【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 薄膜濾波器在窄帶濾波方面性能較好 ， 但在寬帶濾波方面 MZI非常有用 ， 例如用來(lái)分開(kāi) μm和 μm兩個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào) 。 當(dāng)然 ，通過(guò)級(jí)聯(lián)幾個(gè) MZI也可以做成窄帶濾波器 ， 如圖 (c)所示 ，但是這將導(dǎo)致?lián)p耗大大增加 。 圖 馬赫 曾德?tīng)柛缮鎯x (MZI) (a) 結(jié)構(gòu)圖； (b) 方框圖； (c) 四級(jí) MZI 輸入 1輸入 2路程差， ? L輸出 1輸出 2( a )M Z I( ? L )輸入 1輸入 2輸出 1輸出 2( b )M Z I( ? L )M Z I(2 ? L )M Z I(3 ? L )M Z I(4 ? L )輸入 1輸入 2輸出 1輸出 2( c ) MZI可用來(lái)作濾波器和波分復(fù)用器 。 雖然多層介質(zhì)薄膜濾波器在窄帶濾波方面性能較好 ， 但在寬帶濾波方面 MZI非常有用 ， 例如用來(lái)分開(kāi) 。 當(dāng)然 ，通過(guò)級(jí)聯(lián)幾個(gè) MZI也可以做成窄帶濾波器 ， 如圖 (c)所示 ，但是這將導(dǎo)致?lián)p耗大大增加 。 從原理上講 ， 級(jí)聯(lián)幾個(gè) MZI后性能較好 ， 但是在實(shí)際工作中存在波長(zhǎng)隨溫度和時(shí)間的變化而漂移的現(xiàn)象 ， 串?dāng)_性能遠(yuǎn)不如理想情況 ， 級(jí)聯(lián)后的窄帶 MZI的通帶不平坦 ， 相反地 ， 多層介質(zhì)多腔薄膜濾波器的通帶和阻帶都比較平坦 。 現(xiàn)在簡(jiǎn)單分析 MZI的工作原理 。 考慮 MZI作為一個(gè)解復(fù)用器的情況 。 這時(shí)只有一個(gè)輸入 ， 假設(shè)從輸入端口 1輸入 ， 經(jīng)過(guò)第一個(gè)定向耦合器后 ， 功率平均分配到兩臂上 ， 但是在兩臂上的信號(hào)有了 π/2的相差 ， 下臂上的信號(hào)比上臂滯后 π/2。 如果下臂與上臂的長(zhǎng)度差為 ΔL， 則下臂信號(hào)的相位進(jìn)一步滯后 βΔL, β為光在 MZI介質(zhì)中的傳輸常數(shù) 。 在第二個(gè)定向耦合器的輸出 1處 ， 來(lái)自下臂的信號(hào)又比來(lái)自上臂的信號(hào)延遲了π/2， 因此 ， 在輸出 1處 ， 兩信號(hào)總的相位差為 +βΔL+ 。 同理 ， 在輸出 2處 ， 兩信號(hào)總的相位差為 +βΔ L =βΔL。 在輸入 1的所有波長(zhǎng)中 ， 滿足 βΔL=kπ(k為奇數(shù) )條件的波長(zhǎng) ， 由輸出 1輸出；滿足 βΔL=kπ(k為偶數(shù) )條件的波長(zhǎng)由輸出2輸出 。 而 β= , n為介質(zhì)折射率 ， λ為光波長(zhǎng) ， 通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)就可以實(shí)現(xiàn)波的解復(fù)用 。 如果兩臂長(zhǎng)度差為 ΔL， 只是輸入 1輸入 ， 則單個(gè) MZI的功率傳遞函數(shù)為 2?2?2?2?2?2?T11(f) T12(f) = 2sin2 L??2cos2 L??f 為光頻率 。 如果將 MZI級(jí)聯(lián)就構(gòu)成多級(jí)馬赫 曾德?tīng)柛缮鎯x (Multistage Mach Zehnder Interferometer)。 圖 (c)示出 4級(jí)馬赫 曾德?tīng)柛缮鎯x ， 其中每個(gè) MZI以及級(jí)聯(lián)后整個(gè) 4級(jí) MZI的傳遞函數(shù)曲線如圖 。 (前 4個(gè)為每單個(gè) MZI的傳遞函數(shù) ， 最后一個(gè)為級(jí)聯(lián)后 4級(jí) MZI的傳遞函數(shù) ) 圖 MZI的傳遞函數(shù) 第一級(jí)第二級(jí)第三級(jí)第四級(jí)所有級(jí)的級(jí)聯(lián)?0 / ? 前面討論了 MZI用作 1 2解復(fù)用器情況 ， 由于 MZI是一種互易器件 ， 因此也可用作 2 1 復(fù)用器 。 7. 陣列波導(dǎo)光柵 (AWG: Arrayed Waveguide Grating)是 MZI的推廣和一般形式 。 如圖 所示 ， 它由兩個(gè)多端口耦合器和連接它們的陣列波導(dǎo)構(gòu)成 。 AWG n 1波分復(fù)用器和1 n波分解復(fù)用器 。 與多級(jí) MZI相比 ， AWG損耗低 ， 通帶平坦 ， 容易集成在一塊襯底上 。 AWG也可用作靜態(tài)波長(zhǎng)路由器 ，如圖 。 圖 陣列波導(dǎo)光柵 (AWG) 輸出耦合器輸入耦合器輸出波導(dǎo)陣列波導(dǎo)輸入波導(dǎo)圖 基于 AWG的靜態(tài)波長(zhǎng)路由器 A W G?1, ?2, ?3, ?41 1 1 1?1, ?2, ?3, ?42 2 2 2?1, ?2, ?3, ?43 3 3 3?1, ?2, ?3, ?44 4 4 4?1, ?2, ?3, ?41 2 3 4?1, ?2, ?3, ?44 1 2 3?1, ?2, ?3, ?43 4 1 2?1, ?2, ?3, ?42 3 4 1 下面我們簡(jiǎn)單地分析一下 AWG的工作原理 。 設(shè) AWG的輸入端口數(shù)和輸出端口數(shù)均為 n， 輸入耦合器為 n m形式 ， 輸出耦合器為 m n形式 ， 輸入和輸出耦合器之間由 m個(gè)波導(dǎo)連接 ， 每相鄰波導(dǎo)的長(zhǎng)度差均為 ΔL。 MZI是 AWG n=m=2情形下的特例 。 輸入耦合器將某個(gè)輸入端口的輸入信號(hào)分成 m部分 ，它們之間的相對(duì)相位由從輸入波導(dǎo)到陣列波導(dǎo)在輸入耦合器中傳輸?shù)木嚯x來(lái)決定 ， 輸入波導(dǎo) i和陣列波導(dǎo) k之間的距離用dinik表示 ， 陣列波導(dǎo) k的長(zhǎng)度比陣列波導(dǎo) (k1)的長(zhǎng)度長(zhǎng) ΔL， 同樣 ， 陣列波導(dǎo) k和輸出波導(dǎo) j之間的距離用 doutkj表示 。 因此 ， 光信號(hào)從輸入波導(dǎo) i到輸出波導(dǎo) j， 經(jīng)歷了 i與 j之間 m條不同通路后的相對(duì)相位為 mkdnLkndn inkjinikijk ,...,2,1)(2 121 ????? ??? 其中 n1為輸入和輸出耦合器的折射率 ， n2為陣列波導(dǎo)的折射率 ， λ為光信號(hào)的波長(zhǎng) 。 在輸入波導(dǎo) i的光信號(hào)的波長(zhǎng)中 ， 滿足 Φijk為 2π的整數(shù)倍的波長(zhǎng)將在輸出波導(dǎo) j輸出 。 于是 ， 通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì) ， 可以做成 1 n波分解復(fù)用器和 n 1波分復(fù)用器 。 如果設(shè)計(jì)輸入耦合器和輸出耦合滿足 dinik=dini+kδini 和 doutkj=doutj+kδoutj 在輸入波導(dǎo) i 輸 入 的 那 些 波 長(zhǎng) 中 若 滿 足 : n1δin i+n2ΔL+n1δoutj=pλ， p為整數(shù) ， 則波長(zhǎng)為 λ的光將在輸出波導(dǎo) j輸出 。 8. 