CN101778316A - 多通道双向可逆波分复用器/解复用器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多通道双向可逆波分复用器/解复用器。其包括有柱面准直镜(1)、三层分光滤波器(2)和耦合光纤接收阵列(3)。柱面准直镜(1)安装在载送波长为λ1,λ2,……λN复用光的光纤(0)输出端的右侧,并使该光纤(0)输出端的端面置于柱面准直镜(1)左侧的焦点处。三层分光滤波器(2)置于柱面准直镜(1)的右侧。耦合光纤接收阵列(3)置于三层分光滤波器(2)的右侧。柱面准直镜(1)、三层分光滤波器(2)和耦合光纤接收阵列(3)固定安装在同一石英衬底上。其中三层分光滤波器(2)由近距离放置的条形多光谱介质膜滤光片即起合波作用的1号件(I)和起分波作用的2号件(II)组成。本发明不仅是解复用器,而且可作为复用器。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于光通信领域的一种装置,更具体的说,它是涉及一种用于超宽带(S+C+L波段)WDM的多通道双向可逆波分复用器/解复用器。
背景技术
随着各种数据业务对传输带宽需求的不断增长,用户对带宽的需求越来越大,光通信系统的容量需要几十倍、成百倍地增长。如何利用现有的光纤传输系统,进一步提高通信容量,满足日益膨胀的需求,已成为光通信领域研究的热点。波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)技术的出现满足了这种要求。实现WDM技术的核心器件之一是复用/解复用器(合波/分波器),其功能是采用光学方法将密集间隔的各波长复用至一根光纤传输,或将已复用的各波长分开。随着波分复用信息数的不断增加、波长通道间隔的不断减小,对WDM复用/解复用器的要求也越来越高。
目前已在研究和发展的该类主流器件主要包括阵列波导(AWG,Array WaveGuide)、光纤光栅(FBG,Fiber Bragg Grating)、介质薄膜滤光片(TFF,Thin FilmFilter)等。
FBG型器件在WDM系统中具有较强的竞争力,它具有中心反射波长可以精密控制,反射率几乎可以达到100%以及对偏振不敏感等优点,但它使用的器件数量比较多,并因其在提取信号时频繁使用光环行器,使得系统的成本大幅度的提高,不同的结构又有不同的插损。
AWG型器件主要应用在频率间隔为50GHz以下通道数在16以上的系统中,它的难点在于波导光栅的制作。加工误差、材料均匀性、温度变化和与应力有关的性能衰退等均会引起相位误差。且温度稳定性不佳,插损较大,还存在温控电路精度要求高,器件寿命及使用环境受电路限制等缺点,距大规模商用还有一定距离。目前国内尚无单位投入产品化制作。
介质薄膜滤光片也称多层膜滤光片,它利用光的干涉效应选择波长,由几十层不同材料、不同折射率和不同厚度的介质膜按照设计要求组合起来,高低折射率交替叠合,计算适当折射率的膜层厚度和膜层的数目,可以精确地设计膜系结构,以达到控制入射光波的频谱特性、相位差、偏光性等特殊的功能。因为介质薄膜滤光片具有良好的环境稳定性和热稳定性,柔韧性和模块化,使它易于封装集成;具有较好的光学性能,包括比较低的插入损耗,较宽的通带范围,较小的色散,较小的偏振相关损耗;易于批量生产;对工作环境远不如FBG和AWG那样要求高;相对较低的生产成本。TFF型器件中心波长的温度系数可小于1pm/℃,甚至波长无漂移。总之,高性能和结构简单的薄膜滤光片具有成本低、可靠性高、信道带宽平坦、插入损耗低、结构尺寸小、性能稳定、与偏振无关等特点。
