波分复用器课件

光波分复用器1波分复用器概述波分复用器的原理波分复用器的应用与发展波分复用器概述

90年代爆发的信息革命使得主干网上传统的以铜为材料的同轴电缆线已经逐渐被以氧化硅为材料的光纤所取代。与之对应的，光信号的产生，调制，开关，路由，传输，滤波，衰减以及检测等种种功都必须由相应的光通信器件或设备来实现。在不改变现有网络基本架构的基础上，如何尽可能的加大带宽，增加数据传输容量，是众多科研人员一直在不断探索的问题。

时分复用(Time—DivisionMultiplexing)曾经是上个世纪被普遍应用的技术，但在系统速度不断提升的过程中(例如40Gbit/s)。TDM技术已经遇到了它的瓶颈，并且传输设备的价格也很高，光纤色散和极化模色散的影响也日益加重。于是人们开始把注意力转向另一种更具潜力和优势的技术：波分复用(Wavelength．DivisionMultiplexing)。波分复用器概述

WDM技术是指将两种或多种不同波长的光载波信号在发送端经过复用器(或称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路中的同一根光纤中进行传输的技术：在接收端，混合信号再经过解复用器(或称分波器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机进一步处理恢复原信号。WDMCWDM(稀疏波分复用)DWDM(密集波分复用)波分复用器件多种实现方法

WDM实现方法分立器件技术(bulksystem)薄膜滤光片（简称TFF）光纤技术平面光波导光路（简称PLC）光纤布拉格光栅FiberBraggGrating（FBG）阵列波导光栅（AWG）蚀刻衍射光栅（EDG）多层介质膜滤光片型WDM(MDTFF)应用少TFF与AWG结构示意图基于TFF的复用/解复用器：技术成熟，具有温度稳定性好、偏振不敏感、信道隔离度高、信道间隔可以不规则设置、系统升级容易等优点，但也有每个TFF需单独设计、通道损耗依滤波顺序递增、器件成本与通道数成正比、装配时间长等缺点，因此一般只应用于系统中通道数小于16的情况。

基于AWG的复用/解复用器：

AWG基于平面光波导（PlanarLightwaveCircuit,PLC）技术，具有波长间隔小、通道数大（不同通道数AWG的生产成本基本相同）、通道损耗均匀、尺寸小、易于集成、便于批量生产等优点，被认为是最适合用于大容量的密集波分复用（DenseWavelengthDivisionMultiplexing，DWDM）系统的关键器件。

波分复用器概述波分复用器的原理波分复用器的应用与发展波分复用器的原理熔锥型波分复用器

20世纪80年代初，人们开始用光纤熔融拉锥法制作单模光纤耦合器，至今已形成了实用的理论模型和成熟的工艺。目前，熔锥型波分复用器以其极低的插入损耗(最大值小于0．5dB，典型值为O．2dB)、结构简单、无需波长选择器、较高的光通路带宽、良好的环境稳定性、工艺简单、制作成本低廉、适于批量生产等优点，已经成为两波复用WDM系统和EDFA中使用最多的波分复用器件。熔融拉锥法就是将两根(或两根以上)除去涂敷层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的波导结构，如图所示，入射光功率在双锥体结构的耦合区发生功率再分配，实现传输光功率的耦合。

从图中可以看出这种WDM器件有四端，形成一个X型耦合器，即双光纤四端耦合器。通过设计熔锥区的锥度，控制拉锥速度，使其中一个波长的光在直通臂有接近100％的输出，而对波长为的光输出接近为零；使耦合臂对波长为的光有接近100％输出，而对的光输出接近为零，这样当两个不同波长和的光信号由输入臂端口同时输入该耦合器时，和的光信号则分别从直通臂和耦合臂输出，因而实现了分波功能。反之，当直通臂和耦合臂分别有和的光信号输入时，也能将其合并从一个端口共同输出，实现了合波功能，所以这种器件也是一种可逆的器件。熔锥型波分复用器优缺点：优点：波长可控（通过耦合长度）、插入损耗低，偏振相关损耗低、封装相对容易、可靠性高、制造工艺简单、大批量生产可降低成本。缺点：器件尺寸较大、相邻通道间串扰较大、信道数少一般不在DWDM中使用。光纤布拉格光栅型波分复用器

