50G标准具型光梳状滤波器

1、 设计(论文)题目: 50G标准具型光梳状滤波器（Interleaver）的设计 设计（论文）主要内容：光梳妆滤波器因具有将输入的频率间隔变为两倍输出的强大功能，可以实现更加密集的波分复用，从而为光纤通信系统传输容量的的进一步升级带来了曙光。论文要求分析标准具实现梳状滤波的原理，并借助mathcad仿真计算，设计出比较优化的interleaver制作方案，最后制作出样品，对设计方案进行论证。要求完成的主要任务:1、查阅不少于15篇的相关资料，其中英文文献不少于2篇，完成开题报告。2、研究各种光梳状滤波器的工作原理3、提出比较理想的光梳状滤波器设计方案并成功实现仿真。4、制作出光梳状滤波器样品并

2、通过实验验证样品的可靠性。5、完成不少于5000字的英文文献翻译。6、完成毕业设计论文。必读参考资料：1、标准具型interleaver的性能研究。2、指导教师签名： 系主任签名： 院长签名(章)_ _ 武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）随着国民经济的增长，信息通信呈爆炸式的发展,语音、图像、数据的信息交流的日益增多,尤其是因特网的广泛应用,给目前的通信网络带来极大的压力，人们对宽带通信的要求不断提高, 增大通信网络的传输容量已刻不容缓。现阶段，扩大光纤通信容量的主要技术方案有电时分复用(ETDM )、光时分复用(OTDM )、波分复用(WDM

3、)、光孤子等。其中,ETDM 技术方案的实用化水平已达到10Gb/s,由于受电子器件处理速度的限制, 很难实现大于20Gb/s 的商用ETDM; TDM 和光孤子技术对扩大光纤通信容量具有极大的潜力, 但因其涉及的技术很复杂, 关键技术还有待解决尚未达到实用化; 现代高速大容量光纤通信系统的潮流是利用密集波分复用（DWDM）技术扩大光纤通信系统容量。 目前密集波分复用(DWDM )系统已广泛应用于长途干线、城域网，并扩展至接入网。随着密集波分复用技术的进一步发展，光纤中传播的波长间隔也越来越小,对带宽的需求也越来越大。为了满足迅速增长的带宽需求，更有效地使用当前技术成熟的掺铒光纤放大器(EDF

4、A)的增益带宽，密集型波分复用(DWDM)系统必须提供更多的复用波道数，由此波道间隔变得越来越窄。采用镀膜工艺生产的介质薄膜滤波器件是性能良好的窄带滤波器, 具有透射谱顶部较平、相邻信道和非相邻信道隔离度高、插入损耗较小以及温度稳定性好等特性。但是镀膜工艺很难将介质薄膜型器件的信道间隔做到50GHz 以下, 因为信道间隔压窄一半, 就要多镀上百层薄膜, 蒸镀误差增加, 成品率下降, 产品价格上升,不能满足市场需求。于是，一种新的器件-光梳状滤波器(Interleaver)被提上日程,，这种器件可以将输入的波长间隔变为两倍输出，这样它回避了传统镀膜工艺的局限, 以奇偶信道交叉复用方式压缩了信道间

5、隔输出光, 从而提高通信的容量,使系统升级。 Interleaver的结构简单、设计方便、灵活，加工工艺比较成熟，通过优化设计和精细加工，各项性能指标良好、稳定，器件尺寸小巧,是目前用于实现窄通道频率间隔器件的理想选择。它的出现减轻了现有的DWDM器件解复用对波长间隔要求的负担，提高系统传输容量，同时避免器件技术的过分复杂和成本太高，给50 GHz及以下信道间隔的密集波分系统的成熟和商用化带来了曙光。2、基本内容和技术方案基本内容:一、介绍选题背景，简述DWDM技术概况和interleaver技术的研究意义。二、研究各种光梳状滤波器的工作原理。三、详细分析标准具型Interleaver的滤波原

6、理，根据mathcad仿真结果寻找最优设计方案。四、根据设计方案制作出interleaver样品，通过实验对设计方案进行论证。五、作出总结。技术方案：Interleaver的基本工作原理是双束光或者多光束的干涉， 由于干涉产生了周期性的原来信号波长重复整数倍的输出，通过控制干涉的边缘图案就可以选择合适的频率组输出,即通过控制两束光的光程差或是相位差来实现梳状滤波,其工作示意图如下。图1 Interleaver工作示意图等人在迈克尔逊G-T干涉仪型和晶体双折射Interleaver工作原理基础上提出(结构如下图),其基本原理是利用光的多光束干涉和偏振干涉实现梳状滤波,是当前interleaver

