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【小麓讲堂】薄膜滤波片型波分复用器简介
发布时间:2021-10-28 00:00:00 编辑:麓帮主 阅读次数:441
1
研究背景

 

90年代爆发的信息革命使得主干网络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能都必须由相应的光通信器件或设备来实现。如何不改变现有网络基本架构的基础上尽可能的加大带宽和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-Division Multiplexing,TDM)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 Division Multiplexing,WDM)。

 

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定义

 

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。

图1.WDM技术原理图。

CWDM的信道间隔为20 nm。DWDM的信道间隔一般在0.2 nm到1.2 nm之间。相比较而言DWDM具有更密集的信道分布能在同一根光纤中传输更多的信号,因而更加适合未来高速大容量光网络的应用,更具备发展前景未来全光网络发展的趋势也对网络中各种器件提出了更高的要求。总的来说DWDM技术要求光器件具备大通道数量、高集成度、低损耗、高稳定性、低成本等特点。

WDM主要有以下几种类型:①薄膜滤波片型,②熔融拉锥耦合器型,③光纤布拉格光栅,④平面光波导型。其中最常用的为薄膜滤片型和熔融拉锥耦合器型,关于熔融拉锥耦合器型的介绍可参见《【小麓讲堂】熔融拉锥型波分复用器简介》,本文主要以薄膜滤片型为例做详细介绍。

 

3
薄膜滤波片型WDM工作原理

 

· 核心元件—多层介质膜滤波片

 

多层介质膜滤片是一种多层高反射膜,膜层数目可多达几十层至上百层,交替由较高折射率和较低折射率的两种电介质材料组成,与滤片基底和空气相邻的膜层具有较高折射率。将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,就可以实现将不同波长分离或合并的效果。
图2.多层介质膜滤片结构。

图2为多层介质膜滤片结构示意图,其中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,可以完全透过LL,就像没有LL膜层一样。LL两边都是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。

 

· WDM工作原理

 

图3.滤波片型波分复用器内部结构简图(未画出胶水部分)。

图4.解复用(a)和复用(b)滤波片的工作原理图。

图3为滤波片型波分复用器内部结构简图。用作不同作用时工作原理如图4所示。图4(a)为用作解复用器的情况,含有两个波长的多波长光信号从信号输入端进入器件,从端口1输出其中的一个波长的光。在玻璃基底的上侧沉积的多层介质膜保证了只有信号1能透过滤波片从端口1输出,剩余的波长信号光被反射回到2端口输出。图4(b)是用作复用器的情况,两个输入波长信号1和2分别从端口1和端口2进入器件,经器件复合成多波长光信号从输出端口输出。

图5.多波长信号WDM系统。

当我们需要多波长(信号波数量≥3)信号工作时可通过串联方式进行分波/合波,如图5所示,每个波分复用器只能针对性选择一个波长信号透过,而将其余波长信号反射输出,因此通过多个波分复用器串联的方式,可将各个波长信号逐个筛选出来传输至特定的端口。同理,当需要合波时,每个上行端口的信号都需要通过波分复用器逐个复用至一根光纤共同传输。

 

· 介质膜滤波片型波分复用器的优缺点

 

*优点:插入损耗较低、信号通带比较平坦、温度特性好、可以实现结构稳定的小型化器件。

*缺点:加工工艺比较复杂,不过目前的工艺已经比较成熟。

 

4
关键参数

 

插入损耗IL (Insertion Loss)

 

入损耗是指增加WDM而产生的附加损耗,定义为该无源器件的输入和输出端口的光功率之比,即:

IL=-10 lg(Pout /Pin

式中:Pout为输出端口的光功率,Pin为输入端口的光功率。该器件的性能要求对正向入射光的插入损耗是越小越好。

图6.WDM插损测试示意图。

以图6为例,蓝色光输入100 mW,输出端口为透射(Pass)端,红色光输入为100 mW,输出端口为反射(Reflect)端。

可知透射(Pass)端输入光功率Pin =100 mW,输出光功率Pout=90 mW,那么透射(Pass)端的插损IL为:

IL= 10 × lg (90/100)
= 10 × (-0.046)
= -0.46 dB      

同理可知反射(Reflect)端输入光功率Pin =100 mW,输出光功率Pout=95 mW,那么反射(Reflect)端的插损IL为:

