WDM波分復(fù)用技術(shù)：TFF(薄膜濾波)和AWG(陣列波導(dǎo)光柵)介紹

WDM （Wavelength Division Multiplexing）技術(shù)是通過(guò)在光纖中傳輸多個(gè)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)來(lái)擴(kuò)大光纖傳輸帶寬并提高網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的一種技術(shù)，而TFF(薄膜濾波)和AWG（陣列波導(dǎo)光柵）則是兩種常用的WDM技術(shù)。

WDM波分復(fù)用技術(shù)

1. TFF技術(shù)
TFF （Thin-film filter）技術(shù)是一種常用的WDM器件技術(shù)之一，也被稱(chēng)為薄膜濾波技術(shù)。它利用特殊的薄膜材料的一些光學(xué)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)進(jìn)行分離或復(fù)用。薄膜濾波器通常由多個(gè)不同厚度的膜層構(gòu)成，在這些膜層的分布中有一定的規(guī)律和特定的反射率，這樣可以讓特定的波長(zhǎng)在薄膜中反射，而其他波長(zhǎng)則透過(guò)這些膜層，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的分離和復(fù)用。TFF技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低、可靠性高等。

TFF技術(shù)

多層介質(zhì)膜濾波片是一種多層高反射膜，膜層數(shù)目可多達(dá)幾十層至上百層，交替由較高折射率和較低折射率的兩種電介質(zhì)材料組成，與濾波片基底和空氣相鄰的膜層具有較高折射率。將幾十層不同的介質(zhì)薄膜組合起來(lái)，組成具有特定波長(zhǎng)選擇特性的干涉濾波器，就可以實(shí)現(xiàn)將不同波長(zhǎng)分離或合并的效果。

TFF技術(shù)

TFF濾光片用于WDM器件中，下圖所示為三端口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(zhǎng)λ1, λ2,…λn，從公共端輸入，TFF濾光片讓一個(gè)波長(zhǎng)λn透射，其他波長(zhǎng)則被反射，因此波長(zhǎng)λn從透射段輸出，而其他波長(zhǎng)從反射端輸出。

TFF技術(shù)

為了將所有波長(zhǎng)解復(fù)用，需要將n個(gè)三端口器件串聯(lián)起來(lái)，組成WDM模塊，如圖所示，其中每個(gè)三端口器件中的TFF濾光片，其透射波長(zhǎng)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。

TFF技術(shù)

基于三端口WDM器件的WDM模塊，其尺寸相對(duì)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(kāi)發(fā)了緊湊型WDM模塊，如緊湊型DWDM（CDWDM）和CWDM模塊（CCWDM）。所有TFF濾光片固定在一塊玻璃基片上，然后逐個(gè)對(duì)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模塊的尺寸小得多。

緊湊型WDM

緊湊型WDM采用自由空間級(jí)聯(lián)方式，原理是用輸入透鏡將輸入光纖上的波長(zhǎng)分別為λ1， λ2…λn的光信號(hào)聚焦到第一個(gè)濾波片上；波長(zhǎng)為λ1的光信號(hào)通過(guò)第一個(gè)濾波片并經(jīng)第一個(gè)輸出透鏡耦合到第一個(gè)輸出光纖中，分離出波長(zhǎng)為λ1的光信號(hào)；其余光信號(hào)經(jīng)第一個(gè)玻片反射到下一個(gè)玻片進(jìn)行光信號(hào)分離；依此類(lèi)推，直到分離出所有信號(hào)。波長(zhǎng)信道之間的耦合通過(guò)走“之”字路線的淮直光線的形式實(shí)現(xiàn)。

WDM

2. AWG技術(shù)
隨著端口數(shù)增加，TFF型DWDM模塊的損耗均勻性劣化。同時(shí)，在最后端口產(chǎn)生的最大損耗是制約端口數(shù)量的另一個(gè)因素。因此，基于TFF技術(shù)的DWDM模塊，其信道數(shù)通常不超過(guò)16。然而，一個(gè)典型的DWDM系統(tǒng)，通常在單根光纖中傳輸40或者48個(gè)波長(zhǎng)，因此需要更大端口數(shù)的復(fù)用/解復(fù)用器。串聯(lián)結(jié)構(gòu)的WDM模塊會(huì)在后面端口累積太多功率損耗，因此需要采用并行結(jié)構(gòu)，一次性對(duì)數(shù)十個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行復(fù)用/解復(fù)用操作。陣列波導(dǎo)光柵AWG就是這樣一種光器件。

AWG （Arrayed Waveguide Grating）技術(shù)也是一種常用的WDM器件技術(shù)，它是在光波導(dǎo)的基礎(chǔ)上通過(guò)光纖上的平面波前分束器，是利用PLC技術(shù)在芯片襯底上制作的陣列波導(dǎo)光柵，將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)進(jìn)行復(fù)用和分離的技術(shù)。AWG通常由一排平行的波導(dǎo)構(gòu)成，在光波導(dǎo)的分布上有特定的規(guī)律和晶格，每個(gè)通道的波長(zhǎng)都會(huì)被某個(gè)特定的波導(dǎo)引導(dǎo)出去，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的復(fù)用和分離。相比TFF技術(shù)，AWG技術(shù)的波長(zhǎng)隔離度、通道數(shù)量和帶寬都更高，可以用于更高速率的光通信系統(tǒng)。

典型的AWG結(jié)構(gòu)如圖所示，它包括一個(gè)輸入波導(dǎo)、一個(gè)輸入星形耦合器（圖中自由傳輸區(qū)域FPR）、一組陣列波導(dǎo)、一個(gè)輸出星形耦合器和數(shù)十根輸出波導(dǎo)。

AWG技術(shù)

信號(hào)從輸入波導(dǎo)進(jìn)入輸入星形耦合器，經(jīng)自由傳輸之后，被分配到陣列波導(dǎo)之中。這個(gè)分配過(guò)程是波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的，所有波長(zhǎng)被無(wú)差別的分配到陣列波導(dǎo)之中。陣列波導(dǎo)對(duì)多光束產(chǎn)生相位差，各光束的相位成等差級(jí)數(shù)，這與傳統(tǒng)光柵中的情況類(lèi)似。不同波長(zhǎng)被色散展開(kāi)，并聚焦在輸出星形耦合器中的不同位置。不同波長(zhǎng)被不同的波導(dǎo)接收，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DWDM信號(hào)的并行解復(fù)用。

AWG技術(shù)

這兩種WDM技術(shù)都在當(dāng)今光通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，一般認(rèn)為，AWG在長(zhǎng)距離、高信道容量DWDM應(yīng)用中性?xún)r(jià)比更高，而TFF在低信道容量的CWDM城域應(yīng)用中更為理想。TFF通常由多個(gè)不同厚度的膜層構(gòu)成，最核心的和最貴的也就是薄膜，如需要得到大通道的器件，則需要增加薄膜數(shù)量，因此TFF的價(jià)格就隨著信道數(shù)量的增加而增加。采用AWG，可以同時(shí)得到40個(gè)信道，但有個(gè)缺點(diǎn)是你不能只選擇其中的一個(gè)或者兩個(gè)信道，這意味著10信道的上下路和40信道的上下路的成本是一樣的。因此說(shuō)，在信道數(shù)較多的場(chǎng)合AWG比TFF更經(jīng)濟(jì)。 很多資料都將16個(gè)信道看作兩種技術(shù)的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，低于16信道的應(yīng)用適合采用TFF技術(shù)，而高于16信道的應(yīng)用適合采用AWG技術(shù)。