（光学工程专业论文）聚合物基偏振无关单纤三重波分复用器研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 在日益增长的带宽服务业务和接入需求的驱使下，光纤到户( f t t h ) 凭借其极大 的带宽成为最理想的接入网技术。随着f t t h 的发展，最终的目标是要实现电视、电话 和因特网的三网合一，所以单纤三重波分复用器是核心器件之一。本文以研究实用的单 纤三重波分复用器为目的，提出了一种新型结构的光波导集成单纤三重波分复用器，与 常见的光集成单纤三重波分复用器相比，具有高度集成的优点，并且利用聚合物材料 p p e s k 双折射特性解决了单纤三重波分复用器的偏振相关问题。 首先，深入研究了光波导的相关基本理论，从麦克斯韦电磁场方程组出发分析了对 称和非对称三层平板波导的模式传输特性，重点研究了条形波导的有效折射率法。讨论 了实用的光波导数值计算方法有限差分波束传输法( f i n i t e d i f f e r e n c e - b e a m p r o p g a t i o nm e t h o d ，f d b p m ) ，为器件的设计分析打下了坚实的基础。 然后，以新型聚合物p s q l 为波导制备材料，对余弦型y 分束器进行了优化设计 和分析。利用有限差分波束传输法对引起y 分柬器插入损耗的两个重要结构参数( 过渡 区长度、分支高度) 进行了模拟分析，分析结果对y 分束器的设计和制备具有良好的参 考价值。 最后，对非对称y 分支结构单纤三重波分复用器设计进行了具体的展开和优化。其 中包括非对称y 分支单纤三重波分复用器的分波原理和整体结构的设计，具体包括非对 称结构波导的实现，波导横截面高度、宽度，分支波导长度和分支角的设计。使用有效 折射率法结合光波导数值模拟软件b e a m p r o p 删分析了y 分支长度和分支角对非对称 y 分支单纤三重波分复用器传输特性( 插入损耗和串扰) 的影响。针对这种非对称y 分 支单纤三重波分复用器的结构偏振相关性问题，提出了用材料双折射特性来解决。综合 优化后的设计，给出了聚合物p p e s k 基非对称y 分支单纤三重波分复用器最终设计方 案，数值模拟结果表明具有较小的插入损耗，较低的串扰和偏振无关，可以用于光纤到 产。 关键词：非对称y 分支；单纤三重波分复用器；聚合物；偏振无关；光纤到户 r e s e a r c ho n p o l a r i z a t i o n i n d e p e n d e n tt r i p l e x e rb a s e d o n p o l y m e rm a t e r i a l a b s t r a c t d r i v e nb yi n c r e a s i n gd e m a n df o rb r o a d b a n ds e r v i c e sa n da c c e s sn e t w o r k ，f i b e r - t o 。t h e h o u s e ( f t t h ) h a sb e e ni n t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e df o ri t su n l i m i t e db a n d w i d t h w i t ht h ed e v e l o p o ff 砌，t h eu l t i m a t eg o a li st or e a l i z et h eu n i o no f c a t v 、t e l e p h o n ea n di n t e m e t s ot r i p l e x e ri so n eo ft h ek e y c o m p o n e n t si nf 删1 1 1 i st h e i s i ss u g g e s t san o v e ls t r u c t u r ef o rt r i p l e x e r w h i c hi sm o r ei n t e g r a t e dc o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lo n e s i na d d i t i o n b a s e do nt h eb i r e f r i n g e n c e m a t e r i a lp p e s k ，p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n c ep r o b l e mi se f f e c t i v e l ys o l v e d f i r s t ，t h eb a s i ct h e o r i e so fo p t i c a lw a v e g u i d e sa r et h o r o u g h l yi n v e s t i g a t e d ，n l ew a v e g u i d e p r o p a g a t i o nc o n d i t i