【文章內容簡介】 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 ， 例如用來分開 μm和 μm兩個波長的光信號 。 當然 ，通過級聯(lián)幾個 MZI也可以做成窄帶濾波器 ， 如圖 (c)所示 ，但是這將導致?lián)p耗大大增加 。 圖 馬赫 曾德爾干涉儀 (MZI) (a) 結構圖； (b) 方框圖； (c) 四級 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可用來作濾波器和波分復用器 。 雖然多層介質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 ， 例如用來分開 。 當然 ，通過級聯(lián)幾個 MZI也可以做成窄帶濾波器 ， 如圖 (c)所示 ，但是這將導致?lián)p耗大大增加 。 從原理上講 ， 級聯(lián)幾個 MZI后性能較好 ， 但是在實際工作中存在波長隨溫度和時間的變化而漂移的現象 ， 串擾性能遠不如理想情況 ， 級聯(lián)后的窄帶 MZI的通帶不平坦 ， 相反地 ， 多層介質多腔薄膜濾波器的通帶和阻帶都比較平坦 。 現在簡單分析 MZI的工作原理 。 考慮 MZI作為一個解復用器的情況 。 這時只有一個輸入 ， 假設從輸入端口 1輸入 ， 經過第一個定向耦合器后 ， 功率平均分配到兩臂上 ， 但是在兩臂上的信號有了 π/2的相差 ， 下臂上的信號比上臂滯后 π/2。 如果下臂與上臂的長度差為 ΔL， 則下臂信號的相位進一步滯后 βΔL, β為光在 MZI介質中的傳輸常數 。 在第二個定向耦合器的輸出 1處 ， 來自下臂的信號又比來自上臂的信號延遲了π/2， 因此 ， 在輸出 1處 ， 兩信號總的相位差為 +βΔL+ 。 同理 ， 在輸出 2處 ， 兩信號總的相位差為 +βΔ L =βΔL。 在輸入 1的所有波長中 ， 滿足 βΔL=kπ(k為奇數 )條件的波長 ， 由輸出 1輸出；滿足 βΔL=kπ(k為偶數 )條件的波長由輸出2輸出 。 而 β= , n為介質折射率 ， λ為光波長 ， 通過適當設計就可以實現波的解復用 。 如果兩臂長度差為 ΔL， 只是輸入 1輸入 ， 則單個 MZI的功率傳遞函數為 2?2?2?2?2?2?T11(f) T12(f) = 2sin2 L??2cos2 L??f 為光頻率 。 如果將 MZI級聯(lián)就構成多級馬赫 曾德爾干涉儀 (Multistage Mach Zehnder Interferometer)。 圖 (c)示出 4級馬赫 曾德爾干涉儀 ， 其中每個 MZI以及級聯(lián)后整個 4級 MZI的傳遞函數曲線如圖 。 (前 4個為每單個 MZI的傳遞函數 ， 最后一個為級聯(lián)后 4級 MZI的傳遞函數 ) 圖 MZI的傳遞函數 第一級第二級第三級第四級所有級的級聯(lián)?0 / ? 前面討論了 MZI用作 1 2解復用器情況 ， 由于 MZI是一種互易器件 ， 因此也可用作 2 1 復用器 。 7. 陣列波導光柵 (AWG: Arrayed Waveguide Grating)是 MZI的推廣和一般形式 。 如圖 所示 ， 它由兩個多端口耦合器和連接它們的陣列波導構成 。 AWG n 1波分復用器和1 n波分解復用器 。 與多級 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)波長路由器 ，如圖 。 圖 陣列波導光柵 (AWG) 輸出耦合器輸入耦合器輸出波導陣列波導輸入波導圖 基于 AWG的靜態(tài)波長路由器 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 下面我們簡單地分析一下 AWG的工作原理 。 設 AWG的輸入端口數和輸出端口數均為 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個波導連接 ， 每相鄰波導的長度差均為 ΔL。 MZI是 AWG n=m=2情形下的特例 。 輸入耦合器將某個輸入端口的輸入信號分成 m部分 ，它們之間的相對相位由從輸入波導到陣列波導在輸入耦合器中傳輸的距離來決定 ， 輸入波導 i和陣列波導 k之間的距離用dinik表示 ， 陣列波導 k的長度比陣列波導 (k1)的長度長 ΔL， 同樣 ， 陣列波導 k和輸出波導 j之間的距離用 doutkj表示 。 因此 ， 光信號從輸入波導 i到輸出波導 j， 經歷了 i與 j之間 m條不同通路后的相對相位為 mkdnLkndn inkjinikijk ,...,2,1)(2 121 ????? ??? 其中 n1為輸入和輸出耦合器的折射率 ， n2為陣列波導的折射率 ， λ為光信號的波長 。 在輸入波導 i的光信號的波長中 ， 滿足 Φijk為 2π的整數倍的波長將在輸出波導 j輸出 。 于是 ， 通過適當設計 ， 可以做成 1 n波分解復用器和 n 1波分復用器 。 