7、的研究趋势。一种新型的BGTI设计方案如图2.7所示，该结构只采用了一个GTI，光入射后被起偏分束器分成两束线偏振光，这两束线偏光进入同一个G-T腔，其中S分量和P分量在腔的界面上发生干涉，实现滤波功能。图2 具有两个GTI的标准具型Interleaver3、进度安排第13周, 查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究光梳状滤波器所需的理论知识,。并查阅相关资料,确定方案，完成开题报告。第47周,深入学习DWDM和interleaver的相关理论知识,为论文的撰写和方案的设计做准备。第810周,提出设计方案,并通过mathcad软件对设计方案进行模拟仿真。第913周, 根据设计方案,在公司相关

8、条件的允许下制作出样品,并对样品进行测试,得出实验结果进行分析,并对不足之处进行相应的改进,制作出较优化的样品。第1415周, 完成并修改毕业论文。第16周,准备论文答辩.4、指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日目 录摘 要9Abstract101 绪论111.1 光纤通信发展概况111.2 密集波分复用技术简介111.3 光梳状滤波器的技术特点和应用前景121.4 本文研究的主要内容132 Interleaver的基本滤波原理和研究现状142.1 交叉滤波原理142.2 Interleaver研究现状152.3 Interleaver的研究方向203 标准具滤波原理分析213.1 多光束

9、干涉基本原理213.2 偏振光干涉基本原理233.3 双折射G-T腔滤波原理243.4 本章小结284 设计方案的mathcad仿真分析294.1 mathcad软件简介294.2 Interleaver的参数说明294.3 G-T腔交叉滤波的仿真实现314.4 方案设计与可行性研究325.5 本章小结365 50G标准具型Interleaver的实现方案研究375.1 实现方案研究375.2 元件参数设计395.3 样品制作过程中需要考虑得几个关键问题435.4 本章小结446 Interleaver样品的测试与分析456.1 测试原理456.2 测试结果456.3 测试结果分析486.4

10、标准具型Interleaver的优越性验证506.5 本章小结507 总结517.1 结论517.2 心得体会517.3 结束语52参考文献53致 谢54摘 要光纤通信信道密度的迅速增加和数据传输速率的不断提高，给光纤通信网络带来极大的压力。光梳状滤波器能在信道间隔密集的情况下实现分波和合波, 实现信道间隔减半，从而提高通信系统容量，使通信系统升级。本文旨在研究制作光梳状滤波器的意义、设计出50G标准具样品,验证标准具型光梳状滤波器的优越性。本次毕业设计论文主要涉及到以下方面:1) 简述光纤通信概况,介绍梳状滤波技术研究现状和发展趋势。2) 利用光的多光束干涉原理和偏振光琼斯矩阵原理分析双折射

11、G-T腔的滤波特性。3) 设计出比较理想的标准具型滤波器的整体结构,利用mathcad对输出光谱进行模拟仿真,分析改设计方案的可行性,使设计方案更加优化。4) 根据设计方案制作出几只标准具型光梳状滤波器的样品,通过实验对设计方案进行论证。并通过对比分析,验证标准具型光梳状滤波器的优越性。本文的特色在于：提出大小标准具级联方案成功设计出梳状滤波器样品,既提高了相邻信道间的隔离度又再一定程度上减小了腔长不一致性对样品性能的影响。 关键词：梳状滤波器；干涉；双折射；标准具1 绪论1.1 光纤通信发展概况随着国民经济的增长，信息通信呈爆炸式的发展，语音、图像、数据的信息交流的日益增多，尤其是因特网的广

12、泛应用，给目前的光纤通信网络带来极大的压力，人们对宽带通信的要求不断提高， 增大光通信网络的传输容量已刻不容缓。现阶段，扩大光纤通信容量的主要技术方案有电时分复用(ETDM )、光时分复用(OTDM )、波分复用(WDM )、光孤子等。其中，ETDM 技术方案的实用化水平已达到10Gb/s，由于受电子器件处理速度的限制， 很难实现大于20Gb/s 的商用ETDM; TDM 和光孤子技术对扩大光纤通信容量具有极大的潜力， 但因其涉及的技术很复杂，关键技术还有待解决尚未达到实用化。 利用密集波分复用（DWDM）技术扩大光纤通信系统容量已经成为现代高速大容量光纤通信系统的潮流1。1.2 密集波分复用

13、技术简介波分复用技术（WDM :wavelength-division multiplexing）是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合在一起，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开(解复用)，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同终端，因此将此项技术成为波长分割复用技术，简称波分复用技术。同一窗口中信道间隔较小的波分复用技术成为密集波分复用技术 (DWDM :Dense wavelength-divisionmultiplexing)。目前密集波分复用(DWDM )系统已广泛应用于长途干线、城域网，并扩展

