搜索
波分复用器的技术和应用宋金声本文作者宋金声先生电子工业部第23研究所高级工程师一前言波分复用器(WDM)是使两个或两个以上波长的光信号在同一根光纤中进行传输的无源器件一般应有波长分割复用器和解复用器分置于光纤的两端日本称之为合波/分波器美国有时称之为WDMCoupler它们是波分复用系统中的关键器件波分复用器在结构上有熔融拉锥型介质膜型光栅型和平面型四种其主要技术指标为插入损耗和隔离度在光通信发展的初期上述各种类型的波分复用器均有试验品研制出来但目前能形成批量生产并大量应用的主要是熔融型产品随着光纤放大器的实用化密集型的波分复用系统已提到议事日程上由于熔融型结构不适用于密集型波分复用器的制造所以其他几种结构的WDM又开始了新一轮的研究国外预测它们具有良好的应用前景本文首先分析这四种结构WDM的理论基础和技术特点然后介绍这些WDM在光纤有线电视系统中的应用二熔融型WDM熔融拉锥的方法首先是用来制造光纤耦合器的在制造单模光纤耦合器时耦合器输出端的光功率随拉伸长度L作周期性的变化该周期还与传输光的波长l有关假设两个输出端12的功率分别为P1P2则P1=P0Cos2(CL)P2=P0Sin2(CL)式中C为与波长l有关的系数在制造时若监测波长为1,300nm当P0=1时P1和P2的归一化输出变化如图1中的实线所示若监测波长为1,550nm由于l变大P1和P2随L变化的周期变小如图1中的虚线所示由图可见采用1,300nm为监测波长在耦合至第2.5周期时停止拉锥则1,550nm波长在1端有最大的输出1,300nm波长在2端有最大的输出这就制成了1,300nm/1,550nm的WDM如图2所示同理可以制造980nm/1,550nm和1,480nm/1,550nm的WDM由于980nm比1,300nm小其振荡周期长;1,480nm比1,300nm大其振荡周期短所以制造时的停止周期分别为1.5个周期和9个周期以上所述可总结于表1由表1可见波长间隔愈小因其振荡周期相差愈小所以在制造时要达到波分复用效果所需的振荡周期数愈多随着振荡周期数增多振荡速度也愈来愈快所以对于密集型的WDM熔融拉锥的技术是难以实现的图2所示的结构为单极熔融型WDM它的一般性能是:插入损耗为0.3dB隔离度为20dB带宽为10nm为提高熔融型WDM的隔离度和带宽可采用串级的方法如图3所示其隔离度可达35dB带宽可达20nm插入损耗有所增加为0.6dB三介质膜型WDM介质膜型波分复用器是在1/4节距自聚焦透镜(GRIN)组成的平行光路中引入镀有介质膜的各种滤波器而构成的平行光路如图4所示根据射线光学的原理1/4节距自聚焦透镜的射线矩阵由下式表示:−AA/100式中为自聚焦透镜的聚焦参数当光纤中数值孔径为NA的光线输入该透镜时其输入参数可近似为:0NA由此可以得到输出参数(光束半径R和光线斜率R')为:=⋅−=ANAARNAAR/0/1000'由上式可见输出光束的半径R=NA/A所以称此为扩束;因其斜率R'=0所以又称为平行光当平行光输入1/4节距自聚焦透镜时其输入参数可近似为:ANA/0由此式可以得到输出参数(光束半径R1和光线斜率R1')为:−=⋅−=0//11000'1NAARANAAR由上式可见输出光束的半径R1=0其斜率R'/=-NA即可耦合至光纤中去称为聚焦在这扩束和聚焦的透镜之间形成一个平行光束中间插入滤波器通过适当的光路设计可以使各种波长的光合在一根光纤中传输(复用)也可以将一根光纤中各种波长的光分路至不同的光纤(解复用)这种滤波器是采用在玻璃