1.2 光学梳状滤波器.ppt

1、1. DWDM系统中的光学滤波器,万助军华中科技大学南五楼309室,2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,2,1.2.1 光学梳状滤波器简介 1.2.2 光学梳状滤波器的工作原理 1.2.3 基于双折射晶体的梳状滤波器 1.2.4 基于PLC技术的梳状滤波器 1.2.5 基于GT谐振腔的梳状滤波器,1.2 光学梳状滤波器,2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,3,为什么需要梳状滤波器？,DWDM信道间隔和技术方案： 200GHz 100GHz 50GHz 25GHz 1.6nm 0.8nm 0.4nm 0.2nm TFF

2、 TFF 止于此 AWG AWG AWG 止于此,通信系统需要新的DWDM滤波技术,TFF：Thin Film Filter，薄膜滤波片 AWG：Arrayed Waveguide Gratings，阵列波导光栅,2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,4,什么是梳状滤波器？,f 2f 降低了对后续滤波器的技术要求,2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,5,梳状滤波器的应用,in use,for backup,interleaver here,interleaver here,作为波段滤波器，分波之后的信道间隔为原来的两倍，降低对后续滤波器的技术要

3、求。,作为波段滤波器，保留一半波长作为系统备份。,2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,6,1.2.1 光学梳状滤波器简介 1.2.2 光学梳状滤波器的工作原理 1.2.3 基于双折射晶体的梳状滤波器 1.2.4 基于PLC技术的梳状滤波器 1.2.5 基于GT谐振腔的梳状滤波器,1.2 光学梳状滤波器,2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,7,偏振光干涉分析,两个偏振片中夹一个波片结构 基于偏振光干涉分析得到 I1 P1偏振方向检测光强 I2 P2偏振方向检测光强,(f) 取决于 (nL),2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-H

4、UST,8,有限冲击响应系统,傅里叶变换,时域,单个波 输入1个光脉冲，输出2个光脉冲 两个波片 输入1个光脉冲，输出3个光脉冲 n个波片 - 输入1个光脉冲，输出n+1个光脉冲 输出脉冲序列可以表示如下：,有限冲击响应（FIR）系统,傅里叶级数,2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,9,傅里叶分析,n=10,n=50,n=100,以傅里叶级数来近似方波，级数项数越多，则近似程度越好。,2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,10,傅里叶分析,任何波形均可以傅里叶级数来近似 级数项数n越多，则近似程度越好 梳状滤波器的谱线亦可以傅里叶级数来近似 给

5、定一系列串联的波片，可得到一个傅里叶级数系列 级数系数系列ak取决于各波片快轴的方位角k 设计任务：给定系数系列ak，计算角度系列k,2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,11,傅里叶分析,级数项数更多，但上升和下降沿存在抖动，不符合要求。,级数项数更少，但谱线满足应用需求。,2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,12,1.2.1 光学梳状滤波器简介 1.2.2 光学梳状滤波器的工作原理 1.2.3 基于双折射晶体的梳状滤波器 1.2.4 基于PLC技术的梳状滤波器 1.2.5 基于GT谐振腔的梳状滤波器,1.2 光学梳状滤波器,2020/8/4

6、,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,13,晶体型梳状滤波器结构,晶体型梳状滤波器的核心部分,傅里叶级数的系数ak取决于波片快轴的相对角度:,2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,14,晶体型梳状滤波器结构,前两个波片快轴夹角为0，合为一片 检偏器与起偏器夹角为90，因此位移晶体2和7的主平面正交。,2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,15,晶体型梳状滤波器结构,2+3: 偏振转换组件，将随机偏振的入射光转换为相同偏振态的两束平行光，以消除器件的偏振相关性。 7: 以位移晶体代替偏振片，两个正交偏振态均检测到。,2020/8/4,by

