标签: 波分复用技术

WDM （Wavelength Division Multiplexing）技术是通过在光纤中传输多个不同波长的光信号来扩大光纤传输带宽并提高网络传输能力的一种技术，而TFF(薄膜滤波)和AWG（阵列波导光栅）则是两种常用的WDM技术。 1. TFF技术 TFF （Thin-film filter）技术是一种常用的WDM器件技术之一，也被称为薄膜滤波技术。它利用特殊的薄膜材料的一些光学特性来实现对不同波长的光信号进行分离或复用。薄膜滤波器通常由多个不同厚度的膜层构成，在这些膜层的分布中有一定的规律和特定的反射率，这样可以让特定的波长在薄膜中反射，而其他波长则透过这些膜层，实现了对信号的分离和复用。TFF技术的优点是结构简单、体积小、成本低、可靠性高等。 多层介质膜滤波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，与滤波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。 TFF滤光片用于WDM器件中，下图所示为三端口WDM器件的结构，包括一个双光纤准直器、一个单光纤准直器和一个TFF滤光片，TFF滤光片粘贴在双光纤准直器的准直透镜的端面上。WDM信号包括波长λ1, λ2,…λn，从公共端输入，TFF滤光片让一个波长λn透射，其他波长则被反射，因此波长λn从透射段输出，而其他波长从反射端输出。 为了将所有波长解复用，需要将n个三端口器件串联起来，组成WDM模块，如图所示，其中每个三端口器件中的TFF滤光片，其透射波长不同。WDM模块可用作解复用器或者复用器，取决于信号的传输方向。 基于三端口WDM器件的WDM模块，其尺寸相对较大（典型8信道WDM模块的尺寸为130×90×13mm3），在一些特殊应用领域，这个尺寸不符合要求。为满足这些要求，人们开发了紧凑型WDM模块，如紧凑型DWDM（CDWDM）和CWDM模块（CCWDM）。所有TFF滤光片固定在一块玻璃基片上，然后逐个对准和固定输入/输出准直器。紧凑型WDM模块的典型尺寸为50×30×6mm3，比常规WDM模块的尺寸小得多。 紧凑型WDM采用自由空间级联方式，原理是用输入透镜将输入光纤上的波长分别为λ1， λ2…λn的光信号聚焦到第一个滤波片上；波长为λ1的光信号通过第一个滤波片并经第一个输出透镜耦合到第一个输出光纤中，分离出波长为λ1的光信号；其余光信号经第一个玻片反射到下一个玻片进行光信号分离；依此类推，直到分离出所有信号。波长信道之间的耦合通过走“之”字路线的淮直光线的形式实现。 2. AWG技术 随着端口数增加，TFF型DWDM模块的损耗均匀性劣化。同时，在最后端口产生的最大损耗是制约端口数量的另一个因素。因此，基于TFF技术的DWDM模块，其信道数通常不超过16。然而，一个典型的DWDM系统，通常在单根光纤中传输40或者48个波长，因此需要更大端口数的复用/解复用器。串联结构的WDM模块会在后面端口累积太多功率损耗，因此需要采用并行结构，一次性对数十个波长进行复用/解复用操作。阵列波导光栅AWG就是这样一种光器件。 AWG （Arrayed Waveguide Grating）技术也是一种常用的WDM器件技术，它是在光波导的基础上通过光纤上的平面波前分束器，是利用PLC技术在芯片衬底上制作的阵列波导光栅，将不同波长的光信号进行复用和分离的技术。AWG通常由一排平行的波导构成，在光波导的分布上有特定的规律和晶格，每个通道的波长都会被某个特定的波导引导出去，这样就可以实现对信号的复用和分离。相比TFF技术，AWG技术的波长隔离度、通道数量和带宽都更高，可以用于更高速率的光通信系统。 典型的AWG结构如图所示，它包括一个输入波导、一个输入星形耦合器（图中自由传输区域FPR）、一组阵列波导、一个输出星形耦合器和数十根输出波导。 信号从输入波导进入输入星形耦合器，经自由传输之后，被分配到阵列波导之中。这个分配过程是波长无关的，所有波长被无差别的分配到阵列波导之中。阵列波导对多光束产生相位差，各光束的相位成等差级数，这与传统光栅中的情况类似。不同波长被色散展开，并聚焦在输出星形耦合器中的不同位置。不同波长被不同的波导接收，从而实现对DWDM信号的并行解复用。 这两种WDM技术都在当今光通信系统中得到了广泛的应用，一般认为，AWG在长距离、高信道容量DWDM应用中性价比更高，而TFF在低信道容量的CWDM城域应用中更为理想。TFF通常由多个不同厚度的膜层构成，最核心的和最贵的也就是薄膜，如需要得到大通道的器件，则需要增加薄膜数量，因此TFF的价格就随着信道数量的增加而增加。采用AWG，可以同时得到40个信道，但有个缺点是你不能只选择其中的一个或者两个信道，这意味着10信道的上下路和40信道的上下路的成本是一样的。因此说，在信道数较多的场合AWG比TFF更经济。 很多资料都将16个信道看作两种技术的转换点，低于16信道的应用适合采用TFF技术，而高于16信道的应用适合采用AWG技术。