基体G上镀多层介质膜的方法制成的其膜层的表达式为:G(HL)P(LH)PA其中HL为光学厚度是1/4波长的高低折射率膜层A为空气p=123其膜层结构如图5所示由薄膜光学可知当膜层的光学厚度为1/4波长时有最佳的增加透射或反射的效果当膜层的光学厚度为1/2波长时膜层对这种波长的光犹如不存在一样由图5可见中间层LL为1/2波长λ0的光学厚度对波长为0λ的光不起作用可以略去不计剩下的中间层HH同样可以略去不计依此类推由此可以看出整个膜系对波长0λ的光具有同基体一样的透过率;而对于波长偏离λ0的光因为中间层不满足半波长的条件于是透过率迅速下降这就构成了波长为λ0的滤波器介质膜型WDM的典型结构如图6所示这是一个四波长的密集型波分复用器其波长间隔为8nm中间的玻璃基体上分别镀有λ1λ2λ3λ4的滤波器当λ1~λ4的光从同一根光纤输入时在第1通道λ1通过滤波器输出其他波长的光反射在第2通道λ2通过滤波器输出其他波长的光反射依此类推达到解复用的目的如果改变传输方向则起波长分割复用的作用这种类型波分复用器的波长间隔可达3~24nm插入损耗为1~2dB隔离度达50~60dB四光栅型WDM光栅型WDM的基本原理是利用光栅的衍射使不同波长的光分开一般采用闪耀光栅(BlazedGrating)又称定向光栅其刻痕轮廓如图7所示在这种光栅所产生的衍射图样中各级主最大的位置不受刻痕形状的影响而是由光栅方程式来确定:2dsinα=Kλ式中:d为光栅常数即每道刻痕的宽度;K为衍射的级数;λ为闪耀波长;α为闪耀角这种光栅是利用硅片的各向异性制成的图7中一种是按70.53º和α制造另一种是按109.47º和α制造选择适当角度α就能在波长λ下得到最大的衍射效率光栅型WDM的典型结构由光栅自聚焦透镜和光纤阵列三部分组成如图8所示输入光纤将波长为λ1~λ5的光注入1/4节距的自聚焦透镜经扩束后形成平行光由于是旁轴入射平行光束以某个角度入射至闪耀光栅在一定的光栅常数下一定的波长总是与一定的α相对应这样就把入射的不同波长分开波长长的衍射角大波长短的衍射角小于是五种波长反射至自聚焦透镜的角度就不同在自聚焦透镜的另一端就形成输出光的不同径向位置以便五根光纤分别接收五种波长的光达到解复用器的目的这种波分复用器的最大特点是波长间隔可以很小例如25nm其插入损耗一般为3dB隔离度可大于30dB但是采用机械方法刻划的闪耀光栅由于刻划机的周期误差和刻痕的不平整会引起鬼线和杂散光所以目前国内外正在着力研究光纤光栅即利用干涉或非干涉的光源照射特殊制造或经特殊处理的光敏光纤使相干紫外光的条纹或通过相位掩膜的紫外光条纹写入光纤形成光栅这种光栅又称布喇格光栅(BraggGrating)光纤光栅具有确定的中心反射波长其反射率最高可接近100%;带宽可小至0.028nm;附加损耗很小约1dB以下;体积小器件微型化;可与其他光纤器件兼容成一体;不易受环境尘埃影响这一系列优点使得它在制造密集型波分复用器方面有极好的应用前景五平面型可调WDM以上所述的WDM只是对规定的波长和波长间隔才能使用而平面型的结构可按需要制成波长和波长间隔可调的WDM这种WDM是在电光晶体(如LiNbO3)上利用集成光路的方法制作光波导运用光开关的原理使不同波长的光从不同的端口通过以达到分波和合波的目的可以通过对结构参数的调节选择复用波长的间隔;而利用电光效应可调节中心波长这种WDM具有比较好的适应性其结构如图9所示该波导的分支区是单模的中央区能承载最低价的两个导模光耦合进入一分支波导单模传输当到达作用区的后端时在