第3章
CHAPTER 3


光纤通信无源器件








构建一个完整的光纤通信系统,除了要采用光纤光缆、光发送机和光接收机外,还需要许多配套的功能部件以实现系统各组件间信道的互通、分路/合路、复用/解复用、光路转换、波长/频率选择、功率控制、噪声滤除、反向隔离、偏振选择控制等功能,这些功能部件统称为无源光器件,以区别激光器、光电探测器、光放大器等有源光器件。无源光器件的主要特点是不与光信号直接交换能量,但可以对光信号实施空间域、时间域或相位频率域的控制和处理。无源光器件种类众多,主要有光纤连接器、光耦合器、光滤波器、光调制器、波分复用/解复用器、光开关、光隔离器和光环形器等。本章主要介绍光纤通信常用无源光器件的结构、工作原理、基本特性及其应用。

3.1光纤连接器

实际应用的光纤系统都是由许多根光纤连接构成,而光纤间的连接需要采用精心设计的光纤连接技术,使得发送光纤输出的光能量最大限度地耦合到接收光纤,降低由光纤连接引起的损耗。光纤连接技术包含光纤端面制备、光纤对准调节与光纤接头固定3个基本环节。

光纤的连接方法主要有光纤端面对接和透镜扩束连接两种。光纤端面对接又分为光纤固定接续和光纤活动连接,前者是永久性连接,称为光纤接头;  后者的连接可拆卸,可以用来反复地连接或断开光纤,称为光纤活动连接器,是用来稳定但并不永久性地连接两根或多根光纤的无源组件。



材料

3.1.1光纤连接器的基本构成

光纤连接器一般采用精密小孔插芯(插针)和套管来实现光纤的精确连接。如图31所示,利用环氧树脂热固化剂将光纤黏固在光纤插芯孔内,通过适配器套管定位,实现光纤的对接。



图31光纤连接器精密对中原理


光纤插芯的制作材料有陶瓷、金属和塑料3种,其中陶瓷插芯是市场上(尤其是中国市场)的主流品种,其主要材质是氧化锆,具有热稳定性好、硬度高、熔点高、耐磨和加工精度高等特点。套管是连接器的另一个重要部件,起对准的作用,以便于连接器的安装固定。陶瓷套管的内径比插芯的外径稍小,开缝的套筒箍紧两个插芯,实现精密对准。为了让两根光纤的端面能够更好地接触,光纤插芯端面通常被研磨成不同结构,如图32所示。



图32光纤插芯及其接头端面结构


PC是微球面研磨抛光,插芯表面研磨成圆弧状(曲率半径为10~25mm),光纤纤芯位于弯曲最高点,这样两个光纤端面达到物理接触(Physical Contact),纤芯端面接触间隙小于λ/4,使得菲涅耳反射损耗大为降低。APC(Angled Physical Contact)称为斜面物理接触,光纤端面为精细抛光斜面,其倾斜角(8°)大于普通单模光纤的收光角,这样可增大回波损耗。UPC(Ultra Physical Contact)为超物理端面,是在PC的基础上更加优化了端面抛光和表面光洁度,端面的球面曲率半径更小(5~15mm),因而回波损耗较PC型更大。

3.1.2常用光纤连接器介绍

光纤活动连接器结构上的差异体现在固定光纤并使之对准的方式以及连接器的锁定装备上。根据接头与光纤适配器(法兰)之间的连接形式的不同,常见的光纤连接器有FC型、ST型、SC型、LC型和MPO型等。

光纤连接器通常以连接类型和端面接触方式组合命名,如FC/PC、FC/APC、SC/PC、SC/APC、ST/PC、MPO/APC等。

1.  FC光纤连接器

FC连接器(Ferrule Connector)如图33所示,其外部加强部件为金属套,紧扣方式采用螺丝扣,旋转锁紧,因此常称为“螺口”。这种光纤连接器结构简单,操作方便,制作容易,耐用,可用于高振动环境,多用在光纤终端盒或光纤配线架上。



图33FC光纤连接器


2.  ST光纤连接器

ST(Stab & Twist)光纤连接器如图34所示,外壳成圆形,采用弹簧带键的卡口结构,旋转半周卡口锁紧,是一种卡扣式连接器,常用于光纤配线架。



图34ST光纤连接器


3.  SC光纤连接器

SC光纤连接器(Square Connector or Standard Connector)如图35所示,其接头是卡接式标准方形接头(常称为“方口”),外壳采用模塑工艺用铸模玻璃纤维塑料制造,紧固方式是采用插拔销闩式,直接插拔,不需要旋转,价格低廉,操作方便,能满足高密度安装的要求,在路由器交换机上使用最多。SC可设计成一头双纤收发一体的形式,即收发一体的方形光纤连接器(MTRJ),可用于GBIC(Giga Bitrate Interface Converter)光模块的连接。



图35SC光纤连接器


4.  LC光纤连接器

LC光纤连接器(Lucent Connector)如图36所示,它采用操作方便的模块化插孔(RJ)闩锁机制,其插针和套筒尺寸是普通SC、FC连接器的一半,其插芯直径为1.25mm。LC光纤连接器是为了满足客户对连接器小型化、高密度连接的使用要求而开发的一种新型连接器,它占有的空间只相当于传统ST和SC连接器的一半,从而可提高光纤配线架中光纤连接器的密度。一头双纤收发一体的LC光纤连接器可用于SFP(Small Formfactor Pluggable)光模块的连接。



图36LC光纤连接器


5.  MPO光纤连接器

MPO(Multifiber Push On,多纤推拉式)光纤连接器是一种多芯多通道插拔式连接器。MPO光纤连接器的特征是由一个标称尺寸为6.4mm×2.5mm的矩形插芯(MT插芯),利用插芯端面上左右两个直径为0.7mm的导引针与导引孔进行定位对中。如图37所示,MT插芯具有两个导引孔(针)和若干光纤孔,导引孔(针)和光纤孔的节距分别为4.6mm和0.25mm。对于8芯或12芯MPO光纤连接器,光纤在插芯端面上排成一行,若要把连接器的芯数提高到12芯以上,则需要光纤排成两行或两行以上的2D阵列插芯。



图37MT插芯


根据IEC 617547的规定,MPO光纤连接器类型由芯数(光纤阵列数 Array Number)、公母头(MaleFemale)、极性(Key)和光纤端面抛光类型(PC或APC)这几个要素来区分。图38为MPO连接器结构示意图。MPO连接必须为同芯数连接器连接(12芯连12芯,24芯连24芯等),一个公头(Male)和一个母头(Female)为一对连接,而且必须为同一种抛光类型连接(PC和PC,APC和APC)。



图38MPO光纤连接器插头


MPO连接器的极性通过Key来管理,有向上(Key Up)和向下(Key Down)两种Key定义,分别对应图38中的凸键和凹键。一对MPO连接器通过一个MPO适配器来匹配,如图39所示。MPO适配器有A类和B类两种类型,A类定义为向上向下(Key Up/Key Down),B类定义为向上


图39MPO连接


向上(Key Up/Key Up)。通过选用A类或B类适配器即可管理光纤极性。采用APC连接面的MPO连接器(单模)存在8°的斜面,只能通过A类适配器来对接。


MPO 高密度光纤预连接系统目前主要用于三大领域,即数据中心高密度环境下应用,光纤到大楼中应用,在分光器、40G/100G QSFP+等光收发设备内部的连接应用。

3.2光耦合器

光耦合器是实现光信号分路/合路的功能器件,一般是指对同一波长的光功率进行分路或合路(光分路器,Splitter),也可以是对不同波长光信号的分波或合波(波长选择耦合器)。在光波系统中,其使用量仅次于光纤连接器。

按端口布排不同,光耦合器可以分为Y形(1×2)耦合器、X形(2×2)耦合器、树状耦合器(1×N,N>2)和星状(N×N,N>2)耦合器,如图310所示。



图310几种典型光耦合器端口排布示意图


3.2.1光纤耦合器
1.  2×2光纤耦合器

全光纤耦合器的制造工艺有磨抛法、腐蚀法和熔融拉锥法。磨抛法是把裸光纤按一定曲率固定在开槽的石英基片上,并在光纤侧面进行研磨抛光,以除去一部分包层,然后再把两块这种磨抛好的裸光纤拼接在一起,利用透过纤芯包层界面的消逝场产生耦合以构成定向耦合器,如图311(a)所示。这种方法的缺点是器件的热稳定性和机械稳定性差。腐蚀法是用化学方法把一段裸光纤包层腐蚀掉,再把两根腐蚀后的光纤扭绞在一起构成光纤耦合器。其缺点是工艺一致性以及热稳定性较差,且损耗大。熔融拉锥法是将两根(或两根以上)除去涂覆层的光纤以一定的方法靠拢,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特殊波导结构,如图311(b)所示。通过控制光纤扭转的角度和拉伸的长度,得到不同的分光比例,最后把拉锥区用固化胶固化在石英基片上插入不锈铜管内构成耦合器。与其他两种方法相比,采用熔融拉锥技术制作的光纤耦合器具有较好的实用性。