聲光可調(diào)諧濾波器 聲光可調(diào)諧濾波器 (AOTF: Acousto Optic Tunable Filter)是一種多用途器件 ， 是目前已知的惟一能夠同時(shí)選擇多個(gè)波長(zhǎng)的可調(diào)諧濾波器 ， 并且可用來(lái)構(gòu)造波長(zhǎng)路由器 。 AOTF的基本原理是聲與光的相互作用 ， 圖 AOTF的集成光波導(dǎo)形式 。 一個(gè)簡(jiǎn)化的 AOTF如圖 ， 波導(dǎo)材料是一種雙折射物質(zhì) ， 僅能支持最低階 TE模和 TM模 。 假設(shè)輸入光完全是 TE模 ， 一個(gè)只能選擇 TM模的偏振器放在波導(dǎo)的輸出端 。 如果在被選擇的波長(zhǎng)附近的一個(gè)窄譜范圍內(nèi)的光能量轉(zhuǎn)換為 TM模式 ， 而其余光能量仍保持 TE模式 ， 這樣就可以制成一個(gè)波長(zhǎng)選擇性濾波器 。 圖 集成光波導(dǎo) AOTF 輸入 1輸入 2輸出 1輸出 2TE ＋ TM TETMTM TE TE ＋ TM輸入偏振器聲傳感器聲波輸出偏振器圖 簡(jiǎn)化的 AOTF 偏振器聲傳感器 聲波輸入 輸出TMTE 一個(gè)簡(jiǎn)化的 AOTF如圖 ， 波導(dǎo)材料是一種雙折射物質(zhì) ， 僅能支持最低階 TE模和 TM模 。 假設(shè)輸入光完全是 TE模 ， 一個(gè)只能選擇 TM模的偏振器放在波導(dǎo)的輸出端 。 如果在被選擇的波長(zhǎng)附近的一個(gè)窄譜范圍內(nèi)的光能量轉(zhuǎn)換為 TM模式 ， 而其余光能量仍保持 TE模式 ， 這樣就可以制成一個(gè)波長(zhǎng)選擇性濾波器 。 這種濾波器的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)沿著光波的傳播方向或逆著光波的傳播方向發(fā)射一列聲波來(lái)完成 。 聲波傳播引起媒質(zhì)的密度周期性變化 ， 其變化周期等于聲波波長(zhǎng) ， 這相當(dāng)于形成了一個(gè)布喇格光柵 。 設(shè) TE 和 TM模的折射率分別為 nTE和nTM， 當(dāng)滿足布喇格條件 ???1??TETM nn時(shí) ， 光波從一種模式耦合到另一種模式 ， 其中 Λ為聲波波長(zhǎng) ，λ為光波長(zhǎng) 。 滿足布喇格條件在波長(zhǎng) λ附近的窄譜范圍內(nèi)的光將從 TE模轉(zhuǎn)換為 TM模 ， 如果這種器件的輸入光只是 TE模 ，輸出只選擇 TM模 ， 那么就可以作為一個(gè)窄帶濾波器使用 。 如果記 nTEnTM=Δn， 則布喇格條件可寫(xiě)為 λ=Λ Δ n () 在 LiNbO3晶體中 ， Δn=。 若適當(dāng)選擇聲波波長(zhǎng) Λ， 則經(jīng)過(guò)模式轉(zhuǎn)換又位于 AOTF通帶內(nèi)的波長(zhǎng)能夠被選擇 。 例如 ， 為了選擇 μm波長(zhǎng) ， 若 Δn=， 則聲波波長(zhǎng)大約為 22 μm， 在 LiNbO3晶體中聲速大約為 km/s， 對(duì)應(yīng)的聲波頻率為 km/s247。 22 μm≈170 MHz。 由于產(chǎn)生該聲波的射頻頻率容易調(diào)諧 ，所以這種濾波器也很容易調(diào)諧 。 圖 AOTF與偏振有關(guān) ， 因?yàn)檫@里假設(shè)輸入光完全是 TE模 。 圖 AOTF， 其實(shí)現(xiàn)方式和與偏振無(wú)關(guān)的隔離器相類似 ， 將輸入光信號(hào)分解為 TE和 TM兩個(gè)分量 ， 分別通過(guò) AOTF后再在輸出端組合在一起 。 布喇格條件決定要選擇的波長(zhǎng) ， 而這種濾波器的通帶寬度則由聲光相互作用的長(zhǎng)度決定 ， 聲光相互作用的長(zhǎng)度越長(zhǎng) ， 通帶就越窄 。 