14、至接入网，其技术技术特点与优势如下:1)充分利用光纤的低损耗波段，增加光纤的传输容量，使一根光纤传送信息的物理限度增加一倍至数倍。目前我们只是利用了光纤低损耗谱(1310nm-1550nm)极少一部分，波分复用可以充分利用单模光纤的巨大带宽约25THz，传输带宽充足。2)具有在同一根光纤中，传送2个或数个非同步信号的能力，有利于数字信号和模拟信号的兼容，与数据速率和调制方式无关，在线路中间可以灵活取出或加入信道。3)对已建光纤系统，尤其早期铺设的芯数不多的光缆，只要原系统有功率余量，可进一步增容，实现多个单向信号或双向信号的传送而不用对原系统作大改动，具有较强的灵活性。4)由于大量减少了光纤的

15、使用量，大大降低了建设成本、由于光纤数量少，当出现故障时，恢复起来也迅速方便。5)有源光设备的共享性，对多个信号的传送或新业务的增加降低了成本。6)系统中有源设备得到大幅减少，这样就提高了系统的可靠性。目前，由于多路载波的光波分复用对光发射机、光接收机等设备要求较高，技术实施有一定难度，同时多纤芯光缆的应用对于传统广播电视传输业务未出现特别紧缺的局面，因而WDM的实际应用还不多。但是，随着有线电视综合业务的开展，对网络带宽需求的日益增长，各类选择性服务的实施、网络升级改造经济费用的考虑等等，WDM的特点和优势在CATV传输系统中逐渐显现出来，表现出广阔的应用前景，甚至将影响CATV网络的发展格

16、局2。密集波分复用技术虽然问世不长， 但由于它具有很多的有点而得到推广和广泛的应用，并向全光网络的方向不断发展。 随着光纤通信信道密度的迅速增加和数据传输速率的不断提高，对DWDM系统的性能提出了更加严格的要求。1.3 光梳状滤波器的技术特点和应用前景随着密集波分复用技术的进一步发展，光纤中传播的波长间隔也越来越小，对带宽的需求也越来越大。为了满足迅速增长的带宽需求，更有效地使用当前技术成熟的掺铒光纤放大器(EDFA)的增益带宽，密集型波分复用(DWDM)系统必须提供更多的复用波道数，由此波道间隔变得越来越窄。采用镀膜工艺生产的介质薄膜滤波器件是性能良好的窄带滤波器， 具有透射谱顶部较平、相邻

17、信道和非相邻信道隔离度高、插入损耗较小和温度稳定性好等特性。但是镀膜工艺很难将介质薄膜型器件的信道间隔做到50GHz 以下， 因为信道间隔压窄一半， 就要多镀上百层薄膜， 蒸镀误差增加， 成品率下降， 产品价格上升，不能满足市场需求3。于是，一种新的器件光梳状滤波器(Interleaver)被提上日程，这种器件可以将输入的波长间隔变为两倍输出，这样它回避了传统镀膜工艺的局限， 以奇偶信道交叉复用方式压缩了信道间隔输出光， 从而提高通信的容量，使系统升级。光梳状滤波器是一种新型的复用/解复用器件，英文名称Interleaver。 与通常的DWDM 技术不同，Interleaver采取的是一种交叉

18、滤波方案。这种器件可以将一列输入频率间隔为f的光信号分成两列频率间隔为2f的光信号输出，反过来又可以将两列频率间隔为2f的光信号复用为一路间隔为f的密集光信号输出。也就是说，Interleaver不象DWDM 那样，把一串信号流中的某个单独信道给过滤出来，而是按照奇偶分配的原则，把这串信号分解为两组信号流，分解后的每组信号频道间隔比原来增大了一倍。在数学上，这样的滤波函数有一个很形象的专用名词，叫做“梳状滤波函数”4。意思是说，该函数可以象一把梳子，对信号的频谱进行梳理和分叉。因此，在DWDW中使用Interleaver技术可以使光纤通信系统奇偶信道的信号光作为两组分开或合成，从而实现信道间隔

19、减半。 这种Interleaver与DWDM级联方案就回避了传统镀膜工艺的局限， 降低了后面密集波分复用的难度，以奇偶信道交叉复用方式压缩了信道间隔输出光， 从而提高通信的容量，使系统升级。Interleaver的结构简单、设计方便、灵活，加工工艺比较成熟，通过优化设计和精细加工，各项性能指标良好、稳定，器件尺寸小巧。 实践证明，利用Interleaver升级系统容量要比直接升级DWDM本身经济，随着全光网络的进一步发展及通信市场的恢复，Interleaver 能为社会带来更大的经济效益和社会效益。1.4 本文研究的主要内容本文研究的内容是标准具型Interleaver的设计方案和样品的性能。