o nf o rt h r e e l a y e rs y m m e t r i ca n da s y m m e t r i cs l a bw a v e g u i d e si sd e d u c e d f r o mm a x w e l l se q u a t i o n s e s p e c i a l l y t h ee f f e c t i v ei n d e xm e t h o df o rc h a n n e lw a v e g u i d e si s i n t r o d u c e d i na d d i t i o n ，t h ef r e q u e n t l yu s e dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o df o r 、v a v e g u i d e s 一 f i n i t e d i f f e r e n c e b e a m p r o p a g a t i o nm e t h o d ( f d b p m ) a uo ft h ew o r ka b o v ec a r ls h e dl i g h t o nt h ed e s i g na n da n a l y s i sf o rt h et r i p l e x e r t h e nt h ed e s i g na n da n a l y z eo fl o wi n s e r t i o ny b r a n c hw a v e g u i d eb a s e do np o l y m e r m a t e d a lp s q - li sf o l l o w e d t h et w oi m p o r t a n ts t r u c t u r ep a r a m e t e r s ( t r a n s i t i o nl e n g t ha n d b r a n c hh e i g h t ) a r es i m u l a t e dr e s p e c t i v e l yb yf d b p m t h er e s u l t sp r o v i d eau s e f u lr e f e r e n c e f o rd e s i g n i n ga n df a b r i c a t i n gt h ey b r a n c hw a v e g u i d e a t1 a s t ，t h et h e s i sd e s i g n sd e t a i l e ds t r u c t u r eo ft h ea s y m m e t r i cy b r a n c ht r i p l e x e r , w h i c h i n c l u d e st h et h e o r yo ft h et r i p l e x e ra n dt h ed e s i g no ft h eu n i t a r ys t r u c t u r e i nd e t a i l i ti n c l u d e s t h ed e s i g no ft h ea s y m m e t r i cw a v e g u i d e ，t h eh e i g h ta n dw i d t ho ft h ec r o s ss e c t i o no ft h e w a v e g u i d e ，t h el e n g t ha n dt h ea n g l eo ft h ey b r a n c hw a v e g u i d e t h ee f f e c to ft h ea n g l ea n d t h el e n g t ho ft h ey - b r a n c ho nt h ei n s e r t i o nl o s sa n dc r o s s t a l ki sa n a l y z e db yt h ec o m b i n a t i o n o fe f f c c t i v ei n d e xm e t h o da n dw a v e g u i d es i m u l a t i o ns o f t w a r eb e a m p r o p t m p o l a r i z a t i o n d e p e n d e n c ei sal a r g ep r o b l e ml y i n gi nt h i ss t r u c t u r e b a s e do nt h eb i r e f r i n g e n c em a t e r i a l ， p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n c ep r o b l e mi se f f e c t i v e l ys o l v e d b a s e do nt h e s ea n a