光波电振幅反射系数。若用归一化光强表示输出，则 ir 。2 s i n 2 k n ( l - 一l z ) + ( o 一0 ：) 2 ( 2 - 5 ) i n f = c o s 2 k n ( l , - l 。) + ( 0 ，一o2 ) 2 ( 2 - 6 ) 通过调节臂长差= l t l 2 和a0 = 0 ，一0 。( 通过调节r 。，r 。，d 。，d 实现) 值可以实现各 种信道间隔( 如i o o g h z ，5 0 g h z ，2 5 g h z ，) 的梳状滤波器。图2 - 5 为一种信道间隔为 5 0 g h z 的g t 腔迈克耳逊干涉仪型梳状分波器的归一化透射强度曲线，具体参数如下： l = 5 n u n ，r o = 1 8 ，r l = 3 6 ，r = 1 0 0 ，d 。= 1 5 m m ，d l = 3 2 r a m 。 一一 f r e q u e n t ) t h z 图2 - 5 信道间隔为5 0 ghz 的g t 腔迈克耳逊干涉仪型梳状分波器的归一化透射 强度曲线 g t 腔迈克耳逊干涉仪型梳状分波器具波形优良、高信道隔离度、宽平坦带宽、高 致性、结构简单、性能稳定等优点。但是其温度特性需依赖温度特性优良的f p 腔( 这 种f p 腔的设计、制作均很困难) ，其优良的波形和偏振相关损耗依赖于其优良的镀膜 工艺，制作整个器件的工艺难度较大。 2 , 2 偏振光干涉梳状分波器的一般原理 图2 喝偏振型梳状分波器示意图 i 4 扫嚣c誊：墨e1z 华中科技大学硕士学位论文 偏振型梳状分波器m m 3 m 川2 ”( 如图2 - 6 所 示) 是利用晶体的双折射效应和偏振光干涉原 理，其