20、标准具型Interleaver是一种基于光的多光束干涉和偏振干涉原理制成的光梳状滤波器，适用于50G以下的通信系统，是比较理想的设计方案。本文的主要工作包括以下几个方面：1） 通过对目前市场上比较成熟和正在研究探索中的Interleaver制造技术进行分析和比较，提出标准具型Interleaver的优越性，并利用偏振光学理论和光的多光束干涉原理对标准具型Interleaver的滤波过程做详尽的理论分析。2） 在充实的理论分析基础上，利用mathcad对标准具滤波特性进行仿真分析，提出较理想的设计方案，进行方案可行性研究， 提出改进方案，验证改进方案，最后得出最终实现方案。3） 根据设计方案制作

21、出实验样品，整理实验数据，分析输出波形，论证实验方案，并进行样品可靠性研究。最后通过分析比较验证标准具型Interleaver的优越性。2 Interleaver的基本滤波原理和研究现状2.1 交叉滤波原理Interleaver的基本工作原理是利用光的干涉进行滤波， 由于干涉产生了周期性的原来信号波长重复整数倍的输出，通过控制干涉的边缘图案就可以选择合适的频率组输出，即通过控制两束光的光程差或是相位差来实现梳状滤波。 因此设计梳状滤波器的关键就是要使相干的两条光束或多束光之间产生光程差，根据光程的定义，光程等于折射率和光路长度的乘积，要产生光程差，就可以通过产生折射率之差或光路长度之差来实现。

22、可以用更加清晰的数学公式来加以描述交叉滤波的过程，即满足： (2.1) (2.2)其中odd指奇数通道，even指偶数通道，m是干涉级次，取正整数；0.5表示了奇偶通道的互补性，L表示光程差。相邻的奇、偶通道的分波间隔为Dl=l/(2m)，当干涉级次m很高的时候，分波间隔就越窄。貌似复杂的光学运算功能所依赖的核心原理其实却是非常简单，就是高阶的光学干涉效应。我们可以用傅立叶变换的方法来描述Interleaver的频率响应与基本的余弦型响应函数以及理想的方波响应函数的关系。余弦型响应函数表示为 (2.3)我们可以定义常数a为入射光波的振幅，x为入射光波的频率，y为出射光波的振幅，则从公式(2.3

23、)可以看成是基本的频率域内振幅关于频率的响应函数。如果表示成光强则为：理想的方波响应函数可表示为 (2.4)其中n为大于等于零的整数，T是方波函数的最小周期。同样可以按照类似与余弦型函数的方法定义其中的变量含义，使其表达和通信系统响应函数相关的物理意义。我们可以对方波进行傅立叶级数的展开，以便在频率里分析系统的响应。如此可以为后继的设计及优化建立数学模型。方波的傅立叶级数展开式为5： (2.5)可见方波函数是由无穷多项余弦函数叠加而成，它包括直流量，基波分量，三次谐波分量以及更高的奇次谐波分量叠加项愈多，波形愈接近方波。 可见方波函数是由无穷多项余弦函数叠加而成，它包括直流量，基波分量，三次谐

24、波分量以及更高的奇次谐波分量。叠加项愈多，波形愈接近方波，另一方面，当我们改变谐波项的权重（或者说谐波项前面的系数），一样可以改变合成后波形的特征。大部分类型的Interleaver，光束干涉后的波形只是上式前三项的和，所以波形并不是很接近于方波。2.2 Interleaver研究现状随着光纤通信中间隔越来越小。信道间隔为50GHz(0.4nm)的密集波分复用系统已经商用化。25GHz的系统也已经被提上日程，Interleaver技术的产生正是为了使密集波分复用系统升级，提高系统的传输容量。按工作频率的不同，Interleaver可以分为100GHz的Interleaver， 50GHz的In

25、terleaver， 25GHz的Interleaver等等。100GHz/200GHz的Interleaver，即能将间隔为100GHz的一路光信号分为两束间隔各为200GHz的信号；50G和25G Interleaver的功能跟100G一致，只是信道间隔变窄了。以下是Interleaver与DWDM组合运用的示意图如下: 123413解复用nterleaver 解复用24图2. 1 Interleaver工作示意图如图2.1所示6，假设有一路频率间隔为50GHz的多波长光信号(1234) 通过50GHz/100GHz的Interleaver，则该路光信号将分成波长间隔为100GHz的两路光