从生产和稳定性等方面考虑,TFF型多波长WDM器件通常采用单个滤波器级联的方式构成,这种结构中,一个信道需要一个单波长的滤光片,则N个信道需N个滤光片,依此下去,使用滤光片的成本会以N倍的增加,而且总的网络结构的空间也会迅速增加。这种结构也很难实现大通道数的多路信号复用,导致波分复用系统的可靠性也将受到影响。当波长的数目增加时,因为滤波器的反射损耗不断累加,因此插入损耗变得越来越大,信道数太多则处于级联器件末端的那些信道会因为插损太大而无法使用,并且各通道的插入损耗不均匀性也会相应加大。因此,人们普遍认为,TFF型多通道WDM器件的通道数一般最多为16通道。当通道数达到32和40时,上述级联型的TFF多通道WDM器件的插入损耗和各通道的插入损耗不均匀性都将超过WDM系统能够忍受的限度。通常的TFF多通道WDM器件很难从根本上突破级联式解复用结构的100波长通道以上大通道数解复用器对于通道插损及其通道插损一致性的限制,更难以同时实现S+C+L波段超宽带的复用/解复用功能。研究新型的TFF多通道WDM器件,使其可以覆盖S+C+L波段(1460nm~1620nm)有着重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是解决传统带通滤光片级联式设计方法制造的WDM器件通道数较多时插入损耗过大和通道间插入损耗均匀性差的问题,提供一种用于超宽带WDM的新型多通道双向可逆波分复用器/解复用器。
为解决上述技术问题,本发明是采用如下技术方案实现的:所述的多通道双向可逆波分复用器/解复用器包括有柱面准直镜、三层分光滤波器和耦合光纤接收阵列。
柱面准直镜安装在载送波长为λ1,λ2,......λN复用光的光纤输出端的右侧,其中:N取大于零且小于等于100的自然数,并使得该光纤输出端的端面置于柱面准直镜左侧的焦点处。三层分光滤波器置于柱面准直镜的右侧。耦合光纤接收阵列置于三层分光滤波器的右侧。柱面准直镜、三层分光滤波器和耦合光纤接收阵列固定安装在同一石英衬底上。
技术方案中所述的三层分光滤波器由两只相距为10μm~50μm放置的条形多光谱介质膜滤光片即由起合波作用的1号件和起分波作用的2号件组成。所述的起合波作用的1号件是由长边11mm、宽边0.58mm与厚度7.5mm的基片和在基片左右两侧涂镀具有高和低折射率的材质为TiO2和SiO2的介质膜构成。所述的具有高和低折射率的材质为TiO2和SiO2的介质膜在基片的每一侧相间分布m层,其中:m取大于1的自然数,基片左侧和右侧的介质膜厚度相同为λ0/4,其中:λ0=1550nm。所述的起分波作用的2号件是由三个具有相同长边与厚度和不同宽边的光学基片单元沿厚度方向依次用光学结构密封胶封装的叠加在一起而构成的基片和在基片左右两侧分别涂镀相间分布的m层介质膜构成。所述的m层介质膜是采用具有高和低折射率的材质为TiO2和SiO2相间分布在基片的每一侧,其中:m取大于1的自然数,基片左侧和右侧的介质膜厚度相同为λ0/4,其中:λ0=1550nm。所述的每一个光学基片单元的长边为11mm,厚度为2.5mm,光学基片单元的宽边依据分光波长区的不同由顶端至底端分为如下三种结构尺寸:
1460~1515nm,上宽边和下宽边长分别为0.55和0.57mm。
1515~1570nm,上宽边和下宽边长分别为0.57和0.59mm。
1570~1620nm,上宽边和下宽边长分别为0.59和0.61mm;所述的耦合光纤接收阵列由N条单模光纤和加工有N条V型槽的硅片构成,其中:N与复用波长数一致,N取大于零且小于等于100的自然数。所述的加工有N条V型槽的硅片是指:依据三层分光滤波器的结构尺寸及复用波长数相对应地加工3个尺寸相同的加工有V型槽的硅片,将三个硅片在厚度方向上进行叠加。N条单模光纤依次放置于硅片的V型槽中,用光学结构密封胶填充后再用玻璃盖板将其压紧固定。