图311光纤耦合器的耦合区及形成





很多学者从不同角度对光纤耦合器机理进行了分析研究,提出了不同的近似模型,下面以2×2耦合器为例介绍一种单模光纤耦合器的耦合机理。当两根具有相同结构特性的光纤纤芯接近后,可用耦合模方程来分析两纤芯中光信号的耦合,即

dP1dz=jβP1+C1P2(31)
dP2dz=jβP2+C2P1(32)

式中,P1——直通臂中的传输功率;  

P2——进入耦合臂中的功率;  

β——两根光纤的传输常数;  

C1和C2——直通臂至耦合臂及相反过程的耦合系数,一般C1=-C2=C,C代表一根光纤中导模的消逝场通过耦合区进入另一根光纤激励起光导模的有效程度。

对于熔融阶跃弱导拉锥形光纤耦合器,耦合系数C可近似表示为

C=λ2πn1·ua2V2·K0(ωd/a)K21(ω)(33)

式中,λ——光波长;  

n1——纤芯折射率;  

d——光纤纤芯间距;  

a——纤芯半径;  

V——归一化频率;  

u和w——HE11模横向传播常数;  

K0和K1——零阶贝塞尔函数和一阶贝塞尔函数。

对式(31)和式(32)积分,可求得两光纤中的光功率分布为

P1=P0cos2(Cz)(34)
P2=P0sin2(Cz)(35)

式中,P0——z=0处输入至输入光纤中的光功率。

图312展示了耦合区两纤芯中光功率随耦合区长度的耦合交换规律。光纤耦合器可根据耦合比要求决定拉伸长度,但拉伸长度太长,纤芯变得过细后将会引起能量辐射,插入损耗明显增加。



图312光纤耦合器中直通臂和耦合臂中光功率周期耦合过程


多模光纤耦合器与单模光纤耦合器不同。在多模光纤耦合器中,当纤芯中的导模传到拉细的锥形耦合区后,高阶模的入射角超过纤芯包层边界角而溢出到包层,成为包层模在包层中传输,而低阶模仍在原来纤芯中传输。当锥形区又变粗后,高阶模会再次被束缚于纤芯中成为导模,由于这时熔融的锥形耦合区具有同样的包层,因而进入纤芯的高阶模功率对两根光纤是共有的,并在两根光纤的输出部分平分,总功率分光比将取决于锥形耦合区长度和包层厚度。

2.  光纤耦合器的性能指标

表征光纤耦合器的主要性能参数有分光比或耦合比、信道插入损耗、附加损耗与串扰。

1) 分光比或耦合比

分光比SR表示某一输出端口(j)光功率Pj与各输出端口总输出功率之比,即

SR=Pj∑jPj×100%(36)

调节光纤耦合器的耦合区长度即可达到所要求的分光比。

2) 信道插入损耗

信道插入损耗Li-j表示由输入信道(i)至指定输出信道(j)的损耗,定义为

Li-j=10lgPiPj(dB)(37)

3) 附加损耗

附加损耗Le表示由耦合器带来的总损耗,定义为输出信号功率之和与输入功率之比

Le=10lgPin∑jPj(dB)(38)

性能优良的定向耦合器其附加损耗应小于1dB。

4) 串扰

串扰Lc表示一个端口的输入信号与散射或反射回另一个输入端口的光功率比值的对数,而其比值倒数的对数称为隔离度。以如图311(b)所示的2×2光纤耦合器为例,串扰Lc可表示为

Lc=10lgP3P0(dB)(39)

理想耦合器的串扰应为零(用分贝表示则为负无穷大),隔离度为无穷大。实际耦合器的串扰不可能为零,好的定向耦合器的隔离度应大于40dB。

3.  光纤星状耦合器

用熔拉双锥技术制造多模光纤星状耦合器比较容易,熔融锥式树状和星状多模光纤耦合器的耦合特性对模式比较敏感,输出端的功率变化较大。而对于单模光纤,这种多芯熔锥式星型耦合器需要精确地调整多根光纤消逝场间的耦合,实现起来较为困难,因而通常采用多个2×2单模光纤耦合器级联的方法来构成N×N星状耦合器。如图313所示,将4个2×2光纤耦合器级联可构成4×4耦合器,将12个2×2耦合器级联可构成8×8耦合器。采用类似的方法,可以将1×2或2×2耦合器逐级串联,构成2×N或2×N树状耦合器。



图313基于2×2耦合器级联的N×N星状耦合器


多模光纤星状耦合器所用的光纤为渐变型50μm/125μm、65μm/125μm、85μm/125μm和100μm/140μm光纤,如加拿大Ganstar公司生产的HLS M×N系列星状耦合器,端口数达到64×64,附加损耗3.5dB,端口间分配不均匀性为2.5dB。单模星状耦合器所用光纤为9/125μm单模光纤,国产GF15型16×16星状耦合器附加损耗小于或等于1.4dB,不均匀性小于或等于±0.8dB。多模光纤树状耦合器附加损耗为1~2dB,国产单模光纤树状耦合器附加损耗小于或等于0.5dB。



材料

3.2.2平面光波导耦合器
1.  平面光波导技术


平面光波导(Plane Lightwave Circuit,PLC)技术是将若干无源光波导器件制作在同一基片上,通过平面波导互连,构成一定的功能回路。由于平面光波导是通过控制折射率来设计器件,因此材料的选择成为重点。目前,PLC光器件材料主要有铌酸锂(LiNbO3)、ⅢⅤ族半导体化合物、二氧化硅(SiO2)、绝缘体上的硅(SilicononInsulator,SOI)、聚合物(Polymer)和玻璃。

平面光波导器件根据不同的材料而有不同制程。铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导,波导结构为扩散型;  InP波导以InP为衬底和下包层,以InGaAsP为纤芯,以InP或者InP/空气为上包层,波导结构为掩埋脊形或者脊形;  二氧化硅波导以硅片为衬底,以不同掺杂的SiO2材料为纤芯和包层,波导结构为掩埋矩形;  SOI波导是在SOI基片上制作,衬底、下包层、纤芯和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气,波导结构为脊形;  聚合物波导以硅片为衬底,以不同掺杂浓度的Polymer材料为纤芯,波导结构为掩埋矩形;  玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导,波导结构为扩散型。

2.  PLC光分路器

根据应用要求的不同,可采用平面光波导技术制作各种不同结构和功能的PLC光分路器芯片(chip),如图314所示。


PLC光分路器(模块)的基本结构如图315所示,它主要由PLC光波导芯片、V形槽,光纤和光纤带以及封装盒构成。图316是盒式PLC光分路器和机架式PLC光分路器的实物照片。


3.  PLC星状光耦合器

图317是一种基于平面光波导技术制作的N×N星状光耦合器的结构原理图,它是在对称扇形结构的输入和输出波导阵列之间插入一块聚焦平板波导区(自由空间耦合区)。



图314平面光波导耦合器芯片




图315PLC光分路器结构




图316PLC光分路器





图317采用平面波导技术制作的多端星状光耦合器结构原理


自由空间耦合区两边输入/输出波导的位置满足罗兰圆(Rowland Circle)和光栅圆规则,即输入/输出波导的端口以等距离设置在半径为R的光栅圆圆周上,并对称分布在聚焦平面波导的两侧,输入波导端面法线方向指向右侧光栅圆的圆心O′点,而输出波导端面法线方向指向左侧光栅圆的圆心O点。两个光栅圆的圆心在中心输入/输出波导的顶部,并使中心输入和输出波导位于光栅圆和罗兰圆的切点处。


当光在左侧任一波导输入时,光信号功率以波导基模激励中心耦合区,然后以辐射模形式向右边传播,照射右侧的接收阵列波导,激励接收阵列波导,最后光信号几乎均匀分配到每个输出端。

3.3可调谐光滤波器

可调谐光滤波器是一种重要的波长(或频率)选择器件,它的功能是从宽谱光源或多频信道中选择出一个特定频率的光信号。可调谐光滤波器的基本功能如图318所示,其中,Δfch(Δλch)为信道间隔,Δf(Δλ)为滤波器能够选择的最高频率(最短波长)和最低频率(最长波长)间的差,称为可调谐光滤波器的调谐范围。如果调谐范围Δλ覆盖了光纤整个1.3μm或1.5μm低损耗窗口,则其值应为200nm(25000GHz),实际系统的要求往往小于这个数值。T(f)为滤波器的传输函数,ΔfF(ΔλF)为滤波器的通道带宽(3dB带宽)。



图318可调谐光滤波器的基本功能


从系统应用的观点来看,对于光滤波器的基本要求是带宽必须足够大,以传输所选择信道的全部频谱成分,但带宽又不能太大,以避免邻近信道的串扰。另外,可调谐光滤波器还要求调谐范围宽(覆盖整个系统的波长复用范围),调谐速度快,插入损耗小,对偏振不敏感。除此之外,可调谐光滤波器还要求稳定性好,受环境温度、湿度和振动的影响小。