26、信号，每一路再分别经过一个100GHzDWDM即可实现信道间隔为100GHz的解复用。100GHz/200GHz、25GHz、50GHz Interleaver的工作过程与此一样。目前100GHz/200GHz、50GHz/100GHz Interleaver技术已经比较成熟， 25GHz/50GHz Interleaver技术尚在研究阶段。就制作工艺方面考虑，目前市场上比较成熟并且具有发展潜力的Interleaver大致有一下几种:马赫曾德尔(MZ)型、双折射晶体型、迈克尔逊GT干涉仪型以及双折射GT型等。 本节将讨论这几种Interleaver的器件结构、原理性能，并分析这些器件在开发高端

27、产品时的困难及相应的解决途径。 马赫泽德(Mach-Zehnder)干涉仪型 Wavesplitter公司首先开发出基于单模光纤的Mach-Zehnder干涉仪型Interleaver。它是以非对称的Mach-Zehnder干涉仪为基本单元构造的，如图2.2所示。Mach-Zehnder干涉结构是由两个3dB耦合器串联而成的， 由于两个耦合器之间的光纤长度相差L，被称为非对称Mach-Zehnder干涉仪。其基本结构如图3所示。由激光器发出的相干光，分别送入两根长度不同的单模光纤中，从两光纤输出的激光束叠加后将产生干涉效应。分光和和光是由两个3dB耦合器C1和C2构成。输出端口3，4功率函数由

28、下试给出7: (2.6)其中，L代表两干涉臂L1和L2的长度差，=2n/为波锨在光纤中的传播常数。Port 12112Port 2耦合器2耦合器1Port 0图2. 2 M-Z Interleaver的干涉结构示意图 单个干涉仪的输出谱为正弦函数，为了改善器件的输出谱形状，使之平坦化，需要用多个MZ干涉仪串联。正弦函数可以看作傅立叶级数的基函数，所以设计时通常是把所需的输出谱线按傅立叶级数展开，通过调节每一个单元干涉仪的臂长差，确定所需的单元数，也就是傅里叶级数的项数。并可以通过调节每个单元中耦合器的耦合比来改善隔离度。因此这类的器件可根据选用的傅里叶级数的项数或MZI单元数来分类，如用三个单

29、元构成的称为F3T型Interleaver，用四单元构成的称为F4T型Interleaver等。这类Interleaver器件的优越型有：采用全光纤形式，易于与现有的光纤传输网络连接：插入损耗较小；偏振特性较好；色散较小；通过多个单元串联可改善通道谱形状；优化隔离度和串扰等。但是，在目前工艺条件下，3dB耦合器的分光比很难精确控制；器件中有很多弯曲结构，光纤的曲率半径不能太小， 因此L值不能太大，决定着器件频率间隔不能太窄；而且每个单元MZI的两臂差的公差必须控制在nm量级，因而使光纤器件的制作工艺难度极大而不适用。若采用波导结构，则存在着对偏振、温度敏感性的控制和补偿，以及器件稳定性等问题，

30、因此在目前工艺条件下，这类器件远达不到成熟商品化阶段，尤其是窄频率间隔的Interleaver困难更大。相比之下，波导结构的MZI型Interleaver具有较为广阔的发展潜力8。 双折射晶体型双折射型Interleaver是由能使偏振光进行干涉的双折射晶体组成，偏振光干涉需要偏振光在经过晶体的快和慢轴时产生相位差。在晶体型梳状滤波器中，其核心是晶体滤波片，而晶体滤波片的基本原理简单地说就是波片的原理，是不同波长的光在双折射晶体中传播时，由于其波长的不同而在相同长度的光程差上，产生不相同的相位延迟，从而造成偏振方向的改变，将DWDM光纤通信系统奇偶信道信号光分开为偏振态正交的两组。考虑最简单的

31、情况，入射光为平面偏振光，此时的Interleaver由两块双折射晶体构成，入射光先后穿过两块晶体A和B，两个晶体的光轴方向成夹角，入射平面偏振光振幅为Al，振动方向与波片B的光轴方向一致，入射到波片A，在波片A内分为o光和e光，波片A的厚度为d，从波片A射出o光和e光的相位差为 (2.7)进入波片B后，按与光轴垂直及平行方向，在B中Ao分解为Ao和Ao，Ae分解成Ae和Ae。这样，Ao与Ae将发生干涉，由于Ao和Ae的方向相反，表明晶片B对两束光引入了相位差。同样，Ao与Ae将发生干涉，由于Ao和Ae的方向相同，晶片B对两束光未引入相位差，两束光总的相位差保持不变9。根据双光束干涉原理当=4