目前已知WDM波分复用技术有很多种，如：FBT (熔融拉锥，Fused Biconical Taper)、FBG(光纤布拉格光栅，Fiber Bragg Grating)、TFF (薄膜滤波， Thin Film Filter)、AWG (阵列波导光栅， Arrayed Waveguide Grating)、EDG (刻蚀衍射光栅，Etched Diffraction Grating)、MZI (马赫-曾德干涉，Mach-Zehnder Interferometers)、MRR (微环谐振器型， Micro Ring Resonator)。其中TFF和AWG是最常用的两种WDM技术。本文介绍一下TFF型WDM器件的结构组成。 三端口WDM器件的结构，包括一个双光纤准直器、一个单光纤准直器和一个TFF滤光片。 TFF介质薄膜滤波片 （膜片）, 是整个WDM器件最核心元件，成本最高。TFF滤光片粘贴在双光纤准直器的准直透镜的端面上，主要功能是进行透射与反射。 普通膜片尺寸如图所示，也有特殊尺寸的。有滤波面（反射面）和增透面（透射面），滤波面的主要功能是让某种颜色的光（即对应某种波长的光）通过，让其他颜色的光反射；增透面的主要功能是让光通过膜片。一般来说，颜色较深的是反射面，颜色较浅的是透射面。 多层介质膜滤波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，与滤波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。 从光纤端发出来的光是发散的，导致不能传远！怎么办？ 因此，需要用到准直器，将原本发散的光聚成一束光斑较大的平行光束，从而达到准直（平行）效果，保证相对长的传输距离。准直器是利用透镜（ C-Lens或者G-Lens）的汇聚原理。 什么东西能够使发散的光线平行传输，使平行传输的光线会聚？那就是透镜。透镜是对光束进行变换的关键部位，使用较多的是定折射率透镜（C-lens），也就是球面透镜（conventional lens），和自聚焦透镜（G-lens），又称梯析透镜（Gradient-index，GRIN）。C-lens和G-lens都具有聚焦和成像功能。两个透镜的作用是不同的，第一个透镜将发散的光线平行，第二个透镜将平行的光线汇聚。 从外观上来看，C-lens的端面一端为球面，而G-lens的一端为平面，正是因为这个原因，G-lens准直器可以将某些光学器件直接粘接在该平面上，从而使得模块可以更紧凑，这是C-lens不具备的特点。在WDM器件中输入端使用G-lens其中一个原因主要是因为它的耦合面是平的，方便滤波片的粘接。 GRIN lens的准直特性中，一个很重要的参数是节距。如下图所示，如果让一束平行光线入射进GRIN lens，其传播轨迹是遵循周期函数的模式，GRIN lens的厚度刚好为一个周期时，出射光线也讲是一组平行光线。在光纤通信中，通常使用的是1/4节距的G-lens。 将C-透镜装在光纤头的前面，外面用玻璃或金属套管封装，就做成了一个C-透镜准直器。光纤准直器由尾纤与透镜精确定位而成，利用透镜（ C-Lens或者G-Lens）的汇聚原理使原本发散的光聚成一束光斑较大的平行光束，从而达到准直（平行）效果。一般G-透镜准直器的成本要比C-透镜准直器高，所以我们大多使用C-透镜准直器。 TFF WDM器件中，输入端双光纤准直器一般采用G-lens透镜准直器，输出端单光纤准直器采用C-lens透镜准直器。 不管封装形式如何，基于Filter的WDM器件的基本光路都是如下图所示。WDM信号包括波长λ1, λ2,…λn，从公共端输入，TFF滤光片让一个波长λn透射，其他波长则被反射，因此波长λn从透射段输出，而其他波长从反射端输出。其中，一路输入的光信号被分成两路不同的光信号输出，即为分波；两路输入的光信号被合成一路混合的光信号输出，为合波。 为了将所有波长解复用，需要将n个三端口器件串联起来，组成WDM模块，如图所示，其中每个三端口器件中的TFF滤光片，其透射波长不同。WDM模块可用作解复用器或者复用器，取决于信号的传输方向。