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TFF型WDM器件技術原理

光器件/光通信 ? 作者:hycsystembella ? 2020-05-22 10:54 ? 次閱讀

我們知道,光纖通信是技術是實現互聯網并改變世界的關鍵技術之一,光纖通信的一個優勢是可以在一根光纖中同時傳輸數十個波長,稱作波分復用(WDM)。WDM傳輸的基本元件是光學濾波器,可通過光纖熔融拉錐(FBT)、薄膜濾光片(TFF)、陣列波導光柵(AWG)和光學梳狀濾波器等技術實現。TFF和AWG是最常用的兩種WDM技術,本文討論基于TFF的WDM器件。

薄膜濾光片

法布里-帕羅干涉儀(FPI)是光學濾波領域常用的干涉儀。FPI結構如圖1所示,包括兩個玻璃片和夾在其中、具有精確厚度的隔片。玻璃片的內表面鍍了部分反射膜,外表面則通常鍍增透膜。

圖1. 法布里-帕羅干涉儀結構

除了圖1中的體光學結構,FPI還可以通過介質膜實現,如圖2所示。多層薄膜沉積于玻璃基片上,以高/低折射率介質膜構成的周期結構,其功能類似于部分反射膜。中間的腔層將兩個反射鏡隔開。

圖2. 基于薄膜技術的法布里-帕羅干涉儀

與基于體光學元件的傳統FPI干涉儀一樣,基于薄膜技術的FPI干涉儀也可以作為光學濾波器。如圖3所示,干涉儀的透射峰是周期性的,隨著鏡面反射率的增加,透射譜的精細度越來越高。在自由光譜范圍內,干涉儀只有一個透射峰,如圖4所示。當鏡面反射率較高時,透射峰線寬非常窄,可用于窄帶濾波。

圖3. 薄膜FPI的透射譜

圖4. 窄帶FPI在一個FSR之內的透射譜

然而,在一些特殊應用領域,比如DWDM傳輸系統中,要求濾波器具有平頂平頂和窄帶濾波特性。這種濾波器需要多腔薄膜結構,如圖5所示。多腔的效果如圖6所示,FP干涉腔的數量越多,通帶越平坦,而邊緣陡降特性更好,這對DWDM系統中的應用非常有利。然而,多腔結構伴隨著更多的“鏡面”,意味著薄膜層數成倍增加。所有膜層都需要以非常高的均勻度和精密的厚度沉積于玻璃基片上,因此多腔結構將會降低良率,增加成本。

圖5. 多腔薄膜濾波器結構

圖6. 多腔薄膜濾波器的濾波效果

薄膜濾波器的設計非常靈活,除了具有平頂的窄帶濾波片,還可以實現許多其他濾波器,比如圖7中的長波通濾波片(LP), 圖8中的增益平坦化濾波片(GFF)。LP濾波器可用于WDM單纖雙向傳輸,比如發射波長為1310nm的光信號,接收波長為1550nm的光信號。GFF濾波器則用于摻餌光纖放大器(EDFA)中,對增益譜進行平坦化。

圖7. 長波通濾波片的透射譜

圖8. 增益平坦化濾波片的透射譜

WDM器件

TFF濾光片用于WDM器件中,圖9所示為三端口WDM器件的結構,包括一個雙光纖準直器、一個單光纖準直器和一個TFF濾光片,TFF濾光片粘貼在雙光纖準直器的準直透鏡的端面上。WDM信號包括波長λ1, λ2,…λn,從公共端輸入,TFF濾光片讓一個波長λn透射,其他波長則被反射,因此波長λn從透射段輸出,而其他波長從反射端輸出。

圖9. 基于TFF的三端口WDM器件結構

為了將所有波長解復用,需要將n個三端口器件串聯起來,組成WDM模塊,如圖10所示,其中每個三端口器件中的TFF濾光片,其透射波長不同。WDM模塊可用作解復用器或者復用器,取決于信號的傳輸方向。

圖10. 基于三端口WDM器件的WDM模塊結構

基于三端口WDM器件的WDM模塊,其尺寸相對較大(典型8信道WDM模塊的尺寸為130×90×13mm3),在一些特殊應用領域,這個尺寸不符合要求。為滿足這些要求,人們開發了緊湊型WDM模塊,如圖11所示。所有TFF濾光片固定在一塊玻璃基片上,然后逐個對準和固定輸入/輸出準直器。緊湊型WDM模塊的典型尺寸為50×30×6mm3,比常規WDM模塊的尺寸小得到。緊湊型DWDM和CWDM模塊,通常又叫作CDWDM和CCWDM。

圖11. 緊湊型WDM模塊結構

從圖10中可以看到,模塊中的不同波長經過不同數量的三端口WDM器件,因此產生不同的插入損耗。隨著端口數增加,損耗均勻性劣化。此外,最后端口處的最大損耗是限制端口數的另一個因素。圖11中的緊湊型WDM模塊,存在同樣的問題。因此TFF型WDM模塊通常限于≤16信道。

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