与现有技术相比本发明的有益效果是:
1.本发明所述的多通道双向可逆波分复用器/解复用器可用于WDM系统中,可以充分满足目前及未来密集与超密集波分复用系统的需要。
2.本发明所述的多通道双向可逆波分复用器/解复用器可以同时实现覆盖光通信S+C+L波段的100个波长的复用/解复用。
3.本发明所述的多通道双向可逆波分复用器/解复用器采用并行式复用/解复用的无源器件结构方案,区别于传统级联式结构,在保留TFF型WDM器件所固有的稳定性好、PDL小等优点的同时解决通道数较多时插入损耗太大和通道间插入损耗均匀性差的问题。
4.本发明所述的多通道双向可逆波分复用器/解复用器组成的WDM光波系统结构简单,占有空间小。这使光波系统结构大大简化,具有体积小、通道密度大、通带多、串扰低,通道中心波长理论上可以任意设计等优点。
5.本发明所述的多通道双向可逆波分复用器/解复用器具有复用与解复用合二为一的功能,多通道WDM器件不仅是解复用器,而且因它本身具有可逆性,所以当光线逆向进入器件后,它又能把一系列的单色光混合在一起,成为复用器。这种双向可逆性在WDM光波系统中的应用将为系统结构简化、多功能和大容量方面带来新的创新。
6.本发明所述的多通道双向可逆波分复用器/解复用器具有可集成性,多通道WDM器件可以集成为二元器件或三维的,其原有性能不变,其光通信容量以信道数量的平方或立方增加,并简化系统结构。它对光学系统的微型化和集成化具有重大意义。可获得所期望的多通带光谱宽度和每一个窄带通光谱宽度及极稳定的通带的中心波长。化学稳定性好,抗潮湿、耐高低温、牢固耐用、使用寿命长。
7.本发明所述的多通道双向可逆波分复用器/解复用器采用结构紧凑的设计,制作工艺精良,最大限度的降低其制作成本,使其具有很高的性价比。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明:
图1是说明本发明所述的多通道双向可逆波分复用器/解复用器结构原理的俯视图;
图2是利用本发明所述的多通道双向可逆波分复用器/解复用器所得到S+C+L波段(1460nm~1620nm)的分光谱图;
图3是图2中S+C+L波段(1460nm~1620nm)分光谱图的1540nm~1560nm波段局部放大的分光谱图;
图中:0.光纤,1.柱面准直镜,2.三层分光滤波器,3.耦合光纤接收阵列,I.1号件,II.2号件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述:
本发明所要解决的技术问题是解决传统带通滤光片级联式设计方法制造的WDM器件通道数较多时插入损耗过大和通道间插入损耗均匀性差的问题,为现代光通信提供一种高性能的WDM器件,即提供一种用于超宽带WDM的新型多通道双向可逆波分复用器/解复用器,它仅用一只三层分光滤波器可同时实现100个通道“并行式”的复用/解复用,覆盖光通信S+C+L波段(1460nm~1620nm)。多通道双向可逆波分复用器/解复用器将集成性,双向可逆性,分波、合波功能容为一体,具有通信容量大、占有空间体积小、可靠性好以及成本低的特点。作为无源器件,简化了原有光波系统结构。
参阅图1,所述的多通道双向可逆波分复用器/解复用器包括有柱面准直镜1、三层分光滤波器2和耦合光纤接收阵列3。
三层分光滤波器2,由两只相距为10μm~50μm放置的(从左侧或右侧看呈长方形)条形多光谱介质膜滤光片即起合波作用的1号件I和起分波作用的2号件II组成,通过1号件I和2号件II的中心波长是随着在滤光片上位置的不同而变化,即沿1号件I和2号件II长度方向和厚度方向的每一不同点对应不同通带中心波长,分别与WDM复用波长相对应,三层分光滤波器2将入射到其上的不同复用波长的光波分离到不同的空间位置上。