l y s e s ，t h ew h o l e s t r u c t u r eo ft h et r i p l e x e rb a s e do nt h ep o l y m e rm a t e d a lp p e s ki sd e v e l o p e d t h es i m u l a t i o n r e s u l ts h o w st h a tt h i sp r o p o s e dt r i p l e x e rc a nb eu s e di nf t t ha p p l i c a t i o nw i t hl o wi n s e r t i o n l o s s ，l o wc r o s s t a l ka n dp o l a r i z a t i o n i n d e p e n d e n t k e yw o r d s ：a s y m m e t r i cy b r a n c h ；t r i p l e x e r ；p o l y m e r ；p o l a r i z a t i o n - i n d e p e n d e n t ；f t t h i l 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：受益翅堑缉拯蜀丝维重边御蕉缉杰 作者签名：鱼 堡堑日期：j 吐年j 乙月经日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定j 在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。 学位论文题目 作者签名 导师签名 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1光通信发展概况 光通信是从电通信发展而来的，是继微电子技术之后近3 0 年迅猛发展的综合性高新 技术。1 9 6 2 年半导体激光器的诞生是近代科学技术史上一个重大事件，从7 0 年代后期起， 随着半导体光电子器件和硅基纤维两大基础元件在原理和制造工艺上的突破，成熟的电 通信技术与先进的光子技术的结合形成了具有强大生命力的信息与光电子技术和产业。 与电通信相比较，光通信有容许频带很宽、传输容量很大、损耗很小、中继距离很长且 误码率很小、重量轻、体积小、抗电磁干扰性能好、保密性好、有利于资源的合理应用 等很多优点。 上个世纪末，是光通信发展最为辉煌的时期，当时人们对光通信的理解仅仅局限于 追求超高速、大容量，1 0 g 、4 0 g 、8 0 g 甚至1 6 0 g 的超高速率都被研制出来，并投入到 商用。进入2 1 世纪以后，光通信的利润急剧下降，光纤的价格甚至比普通铜线价格还要 低，资源得不到合理地应用，光通信专家反思了光通信发展中的错误思想，很多人已经 意识到了单纯地追求大容量、超高速已经不可能再让光通信重现辉煌。经过几年的蛰伏， 随着人们对不同种类信息的需求越来越多，伴随而来的是不断增长的i p 数据、语音、多 媒体图像等多种新业务需求。因而用户对宽带接入提出越来越高的要求，现有的宽带接 入方式，如a d s l 和l a n 接入，由于存在传输距离短、接入带宽有限、安全性不高、服 务质量没有很好的保证等问题，已越来越不能满足用户的需求i l j 。 未来的信息网络基础必将是以i t 来承载包括语音、图像、数据等在内的多种业务。 爆炸式增长的i p 业务给传统的电信业务带来巨大的冲击和挑战，同时也为电信网的发展 提供了新的机遇。电信网上各种新业务的开展将成为推动光通信领域发展的持久动力。 光通信领域又一次呈现出蓬勃发展的新局面，其发展速度不仅超过了摩尔定律限定的交 换机和路由器的发展速度，而且也超过了数据业务的增长速度，成为近几年来发展最为 迅猛的技术【l 儿2 。整个通信行业渐渐地复苏，在网络技术飞速发展的今天，随着下一代 网络的开发，不管网络如何发展，一定要达到三个世界：即服务层面上的i p 世界，传送 层面上的光的世界和接入层面上的无线世界f 3 】。最近几年，光通信的发展呈现了以下几 个发展趋势：首先光通信研究的重点已经从大容量、超高速转变为实现智能化、自动化、 自动交换光网络( a s o n ) ，a s o n 网络的最大优点就是实现了以往光网络复杂、冗余 的人工连接指配，取之为简单、便利的自动电路配置。a s o n 的引入，可以说是光通信 发展历史的里程碑，它改变了很多学者研究光通信的思路；网络的边缘化也是光通信发 聚合物基偏振无关单纤三重波分复用器研究 展的另一个趋势。长久以来，光网络都是作为整个通信体系中的最底层传输层，但 是，随着通信行业地迅速发展，城域网、接入网也越来越希望引入光网络，于是，光网 络的发展从核心网正在向边缘网络发展；为了改变城域网中业务类型多、传输速度慢的 缺点，人们开发了多业务传输平台( m s t p ) ；在接入网中，光纤到户( f r m ) 也逐渐 开始广泛应用，取代了原有的双绞线上网方式( x d l s ) ，以谋求更大的带宽；还有多 媒体业务，特别是t r i p l e p l a y ( 视频、语音、数据同步传输的“三重播放”) 的业务发展迅 速。 