光纤光栅是近几年正着力研究、探索其机理的一种新型的全光纤器件。它是利用紫外激光诱导光纤纤芯折射率分布呈周期性变化的机理。当折射率的周期变化能满足布拉格光栅的条件时，该光栅相应波长的光就会产生全反射，而且其余波长的光会顺利通过，相当于一个带阻滤波器。

多波长FBG波分复用器要把多个布拉格波长λB分别等于λ1λ2…λN的FBG级联起来，如图所示，图中有多个FBG和环形器组成，多个波长依次通过各个FBG从而把相应的布拉格波长的光反射回来，然后通过环形器把该波长分离出来。

阵列波导光栅波分复用器

AWG由荷兰代尔夫特理工大学（DelftUniversityofTechnology）的MeintSmit、NTT（NipponTelegraphyandTelephoneCorporation）的HiroshiTakahashi和AT&T（AmericanTelephone&TelegraphCompany）贝尔实验室的CorradoDragone等人提出，迄今为止已有三十多年的历史。已报道的制作AWG的材料系统主要有硅基二氧化硅（SiO2/Si）、绝缘体上硅材料（Silicon-on-Insulator,SOI）、磷化铟基铟镓砷磷材料（InGaAsP/InP）、聚合物、铌酸理（LiNbO3）、氮氧化硅（SiON）等。

基于SiO2/Si的AWG（SiO2-AWG）具有传输损耗较低（小于0.05dB/cm）、容易与光纤耦合（耦合损耗的数量级是0.1dB）、成本低廉等优点而研究最为广泛和深入。但缺点是尺寸较大（数量级为10cm2），不利于与其它器件大规模集成。尺寸的小型化有赖于高折射率差的波导芯层和包层，如Si-AWG。在Si纳米线中，Si芯层和SiO2包层的大折射率差（≈2）使得它能将光限制在亚微米尺寸的波导里。因此，AWG的典型尺寸从基于SiO2波导（SiO2-AWG）的10cm2量级下降到基于硅纳米线（Si-AWG）的100μm2量级。基于纳米线材料制作的Si-AWG

(a)比利时根特大学的马鞍形(b)日本横滨国立大学

基于纳米Si光波导的新型交叠型AWG结构AWG结构：至少一条输入波导/输出波导输入/输出自由传输区（FPR）阵列波导区域FPR为罗兰圆结构AWG需满足的衍射方程：

其中，，，与分别是自由传输区和阵列波导的有效折射率；与分别是输入和输出FPR的衍射角；是阵列波导在光栅圆上的间隔;是相邻阵列波导间的长度差;m是衍射级次;是入射波长;i和j分别代表第几根输入和输出波导;和分别是输入和输出波导在罗兰圆上的间隔;是FPR的长度，在罗兰圆结构下

。

阵列波导光栅的优缺点：优点：尺寸较小、通道均匀性好、插入损耗低、串扰低、封装容易、具有成熟的制造工艺、制造成本低、适合高速多波道DWDM系统采用。缺点：温度稳定性差需温度补偿研究热点：1.超小尺寸AWG：硅和二氧化硅:的高折射率差(~2.0)为实现纳米光波导和超小尺度的集成光波导器件提供了可能，这是近几年的研究热点。2.频谱平坦化设计：在WDM系统中，器件的通道带宽是一个非常重要的参数。（主要有MMI，Y分支等特殊结构）3.偏振不敏感性蚀刻衍射光栅波分复用器

蚀刻衍射光栅波分复用技术起始与上世纪70年代末。在当时的结构有日本日立集团的Kokubunj1980年报道的蚀刻衍射光栅波分复用器件，它是利用两个透镜和1个平面光栅完成色散功能。法国的Gidon1988年在APL上报道的椭圆曲面光栅结构的波分复用器基于罗兰圆结构的EDG波分复用器随着纳米技术的发展，近几年基于a-Si的EDG成为了研究热点。加拿大的麦吉尔大学的AmirJafari在2008年提出的分布式布拉格衍射光栅这种光栅的优点是1.应用布拉格反射器提高光的反射率。2.通过调节布拉格反射器的反射系数来抑制旁瓣对相邻信号的干扰。浙江大学何赛灵小组提出的基于纳米线波导的Triplexer结构的EDG，尺寸大小在150um*130um,理论串扰低于-15dB。器件只针对单偏振状态工作。