32、5度时，在B中满足条件的光波以o光在B中传播；频率满足 的光波以e光在B中传播。相邻奇通道（或偶通道）频率间隔为 (2.8) 方向AoB晶片的光轴方向Ae A晶片的光轴方向AoAoAe Ae方向 图2. 3 晶体Interleaver的原理示意图晶体型Interleaver的一种实现形式，如图2.3所示10：光进入双折射晶体后变成两束光（分别用实线和虚线表示），然后同时经过位相延迟单元，使得两束光之间有位相差，再经过双折射晶体2形成4束光，最后通过双折射晶体3合光并进行干涉。图2. 4一种晶体型Interleaver的实现形式基于偏振光干涉的双折射晶体型Interleaver插入损耗和偏振相关

33、损耗很大11，对光源波长漂移和环境温度比较敏感，因此需要精确控制光传播方向和偏振方向等，对角度的加工精度要求较高，且因属于传统光学器件，体积较大，成本较高。2.2.3 迈克尔逊G-T干涉仪型(MGTI)如图2.5所示12，其结构只是对传统迈克尔逊干涉仪的一种改进，即将其中一个反射镜用平面镜M1和M2构成的谐振腔代替，Ml的反射率小于1，M2的反射率为1。两个平面镜间距为d，腔中介质的折射率为n。这种代替反射镜的谐振腔被称为Gires-Tournois(GT)腔镜。具有GT腔镜的迈克尔逊干涉仪简称MGTI。图2. 5 MGTI的结构示意图MGTI的工作过程为：振幅为Ein的入射光经过环行器后被分

34、束器BS（50：50）分为分别沿L1和L2传播的两路光B1和B2。沿L1传播的光经G-T镜相位调制后重新回到BS，再次被透射反射均分，1/2（总光强的1/4）的光反射沿原始入射光路返回，经环行器从Estop口输出，另外1/2的光透射从Etrans输出；同样沿L2传播的光经全反射镜反射后返回到BS，也是被再次透射反射均分，1/2的光透射沿原始入射光路返回，经环行器从Estop口输出，另外1/2的光反射沿Etrans输出。从而Estop和Etrans都是双光束干涉输出，二者的光强相等，但相位差不同。由于GT谐振腔代替了平面反射镜，Micheslon干涉仪的输出谱形状由正弦型改进成为近似矩形，时GT

35、腔的非线性相位特性也补偿了Micheslon干涉仪的色散 。只需要通过改变两个长度：干涉仪两臂差DL和GT谐振腔厚度d，就可以得到任意频率间隔，不需要多个单元器件串联，因而这种器件在制作高端产品时具有很大的优越性。但是消光比低;波长间隔大，与光纤耦合困难，并且臂长受温度影响较大，所以此类型Interleaver温度特性较差，很难得到商用化13。2.2.4 双折射G-T标准具型(BGTI)等人在MGTI和晶体双折射Interleaver工作原理基础上提出， 其结构如图2.6所示14。与迈克尔逊干涉仪类似;50：50 分束器由偏振分束（PBS）代替，两个全反镜均由G-T镜代替，此外还包括4个双折射

36、晶体波片，G-T1 反射的腔间距为G-T2反射腔的一半， 因此G-T 反射镜1的相位相应周期为G-T反射镜2的两倍。反射镜1的相移与在G-T反射镜2经历的相移相接近或相差时，光信号以极小损耗通过输出端口。它用同一臂的光波S分量和P分量相互干涉代替了干涉仪两臂中的光的相互干涉，干涉输出分别得到奇偶信道的输出。这种结构避免了MGTI中对光程差敏感的问题，其臂长对性能影响不大，所以器件的温度和振动稳定性得到了提高，但却引入了偏振模式色散（PMD），而且制作两个完全相同的G-T镜在技术上也很困难。G-T镜1/4 波片1/8波片输入/输出光PBS透镜输出光图2. 6 具有两个GTI的Interleave

37、r标准具型Interleaver是以体光学元件为主，可以选用相同的玻璃材料，插入损耗和偏振相关损耗较小，带内波动小，并且对光程差的敏感程度低，加上目前色散补偿技术已经相当成熟，标准具型Interleaver 更适用于50G或更窄通信信道的应用。2.3 Interleaver的研究方向以上讨论了近来的制作Interleaver的方案，每种制作方法都有它的优点和不足之处。总的来说，马赫泽德干涉仪型Interleaver于结构简单， 插入损耗低;一致性好; 但是当信号所含波长数较多时，需要较多的马赫泽德干涉仪级联，从而导致结构庞大，复杂，难以协调; MGTI干涉仪型的特点是技术成熟;插入损耗低，但消