1 2 光纤到户发展概况 在高清晰电视( h i g h d e f i n i t i o nt v ，h d t v ) 和视频点播( v i d e oo i ld e m a n d ，v o d ) 等宽带服务业务和接入需求的驱使下，光纤到户( f i b e r - t o t h e h o m e ，f t t h ) 被认为 是最理想的接入网技术，因为f t t h 具有极大的带宽i l 】，但由于过去光电子器件价格昂 贵，因此难以普及。近几年，光电子器件方面有了较大的突破，以前价格为千元人民币 的光收发模块，现在只有两百元左右，特别是目前光纤的价格比电线还低，发展f t t h 现在已经具备一定条件。f w m ，主要是采用光纤作为物理媒介实现用户和运营商连接 的一种技术方式，是f t l 系列中除f t t d ( 光纤到桌面) 外最靠近用户的光接入网应用 类型。f t t h 能够提供巨大的接入带宽，使三网融合成为可能；而且对于网络运营商来 说，f t t h 增强了物理网络对数据格式、速率、波长和协议的透明性，放宽了对环境条 件和供电等要求，简化了维护和安装。 总的来说，f t t h 在国外发展的情况有很强的地域性【4 巧】。日本是世界上对f t 最 热心，发展最快的国家。早在2 0 世纪9 0 年代初，日本就提出了2 0 0 0 年实现f t t h 的构想， 2 0 0 1 年以来，日本f t l h 市场进入快速增长阶段，日本在2 0 0 7 年9 月底的数字显示，其光 纤到户用户已经达至u 1 0 5 2 万用户，按照日本的发展速度，每个季度大概增加8 0 万，9 0 万 用户，因此预计2 0 0 9 年可以达到2 1 7 5 万用户；韩国2 0 0 7 年底光纤到户用户约为4 5 1 5 万 户，计划2 0 1 5 年达到1 0 0 0 万户；欧洲曾经是光纤接入网试验与部署最早的地区，但由于 成本和需求的原因，大多数f t l h 项目都属于试验或小规模试商用阶段，但现在传统的 电信运营商对f t t h 格外重视，f t t h 欧洲委员会新任主席希望在2 0 1 2 年欧洲发展6 0 0 万 光纤到户用户；北美光纤到户用户覆盖数已经突破6 0 0 万户，过去的2 0 0 6 年内增长了将 近2 0 0 万，在f 删建设早期，由于政策和管理上的限制，以及运营商的不支持等多方面 因素，美国f ” h 的发展落后于日韩等国，但是自从f c c 颁布了“f t t h 的接入网不必向 竞争对手开放 的政策后，各大运营商开始了f t t h 网络的部署，目前，在f 唧用户数 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 方面已经成为随日本之后的全球第二大市场。从全球看，光纤到户预计在2 0 1 1 年达到 8 6 0 0 万户【6 】。在国内，f t t h 尚处于市场启动阶段，离规模部署还有一段距离。国内市 场对f t t h 的需求已经是客观存在，尤其是i p t v 业务的发展更让电信运营商陷入接入瓶 颈之困，但是目前阻碍我国f t t h 发展的最大障碍是成本问题，要降低f t l r h 成本首先要 降低器件成本，除了成本过高，目前阻碍我国f ”m 产业发展的主要还有潜在市场需求 的业务项目得不到提供，运营商不积极以及政府政策和法规相对滞后。国内的f t l h 业 务要得到快速发展需要合理的管理制度、良好的竞争环境、技术的不断改进、网络成本 的不断降低以及对高带宽业务需求的增加【7 j 。 1 3 无源光网络 实现f t t h 的技术方案直接决定f t ，i h 设备的制造成本，目前，f t t h 接入技术主要 有两大类：基于无源光网络( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k p o n ) 接入技术的e p o n 和g p o n ： 基于小区有源交换接入( a c t i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 的p o i n t p o i n t 技术。点到点光接入技术 具有产品成熟、结构技术简单、安全性好等优点，比较适合少用户量，但这种技术需 要铺设大量光纤和光纤收发器，在规模布署时整体成本不降反而上升，所以点到点光接 入技术被认为是实现f t t h 的过渡技术。实际使用较多的是p o n 方式的f t t h 【8 】，它采用 在一根光纤上以波分复用的技术实现点对多点双向通信，如图1 1 所示，p o n 主要由网 络侧中心机房( c e n t r a lo f f i c e ) 局端系统的光线路终端( o p t i c a ll i n et e r m i n a l o l t ) 、 馈线光纤、无源光分路器( p a s s i v eo p t i c a ls p l i t t e r p o s ) 、用户线光纤、用户侧终端光 网络单元( o p t i c a ln e t w o r ku n i t o n u ) 组成。