本节介绍几种典型的可调谐光滤波器,包括法布里珀罗(FabryPerot,FP)可调谐滤波器、马赫泽德(MachZehnder,MZ)可调谐滤波器、电光/声光可调谐滤波器和阵列波导光栅可调谐滤波器。

3.3.1法布里珀罗可调谐滤波器
1.  法布里珀罗滤波器



视频

如图319(a)所示,法布里珀罗滤波器(FP滤波器)的基本结构由一对平行的高反射镜以及高反射镜之间的法珀腔(FP腔)构成,它是基于多光束干涉来选择所需的波长。当FP腔的光学长度为光波半波长的整数倍时,相应的波长的光波满足FP腔的谐振条件,具有最大的透射率。FP腔产生谐振的条件可表示为

nLcosθ=mλ2,m=1,2,3,…(310)

式中,n——腔内介质折射率;  

L——腔长;  

θ——入射角;  

λ——中心(谐振)波长;  

m——干涉级数。

当频率为f的入射光垂直镜面入射(正入射)时,对于理想的FP滤波器,其功率传输系数T(f)是艾里函数,可表示为

T(f)=1+4R(1-R)2sin22πfnLc-1(311)

图319(b)给出了3种端面反射率情况下FP滤波器的传输特性,可见FP滤波器的功率传输系数是一周期函数,它具有多个谐振峰。定义相邻的两中心频率(波长)之差为滤波器的自由谱区(Free Spectral Range,FSR),即

FSR=c2nL(312)



图319FP滤波器传输特性及其滤波原理


将FP滤波器用于波分复用系统中,如图319(c)所示,如果信道频率f1正好对准功率传输系数的谐振峰,则只有f=f1的信道才能通过滤波器,而其他信道被抑制。但由于传输特性的非理想性,其他信道的信号也有一小部分通过滤波器,从而造成对f1信道的干扰。如果复用信号的信道间隔为Δfch,信道数为N,则滤波器的FSR必须大于复用信号的总带宽Nfch,即应有FSR>NΔfch。


FP干涉滤波器的带宽也是滤波器的一个重要参数,滤波器的3dB带宽(FWHM)定义为功率传输系数降为最大值一半时所对应的频带宽度,由式(311)可得

ΔfFWHM=c2nL·1-RπR(313)

滤波器的带宽应该足够大,以便让所选信道的整个频谱成分通过,但带宽又不能太大,以避免邻近信道的串扰。对于FP干涉滤波器,为使串扰低于0.5dB,信道间隔不应小于3ΔfFWHM,这样可得FP干涉滤波器最多可以选择的信道数为

N<FSRΔfch=FSR3ΔfFWHM=F3(314)

式中,F——FP滤波器的精细度(Fineness),F=FSR/ΔfFWHM,它决定了滤波器的选择性,即能分辨的最小频差,从而决定了所能选择的最大信道数。

由式(312)和式(313)可知,如不考虑损耗,精细度F由镜面反射率R决定,即

F=πR1-R(315)

则FP滤波器可以选择出的最大信道数为

N<πR3(1-R)(316)

由此可见,增大R值时,F可增大,可选择出的最多信道数亦可增大。例如,当R=0.99时,F>300,N>100。对于F=100,R=97%的单腔FP滤波器,因为其精细度F不能做得很高,为避免串话,允许的最大可选择信道数为100。如果采用两个单腔FP滤波器级联,可使精细度增大到1000,从而最大可选择信道数可以高一个数量级。

为了将FP滤波器从一个信道调谐到另外一个信道,必须改变FP腔谐振条件,调谐FP滤波器的参数,如腔内介质折射率或腔长,对应的谐振波长变化,从而实现透射波长的调谐。目前用于光通信或光纤传感系统的可调谐FP滤波器主要有基于透镜扩束的传统FP滤波器、微机电系统(MEMS)可调谐FP滤波器、液晶或电光晶体可调谐FP滤波器和全光纤结构可调谐FP滤波器等几种。

2. 光纤FP可调谐滤波器

图320(a)为一种采用压电调谐技术的光纤FP可调谐滤波器结构原理图,它将两根光纤端面抛光,再镀上高反膜,两光纤端面之间空气隙形成谐振腔,外加电压可使压电陶瓷(PZT)材料产生电致伸缩而改变谐振腔的长度,从而实现调谐。光纤FP可调谐滤波器的优点是调谐范围宽、带宽窄、偏振相关性(PDL)小,其缺点是边带抑制效果差、采用压电调谐时调谐速度慢(ms量级)、对温度和振动较敏感。

图320(b)是一种基于全光纤FP标准具技术的光纤可调谐滤波器,它采用无透镜光纤结构,具有很高的精细度。例如,工作波段为1520~1570nm(C波段)的光纤FP滤波器,其自由光谱区FSR为15000GHz,3dB带宽为15GHz,精细度为1000,插入损耗小于3dB,偏振相关损耗小于0.2dB,一个自由光谱区的调谐电压小于18V,最大调谐速度为800Hz,最大调谐电压为70V。



图320光纤FP可调谐滤波器


3.3.2马赫泽德可调谐滤波器

图321为马赫泽德(MachZehnder,MZ)滤波器的结构原理图,它由两个2×2 3dB耦合器和长度差为ΔL的两分支光通道构成,实质上它就是一个马赫泽德干涉仪(MZI)。



图321MZ滤波器结构原理图


波长分别为λ1和 λ2的光信号从输入耦合器的1端口输入,经过输入3dB耦合器后光功率都平均分配到两个分支光通道上,由于两分支光通道的长度差为ΔL,所以经过两分支光通道后到达输出耦合器时就产生一个与波长(频率)相关的相位差Δφ(Δφ=2πfnΔL/c),式中n是波导折射率。当满足一定相位条件时,光信号经输出3dB耦合器复合后在两个输出端口中的一个端口相长干涉,而在另一个端口相消干涉。比如,在输出端口3,λ1满足相消干涉条件,λ2满足相长干涉条件,则λ2的信号光从3端口输出;  而在输出端口4,λ1满足相长干涉条件,λ2满足相消干涉条件,则λ1的信号光从4端口输出。

为分析MZ滤波器的传输函数,可以将其分为3部分,即输入耦合器、两分支通道和输出耦合器,先分别计算各部分的传输函数,然后取3个传输函数之积即可得总的传输函数TMZ(f)。当忽略耦合器的附加损耗时,3dB耦合器的传输矩阵为

[T1(f)]=121-j-j1(317)

时延差为τ的两条不同长度光分支通道的散射矩阵为

[T2(f)]=100exp(-2πjfτ)(318)

由此可得MZ滤波器的传输函数为

[TMZ(f)]=T13(f)T14(f)T23(f)T24(f)=[T1(f)][T2(f)][T1(f)]
=121-exp(-2πjfτ)-j[1+exp(-2πjfτ)]-j[1+exp(-2πjfτ)]-[1-exp(-2πjfτ)](319)

其功率传输函数为

|T13(f)2||T14(f)2|
|T23(f)2||T24(f)2|=cos2(πfτ)sin2(πfτ)sin2(πfτ)cos2(πfτ)(320)

通常,复用信号在MZ滤波器两个输入端口中的一个端口输入,因而式(320)变为

|T13(f)|2|T14(f)|2=cos2(πfτ)sin2(πfτ)(321)

可见,MZ滤波器的功率传输函数是频率的周期函数,周期τ=nΔL/c。因此,若有两个频率分别为f1和f2(分别对应λ1和λ2)的光波从端口1输入且分别满足

πτf1=(2m-1)π/2,πτf2=mπ,m=1,2,3,…(322) 

则T13(f1)=0,T14(f1)=1,T13(f2)=1,T14(f2)=0。也就是说,在同一输入端输入频率间隔为Δf=1/2τ=c/(2nΔL)的两个光波将分别在不同的输出端口输出。

MZ滤波器要求输入光波的频率间隔必须精准控制在Δf=c/(2nΔL)的整数倍。当输入信号波长数为4个时,需要3个MZ滤波器级联,当波长数为8个时,需要3级共7个MZ滤波器级联,而且要使第一级的频率间隔为Δf,第二级的频率间隔为2Δf,第三级的频率间隔为4Δf,才能将它们分开,如图322所示。



图322级联MZ滤波器


级联MZ滤波器除了可用多个分立的光纤耦合器串接而成外,也可以用平面光波导来实现。在用PLC做成的MZ滤波器中,调谐是通过沉积在每个MZ滤波器一个臂上的铬薄膜加热器来实现的。MZ可调谐滤波器制造成本较低,对偏振不敏感,串扰很低,但因为采用热调谐方法,其调谐控制较为复杂,调谐速度较慢,约为1ms。

3.3.3声光、电光可调谐滤波器
1.  声光可调谐滤波器(AOTF)