AOTF的功率傳遞函 T(λ)= () 其中 Δλ=λλ0, λ0 為 滿 足 布 喇 格 條件 的 光 波 波 長(zhǎng) ， ε=λ20/(lΔn)為濾波器通帶寬度的一種量度 ， l為器件長(zhǎng)度 (準(zhǔn)確說(shuō)是聲光相互作用的長(zhǎng)度 )， 濾波器的半高寬 FWHM=， 如圖 。 這說(shuō)明器件越長(zhǎng) (聲光相互作用長(zhǎng)度越長(zhǎng) )， 濾波器的通帶就越窄；然而調(diào)諧速度與器件長(zhǎng)度成反比 ， 因?yàn)檎{(diào)諧速度主要由聲波通過(guò)器件的時(shí)間決定 。 ?????/21)/2(12[s i n 22????圖 AOTF的功率傳遞函數(shù) － 4 － 2 0 2 4－ 40－ 30－ 20－ 100△? / ?功率傳遞函數(shù) / dB 與偏振無(wú)關(guān)的 AOTF可用作 2 2波長(zhǎng)路由器 ， 滿足布喇格條件的波長(zhǎng)被交換 ， 如圖 (a)所示 ， 這里波長(zhǎng) λ1滿足布喇格條件 。 如果同時(shí)發(fā)射幾個(gè)聲波 ， 就有幾個(gè)光波長(zhǎng)同時(shí)滿足布喇格條件 ， 那么在單個(gè)器件上就可同時(shí)完成幾個(gè)波長(zhǎng)的交換 ， 如圖 (b)所示 ， 這里交換的波長(zhǎng)是 λ1和 λ4。 前面所指的都是靜態(tài)波長(zhǎng)路由器 ， 也可以通過(guò)改變聲波的頻率作為動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)路由器 ， 適當(dāng)?shù)丶?jí)聯(lián) 2 2路由器可以構(gòu)成多輸入多輸出路由器 。 如今 ， AOTF還沒(méi)有完全實(shí)用化的原因主要有兩個(gè)：一是存在較大串?dāng)_ ， 二是通帶相對(duì)較寬 。 圖 AOTF (a) 交換波長(zhǎng) λ1。 (b) 同時(shí)交換波長(zhǎng) λ1和 λ4 A O T F?1, ?21 1?1, ?22 2?1, ?22 1?1, ?21 2RF1( a )A O T FRF1, R F4?1, ?2, ?3, ?41 1 1 1?1, ?2, ?3, ?42 2 2 2?1, ?2, ?3, ?42 1 1 2?1, ?2, ?3, ?41 2 2 1( b ) 交 換 技 目前的商用光纖通信系統(tǒng) ， 單信道傳輸速率已超過(guò) 10 Gb/s， 實(shí)驗(yàn) WDM系統(tǒng)的傳輸速率已超過(guò) Tb/s。 但是 ， 由于大量新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)和國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展 ， 今后通信網(wǎng)絡(luò)還可能變得擁擠 。 原因是在現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)中 ， 高速光纖通信系統(tǒng)僅僅充當(dāng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸手段 ， 網(wǎng)絡(luò)中重要的交換功能還是采用電子交換技術(shù) 。 傳統(tǒng)電子交換機(jī)的端口速率只有幾 Mb/s到幾百M(fèi)b/s， 不僅限制了光纖通信網(wǎng)絡(luò)速率的提高 ， 而且要求在眾多的接口進(jìn)行頻繁的復(fù)用 /解復(fù)用 ， 光 /電和電 /光轉(zhuǎn)換 ， 因而增加了設(shè)備復(fù)雜性和成本 ， 降低了系統(tǒng)的可靠性 。 雖然采用異步轉(zhuǎn)移模式 (ATM)可提供 155 Mb/s或更高的速率 ， 能緩解這種矛盾 ， 但電子線路的