其中由馈线光纤、无源光分路器和用户 线光纤组成光分配网络( o p t i c a ld i s t i l b u t i o nn e t w o r k 。o d n ) ，一般其下行采用t d m 广 播方式，上行采用t d m a 方式，而且可以灵活地组成树型、星型、总线型等拓扑结构。 所谓无源是指o d n 中不含有任何有源电子器件及电子电源，全部由光分路器等无源器件 组成【8 】，因此成本比较低。p o n 技术不易受雷电损坏和辐射干扰，其网络结构灵活易于 扩展，而且共享馈线段光纤可节约铺设成本，另外p o n 技术可以实现业务透明，具有多 业务支持能力，所以受到了极大的关注。 p o n 技术可以根据数据链路层和物理层的不同细分为多种【9 l ，其中a p o n 以a t m 作 为数据链路层，上下行速率均为1 5 5 m b i t s 。b p o n 是在a p o n 的基础上发展起来的，2 0 0 1 年，有关规范被规定为上行1 5 5 m b i t s 和6 2 2 m b i t s 的不对称传输系统和上行下行均为6 2 2 m b i t s 的对称系统被称为b r o a d b a n dp o n 即b p o n 。a p o n 和b p o n 可利用a t m 的集中和 统计复用，再结合无源分路器对光纤和光线路终端的共享作用使性价比有重大改进。然 而实际中a p o n b p o n 的业务提供能力有限、技术复杂、价格高、承载i p 业务效率低等 问题未能取得市场上的成功不是f n h 的发展方向。随着i p 的崛起和发展，第一英里 以太网联盟( e f m a ) 在2 0 0 1 年初提出了在二层用以太网取代a t m 的e p o n 技术，并在 l e e e 8 0 23 a h 标准中进行规范，可提供上下对称的1 2 5 g b i t s 线路传输速率，下行线路速 率为1 0 g b i t s 的系统也在研究之中。在中国，有多家e p o n 厂商对i e e e 标准进行了扩充， 在e p o n 设备承载t d m 业务方面有大量的技术创新，行业标准也对此提出了要求，这些 使得中国市场上的e p o n 设备的业务接入能力大大提高，从原来单一的口业务接入发展 为全业务接入。i t u t 在a p o n 技术未能获得成功的情况下，重新设计了新的物理层传输 速率和传输汇聚层，发布了g9 8 4 x 系列的g p o n 标准。g p o n 的下行最大传输速率高达 2 4 8 8 g b i f f s 上行最大传输速率可达12 4 4 g b i t s ，传输距离至少为2 0 k i n ，具有高速高效 传输的特点。i t u t $ 1 j 定的g p o n 系列标准相当完善，同时也相当复杂，因此标准正式 发布至今，全球只有很少的公司支持，专业的g p o n 芯片也刚刚推出，这使得g p o n 产 品价格较高，难以实现大规模部署。相比较其4 t g r o n 技术，e p o n 兼具了无源光网络独 特的网络结构优势和以太网的低成本优势，在技术成熟度和设备价格方面具有优势，顺 应了下一代网络( n e x t g e n e r a t i o n n e t w o r k ，n g n ) i p 化发展的趋势，被认为是比较适 合现阶段实现f t t h 的p o n 技术l l w 。 p o s r u “【t 图1 1p 0 4 的拓扑结构 f i g1 _ 1 s t r a c t u r e o f p o n 咯。 量w 争 大连理工大学硕士学位论文 1 4 单纤三重波分复用器的应用与研究进展 1 4 1单纤三重波分复用器的应用 f t t h 满足了数据、语音、c a t v 等综合业务对高带宽的需求，但f t t h 要得到普 及，关键是降低接入网用户端( o n u ) 的成本。因此单纤三重波分复用器( t r i p l e x e r ) 是f t t h 系统中必需的基本单元【l 卜1 5 】。所谓单纤三向传输技术就是指在单根光纤中传输 三个信道( 波长) 的信息，单纤三向传输技术主要有两种方案： 方案一：1 3 1 0 1 3 1 0 1 5 5 0 n m 双波长单纤三向传输技术 1 3 1 0 1 3 1 0 1 5 5 0 n m 双波长单纤三向传输技术实质上是将普通数字光接入( e t h e r n e t 或s d h ) 设备和经过光分路后的模拟c a t v 光传输设备通过点对点的方式由局端接入 用户，数字光接入设备采用1 3 1 0 1 3 1 0 n m 的双向传输技术，模拟c a t v 采用1 5 5 0 n m 的 系统。随着1 5 5 0 n m c a t v 发射机在应用中的普及和单通道低成本e d f a 在光纤c a t v 网络中的使用，使1 5 5 0 n m c a t v 系统用于c a t v 分配网时具有更高的性能价格比。通 过高隔离度的w d m 技术将双向数字传输与模拟传输通过一根光纤接入用户，达到了降 低光纤线路成本的目的。 