38、光比低;波长间隔大，与光纤耦合困难;由于干涉仪臂长受温度影响较大，所以此类型Interleaver的温度稳定性不是很好。双折射晶体型Interleaver由于它的低散射、高可靠性、低成本和成熟的制造技术等特点，可适用于50Ghz以上的系统， 但存在偏振相关损耗大;插入损耗大;成本高等缺点。G-T标准具型除色散比较大之外，具有低插入损耗、频带宽和体积小等众多优点，更适用于50GHz或窄通信信道的应用。随着色散补偿技术的进一步成熟，标准型Interleaver的研究和设计给50 GHz及以下信道间隔的更为密集的波分系统的成熟和商用化带来了曙光，引领着Interleaver制造技术的发展方向。本次毕

39、业论文依托Interleaver发展的时代背景， 通过对Interleaver的基本类型的了解和分析比较，选取50G标准具型Interleaver作为设计和研究对象，深入研究标准具型Interleaver交叉滤波的工作原理，达到成功设计Interleaver并进行性能优化的目的。3 标准具滤波原理分析双折射G-T标准具型结构是在迈克尔逊G-T干涉仪型和晶体双折射Interleaver工作原理基础上提出的， 双折射G-T标准具型结构核心元件是Gires-Tournois 腔和波片。Gires-Tournois 腔是大家所熟知的一种结构，它由两个间距极小的平行平板构成。其中一个平板的一面上镀有反射

40、率为10 %20 %的部分反射膜，另一平板的一面上镀有近似100 %的高反膜15。双折射G-T (BGTI) 腔是在G-T腔内、外各置一1/ 4 、1/ 8 波片构成。下面为双折射G-T标准具结构图和基本工作原理图:图3. 1 双折射G-T标准具工作原理图如图3.1所示，一偏振光入射到双折射Gires-Tournois 腔，偏振光将在Gires-Tournois 腔内多次反射，使出射光含有多束平行光束。利用偏振光干涉和多光束干涉原理，将出射的多束偏振光叠加，可发现出射光中含有偏振态相垂直的两种光，而且两束光频谱互补，进而实现梳状滤波。本节将对光的多光束干涉和偏振光干涉原理做简要介绍，并进一步深

41、入分析标准具梳状滤波原理。3.1 多光束干涉基本原理多光束干涉的在空间某区域相遇时，也会发生合强度不等于各个分量波强度之和现象。产生多光束干涉的物理基础和双光束干涉相同，即都是基于光波的叠加原理和强度与振幅之间的非线性关系。E0iii2i2n2n2nE0 E0 E0 E0E0图3. 2 平行平板的光程差以平行板为例，介绍平行板透射光的强度分布。如下图所示，设第一束透射光复振幅，初相位为零，光波在平行板内两内表面的反射系数为r，由于光波在平板内传播引起的相邻相干光束的相位差为，于是各投射光的复振幅可表示为： (3.1) (3.2) (3.3) (3.4)干涉条纹定域面上的合振幅为： (3.5)干

42、涉场强为： (3.6)在上式中，设表示第一束透射光的强度。设光波在平板内表面的透射率，于是和入射光强度之间的关系是。再设平板内表面的反射率，在不计吸收损失时，有，于是透射光的多光束干涉强度可表示为： (3.7)在不考虑各种光能损失的前提下，利用反射光和透射光多光束干涉强度和的互补关系，可求得： (3.8) 分析上式可知，N束光干涉，当时，总光强是每束光光强的倍，干涉光强度最大，当，总光强下降到零16。3.2 偏振光干涉基本原理为了普遍性起见，考虑斜椭偏光通过偏振片的光强变化，而将圆偏光和正椭偏光做为特例考虑。如图所示在设定的坐标架（xy）中，已知两个正交振动的振幅分别为、，以及相位差，试分析透

43、射光强，这里角为透射方向P与x轴之夹角。图3. 3 偏振干涉示意图 我们分别将两个光矢量，向透振方向P投影，从而获得两个方向、同频率的振动，其振幅分别为、，这两个振动之间又有确定的相位差，故他们完全满足相干条件。就是说，透射光强等于这两个振动相干叠加的强度， (3.9)借用三角公式， (3.10)又利用三角函数中的公式 (3.11)进一步化简上式得 (3.12) (3.13)或者表达为 (3.14)这里，正是入射椭圆光的总光强。当偏振片面对这束椭圆光旋转时，角便是一变量，从上式不难得到下列结论：出现透射光强极大，出现透射光强极小，由此可见，偏振片转动一周过程中，透射光强依次出现极大、极小，极大

44、和极小方位彼此相隔角度，无消光现象，且。透射光强的这一变化特点，与部分偏振光相同，当然，与或对应的透振方向的具体值或，取决于值，而它由（）式确定，取决于值17。这里，采用了干涉方法求解了上述输出系统的出射光强，即实现了偏振干涉。偏振光干涉的两个干涉成分基本上甚至完全是共光路的，因而其干涉效果不容易受到震动和气流等环境因素的影响；此外，它不需要一般双光束干涉装置中的分束和合束器件，只需要以偏振光作为输入即可。3.3 双折射G-T腔滤波原理3.4.1 偏振光的琼斯矢量表示由物理光学的知识可知，平面波的波函数可以写成如下形式 (3.15)光是一种横波，其光矢量E在横平面上有两个自由度，相应的有两个正