IL= 10 × lg (95/100)
= 10 × (-0.022)
= -0.22 dB       

 

通道隔离度Iso (Isolation)

通道隔离度是指WDM其中一光路对其他光路的光的隔离能力。定义为:非通道入射光信号的功率值与通道输出光信号的功率值的比的分贝数,表示为:

Iso=-10×lg(Pout/Pin)

式中:Pin表示非通道光输入的光功率,Pout表示非通道光输出的光功率。该器件的性能要求对反向反射光的隔离度值越大越好。

图7.WDM透射(Pass)端隔离度测试光路图。

以图7为例,该WDM透射(Pass)端为蓝光的传输通道,反射(Reflect)端为红光的传输通道。理论上在公共(Common)端输入的红光应全反射至反射(Reflect)端输出。但是实际上WDM器件并不能完全隔离红光输出至蓝光的专属通道透射(Pass)端。因此为了表征WDM器件对非通道光的隔离能力引入通道隔离度的概念。

由图7可知,非通道光红光的输入光功率Pi=100 mW,在透射(Pass)端输出光功率Pout=1 mW,那么的透射(Pass)端的隔离度Iso为:

so = 10 × lg (1/100)
= 10 × (-2)
= -20 dB   

图8.WDM反射(Reflect)端隔离度测试光路图

同理,由图8可得非通道光蓝光的输入光功率Pi=100 mW,在反射(Reflect)端输出光功率Pout=3 mW,那么的反射(Reflect)端的隔离度Iso为:

Iso = 10 × lg (3/100)
= 10 × (-1.5)
= -15 dB      

 

5
波分复用器的应用

 

光波分复用器的应用涉及数字通信、数据、CATV、多媒体、光纤激光器、光纤传感等领域,特别是用户接入网在数字、数据、图像一体化系统中的应用更广泛。根据ITU-T建议监控信道选用1510 nm±10 nm(或1570 nm±10 nm或1480 nm、1310 nm等),双波长波分复用器件的需求量一直是非常庞大的。此外双波长的测试仪表、双色测试仪器等在光谱分析与测量中的应用也十分广泛。

 

 光纤通信

 

 图9.图像数字传输系统。

在今日信息技术高速发展的情况下,光纤网络已经是人类社会必不可少的组成部分。密密麻麻的光纤铺满了千家万户。WDM系统的开发,是为了应对日益增长的通信需求,降低光纤的使用量,提高单根光纤的使用率。如图1所示,通过WDM系统的组合波长功能,可以将几个、几十个不同的信号波长耦合到一根光纤中进行传输,在传输至终端前,再通过WDM的分波功能,将不同的信号波长分别传输至对应终端中。达到节约传输光纤的目的,极大的提升了单根光纤的使用率。

 

EDFA中泵浦源和信号光合波

 

图10.一种典型EDFA中WDM的应用。

EDFA也称为掺铒光纤放大器,是一种特殊的光纤,在纤芯中注入了饵(Er)这种稀土元素,使得在泵浦光源作用下,可直接对某一波长的光信号进行放大。主要应用在长距离光纤传输过程中,光信号经过长距离传输,能量衰减,无法有效传递至终端。因此,在传输过程中增加一个光纤放大器,对能量衰减的光信号进行补强,使能量能够经过超长距离的传输而保持在一定量级。例如海底光网络传输,城域网传输等。

在EDFA中一段采用的是1480 nm或980 nm半导体激光器泵源。那么1480/1550 nm、980/1550 nm WDM是必须采用的光器件,其主要作用是合波,将光信号和泵源光合波输入EDFA中,使得信号放大。如图10,在左侧输入待增强的1550 nm信号光,分波器处分离5%的光能量用作功率监测,剩余95%能量由WDM传输进入掺饵光纤。泵浦源发出980 nm的激励光,同样由WDM进入掺饵光纤,980 nm的激励光在光纤中被吸收实现工作物质泵浦作用,然后在1550 nm信号光的诱导下,掺饵光纤会产生大量1550 nm的光,从而实现对1550 nm信号光的增强放大作用。

同理,其它波长类型光纤放大器结构原理也相类似。

 

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