方案二：1 3 1 0 1 4 9 0 1 5 5 0 n m 三波长单纤三向传输技术 这种方案是将高性价比的1 5 5 0 n m 窗口用于下行模拟c a t v 传输，将廉价的无制冷 1 3 1 0 r i m 半导体激光二极管光源用于众多的终端用户的上行传输，下行的数字传输改用 1 4 9 0 n m 窗口，通过类似c w d m 的方式将此三方向传输复用到一根光纤中。这种方案 继承了点对多点传输方式、节省设备投资、局端设备和光纤用量少、系统可靠性高等优 点，通过单纤三向传输技术更节省了光纤线路投资。 单纤三向传输方案的成本最终决定接入成本的高低，而这种方案的主要成本取决安 放到用户端的光电子器件，人们称之为单纤三重波分复用器( t r i p l e x e r ) ，该器件在f t t h 网络系统中的位置如图1 2 。为了进一步降低接入成本，第二种方案的单纤三向传输技 术研究较多。根据i t u g 9 8 3 标准的规定，无源光网络( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k p o n ) 用户终端接收的数字信号波长在1 4 9 0 n m ，模拟信号波长在1 5 5 0 n m ，而发射的数字信号 的波长在1 3 1 0 n m ，3 个波长的带宽要求不同，分别为2 0 n m 、1 0 n m 和1 0 0n l t l 。单纤 三重波分复用器下行采用了两个传输窗口，窗口波长分别为1 5 5 0 n m 和1 4 9 0 r i m ，分别 承载了有线电视模拟信号和数据信号，上行采用了1 3 1 0 r i m 的窗口波长来承载语音信号。 聚合物基偏振无关单纤三重波分复用器研究 & n i o g d l $ i t l t v 1 。2 0 k i n 图1 2t r l p l e x e r 器件在f 1 w 系统的位置 f i g 12t d p l e x e r l n t h e m h “m e m i42 单纤三重波分复用器的研究进展 t r i p l e x e r 器件的发展历程大致经过分离元器件组装、成熟光学功能元件合成、滤波 片与基于平面波导芯片混合集成、单片有源材料集成四个阶段。最开始阶段是采用现有 的光学分离元件组成，包括分波，厶波器、滤波器、半导体激光器、探测器、准直器等 器件，结构如图13 。这种技术的优点是所有的分离器件技术都很成熟，可以直接采用， 可靠性高；缺点是体积太，元件数目多，耦合的次数较多，组装对准复杂，因而存在很 大的光学和电学干扰，使得器件整体的性能劣化，任何潜在的降价空间小。现在只有少 数厂商采用这种方案。 图13t r i p l e x e r 第一代结构图 f i g1 3 f i r s t - g e n e r a t l o nt r l p l e x e r 大连理工大学硕士学位论文 第二阶段是将成熟的光学元件封装在一个小型的金属壳体内。它是由无源分波，台 波滤光片与激光器、探测器和一个经过精密机械加工的金属壳体组装而成如图1 4 。 这种技术的优点是减少了耦合次数，大大缩小了器件的体积，减少了光和电之间的干扰， 容易实现批量化生产，从而降低成本：缺点是工艺复杂，现在有些技术指标难以达到 p o n 局端的要求。 图14t r i p l e x e r 第二代实物图 f i g14s e c o n d g e n e r a t i o n t d p l e x e r 第三阶段为混合集成阶段。是由半导体激光器、探测器芯片、平面光波导、介质膜 滤光片构成。具体耦台封装过程为：先将光纤与平面波导芯片耦合粘接在一起，然后分 别将激光器和探测器进行最佳的耦合对准，最后进行整体封装，如图1 5 。它的优点是 体积进一步减小，平面波导光路稳定，耦合次数大量减少，适合于太规模生产并易于降 低成本；缺点是光波导和器件的组装对准技术现在还很不成熟，可靠性方面的研究还需 要试验，热干扰和光干扰都需要仔细设计。材料和封装设备投入的前期成本很高。 图15t r i p l e x e r 第三代模型图 f i g1 5 t m m - g e n e r a f i o at r i p l e x e r 壅宣塑至堡垂垂差呈堑三蔓堡坌墨旦量丝基 第四阶段为在有源材料( 如磷化铟) 中实现单片集成。也就是在有源材料中把分光 功能的波导( 如对1 3 1 0 n m 、1 4 9 0 n m 和1 5 5 0 n m 波长实现衍射分离) 和激光器、探测器 集成在一起，集成度更高，封装成本更低，如图1 6 。具体的制作工艺为：在有源层衬 底上生长蚀刻出光波导回路用于实现光路功能，制作蚀刻衍射光栅( e d g ) 用来分离波 长，再制作出探测器p d 、m p d ，用金属化学沉积法制作半导体激光器。这些工艺涉及 的技术先进复杂，现在还停留在理论和实验阶段，也是发展的最高阶段。目前国外有几 个大公司和研究所在做这方面的工作，只有少量报道。 c o m b m e ds e m i c o n d u c t o r l 蕾嚣a n d p i n - d i o d e 曙 图16t r i p l e x e r 第四代模型图 f i g16f o r t h g c n e r a l i o nt r i p i e x e r t d p l e x e r 复用解复用主要有两个难点：一是三个波长为非均匀分布且波长( 或频 率) 跨度大；二是每个波长的带宽不同且相差较大。