两个分支波导端得到两个单模传输的不同光强的光光强值由相位差Φ决定调节Φ可使不同波长的光在不同端口得到最大值以达到分波的目的反过来如果两分支波导端同时入射两个波长的光调节Φ也可在同一端口使两个光同时得到最大值以达到合波的目的计算表明对波长间隔影响较大的是作用区的长度L和两波导区的宽度WL愈长W愈小则波长间隔愈小如果要求波长间隔为40nm左右则分支波导宽W=7m两模作用区的宽度与分支波导的宽度相等中央波导区的长度为10mm对该区采用两次溅射Ti工艺分支角为1º扩散温度为1,050时间为9h电极位于作用区两侧电极上施加电压即可调节相位差Φ这种WDM已有研制样品其波长间隔为43nm电压对复用波长的调节率为3nm/V隔离度为13~26dB插入损耗为7dB若进一步提高LiNbO3材料的质量波导的质量和波导两端研磨抛光的质量则插入损耗可以降低至实用化的水平六应用在光纤有线电视系统中WDM有着广阔的应用前景首先是双窗口的WDM传输如图10所示图10(a)为单纤的双向传输系统左端的1,310nm的LD通过WDM传输至右端的PIN检测器;右端的1,550nm的LD通过WDM传输至左端的PIN检测器在这种应用中WDM的隔离度一般在20dB左右即可图10(b)为单纤的单向多系统传输系统左端均为光源通过WDM传输至右端的各检测器在这种应用中WDM的隔离度一般需要在30dB以上WDM是光纤放大器中的重要器件图11表示了后向抽运的掺饵光纤放大器WDM将980nm或1,480nm波长的泵浦光以与信号光相反的方向传输给掺铒光纤使1,550nm波长的信号光得到放大图12表示了正反向同时抽运的掺铒光纤放大器WDM将泵浦光以与信号光相同相反的方向传输给添加稀土元素的光纤使信号光放大在未来的光纤有线电视传输系统中为了增加电视频道的数量采用非压缩的数字电视技术并与话音数据频道相结合需要采用密集型的波分复用技术(DWDM)就是在光纤的同一个工作窗口内利用光纤放大器增益的谱宽(30~35nm)使复用波长的间隔小至数nm甚至小于1nm例如日本的富士通公司在1,550nm波长的附近共复用了55个波长波长之间的间隔仅为0.6nm每个波长的数据速率为20Gb/s因此总的传输容量达到1.1Tb/s这是至今为止DWDM传输总容量最大的一次试验其关键的器件就是密集型的WDM图13为未来的融有线电视数据和话音为一体的无源光接入网(PON)这是一种双星型的拓扑结构中心局(CO)通过一对光纤和远端结点(RN)与众多的用户光网络单元(ONU)相连对于下行信号首先将卫星接收站接收的数字电视信号调制到1.3m的LED上将话音和数据信号调制到1.55m的LED上然后通过双窗口WDM传输给远端结点远端结点是一个波导光栅路由选择器(WGR)这实际上是密集型波分复用器它将宽带的LED光源分割成一系列的波长每个波长都具有相等的光功率通过各个输出端传输给相应的用户光网络单元光网络单元再经过解复用器将广播数字电视信号通过1.31m的接收器传输给电视机将数据和话音信号通过1.55m的接收器传输给电脑和电话机对于上行的数据和话音信号用户光网络单元将其调制到1,31m的LED上通过馈线光纤和波导光栅路由选择器传送到中心局的1.31m的接收器上利用时分多址技术中心局可以接收各用户光网络单元的数据和话音信号与有源光接入网相比较无源光接入网可以节省很多光纤和有源器件具有造价低可靠性好易于升级换代等优点是今后光纤用户网的主要发展方向综上所述各种应用场合下波分复用器的种类及其工作波长或波长间隔如表2所示(全文完)