耦合光纤接收阵列3,由N条单模光纤和加工有N条V型槽的硅片构成(纤芯距250μm),所述的加工有N条V型槽的硅片是依据三层分光滤波器结构尺寸及复用波长数相对应地加工3个结构尺寸相同的硅片,每个硅片上加工和波长数相对应的V型槽,然后将三个硅片在厚度方向上(由顶端至底端)构成三层叠加放置结构;N条单模光纤依次放置于硅片的V型槽中,用光学结构密封胶填充后再用玻璃盖板将其压紧固定。所述的耦合光纤接收阵列3中的每一条(路)光纤的接收端分别将波长为λ1,λ2,......λN的出射光接收到各自光纤中。
柱面准直镜1(此处和其它申请文件中所说的方位皆以图1中零件相互安装位置为准)安装在载送波长为λ1,λ2,......λN复用光的一条光纤0输出端的右侧,其中:N取大于零且小于等于100的自然数,并使得该光纤0输出端的端面置于柱面准直镜1左侧的焦点上,这样由光纤出射的信号光经柱面准直镜1后,以平行光束射向三层分光滤波器2。三层分光滤波器2置于柱面准直镜1的右侧;耦合光纤接收阵列3置于三层分光滤波器2的右侧。柱面准直镜1、三层分光滤波器2和耦合光纤接收阵列3依次固定安装在同一石英衬底上。如果多通道双向可逆波分复用器/解复用器左端连接的光纤0呈水平放置,那么水平放置的光纤0的中轴线是多通道双向可逆波分复用器/解复用器中的柱面准直镜1、三层分光滤波器2和耦合光纤接收阵列3依次固定安装在同一石英衬底上的中轴线,即柱面准直镜1、三层分光滤波器2和耦合光纤接收阵列3以该中轴线呈上下与由顶端至底端对称地固定安装在同一石英衬底上。
参阅图1,三层分光滤波器2的设计方案与制作技术是本发明的关键之处。由于本发明对透过三层分光滤波器2的光谱范围要求较宽,在基片上的任一位置只透过1460~1620nm内的一种特定波长的光。三层分光滤波器2由两只相距为10μm~50μm放置的条形多光谱介质膜滤光片即起合波作用的1号件I和起分波作用的2号件II所组成,起合波作用的1号件I是由长边11mm,宽边0.58mm与厚度7.5mm的基片和在基片左右两侧分别用电子枪真空蒸发的方法涂镀具有高和低折射率的材质为TiO2和SiO2的相间分布的m层介质薄膜构成,其中:m取大于1的自然数;左侧和右侧相间分布的采用材质为TiO2涂镀的介质薄膜和采用材质为SiO2涂镀的介质薄膜的厚度相同即厚度为λ0/4,其中:λ0=1550nm。
起分波作用的2号件II是由三个具有相同长边与厚度和不同宽边的呈楔形的光学基片单元构成,每一个呈楔形的光学基片单元长边为11mm,厚度为2.5mm,宽边依据波长的不同由顶端至底端分为如下三种结构尺寸:
1460~1515nm,上宽边和下宽边长分别为0.55和0.57mm;
1515~1570nm,上宽边和下宽边长分别为0.57和0.59mm;
1570~1620nm,上宽边和下宽边长分别为0.59和0.61mm。三个呈楔形的光学基片单元按照厚度方向从顶端至底端由小到大依次叠加在一起而构成阶梯式的呈楔形的基片,并在基片左右两侧采用两种材料分别用电子枪真空蒸发的方法涂镀相间分布的m层介质薄膜,其中:m取大于1的自然数;所述的在基片左右两侧采用两种材料也是具有高和低折射率的TiO2和SiO2,左侧和右侧分别采用两种材料涂镀相间分布m层的介质薄膜的厚度是相同的即厚度为λ0/4,其中:λ0=1550nm。