现阶段，第二代分立式t f i p l e x e r 从技术上看已经能够基本满足系统的要求，因此受到各大器件生产商的重视。国内已经 有分立式t r i p l e x e r 产品开发的公司有：武汉电信器件、深圳飞通、武汉光讯、华工正 源、四川光恒等几家较大的光器件生产商。但是各个公司的产品都较为初级，研发和生 产同时进行，在器件设计和性能方面还有较大的提升空间。总的来说第二代t r i p l e x e r 产品基于离散的薄膜滤波器，这种方法能够很好地实现披长的复用，但是这种方式引入 了大量的分离元件，装配工序繁杂，对滤波器要求很高，制作过程复杂，成本比较高， 不符合f t t h 的要求”q 。而平面光波导( p l c ) 型滤波技术能够克服使用大批传统分离 元件带来的缺点，适于批量生产，适合集成化和小型化要求，可以大幅度降低成本，因 此被认为是比较有前途的技术m 】。现有国内对第三代t r i p l e x e f 研究主要还停留在方案 设计和实验的初步探讨阶段，对该器件还没有一个很好的实现方法，工艺实现更加困难。 国内只有少数的几家科研单位有相关研究，如浙江大学现代光学仪器重点实验室【i ，上 海博创科技等极少数几个单位有相关研发。从研发结果来看，进展比较缓慢，无论是器 大连理工大学硕士学位论文 件的总体设计还是实现方法都属于探索性研究阶段。而在国外。对于集成t r i p l e x e r 的 研究也不多，都属于实验性阶段【1 9 h 2 0 i 。 第三代集成光学单纤三重波分复用器可以用微环、定向耦台器、非对称y 分支结 构、多模干涉仪和波导阵列光栅结构i “i 。其中微环具有很好的滤波特性，如图i7 ： k 三兰坚兰主： a 、g lb 凹17 波导微环谐振腔示意图，徽环谐振器耦台进直波导 f i 9 17 as c h e m a t i c o f t h e w a v e g u i d e - c o u p l e d m i c r o c a v i t yr 幅0 n m o r s h o w - i n ga m i c r o d n g r e s o n a t o r c o u p l e d t os t r a i g h t w a v e g u i d e s 它由两根直波导和一个环形的弯曲波导构成，两根直波导相当于渐消失波的输入和 输出耦合波导，如果进入a 端口的波长满足微环的谐振波长，这个波长就能从波导w g i 耦合进微环中进入波导w 2 中从端口c 传输出来；如果进入a 端口的波长不满足微环 的谐振波长则这个波长仍然保留在波导w g l 中从端口b 传输出来。微环能够很好实 现波长的复用，解复用但是对环尺寸要求很苛刻，成本较高阎。同样定向耦台器对结 构参数要求比较高田】2 0 0 5 年j e o n g h w a ns o n g 等人报道了基于薄膜滤波片定向耦舍 器的单纤三重波分复用器，如图18 1 3 1 0 r a n 和1 5 5 0 h m 的光从端口a 通过定向耦合器 经半周期和全周期耦合而分开，1 3 1 0 n r n 经半周期耦台从端口d 中传输出来，1 5 5 0 h m 的光经全周期耦合从端口c 传输出来，1 4 9 0 h m 的光通过在定向耦合器中插入的薄膜滤 波片反射回来，从端口b 中传输出来，从而达到了三个波长的分离效果。并在2 0 0 7 年 报道了嵌入薄膜滤波片和布拉格光栅的定向耦合器】。 聚台物基偏撮无关单纤j 重波分复用器研究 c m n m o ni n p u tp o r la j t m s m l s s i o np 【， 州跚- ! _ _ = 焉j 哪m r e n 。n 府”y “一j - - + i n m s m i s s l o l l p 0 r tl ) 14 9 u r n 一越轴n l 1 狮 t r e n c h 嘲i7 嵌入薄膜滤波片的定向耦台器以及结构参数 f i g i7 s t r u c m r co f a t f f - e m b e d d e dd i r e c t i o n a lc o u p l e r t y p e t r i p l e x i n g f i l l e r a n di t sd e s i g np a r a m e t e r s 基于多模干涉仪结构的单纤三重波分复用器结构紧凑而且对器件尺寸的要求要宽 松一点，但是多模干涉仪通常是用以复用两个波长，而且是相差大于5 0 0 h m 的波长口”。 阵列波导光栅也能够用来复用，解复用三个波长，但是阵列波导光栅更适合用于复用短 的而且具有固定间隔的波长1 2 q 。早在1 9 8 9 年tn c g a r n i 等人报道了基于非对称y 分支 的复用解复用器口”，如图1 9 ，通过离子交换法两分支波导具有不同的高度宽度比，从 而有不同的色散关系，控制好波导的宽度和高度就可以得到相交的色散曲线，在分支角 口很小的情况下，入射波的基模耦合进有效折射率较大的波导中传输，从而达到波长分 离的目的。 