加拿大Nat.Res的SJanz2008年报道的中阶梯蚀刻衍射光栅的波分复用器，48通道/100-GHz通道间隔为18mm*17mm,PDL低于0.2dB,插入损耗为4dB,串扰为-35dB。

相比AWG，EDG由于只具有一个自由传输区域，所以具有潜在的尺寸优势。另外，由于增加光栅齿面的数目要比增加阵列波导数目更容易，所以随着器件通道数量的增加，EDG的尺寸变化不如AWG那么迅速。但是，EDG的主要缺点来自于制作工艺上。由于光栅齿面的形成需要高质量的深刻蚀，垂直度要求高，并且表面粗糙度也要尽可能低，这些都对刻蚀工艺提出了较高的要求。同时，为了能提高光栅的反射效率，在光栅齿背面镀金属是一种较常见的办法。这样就进一步增加了工艺的复杂度，不利于器件的实用化。EDG原理：光栅方程：上式两边进行微分，可以得到角色散关系两边同时乘以Rowland圆直径，可以获得线色散关系蚀刻衍射光栅的优缺点：优点：尺寸较小、通道均匀性好、插入损耗低、串扰低、封装容易、具有成熟的制造工艺、制造成本低、适合高速多波道DWDM系统采用缺点：温度稳定性差、工艺复杂研究热点：1.超小尺寸EDG2.频谱平坦化设计3.偏振不敏感性4.增强刻蚀面反射率设计多层介质膜滤光片型（MDTFF）波分复用器

多层介质膜滤光片是一种多层高反射膜，膜层数目可多达数十层，交替由较高折射率和较低折射率的两种电介质材料组成，与滤光片基底和空气相邻的膜层具有较高折射率。原理：利用几十层不同的介质薄膜组合起来，组成具有特定波长选择特性的干涉滤波器，就可以实现将不同的波长分离或合并。

图中A为空气，G为基底，H为光学厚度为λ0/4的高折射率膜层，L为光学厚度为λ0/4的低折射率膜层。器件的中间两层连续的低折射率膜层(LL)，加起来的光学厚度为λ0/2。对于波长为λ0的光，可以完全透射LL，就像没有LL膜层一样。LL两边是H层，整个HLLH层的光学厚度为

λ0，所以波长为λ0的光也是完全透射的，这样对于整个λ0/4膜系，无论有多少层，波长为λ0的光都能透射过去。而对于其它λ≠λ0的光，每通过一层，透射率就下降一次，直到最后被滤除。

两个波长的MDTFF波分复用器件

(a)是用作解复用器的情况，含有两个波长的多波长光信号从端口1进入器件，从端口4输出其中的一个波长λ1光。在玻璃基片的右侧沉积了多层介质膜，每一层介质膜的光学厚度为λ1/4，这样只有波长为λ1的光透过MDTFF，波长为λ2的光被反射回到左侧，从端口2输出。(b)是用做复用器的情况，波长为λ1和λ2的两束光分别从端口4和端口2进入器件，经器件复合成多波长光信号从端口l输出。

多波长的MDTFF波分复用器工作原理

图中所有的透镜都是用梯度折射率材料做成的自聚焦透镜，作用是将极小入射角射入的光束聚焦成平行光输出。MDTFF型波分复用器主要优点：插入损耗较低信号通带比较平坦与光纤参数无关，可以实现结构稳定的小型化器件温度特性很好缺点：加工复杂，但目前的工艺已经比较成熟适用于16通道以下马赫—泽德干涉型(Mach-Zehnderinterleaver，MZI)波分复用器

该种波分复用器的滤波单元是马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnderinterleaver，MZI)，如上图所示，它由两个3dB耦合器级联而成，利用两耦合器间的两干涉臂长差可以使不同的波长在不同的输出臂输出。其实现形式可以是在两条相同的单模光纤上连续熔拉两个耦合器而成，也可以由基于平板光波导的集成光学元件实现。

由MZI级联构成波分复用器