制作三层分光滤波器2:由于其设计光谱范围较宽,在基片的中间任一位置只透过1460~1620nm内的一种特定波长的光。根据Fabry-Perot干涉原理,为提高干涉条纹的精细度,在加大两种介质的折射率差值的同时,提高间隙层的干涉级次。间隙层的光学厚度为π/2的1100级次时,在λ(波长)-T(透射率)的设计中,可得到大于100个波长点的干涉极大,从而获得在一个基片上实现N=100个波长的干涉。通过用电子枪真空蒸发的方法在基片的(左右)两个表面涂镀上交替的1/4波长厚度的高/低折射率的坚硬氧化物材料TiO2和SiO2反射膜。同时采用离子源辅助沉积,以解决膜层的牢固度及其膜层的稳定性。TiO2和SiO2可产生致密的非晶微结构,从而获得表面较为光滑的薄膜。
由于薄膜在制造中有柱状结构,填充密度不为1的欠缺,会影响其使用寿命。为此,在硬膜膜料制造的间隔层,采用石英加工玻璃填充传统的F-P腔间隔层,即可填充在其柱状之间的空隙中,以提高膜层的填充密度,增强其牢固性,避免空气中水蒸气及其它分子的浸入,改善其性能,提高其使用寿命,以得到稳定的多通道光谱宽度和通带中心波长。
利用加工有V型槽的硅片与单模光纤制作耦合光纤接收阵列3,将单模光纤依次放置于硅片上的V型槽中,进行光纤排列、定位及端面处理,再用与光纤特性相匹配的光学结构密封胶填充,然后盖上玻璃盖板并将光纤压紧,利用紫外灯照射进行固化制成耦合光纤接收阵列3。制作硅片上的V型槽的工艺流程:
1.清洗
将研磨、抛光后的硅片进行清洁处理;
2.制备掩模
在清洁处理后的硅片表面用SiO2/Si3N4作为腐蚀窗口的掩蔽层;
3.光刻
涂覆光刻胶,用具有光纤阵列定位槽图形的光刻版进行晶向对准、曝光、显影形成光刻胶图形;
4.开窗并去胶
以光刻胶为掩蔽层干法刻蚀SiO2/Si3N4,湿法去除光刻胶;
5.在二氧化硅和氮化硅掩蔽下,用70℃的30%KOH腐蚀液腐蚀硅片表面的V型槽;
6.去除二氧化硅和氮化硅薄膜,对硅片表面的V型槽进行检测,完成硅片表面单模光纤V型槽阵列的制作。
通过上面所述的一系列方法制成了耦合光纤接收阵列3,从而很好的解决了信号光的耦合问题。
参阅图2,多通道双向可逆波分复用器/解复用器的S+C+L波段(从1460nm到1620nm)各个通道的中心波长的透射率曲线,任意两个相邻通道间隔均相等,任意通道的最低透射率均在89%以上,透射均匀度良好,其结果与所选用WDM光纤通信系统发射光源性能参数相关。所用动态单纵模DFB-LD,其3dB谱宽0.1~0.2nm,边模抑制比MSR30~40dB。
多通道双向可逆波分复用器/解复用器的工作原理:
载送λ1,λ2,......λN不同波长复用信号光的光纤0的输出端面置于柱面准直镜1的左侧焦点处,这样使得由光纤0出射的光信号经柱面准直镜1后,以平行光束射向与柱面准直镜1相距3mm~5mm的三层分光滤波器2;三层分光滤波器2是由两只相距为10μm~50μm放置的条形多光谱介质薄膜滤光片组成,即1号件I和2号件II。1号件I起合波作用,由基片和在基片左右两侧涂镀两种材料相间分布的介质薄膜构成,在基片两侧分别涂镀m层薄膜(m为大于1的正整数),采用两种材料分别涂镀的相间分布的介质薄膜厚度均相同,m层介质薄膜折射率的选择取决于基片的折射率的选择,并且与基片的折射率相匹配,在等波长间隔中有等光谱宽度的多光谱通带,并可获得所期望的透过率。它们是制作在所要求特定的尺寸的基片上。2号件II起分波作用,2号件II与1号件I的设计原理基本相同,也是由基片和在基片左右两侧涂镀两种材料相间分布的薄膜层构成,利用等厚干涉原理,将基片设计为由三个呈楔形的具有相同长边与厚度和不同宽边的光学基片单元构成,其中每一个光学基片单元的长边为11mm,厚度为2.5mm,宽边依据波长的不同由顶端至底端分为如下三种结构尺寸
1460~1515nm,上宽边和下宽边长分别为0.55和0.57mm;
1515~1570nm,上宽边和下宽边长分别为0.57和0.59mm;
1570~1620nm,上宽边和下宽边长分别为0.59和0.61mm。