7、Z.J.Wan, NGIA-HUST,16,晶体型梳状滤波器结构,位移晶体2, 7, 12的主平面分别位于0, 90, 0方向。,2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,17,对时延单元的考虑,温度稳定性考虑: 晶体的双折射系数受温度影响，以两片温度系数相反的晶体，快轴相互对准；或者以两片温度系数相同的晶体，快轴与慢轴交错对准，实现温度补偿，两片晶体的厚度则取决于二者的温度系数比值。 加工容差考虑：前两片晶体的双折射系数较大，相应的厚度加工容差较小。因此，二者加工厚度稍小于理论设计值，不足部分以低双折射系数的晶体补偿，后者加工容差较大，且可加工几种厚度，以供选择。例如与石

8、英晶体补偿YVO4晶体，容差由0.04m提高到0.9m。 成本考虑：以右图所示的PBS棱镜代替晶体波片，可降低成本。,一个时延单元由3片晶体组成,2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,18,1.2.1 光学梳状滤波器简介 1.2.2 光学梳状滤波器的工作原理 1.2.3 基于双折射晶体的梳状滤波器 1.2.4 基于PLC技术的梳状滤波器 1.2.5 基于GT谐振腔的梳状滤波器,1.2 光学梳状滤波器,2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,19,基于PLC技术的梳状滤波器结构,方向耦合器的传输矩阵（琼斯矩阵）：,两个输出端口之间的耦合比取决于耦合角

9、。 =kL, L为耦合区长度, k为耦合系数，取决于波导参数和波导间距。,2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,20,PLC型梳状滤波器的矩阵分析,延迟线：,相移器：,方向耦合器：,单元传输矩阵：,格状光路：,传输函数：,2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,21,PLC格状光路解析,前面N-1级格状光路的传输矩阵：,计算n、n的递归公式:,2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,22,设计步骤,根据数字滤波器技术得到的传输谱线：,传输函数：,光路参数：,递归公式,最佳平坦化滤波器：,2020/8/4,by Z.J.Wan,

10、 NGIA-HUST,23,设计实例,0.5dB带宽30GHz 3dB带宽50GHz 串扰-25dB相邻通道6GHz,2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,24,1.2.1 光学梳状滤波器简介 1.2.2 光学梳状滤波器的工作原理 1.2.3 基于双折射晶体的梳状滤波器 1.2.4 基于PLC技术的梳状滤波器 1.2.5 基于GT谐振腔的梳状滤波器,1.2 光学梳状滤波器,2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,25,Gires-Tournois谐振腔,基于多光束干涉分析得到：,其中波数k=2/。,输入一个光脉冲，输出+个光脉冲,傅里叶变换,无限冲

11、激响应（IIR）系统,傅里叶级数,2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,26,采用一个GT腔的迈克尔逊干涉仪,两条光路的相位差：,透过率：,信道间隔取决于间隙d， 谱线形状取决于反射率R。,为了实现梳状滤波器波形， L1-L2=d/2。,2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,27,采用一个GT腔的迈克尔逊干涉仪,R, 通带, 阻带, 串扰 ,2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,28,采用两个GT腔的迈克尔逊干涉仪,采用一个GT腔的梳状滤波器，要求L1-L2=d/2。 在实际的制造过程中，这点难以保证，因此提出采用两个GT

12、腔的梳状滤波器结构。,基于普通干涉,基于偏振光干涉,后面对此结构进行分析,2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,29,采用两个GT腔的迈克尔逊干涉仪,基于普通干涉,2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,30,R=18%,采用两个GT腔的迈克尔逊干涉仪,2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,31,梳状滤波器技术方案对比,GTR谐振腔：信道间隔f最窄，损耗最低，通带最好。 时延晶体：最好的阻带宽度。 PLC格状光路：必须温控才能稳定工作。,2020/8/4,by Z.J.Wan, NGIA-HUST,32,参考文献,Interleaver technology: comparisons and applications requirements Synthesis of coherent two-port lattice-form optical delay-line circuit Optical half-band filters Multifunctionoptical filter with a Michels-Gires-Tourn