图323是在LiNbO3衬底上用钛(Ti)扩散波导制成的声光可调谐滤波器(Acoustooptic Tunable Filter,AOTF)结构示意图,其工作原理为:  多信道光信号光进入滤波器后,输入偏振分束器将信号光分成TE和TM偏振信号,TE偏振态光波沿着上臂传输,而TM偏振态光波沿着下臂传输;  超声波换能器(Transducer)产生表面声波(Surface Acoustic Wave,SAW),引起LiNbO3折射率周期性扰动而形成


图323声光可调谐滤波器结构示意图



一种感应光栅。当某特定波长光信号(λm)满足相位匹配条件(布拉格条件)时,其输入和输出光波的偏振方向将产生90°旋转,即上臂中传输的TE偏振态光波变成TM偏振态光波,而下臂中传输的TM偏振态光波变成TE偏振态光波,然后通过输出偏振合束器合束后从输出端输出,从而实现波长选择;  其他波长信道由于不满足相位匹配条件,因此通过扰动区后偏振态不会发生改变,并由输出偏振合束器合束后转移到另一个输出端口输出。


声光可调谐滤波器的选择信道波长λm=ΔnΛ,其中,Λ是表面声波形成的光栅周期,其值等于材料中声波的波长,Δn=nTE-nTM是LiNbO3材料对于TE波和TM波的折射率差。声光滤波器调谐是通过改变表面声波的频率(几十至几百兆赫兹)来实现的,其调谐范围可以覆盖整个1.3~1.6μm波段,但由于其调谐时间受声波填满相互作用长度的过程所需时间的限制,通常在微秒范围。声光可调谐滤波器的带宽和插入损耗分别约为1nm和5dB。

在声光可调谐滤波器中,当换能器产生多个不同频率的表面声波时,在相互作用长度上会形成几个感应光栅,这样滤波器就具有独特的多波长同时选择特性,这可能是不同声波间的相互作用比较弱而导致的。声光可调谐滤波器可以同时选择的信道数受换能器不出现毁坏所容许的最大射频驱动功率限制。采用基础光学结构形式的声光可调谐滤波器,每选一个信道需要几毫瓦的驱动功率。

在AOTF中无可移动的部分,施加信号的变化可有序或无序地实现高速波长调谐,使之具有调谐范围宽、调谐速度快以及隔离度高等特性。但是由于AOTF器件的插入损耗大、边模抑制特性差、偏振敏感等问题,其实用化受到一定程度的限制。

2.  电光可调谐滤波器(EOTF)

电光可调谐滤波器如图324所示,其构成及工作原理与声光可调谐滤波器非常相似,不过其感应光栅是基于LiNbO3材料的电光效应而形成的。当给印刷在器件表面上的梳状电极施加驱动电压(约100V)时,在相互作用长度上则形成折射率的周期性光栅。通过改变驱动电压,改变折射率差Δn,从而达到调谐的目的。



图324电光可调谐滤波器结构示意图


电光可调谐滤波器基于电光效应通过电信号调谐,其调谐速度很快,可达到纳秒量级,但其调谐范围不大,约十几纳米。




视频

3.3.4阵列波导光栅滤波器
1. 阵列波导光栅(AWG)

如图325所示,阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Gratings,AWG)由输入波导、输入星状耦合器、阵列波导、输出星状耦合器和输出波导阵列5部分组成,其中,阵列波导中相邻波导间具有恒定的路径长度差ΔL。AWG的波导可以沉积在Si或InP衬底上,SiO2/Si和InGaAsP/InP是目前最成熟的材料系统。



图325阵列波导光栅结构示意图


在AWG中,输入星状耦合器的输入波导端口位于罗兰圆上,而阵列波导的输入端口位于两倍直径的光栅圆圆周上,如图326(a)所示。输出星状耦合器的输出波导阵列端口位于罗兰圆上,而阵列波导的输出端位于两倍直径的光栅圆圆周上,如图326(b)所示。输入星状耦合器和输出星状耦合器为镜像关系,如在图326中,输入波导A镜像为输出波导阵列中的波导C,而阵列波导相当于一个凹面反射型光栅,与普通凹面光栅(在凹球面上刻画一系列等间距的线条,同时具有衍射和聚焦两种功能)的区别是在相邻光栅单元之间引入了光程差nAΔL。



图326输入/输出星状耦合器的原理结构示意图


如图327所示,与凹面光栅的衍射特性类似,从波导C发出的光,在阵列波导的输出端发生反射型衍射,不同波长光的衍射角θ不同,从而被不同输出波导接收。因此,当N个不同波长的复用信号从AWG的输入端口输入时,通过器件后依波长的不同出现在不同的波导出口上,即可实现多波长光信号的分路。同样,AWG也可实现对多端口输入的多波长信号进行合路。



图327AWG原理示意图


2.  基于AWG的可调谐滤波器

图328为一种基于AWG和半导体光放大器(SOA)的数字调谐滤波器结构原理图,这种数字调谐滤波片芯片是在InP衬底集成了两个AWG和一个SOA阵列,PIC(Photonic Integrated Circuit)芯片尺寸为6mm×18mm。第一个AWG用于多波长复用信号的分路,即把输入的复用信号的频谱分开,然后将不同波长的光信号送入与它相连的SOA。光信号通过SOA后被放大或被衰减,放大相当于让其通过,衰减相当于阻断,起到滤波器

的作用。第二个AWG用作多波长信号的合路,即重新复合SOA的输出信号到输出端。这种滤波器通过给不同SOA加载驱动电流来实现不同波长信道的选择。此外,对于功率电平低的信道,可以增加与它相连的SOA的增益,从而使得该滤波器又能起到功率均衡的作用。



图328基于AWG和SOA的数字调谐滤波器


在以上滤波器结构中,当复用信号有很多信道时,必须使用许多作为选通门的SOA,为了减少使用SOA的数量,NTT提出了一种新的滤波器结构,如图329所示。这种64信道AWG数字滤波器除了在1×8输入AWG和8×8输出AWG之间加入SOA阵列外,还在输出AWG输出端又增加了第二级SOA阵列,并在输出端前设置了一个8×1多模干涉耦合器(MMI)和一个功率增强SOA。这种结构只用了16个SOA就可以选择64个复用信道,InP集成PIC芯片尺寸为7mm×7mm,MMI尺寸为260μm×32μm,16个SOA均为600μm。前端AWG是高分辨率器件,信道间隔为50GHz,FSR为400GHz。后端AWG是低分辨率器件,信道间隔为400GHz,FSR为3.2THz。



图329基于AWG的64信道数字调谐滤波器


这种滤波器的工作原理如下:  首先,把64路复用信号波长分成8组,每组8个信号,由1×8AWG完成,信道光频间隔为400GHz,正好等于前端AWG的FSR;  其次,8个波长为一组的信号被第一级SOA选通,并由后端8×8AWG解复用;  最后,8个信号为1组的每个信号被第二级SOA选通,并通过8×1MMI耦合器输出到功率增强SOA进行放大输出。

表31给出了前述几类可调谐滤波器的特性比较。


表31可调谐滤波器特性比较


比 较 项 目FP滤波器MZ干涉滤波器电光滤波器声光滤波器阵列波导光栅滤波器


调谐范围/nm605~101040010~12

3dB带宽/nm0.50.01110.5~0.68

可分辨通道数100100101015~30

插入损耗/dB2~3>53~551.3

调谐速度msmsnsμsns




视频

3.4波分复用/解复用器

波分复用器和解复用器(WDM/DeWDM)是WDM系统重要的组成部分,其原理与光滤波器类似,亦是基于器件的波长选择机制,但在网络中所起的作用略有不同。光滤波器的功能是从众多波长信道或宽谱光源中选出一个波长信号,而滤去所有其他波长信号,如图330(a)所示。WDM的功能是将不同输入端进入的不同波长信号组合在一起从共同输出端输出,如图330(b)所示。DeWDM完成的功能与WDM相反,是将从同一端口输入的多波长信号分离后从不同的端口输出。根据互易原理,同一WDM器件既有复用功能,亦有解复用功能,所以常写成WDM/DeWDM。



图330光通信网中波长选择器件的不同应用


波分复用器和解复用不仅用于WDM终端,而且也用于光网络节点做波长路由器(Wavelength Router,WR)和波长分插复用器(ADM)。WR是一类称为波长路由网(WRN)的光网络关键设备,图330(c)是一种由波分复用器和解复用器构成的两个输入端口和两个输出端口的器件,每个输入线路携载相同的一组(λ1,λ2,λ3,λ4)WDM信号,而调制在两输入端相同波长的信号可以是不同的,通过WR后可实现线路间波长λ1和 λ4的交换。图示波长路由器只有两对输入/输出端口,每个端口只有4个波长进出,实际上可以扩展到有任意对输入/输出端口,每个端口可有相同的任意多个波长输入/输出。原则上任一输入端的波长可以路由到任一输出端,主要限制是来自两个不同输入端的相同的波长不能路由到同一输出端。如果WR的波长路由模式是固定的,则称之为静态波长路由器;  如果利用适当的控制信号可改变波长路由模式则称之为动态波长路由器。