三条呈楔形的光学基片单元按照厚度方向由顶端至底端由小到大地依次叠加在一起而制作成与1号件I的波长相应的2号件II。三层分光滤波器2的中心波长是随着在滤光片上位置的不同而变化,即沿其长度方向和厚度方向的每一不同点对应不同通带中心波长,分别与WDM复用波长相对应,三层分光滤波器2将入射到其上的不同复用波长的光波分离到不同的空间位置上;被解复用后的单一波长的各路信号光被导入耦合光纤接收阵列3,它由N条单模光纤置于V型槽中构成,放于三层分光滤波器2的右侧1mm~3mm处。耦合光纤接收阵列3的每路接收光纤将对应波长为λ1,λ2,......λN出射的光分别接收到各自的接收光纤中,这样解复用后的光信号可以分别通过耦合光纤接收阵列3的各路接收光纤的尾纤输出。通过上面的过程完成波长选择功能,来实现不同波长的解复用;反过程也同样可行,利用光路的可逆性同样可以实现波长的复用功能。
Claims (3)
1.一种多通道双向可逆波分复用器/解复用器,其特征在于,所述的多通道双向可逆波分复用器/解复用器包括有柱面准直镜(1)、三层分光滤波器(2)和耦合光纤接收阵列(3);
柱面准直镜(1)安装在载送波长为λ1,λ2,......λN复用光的光纤(0)输出端的右侧,其中:N取大于零且小于等于100的自然数,并使得该光纤(0)输出端的端面置于柱面准直镜(1)左侧的焦点处;三层分光滤波器(2)置于柱面准直镜(1)的右侧;耦合光纤接收阵列(3)置于三层分光滤波器(2)的右侧;柱面准直镜(1)、三层分光滤波器(2)和耦合光纤接收阵列(3)固定安装在同一石英衬底上。
2.按照权利要求1所述的多通道双向可逆波分复用器/解复用器,其特征在于,所述的三层分光滤波器(2)由两只相距为10μm~50μm放置的条形多光谱介质膜滤光片即由起合波作用的1号件(I)和起分波作用的2号件(II)组成;
所述的起合波作用的1号件(I)是由长边11mm、宽边0.58mm与厚度7.5mm的基片和在基片左右两侧涂镀具有高和低折射率的材质为TiO2和SiO2的介质膜构成,所述的具有高和低折射率的材质为TiO2和SiO2的介质膜在基片的每一侧相间分布m层,其中:m取大于1的自然数,基片左侧和右侧的介质膜厚度相同为λ0/4,其中:λ0=1550nm;
所述的起分波作用的2号件(II)是由三个具有相同长边与厚度和不同宽边的光学基片单元沿厚度方向依次用光学结构密封胶封装的叠加在一起而构成的基片和在基片左右两侧分别涂镀相间分布的m层介质膜构成,所述的m层介质膜采用具有高和低折射率的材质为TiO2和SiO2相间分布在基片的每一侧,其中:m取大于1的自然数,基片左侧和右侧的介质膜厚度相同为λ0/4,其中:λ0=1550nm;
所述的每一个光学基片单元的长边为11mm,厚度为2.5mm,光学基片单元的宽边依据分光波长区的不同由顶端至底端分为如下三种结构尺寸:
1460~1515nm,上宽边和下宽边长分别为0.55和0.57mm;
1515~1570nm,上宽边和下宽边长分别为0.57和0.59mm;
1570~1620nm,上宽边和下宽边长分别为0.59和0.61mm。
3.按照权利要求1所述的多通道双向可逆波分复用器/解复用器,其特征在于,所述的耦合光纤接收阵列(3)由N条单模光纤和加工有N条V型槽的硅片构成,其中:N与复用波长数一致,N取大于零且小于等于100的自然数;
所述的加工有N条V型槽的硅片是指:依据三层分光滤波器(2)的结构尺寸及复用波长数相对应地加工3个尺寸相同的加工有V型槽的硅片,将三个硅片在厚度方向上进行叠加;N条单模光纤依次放置于硅片的V型槽中,用光学结构密封胶填充后再用玻璃盖板将其压紧固定。
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