基于TFF的WDM器件的模塊結(jié)構(gòu)、原理和應(yīng)用分析

光纖通信是技術(shù)是實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)并改變世界的關(guān)鍵技術(shù)之一，光纖通信的一個(gè)優(yōu)勢是可以在一根光纖中同時(shí)傳輸數(shù)十個(gè)波長，稱作波分復(fù)用（WDM）。WDM傳輸?shù)幕驹?a target="_blank">光學(xué)濾波器，可通過光纖熔融拉錐（FBT）、薄膜濾光片（TFF）、陣列波導(dǎo)光柵（AWG）和光學(xué)梳狀濾波器等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。TFF和AWG是最常用的兩種WDM技術(shù)，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(xué)濾波領(lǐng)域常用的干涉儀。FPI結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括兩個(gè)玻璃片和夾在其中、具有精確厚度的隔片。玻璃片的內(nèi)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(jié)構(gòu)

除了圖1中的體光學(xué)結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PI還可以通過介質(zhì)膜實(shí)現(xiàn)，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(zhì)膜構(gòu)成的周期結(jié)構(gòu)，其功能類似于部分反射膜。中間的腔層將兩個(gè)反射鏡隔開。

圖2. 基于薄膜技術(shù)的法布里-帕羅干涉儀

與基于體光學(xué)元件的傳統(tǒng)FPI干涉儀一樣，基于薄膜技術(shù)的FPI干涉儀也可以作為光學(xué)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(xì)度越來越高。在自由光譜范圍內(nèi)，干涉儀只有一個(gè)透射峰，如圖4所示。當(dāng)鏡面反射率較高時(shí)，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(gè)FSR之內(nèi)的透射譜

然而，在一些特殊應(yīng)用領(lǐng)域，比如DWDM傳輸系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，如圖5所示。多腔的效果如圖6所示，F(xiàn)P干涉腔的數(shù)量越多，通帶越平坦，而邊緣陡降特性更好，這對DWDM系統(tǒng)中的應(yīng)用非常有利。然而，多腔結(jié)構(gòu)伴隨著更多的“鏡面”，意味著薄膜層數(shù)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(jié)構(gòu)將會(huì)降低良率，增加成本。

圖5. 多腔薄膜濾波器結(jié)構(gòu)

圖6. 多腔薄膜濾波器的濾波效果

薄膜濾波器的設(shè)計(jì)非常靈活，除了具有平頂?shù)恼瓗V波片，還可以實(shí)現(xiàn)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(fā)射波長為1310nm的光信號(hào)，接收波長為1550nm的光信號(hào)。GFF濾波器則用于摻餌光纖放大器（EDFA）中，對增益譜進(jìn)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(jié)構(gòu)，包括一個(gè)雙光纖準(zhǔn)直器、一個(gè)單光纖準(zhǔn)直器和一個(gè)TFF濾光片，TFF濾光片粘貼在雙光纖準(zhǔn)直器的準(zhǔn)直透鏡的端面上。WDM信號(hào)包括波長λ1， λ2，…λn，從公共端輸入，TFF濾光片讓一個(gè)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(jié)構(gòu)

為了將所有波長解復(fù)用，需要將n個(gè)三端口器件串聯(lián)起來，組成WDM模塊，如圖10所示，其中每個(gè)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(fù)用器或者復(fù)用器，取決于信號(hào)的傳輸方向。

圖10. 基于三端口WDM器件的WDM模塊結(jié)構(gòu)

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(yīng)用領(lǐng)域，這個(gè)尺寸不符合要求。為滿足這些要求，人們開發(fā)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(gè)對準(zhǔn)和固定輸入/輸出準(zhǔn)直器。緊湊型WDM模塊的典型尺寸為50×30×6mm3，比常規(guī)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(jié)構(gòu)

從圖10中可以看到，模塊中的不同波長經(jīng)過不同數(shù)量的三端口WDM器件，因此產(chǎn)生不同的插入損耗。隨著端口數(shù)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(shù)的另一個(gè)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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