波长分插复用器本质上是只有一对输入/输出端口和一对附加本地端口的波长路由器,如图330(d)所示,来自本地用户波长在本地端口接入或来自输入端光纤端口的数据流波长在本地端口输出。

波分复用/解复用器作为一种特殊的有波长选择功能的耦合器,其性能及评价方法与普通耦合器及光滤波器都有相似之处,但也有不同之处。

(1) 插入损耗Li。

插入损耗指特定波长信号通过WDM器件相应通道时所引入的功率损耗,其大小主要取决于WDM器件的结构类型和制造技术。此外,由于在大多数系统中偏振态是随时间随机地变化,而WDM器件的插入损耗还与输入信号的偏振态有关,因此输出功率亦随时间变化,所以WDM器件还存在一种偏振相关损耗(PDL)。

(2) 串扰或隔离度Lc。

隔离度指波长隔离度或通道隔离度,即在某一指定被选波长输出端口所测得的另一非选择波长功率与被选择波长输出功率之比的对数。

(3) 通道带宽ΔvF和通道间隔Δvch。

波分复用/解复用器是由多个波长通道光滤波器集合的器件,每个波长通道均可有一定频谱宽度,称为通道带宽ΔvF。为保证各波长通道信号无畸变复用和解复用,ΔvF应尽可能大。为保证多通道信号复用和解复用而不致产生相邻波长通道间的串扰,相邻通道间隔Δvch应尽可能大,但通道间隔大将限制复用和解复用通道数。从光波通信系统信道数和通信容量的要求考虑,通常应使在光纤可用带宽内可复用的信道数N越大越好,而通道带宽ΔvF则需考虑光源线宽、待传送的光信号的速率和信号带宽Δvs、接收端的解复用方案和降低串扰的基础上取较宽的值。从设计与制造角度来说,通道带宽越窄、通道数越多,技术难度越大。

(4) 温度系数。

温度系数指波分复用/解复用器件通道中心频率随温度变化产生的漂移。系统应用要求在整个工作温度范围内(典型值为100℃),通带中心频率的漂移应远小于通道间隔。

3.4.1介质薄膜滤波器型复用/解复用器

对于传统FP滤波器,如果用多层反射介质薄膜来代替反射镜,则可构成多层介质薄膜谐振式滤波器,它亦是一种带通滤波器,可使由谐振腔的长度决定的某特定波长通过,所有其他波长被反射。当将由反射介质薄膜层隔离的多个谐振腔串联时,就可构成谐振式多腔滤波器(TFMF),如图331(a)所示。多腔谐振介质薄膜滤波器的谐振腔数对滤波器传输特性的影响如图331(b)所示,当腔数增加时,通带特性将变得平坦,边缘变得更陡。



图331多腔谐振式介质薄膜滤波器及其传输特性


将多个TFMF级联就可构成波分复用/解复用器,如图332所示,每个滤波器通过一个不同波长,而反射其他波长。当用作解复用器时,级联系统的第一个滤波器通过λ1而将其余全部波长反射至第二个滤波器,然后第二个滤波器通过λ2而将其余波长反射至第三个滤波器,如此依次完成8个波长的解复用。根据器件的互易性,分别从8个端口输入的8个波长经过相反的过程也可复合后经一个端口输出,实现复用功能。



图332多层介质薄膜滤波器型复用/解复用器


多层介质薄膜干涉滤波器型WDM器件由于具有通带顶部平坦、边缘陡峭、损耗低、隔离度高、偏振不敏感和温度稳定性高等优点而得到广泛应用,它是16波长WDM系统中主要选用器件。一个16信道的多层介质薄膜干涉滤波器型WDM器件的典型特性参数为:  1dB带宽0.4nm,20dB带宽1.2nm,隔离度25dB,插入损耗7dB,偏振相关损耗PDL约0.2dB,温度系数0.0005nm/℃。


3.4.2MZ滤波器型复用/解复用器

3.3.2节中介绍的MZ干涉滤波器可以实现两个不同波长信号的分路,如果将多个这种滤波器组合起来就可以构成多个波长的复用/解复用器。图333是由3个MZ干涉滤波器组成的4信道复用器。每个MZ干涉滤波器的两臂具有一长度差,使两臂之间产生与波长有关的相移,光程差的选择要使两个输入端输入的不同波长光信号只传送到指定的输出端。整个结构可以用SiO2波导制作在一块硅片上。



图333由3个MZ干涉滤波器组成的4信道复用/解复用器


3.4.3阵列波导光栅复用/解复用器

前面介绍了AWG,它可以作为N×1的波分复用器,此时它是一个有N个输入端口和一个输出端口的器件,N个输入端口分别输入N个不同波长,通过该器件达到同一输出端。相反,它亦可作为1×N的解复用器应用。阵列波导光栅复用/解复用器的优点是损耗低,通带平坦,易于在衬底上集成,输入和输出波导,多端口耦合器和阵列波导都可以集成在同一衬底上。

AWG属于相位阵列光栅的范畴,其缺点是与偏振和温度有关,它是一种温度敏感器件,为减小热漂移,可以使用热电制冷器。目前,信道间隔为250GHz的128个波长SiO2阵列波导光栅复用/解复用器和信道间隔50GHz的64波长InP阵列波导光栅复用/解复用器已经制造出来了。阵列波导光栅复用/解复用器是16波长以上WDM系统中最具有竞争力的器件。



视频

3.5光调制器

在光通信系统中,光调制是用承载信息的电信号调制光源产生的光载波,从而实现光信号传输。从调制角度来看,有直接调制和外调制两种方式。直接调制是采用信号直接调制光源的输出光强,如用承载信息的信号直接调制激光器的注入电流使得输出光强随信号而变化。这种调制方式中激光的产生和调制同时实现,其结构简单、经济,但调制过程中会引入不希望的线性调频(啁啾),因而主要适用于中低速通信系统。外调制技术是在激光器后接一外调制器,用承载信息的信号通过调制器对激光器输出的光载波进行调制。外调制的优点是调制速率高,缺点是技术复杂,成本较高。对于强度调制直接检测(IM/DD)光波系统,并非一定要用外调制方案,但在高速长距离光波系统中,采用间接调制有利于提高系统性能。本节主要介绍铌酸锂波导电光调制器和电致吸收调制器这两种最为常用的光调制器。

3.5.1铌酸锂波导电光调制器
1.  铌酸锂晶体的电光效应

某些晶体在外加电场的作用下,其折射率n随外加电场E的改变而发生变化的现象称为电光效应。材料的折射率n与施加的外加电场强度E之间的关系可用电场E的幂级数表示,即

n=n0+α|E|+β|E|2+…(323)

式中,n0是E=0时材料的折射率,系数α和β均很小,高阶项的影响可以略去不计。因此电光效应分为两种类型:  一种是折射率变化量与电场强度成正比,称为线性电光效应或泡克尔斯(Pockels)效应;  另一种是折射率变化量与电场强度的平方成正比,称为二次电光效应或克尔(Kerr)效应。

具有电光效应的晶体称为电光晶体,主要有铌酸锂(LiNbO3,简写为LN)、砷化镓(GaAs)和钽酸锂(LiTaO3)等。对于大多数电光晶体材料,一次电光效应要比二次电光效应显著,因此电光调制器通常利用线性电光效应,即利用电光材料的折射率n随施加的外电场E的线性变化而产生的光波传播速度和相位的变化,实现对激光的调制。

可以采用电磁理论方法对电光效应进行分析和描述,但其数学推导相当繁杂。描述和分析电光效应的另一种方法是折射率椭球体法,这种方法直观、方便,是一种常用的分析方法。在电光晶体未加外电场时,主轴坐标系中的折射率椭球可表示为

x2n2x+y2n2y+z2n2z=1(324)

式中,x、y、z为介质的主轴方向,也就是说,晶体内沿着这些方向的电位移D和电场强度E是相互平行的;  nx、ny、nz为折射率椭球的折射率。

当给晶体施加电场后,其折射率椭球发射“变形”,椭球方程为

1n21x2+1n22y2+1n23z2+21n24yz+21n25xz+21n26xy=1(325)

由于外电场的作用,折射率椭球的各个系数1n2i随之发生线性变化,其变化量可表示为

Δ1n2i=∑3j=1γijEj(326)

式中,γij称为线性电光系数;  i=1,2,…,6;  j=1,2,3。

式(326)可以用张量的矩阵形式表示为

Δ1n21Δ1n22Δ1n23Δ1n24Δ1n25Δ1n26=γ11γ12γ13γ21γ22γ23γ31γ32γ33γ41γ42γ43γ51γ52γ53γ61γ62γ63ExEyEz(327)

式中,Ex、Ey、Ez分别为电场沿在x、y和z方向的分量;  电光系数γij的矩阵称为电光张量,每个元素的值由具体的晶体决定,它是表征感应极化强弱的量。

铌酸锂晶体是三方晶系,负单轴晶体,晶轴为z轴,其x轴方向与y轴方向的折射率相等,即nx=ny=no,z轴方向的折射率nz=ne,对于1550nm的光波,no=2.286,ne=2.200。铌酸锂晶体的电光系数矩阵为

