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光纤无源器件技术的发展方向

时间:07-03 来源:C114 点击:
三、光纤耦合器的宽带化

当前,能进行大批量生产单模光纤耦合器的方法是熔融拉锥,当光纤纤芯变细形成双锥时,由于模场直径的扩大,使一根光纤的信号可以耦合到另一根中去。在这种方法中,由于光纤之间的耦合系数与波长有关,所以光传输波长发生变化时,耦合系数也会发生变化,即耦合器的分光比发生变化,一般分光比随波长的变化率为0.2%nm。这种耦合器允许的带宽一般只有±20nm,称为标准型耦合器。显然,在允许的带宽范围内,分光比的变化≤±4%。这种耦合器可称为波长平坦型耦合器。所以宽带化是耦合器的一个重要发展方向。

为制造宽带耦合器,许多公司在深入研究熔融双锥耦合理论或进行大量实践的基础上,对熔融拉锥的工艺进行了改进。例如,考虑到熔融双锥的耦合是周期性的,耦合周期愈多,耦合系数与传输波长的关系愈大,所以应尽量减少熔融拉锥中的耦合次数,最好在一个周期内完成耦合;又如,改变两要光纤的转播常数也可减小耦合系数与传输波长的关系,所以可选择两根不同纤芯直径的光纤进行熔融拉锥,也可对一根光纤腐蚀或预拉伸后再与另一根光纤一起进行熔融拉锥。

采用分立元件组合结构和平面波导结构,可以从根本上改善耦合器的带宽性。在分立元件结构的耦合器中,一般采用半透膜进行分光,可以通过膜层的设计和制造达到需要的带宽特性,在平面波导结构的宽带耦合器,带宽可以达到350nm,这是目前熔融锥法难以达到的。

四、波分复用器的密集化

当前使用的波分复用器主要是二波长的复用器,如1310/1550nm、980/1550nm和1480/1550nm3种,前者用于通信线路,后面两种用于光纤放大器,其制造方法也是熔融拉锥。随着密集波分复用系统的发展,多波长复用器的需求正在增加,因此复用系统的发展,多波长复用器的需求正在增加,因此复用波长之间的间隔正在缩小。波长之间的间隔为20nm时,一般称为粗波分复用器(CWDM);波长之间的间隔为1-10nm时,一般称为密集波分复用器(FDM)。有时也笼统地将这些多路复用器称为密集波分复用器。密集化是波分复用器的发展方向。  根据制造方法的不同,密集波分复用器主要有3种类型:薄膜滤波器型、光纤布拉格光栅型和阵列波导光栅型。

薄膜滤波器是将多层介质膜置于2个1/4节距的自聚焦透镜之间,利用多层介质膜的干涉效应,制成对某一波长透明的带通滤波器(BWDM),当复用的波长旁轴入射时,只有一个波长透射,其他波长则反射。数个这样的复用器连在一起,就可构成密集波分复用器。这种产品的一般性能为:通带宽度约13nm,隔离度≥25dB,回波损耗≥55dB,插入损耗≤4dB。

光纤布拉格光栅型利用紫外光诱导光纤纤芯的折射率发生周期性的变化,当折射率的周期性变化满足布拉格光栅条件时,相应的波长反射,其他波长则顺利通过。这种反射型光栅相当于一个带阻滤波器,又称切趾滤波器或切趾布拉格光栅。多相这样的光栅以一定的方式可以组成密集型波分复用器。

阵弄波导光栅型是采用平面波导的光子集成器件,其基本结构由3部分组成:输入/输出(I/O)光波导阵列、自由转播区平板波导和弯曲波导阵列。当弯曲波导之间的相位差满足光栅方程时,这种阵列波导即可实现复用/解复用功能。日本NTT研制出复用400个波长的波导阵列光栅,波长间隔为0.2nm,隔离度为30dB,每通道损耗为3.8-6.4dB,尺寸为124mm×64mm。常规用的32或64波长的AWG的波长间隔为0.8nm,隔离度为28dB,每通道的损耗为2-3dB。

当前这3种密集波分复用器技术以薄膜滤波器型最为成熟,约占总市场的45%;其次是阵列波导光栅型,约占总市场的40%;光纤布拉格光栅型比较适宜于制作50GHz(波长间隔为0.4nm)的密集波分复用器,约占总市场的15%。

五、光开关的矩阵化

近年来,随着密集波分复用系统和全光通信网的研究,要求在各结点上的交换,如光交叉连接(OXC)、光分插和复用(OADM)和保护倒换,直接在光层中完成,这就需要光开关。由于这些结点上进行交换的光纤和波长数量很多,所以这种光开关应当是大端口数的矩阵光开关。

大端口数的矩阵光开关一般由单个的1×2或2×2光开关级连而成。传统的机械式光开关虽然在插入损耗、隔离度、消光比和偏振敏感性方面都有良好的性能,但它的尺寸比较大,动作时间比较长,一般为几十毫秒,不易组成大端口数的矩阵光开关。而非机械式光开关,主要是电光式的波导光开关,其开关速度在毫秒级到亚毫秒级,体积非常小,易于集成为大端口数的矩阵光开关,但共插入损耗、隔离度、消光比和偏振敏感性等性能都比较差。为此,近年来出现了能集成大规模矩阵阵列而又有良好性能的两种新型光开关,即微机械光开关(MEMS)和热光开关。

微机械光开关是在平面光波导的基体帛制成机械光开关的动作机构,例如采用深蚀刻、浅扩散工艺,可制作出悬臂梁作为光开关的可动部分,悬臂梁的侧面可用作反射镜。在可动和固定部分之间的梭齿式交叉电极上没有电压时,光路有反射输出;加上电压时,悬臂梁在静电力的作用下产生一个位移,悬臂梁侧壁的反射输出为零,从而实现光的转换。
热光开关通过加热使光波导折射率发生变化,从而改变光输出方向。便如,气泡型光开关是两条平面光波导的交叉点上,蚀刻一条管沟,管沟内注入折射率匹配液,因而波导内的光信号可以进行直线传输。采用类似复用机中的热喷墨技术,在波导交叉点的匹配液内产生一个气泡,光信号在气泡的全内反射作用下,被反射到另一个光波导,从而实现光的转换。

目前国外大端口数的矩阵开关的性能已足以满足全光网的交换要求。例如,美国朗讯公司采用mems技术已研制出1296端口的光交叉连接,插入损耗为5.1db,隔离度为38dB。Agilent公司研制的32×32气泡型光开关,最大损耗为7.5dB。微机械式的转换时间仅为3.7ms,气泡型也小于10ms。

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