45、交的分量和，它俩之间的某种确定的振幅和相位关系对应一种相干的偏振态，可用一个二元矩阵表示， (3.16)略去因子，偏振态被简明地表示为 (3.17)它也叫做琼斯矢量，其中表示扰动超前的相位值。有两点需要说明，一是光矢量的振幅值A归一化，即=1。二是关于时间因子中的号选择，它既可以选，也可以选。分别表示光扰动随时间的增长而增加和减少。偏振光通过偏振器件后，它的偏振态会发生变化。入射光的偏振态用表示，透射光的偏振态用表示。即： (3.18)这一线性变换可以通过一个（22）的矩阵来完成，即 (3.19) (3.20)矩阵J称为琼斯矩阵。此矩阵方程的展开式为一个二元线性联立方程 (3.21)下面是几个

46、典型偏振器的J矩阵。1) 线偏振器其透振方向沿x轴水平， (3.22)2) 线偏振器其透振方向沿y轴垂直， (3.23)3) 线偏振器其透振方向分别沿45方向， (3.24)4) 波片其快轴沿x轴水平， (3.25)5) 波片其快轴沿y轴垂直， (3.26)6) 任意波片的琼斯矩阵可表示为，其中和分别表示快轴方位角和附加位相差， (3.27)3.4.2 滤波分析双折射G-T腔的核心滤波过程如图3.4所示，为表述直观且方面分析问题，我们将图形画成斜入射的情况，实际情况下入射光垂直于G-T腔进入标准具，并在出射面上发生多光束干涉。下面对滤波过程做详细的分析:图3. 4 双折射G-T腔示意图设x方向

47、的检偏器的琼斯矩阵为，y方向的检偏器的琼斯矩阵为 ，第一块平行平板的反射率为r，透射率为t，由能量守恒定律知透射率，取空气折射率为1，光在平行G-T腔内往返一次的光程差为。记理想波片的琼斯矩阵为，其中分别表示快轴方位角， 表示光经过波片后，沿着快轴传输的分量和沿着慢轴传输的分量的位相差， 。取1/4波片的光轴角度为与入射线偏光成-45度，则1/4理想波片的琼斯矩阵可表示为，同理可得，取1/8波片的光轴角度为与线偏光成-45度，则1/8理想波片的琼斯矩阵可表示为。如图所示，设一s偏振态，即偏振方向垂直于纸面，复振幅为E0的偏振光斥之入射到G-T腔中，偏振光在G-T腔中多次反射，分别以E1，E2E

48、n的复振幅状态输出。则有，第一束反射光的复振幅为 (3.28) 第二束反射光的复振幅为 (3.29)第三束反射光的复振幅为 (3.30)第四束反射光的复振幅为 (3.31)依次类推有 (3.32)根据多光束干涉的原理有，整个双折射G-T标准具的反射光的复振幅表示为(3.33)由于光在双折射G-T标准具反射次数越多，光的强度就越弱，所以，实际分析中只需取前20束光线即可，精度完全可以满足设计的要求，即有 (3.34)输出光分别通过沿X方向的检偏器和沿Y方向的检偏器，可将输出光中的s光和p光从奇偶信道分离出来则输出光中s光和p光的光强分别为 (3.35) (3.36)3.4 本章小结在本章节中，以

49、偏振光学理论和光的多光束干涉理论为基础，对双折射G-T的滤波过程进行了详细的分析，得出了两路输出光波的琼斯矩阵表达式.在下一章节中，我们将借助mathcad软件对这两路输出光波进行模拟仿真，验证这两路光是否具有频谱互补的特性。4 设计方案的mathcad仿真分析4.1 mathcad软件简介Mathcad是美国Mathsoft公司在1986年推出的一中著名的数学软件。它不仅具有程序设计语言的强大功能，而且像一个通用的电子数据表格一样易学好用。同时，它给我们提供一种交互式的数学系统，该系统具有便捷的解题环境、广泛的工具选择并支持各种数据分析与可视化技术18。Mathcad具有电子数据表活动界面，带有所见所得命令处理器， 当输入一个数学公式、方程组、矩阵等，计算机将直接给出计算结果，而无须去考虑中间计算过程，计算范围从一般的数值相加到积分微分计算，解放程等更为复杂的数值计算。并且可在工作页中的任意位置放置公式、文本和曲线图。公式处