γ=0-γ22γ130γ22γ1300γ330γ420γ4200-γ2200(328)

式中,γ22=3.4×10-12m/V;  γ13=8.6×10-12m/V;  γ33=30.8×10-12m/V;  γ42=2.8×10-12m/V。可见,由于铌酸锂晶体的电光系数γ33最大,选择该系数可以在同样条件下获得更显著的电光效应。这需要在z轴方向上加电场Ez,而Ex=Ey=0,因此式(327)可简化为

Δ1n21Δ1n22Δ1n23=γ13Ezγ13Ezγ33Ez(329)
折射率椭球方程变为

1n2o+γ13Ezx2+1n2o+γ13Ezy2+1n2e+γ33Ezz2=1(330)

可以看出,加了电场后,铌酸锂晶体折射率椭球没有旋转,仍为单轴晶体,但其椭球折射率发生了变化。如图334所示,铌酸锂晶体采用x切向,y轴方向通光,z轴方向加电场,根据式(329)可得x轴方向和z方向的折射率在电场的作用下的改变量分别为

Δnx=-n3o2γ13Ez(331)
Δnz=-n3e2γ33Ez(332)



图334铌酸锂晶体的电光效应


所以,铌酸锂晶体在施加外电场的作用下,晶体的折射率会变小,并且由于其张量各向异性,在不同方向上晶体折射率减小量也不同。通过改变铌酸锂晶体的折射率就可以对输入光波进行调制。


2.  LN波导电光相位调制器

如图334所示,若入射光为与z轴成45°角的线偏振光,进入LN晶体分解为x和z方向振动的两个分量,其折射率分别为(no+Δnx)和(ne+Δnz)。若晶体长度为L,厚度为d,外加电压V=Ed,则从晶体出射的两光波的相位差为

Δφ=2πλ[(no+Δnx)-(ne+Δnz)]L=2πλ[(no-ne)L-LV2d(n3oγ13-n3eγ33)]
(333)

由此可见,光波通过晶体后的相位差包括两项:  第一项是晶体本身的自然双折射引起的相位延迟,它与外加电场无关,对相位调制没有贡献,而且还会因温度变化引起折射率的变化而导致相位差漂移,进而使调制光发生畸变,甚至使调制器不能正常工作,因此应设法消除或补偿双折射现象;  第二项是外加电场作用产生的相位延迟,它与外加电场和晶体尺寸有关。

如果入射光偏振方向为z方向,那么光束通过LN晶体不会有双折射现象,则经过长度为L的晶体后,其相位变化为

Δφ=-πλn3eγ33VdL(334)

当Δφ=π时,对应的外加电压称为半波电压Vπ,它可表示为

Vπ=-λdn3eγ33L(335)

图335是一种LN波导电光相位调制器的立体和剖面结构,它是在x切向的LN衬底上用钛扩散技术制成折射率比LN高的条形掩埋波导,加在共平面条形电极的横向电场E通过波导,两极长为L,间距为d。在电极和衬底间镀上一层很薄的电介质缓冲层(约200nm厚的SiO2),以便把电极和衬底分开。光波导传输的模式应为TE模(水平偏振),即晶体中的e光,由于泡克尔斯效应,电场导致的折射率变化,引起导波相位变化为

Δφ=-Γπλn3eγ33LdV(336)

式中,Γ为光场和电场的重叠因子,一般取值为0.5~0.7。



图335LN波导电光相位调制器


3.  LN波导马赫曾德尔调制器(MZM)

1) 器件结构及工作原理

钛扩散的铌酸锂(TiLiNbO3)波导制成的马赫曾德尔调制器结构如图336所示,它由两个LN相位调制器、两个3dB Y形分支波导和相应的驱动电极组成。两个相位调制器基于LN晶体的电光效应实现光的相位调制,两个Y形分支波导完成分光和合光功能,通过驱动电极提供实现电光效应所需的驱动电压。在理想情况下,光载波信号通过第一个Y形分支波导后分成两束振幅和频率完全相同的光,分别在两条结构参数完全相同的平行直波导中传输。两条平行直波导和共平面条形电极形成两个理想的相位调制器,在外加电压的作用下能够改变两个分支中传输光的相位。两列调相波通过第二个Y形分支波导干涉耦合,转换为强度调制波或相位调制波从输出波导输出。



图336LN波导电光强度调制器结构示意图


设在第一个分支点的光波表示为A(t)=A0exp(jω0t),经过Y形分支波导后,分成的两路光波为

A1(t)=A2(t)=A02exp(jω0t)(337)

两路光波经过第二个Y形分支波导汇合后,在不考虑损耗的情况下,总的光波表示为

A′(t)=12A02{exp[j(ω0t+φ1)]+exp[j(ω0t+φ2)]}
=A0expjω0t+φ1+φ22cosφ1-φ22(338)

式中,φ1和φ2分别为两束子波经过上下两个相位调制器之后产生的相移。若φ1=-φ2,则式(338)变为

A′(t)=A0exp(jω0t)cosφ1-φ22(339)

令Δφ′=φ1-φ2,即Δφ′=2φ1=-2φ2,则输出光的强度可表示为

I=Imaxcos2Δφ′2(340)

式中,Imax表示输出光强的幅值。由式(333)可知相移与调制电压满足线性关系,那么调制电压和输出光强之间的关系近似线性关系。调制电压为0时,对应最大光强传输点(FULL点);  调制电压为Vπ时,相位差Δφ′=π,对应最小光强传输点(NULL点);  当相位差变化在π/2附近(正交点附近)时,相位差和相对光强之间的关系近似为线性关系。因此,对于LN波导MZM,一般根据不同的调制编码方式来选择不同的偏置点。如NRZ编码,为实现线性调制,工作电极常常加直流偏置,使调制器工作在正交点附近;  对于正交相移键控(QPSK),一般采用直流偏置使MZM工作于NULL点。

由以上分析可知,当MZM中两个相位调制器的相移符号相反时,MZM工作于推挽模式(pushpull),可对光载波进行强度调制;  当MZM中两个相位调制器的驱动电压相同时,相移也相同,相位差为0,MZM工作在双推模式(pushpush),此时MZM只对光载波进行相位调制。

2) 波导偏置电极的设计

铌酸锂晶体一般有两个切向,即xcut(或ycut)和zcut。由于铌酸锂晶体是负单轴晶体,所以xcut和ycut的铌酸锂晶体各个物理属性基本相同,在制造电光调制器时区别不大。xcut是指铌酸锂晶体在切成wafer(晶圆)时其上表面(圆面)与x轴垂直,同理,zcut是指铌酸锂晶体在切成wafer时其上表面(圆面)与z轴垂直。因此,在制作铌酸锂电光调制器时,为保证由电极激发的电场方向与晶体最大电光张量的方向一致,电极与波导的位置需根据铌酸锂晶体切向的不同而有所区别。如图337所示,在xcut的设计中,偏置电极置于波导的两侧,边电极接地,z轴方向的电场对光波进行调制,波导传播的模式为TE模,如果其中一臂的折射率增加,则另一臂折射率减小;  在zcut的设计中,偏置电极置于波导之上,此时垂直电场分量起作用,即电场与z轴方向一致,波导传播模式为TM模。相对于xcut而言,zcut的LN电光调制器通常有较


图337MZM中波导偏置电极的设计


低的插入损耗和半波电压Vπ,它的电光转换效率更高。但xcut的LN电光调制器的热释电效应

非常弱,传输曲线的漂移能得到很好的抑制,其稳定性更好。


3) 驱动方式

根据上下两个波导驱动电压的不同设计,MZM分为单驱动MZM和双驱动MZM。对于MZM,若只对其中一个波导施加偏置电场,则调制器工作在非平衡方式,会产生很大的啁啾,因此单驱动的MZM通常是对两个波导同时施加偏置电场,其工作在平衡方式,如图338所示。其中,驱动电压V(t)=VRF+VDC,VRF为调制电信号,VDC为直流偏置电压。



图338单驱动平衡式MZM


图339为zcut的LN波导双驱动MZM示意图,通过上偏置电压和下偏置电压的适当设置,可对光信号进行强度调制和相位调制。



图339双驱动MZM


图340是两种工作于1550nm波段的LN波导电光强度调制器,其中法国IXBULE公司的MXLN40电光调制器内部集成了监测用PD,引脚3和引脚4分别接其阴极和阳极。表32列举了几种LN晶体电光强度调制器的主要技术参数。



图340LN波导电光强度调制器




表32几种LN波导电光强度调制器的主要技术参数(@1550nm波段)