x e - - z ；黼? b r a n c h l 二= = = = b h 2f a b r a n c h b f a n c h 2 ( 图i9 非对称y 分支光波分复用器示意图( a ) 俯视图，( b ) 截面图 f i g 19 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h e a s y m m e t r i c y - b r a n c ho p t i c a l w a v e l e n g t hd e m u l t i p l e x e r ( a ) t o p v i e w ，( b ) c r o s s - s e c t i o n a lv i e w 上如下 基 = 匿 ，扣 大连理工大学硕士学位论文 非对称y 分支结构的非对称性可以通过很多方法得到，例如使用两块掩模板通过 离子交换法使两分支有不同的高度宽度比【2 8 】；或者其中一个分支为分割的段结构【2 9 】； 或者分支用弯曲的结构【3 0 1 。目前分支使用不同宽度高度比的非对称y 分支结构单纤三 重波分复用器的制作，在平面波导中一般要用两块掩模板才可以实现，这种非对称y 分支结构单纤三重波分复用器制作工艺和成本都相对较高。本文设计了一种只需要一 块掩模板高度集成的非对称y 分支结构单纤三重波分复用器。 1 5 有机聚合物光波导材料的优点 传统的制作光波导器件的材料主要是s i 、s i 0 2 和化合物半导体等无机材料，由于无 机材料的相关光子集成器件虽具有光损耗低和光学性能稳定等优点，但其制备需要昂贵 的大型设备条件以及扩散、蒸发和外延等真空工艺，制备工艺过程复杂、成本高，在某 种程度上制约了其应用的普及，尤其在特别关注器件和系统成本的各种局域光通信网的 应用中显得尤为突出。 有机聚合物是另一类重要的光波导基础材料，由于其具有无机材料所无法比拟的许 多优点，因而基于各种不同有机聚合物光波导材料的单元和集成光子学功能器件的研究 和开发，近年来受到人们的极大关注，成为了目前国际上光子学器件研究和开发的最活 跃的前沿领域之一【3 i 】，并被公认为是实现低成本、高性能光电子功能器件的极具优势和 发展潜力的选择之一。 和传统无机材料相比，聚合物光波导材料具有以下的优点： 1 优异的衬底兼容性，可与多种不同的衬底材料匹配； 2 柔韧性、可加工性好； 3 具备低的光损耗，聚合物材料的损耗主要来自c h 键在红外振动吸收，通过用f 原 子取代c h 中的h 原子的方法，可获得与无机材料相媲美的光损耗； 4 具备双折射，且色散率小，聚合物的双折射特性可用于制作偏振相关性器件，色散 率可达1 0 西n m ，能与s i 0 2 媲美，远低于半导体和掺杂玻璃； 5 与硅基半导体材料相比，聚合物的折射率差具有大的调节范围，能够满足各种不同 的应用要求； 6 低的光纤波导耦合损耗，聚合物的折射率与石英玻璃的折射率相近，从而在耦合时 端面的反射很小，同时聚合物材料可以很容易地实现大的波导截面尺寸，其模场直 径和光纤模式可以有很好的匹配，因而具有低的耦合损耗： 7 低的波导散射损耗，聚合物波导结构的折射率差要远远小于硅基材料； 8 成膜工艺简单，采用旋涂成膜法，可以简单快速地制备高质量的薄膜，无论从薄膜 聚合物基偏振无关单纤三重波分复用器研究 制备的工序还是周期上都要优于大部分的无机材料，从而能够降低成本； 9 波导器件制各简单，除了传统的半导体器件制备工艺外，还可采用更适于工业化和 大批量生产的微纳米模压【3 2 】、光漂白等技术，大大降低制作工艺难度和成本； 1 0 大的热光系数，聚合物的热光系数在1 0 。4 c 量级，比无机玻璃材料大一个数量级， 可大大降低热光调谐功能器件的功耗，并且聚合物大的热光系数使其在实现波导器 件无热化方面具有明显的优势； 1 1 优良的时间响应特性( 其调制频率可大于l o o g h z ) ，较强的光电非线性，因而在超高 速电光调制器件和全光器件的制作上具有巨大的潜力。 1 6 聚合物波导的制备工艺及纳米模压技术 聚合物材料在集成光波导方面应用的主要优势体现在制备工艺简单且成本低，这与 聚合物波导制备手段的灵活多样性密切相关。聚合物波导的制备工艺主要有两大类：一 类是采用传统的制备无机半导体器件的方法，如刻蚀( e t c h i n g ) p 引、电子束曝光( e - b e a m l i t h o g r a p h y ) 和电子束直写( e l e c t r o n - b e a mw r i t i n g ) 等方法【3 4 1 ；另一类是采用近些年兴 起的纳米模压技术( n a n o i m p r i n tt e c h n o l o g y ) 1 3 5 j 。光学刻蚀技术是发展最早工艺最成熟 的一种波导器件制作工艺，可以用来直接对聚合物材料进行刻蚀以获得所需的光波导器 件，对于s i 0 2 和s i 材料也可以沟槽填充工艺获得所需的光波导器件，聚合物材料直接 刻蚀以及s i 0 2 和s i 材料刻槽工艺流程图分别如图1 1 0 和1 11 。 大连理工大学硕士学