型号厂家工作带
宽/GHz插入损
耗/dB半波电
压/V消光
比/dB回波损
耗/dBDC偏置
连接器


AX0MVS40

(xcut)美国EOSPACE>30

(响应40GHz)<5<5 @1GHz

<10 @DC端>20>40SMA

AZDV540

(zcut)美国EOSPACE>30

(响应40GHz)<4<4 @1GHz

<10 @DC端>20>402pin

MXLN40

(xcut)法国IXBULE28~30 3.5~4.5 5-6V@50kHz

7-8V@20GHz

6.5-7@DC端 20~22452pin


3.5.2电致吸收调制器

电致吸收调制器(Electro Absorption Modulator,EAM)是一种结型半导体器件,是基于弗朗兹凯尔迪什效应(FranzKeldysh Effect)或量子限制斯塔克效应(Quantumconfined Stark Effect,QCSE) 的损耗调制器,工作在调制器件吸收边界波长处。

弗兰兹凯尔迪什效应是指块状半导体材料在强电场(一般百伏电压)作用下能带倾斜,价带电子通过隧穿跃迁到导带的概率大大增加,有效能隙减小,使得吸收边发生红移。然而,随着外加电场增大,块状半导体材料中的激子很快被离化,使得材料光吸收谱中与之对应的吸收峰随着外加电场增大而很快消失,这也限制了基于弗兰兹凯尔迪什效应的半导体电致吸收调制器的性能。

在半导体量子阱材料中,当法向电场施加于量子阱层时,电子和空穴的能级发生偏移,导带底能级和价带顶能级之间的能量差变小,同时电子和空穴在外电场的作用下分别向相反方向移动使得激子能量降低,造成激子吸收的斯塔克(Stark)移位,即激子吸收峰向长波长方向移动(红移),这种存在于半导体量子阱材料中的电致吸收效应被称为量子限制斯塔克效应。产生量子限制斯塔克效应的驱动电压较低,而且由于势垒的限制作用,量子阱中的二维激子即使在较高的纵向电场作用下仍不发生分离,可以观察到激子吸收边的红移。因此,基于量子阱半导体材料的电致吸收调制器目前应用最为广泛。

图341是一种基于量子限制斯塔克效应的电致吸收光调制器结构原理图,它的调制区是一个PIN波导,I区采用多量子阱结构。

图341电致吸收调制器结构原理图
当给器件施加反向偏压时,MQW波导的吸收边红移,因此可以通过改变偏压使MQW的吸收边界波长发生变化,进而改变光束的通断,实现调制。当调制器无偏压时,光束处于通状态,输出功率最大;  随着调制器上偏压的增加,MQW的吸收边移向长波长,原光束波长处吸收系数增大,调制器为断状态,输出功率最小。改变波导结构和材料掺杂可以使电致吸收调制器用于1.5μm波段。


半导体电致吸收调制器虽然在高速和啁啾特性方面不如LN波导电光强度调制器,但由于体积小,驱动电压低(~2V),易于与激光器、放大器和光检测器等其他光器件集成。电致吸收调制器的综合性能已经能够满足40Gb/s及更高速率的调制应用,调制带宽可达40~50GHz,调制器输出最高达5.5dBm,一般约为1dBm,消光比可达15dB。

3.6光隔离器与光环形器

前面介绍的光纤连接器、耦合器等无源器件基本上都是互易器件,其输入端和输出端可以互换。然而在很多光通信系统中也需要应用一些非互易的光无源器件,这种器件在光网络中也十分重要。本节主要介绍两种非互易光器件,即光隔离器和光环形器。



视频

3.6.1光隔离器

光隔离器是一种单端口单向传输器件,其主要功能是限定光只能沿一个方向传输,而阻挡相反方向传输的光波。光隔离器主要用于光通信设备中激光器和光放大器的输出端,阻挡反射光进入这些器件,维持器件稳定工作。在应用中对光隔离器的性能有一定要求,其中插入损耗和隔离度是两个关键参数。插入损耗是指光从正向通过隔离器时的损耗,其值越小越好;  隔离度是指光反向通过时产生的损耗,其值越大越好。商用光隔离器典型的插入损耗约为1dB,隔离度为40~50dB。

光通信用的隔离器几乎都是基于法拉第磁光效应原理制成的。法拉第磁光效应是指平面偏振光沿着磁场方向入射到磁光材料时,光偏振面将发生旋转,旋转角θ可表示为

θ=ρHL(341)

式中,ρ为材料的维德(Verdet)常数;  

H为磁场强度;  

L为磁光晶体的长度。

图342表示法拉第旋转隔离器的工作原理,起偏器P使入射光的垂直偏振分量通过,调整加在法拉第旋转器的磁场强度,使光的偏振面旋转45°,然后通过检偏器。反射光返回时,通过法拉第旋光器后其偏振面又一次旋转45°,由于偏振面的旋转方向与光的传输方向无关,这样反射光偏振面正好与起偏器的透光轴垂直而被阻挡不能通过,实现了隔离功能。



图342光隔离器工作原理示意图


在光隔离器中所用的磁光晶体对隔离器的性能影响很大,目前国内外广泛采用的磁光材料有钇铁石榴石(YIGY3Fe5O12)和用稀土元素钆(Gd)或镱(Yb)部分取代钇(Y)形成晶体。YIG在1.15~5μm波长范围内是透明的,在1.3~1.5μm范围内的吸收损耗在0.1dB/mm以下。在H=1300 Oe(Oersted)的饱和磁场作用下,对于1.32μm和1.55μm的光波,其法拉第旋转角θF分别为21.5°/mm和15°/mm,旋转45°所需材料厚度L分别为2.1mm和3.0mm。但因为YIG单晶是熔炼生长的,因生长速度慢、价格昂贵而受到限制,而YIG薄膜波导器件因性能差而不能被接受。



图343厚膜Gd∶YIG隔离器的结构

图343为一种基于Gd∶YIG厚膜的光隔离器结构示意图,它采用液相外延(LPE)方法,在GGG(Gd3Ga5O12)基片上生长Gd∶YIG(Gd0.2Y2.8Fe5O12)厚膜,这种光隔离器性能良好且价格低廉,因而受到了重视,并已用于单模光纤通信系统。在这种器件中,方解石厚度为500μm,在基片上的Gd∶YIG厚膜尺寸为2mm×2.3mm×0.2mm,自聚焦透镜焦距为1.1mm,用钐钴(SmCo)环形永磁铁产生饱和磁场,环的内外直径分别为3mm和5mm,长1.5μm。这种光隔离器在波长1.3μm的性能为:  隔离度25dB,插入损耗0.8dB(不包括透镜损耗1dB)。其性能和YIG晶体器件相近,饱和磁场只需100 Oe,器件尺寸为7mm×7mm,价格只有YIG晶体器件的1/10。


由以上分析可知,上述的光隔离器是针对输入光信号的偏振态中某一特定偏振态(如垂直偏振态)而设计的。这样随着输入偏振光的变化,隔离器的插入损耗和隔离度等特性亦将发生变化,这种特性称为隔离器的偏振相关性。在实际应用中,希望输入偏振态不管如何变化,隔离器的特性仍然维持不变,这种隔离器称为偏振无关隔离器。


图344是一种偏振无关光隔离器的结构设计。图中任意偏振态SOP的输入光信号,首先通过一双折射分束器件后分离成两个互为正交的偏振分量(o光和e光),振动方向平行于主平面的o光直接通过,而振动方向


图344偏振无关光隔离器原理结构图


垂直于主平面的e光发生偏转,两个分量通过法拉第旋光器后,其偏振态SOP都旋转45°。法拉第旋光器后接一45°互易旋光片(半波片),同样也使光信号偏振态旋转45°,因而法拉第旋光器和半波片结合就将使从左到右传输的光信号的偏振态旋转90°,即o光变成了e光,而e光变成了o光,这样通过输出端的第二个双折射分束器件后合束输出。相反,对于从右到左传输的反射光,半波片和法拉第旋光器彼此的影响相互抵消,反射光的两个偏振分量通过这两个器件后其偏振态SOP仍保持不变,不会在输入端重新合束并进入输入光纤,从而实现反向隔离功能。




视频

3.6.2光环形器

光隔离器是一种两端口非互易器件,而光环形器则是一种多端口非互易器件,目前典型的环形器有3个或4个端口。

图345是一个三端口光环形器功能示意图及实物图片,端口1的输入的光信号只有在端口2输出,端口2的输入光信号只有在端口3输出。在所谓“理想”的环形器中,端口3输入的信号只会在端口1输出。但是在许多应用中,最后一种状态是不必要的。因此大多数商用环形器都设计成“非理想”状态,即吸收从端口3输入的任何信号,方向性一般大于50dB。



图345三端口光环形器


图346为一个三端口偏振无关光环形器的物理结构,其构成及工作原理与偏振无关光隔离器类似,从端口1输入的光从端口2输出,而从端口2输入的光通过双折射分束器件、半波片、法拉第旋光器和另一


图346三端口光环形器的物理结构


个双折射分束器件后分为两束,其中一束经反射棱镜反射后通过偏振分束立方体透镜又与另外一束光合束,从端口3输出。



视频

3.7光开关


光开关的功能是实现光通道的通断和转换,它是光网络中的关键器件。随着光网络向着全光网发展,光开关在结构类型和工作性能方面都得到了很大发展。利用光开关构成光交换机可以完成全光网中的光信号路由选择,以实现光信号在光网络上的高速、透明传输和交换。同时光环网的保护倒换也是由光开关来实现的,光开关的响应速度直接决定了光网络的保护倒换时间。光网络的业务配置、波长上下也需要由光开关来完成。总而言之,在光网络中,一切与光通道
有关的动作都是由光开关来完成的。

从影响业务动态配置和线路保护倒换角度分析,光网络需要光开关的动作越快越好。光环形自愈网的倒换要求在50ms完成,其中包括故障定位时间、信令处理时间、传输时间和光开关动作时间,这样光开关的开关时间就应该小于10ms。在高速光分组交换网络中,光开关的开关时间必须小于数据包的持续时间,这时所要求的光开关的开关时间为1ns。在光信号的外调制应用中,光开关的动作时间一定要小于1比特的时间带宽,比如要调制一个10Gb/s(1比特持续的时间为100ps)的光信号,光开关的动作时间应该小于10ps。

除了开关时间或速度外,光开关的性能参数还包括插入损耗、串扰、重复性、消光比、偏振相关损耗以及寿命等。在光网络的不同位置,应该选用不同的光开关。本节介绍光波通信系统中常用的几种不同类型光开关。

3.7.1机械光开关
1.  传统机械光开关

传统的机械光开关利用机械运动机构移动光纤或光学器件实现信号的开关功能。按照移动的对象不同,机械光开关可以细分为光纤光开关和光学器件光开关。光纤光开关是利用步进电机带动和平移一组输入(或输出)光波导,变换其与一组输出(或输入)光波导的位置,从而将输入光信号耦合到设计的输出光纤中;  光学器件光开关是通过移动反射镜或透镜,使输入的光信号聚焦到不同的输出光纤中。

传统的机械光开关的优点是插入损耗、偏振相关损耗和串扰均很低,而且价格低廉;  缺点是开关速度较慢(几毫秒),尺寸较大,不易集成。基于这些特点,机械光开关可用于光交叉连接中作为备用光通道的自动切换开关应用,但不适用于前述的其他应用。

2.  微电子机械系统光开关

微电子机械系统(Micro ElectroMechanical Systems,MEMS)是一种将机械机构和电子器件集成在一个半导体基片上的微小电子机械系统。MEMS光开关就是基于半导体微细加工技术在半导体(如Si)基片上制成的微反射镜阵列,反射镜尺寸非常小,通常只有140μm×150μm,它通过静电力或电磁力的作用产生升降、旋转或移动,实现改变输入光的传播方向和光通道的开关功能,使任一输入和输出端口相连,以实现光路通断功能。图347为一可立卧微反射镜MEMS光开关的放大显微图,当反射镜立起时,输入光从光纤1输出;  当反射镜卧倒时,输入光从光纤2输出。图348为采用MEMS制作工艺制作的微反射镜阵列的显微图片。




图347可立卧微反射镜MEMS光开关




图348MEMS微反射镜阵列



利用MEMS微反射镜开关阵列,可以构建二维MEMS开关阵列光交叉连接结构,图349分别是采用16块微反射镜构成的4×4交叉矩阵和64块反射镜构成的8×8交叉矩阵。这种结构中光交换与波长无关,可实现光信号的透明传输,它的微反射镜片只有“立”和“卧”两种状态,控制电路简单方便,结构稳定性好,适用于构建中小型交换矩阵的光交叉连接设备。如果采用三维MEMS光信道交叉连接方案,可以实现大规模的大型光交叉连接结构。目前,MEMS光开关可以实现1000×1000的交叉矩阵,信道数可达1000个,在一个交叉节点上的总的集成带宽可达1Pb/s(1000个信道,每个信道1Tb/s)。实验证明,MEMS光开关的光纤光纤损耗仅为0.1dB,消光比大于60dB,开关消耗的功率为2mW,开关时间仅为5~10ms,开关工作次数可达亿次。由于这种MEMS光开关兼有结构紧凑、集成度高和性能优良等特点,使得它成为
光网络中光交叉连接设备的核心器件。



图349二维MEMS光交叉连接


3.7.2固体波导光开关
1.  电光开关

电光开关是利用电光材料的电光效应制成的光开关。图350为基于
LN薄膜波导的1×1电光开关结构示意图,它与3.5节中介绍的单驱动
MZM
类似,在理想情况下,输入光功率在C点平均分配到两个分支波导中传输,在输出端D干涉,其输出幅度与两个分支通道的相位差有关。当两个分支的相位差Δφ=0时光场相长干涉,输出功率最大;  当相位差Δφ=π时光场相消干涉,输出功率最小,在理想情况下为零。相位差的改变由电信号进行控制。



图350MZ干涉仪结构的1×1电光开关


LN波导电光开关的特点是开关速度快(10ps~1ns),可以实现中等程度的集成,可以在单片衬底上集成几个2×2开关来构建较大的光开关阵列,其缺点是偏振相关损耗和插损较高,成本也比机械光开关高。

2.  热光开关

热光开关(ThermoOptic Switch,TOS)是利用材料的折射率随温度而变的热光效应制成的开关器件。图351表示一种基于MZ干涉仪结构的热光开关,器件尺寸为30mm×3mm,波导芯和包层的折射率差约0.3%,波导尺寸为8μm×8μm,包层厚50μm,每个干涉臂上具有Cr薄膜加热器,其长度为5mm,宽为50μm。不加热时,器件处于交叉连接状态;  在通电加热Cr薄膜(一般需0.4W)时,波导折射率变化会改变传输光波的相位变化,从而可以将器件切换到平行连接状态。通常只对一个Cr薄膜通电加热。图351(c)表示该器件的输出特性和驱动功率的关系。



图351MZ干涉仪结构的2×2热光开关




材料

热光开关的优点是体积小、成本低,缺点是开关速度慢(毫秒级)、串扰大、消光比低、功耗大。



材料

本章小结



本章介绍了光纤通信系统中常用的无源器件,重点讲述各类器件的基本结构、工作原理、特性参数及其应用。光纤连接器一般采用精密小孔插芯(插针)和套管来实现光纤的精确连接,常见的光纤连接器有FC型、ST型、SC型、LC型和MPO型等;  光耦合器是实现光信号分路/合路的功能器件,主要有光纤耦合器和平面光波导耦合器;  可调谐光滤波器是一种重要的波长(或频率)选择器件,主要有FP滤波器、MZ滤波器、声光/电光可调谐滤波器、AWG滤波器等;  波分复用/解复用器是WDM系统重要的组成部分,主要有介质薄膜复用/解复用器、MZ型复用/解复用器、AWG复用/解复用器等;  铌酸锂电光调制器和电吸收光调制器是光纤通信系统中常用的光调制器;  光隔离器和光环形器是光网络中常用的无源非互易器件;  光开关是光网络中的关键器件,有机械式光开关和固体波导开关两种。

思考题与习题

3.1简述FC型、ST型、SC型、LC型和MPO型光纤连接器的特点及应用。

3.2如图352所示,FC/APC连接器的光纤端面为斜面,请问倾斜角为何是8°?这种连接器采用何种固定/锁紧方式?(提示:  普通单模光纤的数值孔径的典型值为0.13。)



图352FC/APC连接器的光纤端面


3.32×2双锥光纤耦合器的一端口的输入功率为200μW,两个输出端口的输出功率分别为90μW和85μW,另一输入端口的输出功率为6.3nW。求器件的分光比、插入损耗和串扰。

3.4简述光纤耦合器和WDM分波器的不同。

3.5使用FP滤波器选择信道间隔0.1nm的100个信道,设介质折射率为1.5,工作波长1.55μm,计算该滤波器的长度和镜反射率。(提示:  注意Δλ与Δf间的转换关系。)

3.6基于MZ干涉仪基本结构设计两种不同类型的功能器件,画出器件示意图并简述其工作原理(可采用PLC技术制作一个或多个MZ结构)。

3.7图329为一InP集成PIC芯片结构示意图,它是一个64信道的WDM信道选择器(数字调谐滤波器)。

(1) 简要叙述这种WDM信道选择器的工作原理;  

(2) 若输入信号信道间隔为50GHz,则两个AWG的自由光谱区(FSR)分别为多少?

3.8图340为
LN波导电光强度调制器。

(1) 简述器件的工作原理;  

(2) 器件RF 和DC 两个端口分别是什么端口?

(3) 器件为什么进行DC偏置?

3.9相对于电光调制器,简要说明电吸收调制的优势及不足。

3.10简述光开关的作用及类型。

3.11讨论平面阵列波导光栅(AWG)的设计思想和方法,列举两个应用实例。

3.12讨论光纤光栅的原理、类别、主要传输特性及应用。

3.13举例说明光波分复用器有哪些,并简述其基本特点。