如果設計輸入耦合器和輸出耦合滿足 dinik=dini+kδini 和 doutkj=doutj+kδoutj 在輸入波導 i 輸 入 的 那 些 波 長 中 若 滿 足 : n1δin i+n2ΔL+n1δoutj=pλ， p為整數 ， 則波長為 λ的光將在輸出波導 j輸出 。 8. 聲光可調諧濾波器 聲光可調諧濾波器 (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選擇多個波長的可調諧濾波器 ， 并且可用來構造波長路由器 。 AOTF的基本原理是聲與光的相互作用 ， 圖 AOTF的集成光波導形式 。 一個簡化的 AOTF如圖 ， 波導材料是一種雙折射物質 ， 僅能支持最低階 TE模和 TM模 。 假設輸入光完全是 TE模 ， 一個只能選擇 TM模的偏振器放在波導的輸出端 。 如果在被選擇的波長附近的一個窄譜范圍內的光能量轉換為 TM模式 ， 而其余光能量仍保持 TE模式 ， 這樣就可以制成一個波長選擇性濾波器 。 圖 集成光波導 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 簡化的 AOTF 偏振器聲傳感器 聲波輸入 輸出TMTE 一個簡化的 AOTF如圖 ， 波導材料是一種雙折射物質 ， 僅能支持最低階 TE模和 TM模 。 假設輸入光完全是 TE模 ， 一個只能選擇 TM模的偏振器放在波導的輸出端 。 如果在被選擇的波長附近的一個窄譜范圍內的光能量轉換為 TM模式 ， 而其余光能量仍保持 TE模式 ， 這樣就可以制成一個波長選擇性濾波器 。 這種濾波器的實現可以通過沿著光波的傳播方向或逆著光波的傳播方向發(fā)射一列聲波來完成 。 聲波傳播引起媒質的密度周期性變化 ， 其變化周期等于聲波波長 ， 這相當于形成了一個布喇格光柵 。 設 TE 和 TM模的折射率分別為 nTE和nTM， 當滿足布喇格條件 ???1??TETM nn時 ， 光波從一種模式耦合到另一種模式 ， 其中 Λ為聲波波長 ，λ為光波長 。 滿足布喇格條件在波長 λ附近的窄譜范圍內的光將從 TE模轉換為 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窄帶濾波器使用 。 如果記 nTEnTM=Δn， 則布喇格條件可寫為 λ=Λ Δ n () 在 LiNbO3晶體中 ， Δn=。 若適當選擇聲波波長 Λ， 則經過模式轉換又位于 AOTF通帶內的波長能夠被選擇 。 例如 ， 為了選擇 μm波長 ， 若 Δn=， 則聲波波長大約為 22 μm， 在 LiNbO3晶體中聲速大約為 km/s， 對應的聲波頻率為 km/s247。 22 μm≈170 MHz。 由于產生該聲波的射頻頻率容易調諧 ，所以這種濾波器也很容易調諧 。 圖 AOTF與偏振有關 ， 因為這里假設輸入光完全是 TE模 。 圖 AOTF， 其實現方式和與偏振無關的隔離器相類似 ， 將輸入光信號分解為 TE和 TM兩個分量 ， 分別通過 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 ， 而這種濾波器的通帶寬度則由聲光相互作用的長度決定 ， 聲光相互作用的長度越長 ， 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 ， ε=λ20/(lΔn)為濾波器通帶寬度的一種量度 ， l為器件長度 (準確說是聲光相互作用的長度 )， 濾波器的半高寬 FWHM=， 如圖 。 這說明器件越長 (聲光相互作用長度越長 )， 濾波器的通帶就越窄；然而調諧速度與器件長度成反比 ， 因為調諧速度主要由聲波通過器件的時間決定 。 ?????/21)/2(12[s i n 22????圖 AOTF的功率傳遞函數 － 4 － 2 0 2 4－ 40－ 30－ 20－ 100△? / ?功率傳遞函數 / dB 與偏振無關的 AOTF可用作 2 2波長路由器 ， 滿足布喇格條件的波長被交換 ， 如圖 (a)所示 ， 這里波長 λ1滿足布喇格條件 。 如果同時發(fā)射幾個聲波 ， 就有幾個光波長同時滿足布喇格條件 ， 那么在單個器件上就可同時完成幾個波長的交換 ， 如圖 (b)所示 ， 這里交換的波長是 λ1和 λ4。 前面所指的都是靜態(tài)波長路由器 ， 也可以通過改變聲波的頻率作為動態(tài)波長路由器 ， 適當地級聯(lián) 2 2路由器可以構成多輸入多輸出路由器 。 如今 ， AOTF還沒有完全實用化的原因主要有兩個：一是存在較大串擾 ， 二是通帶相對較寬 。 圖 AOTF (a) 交換波長 λ1。 (b) 同時交換波長 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 10 Gb/s， 實驗 WDM系統(tǒng)的傳輸速率已超過 Tb/s。 但是 ， 由于大量新業(yè)務的出現和國際互聯(lián)網的發(fā)展 ， 今后通信網絡還可能變得擁擠 。 原因是在現有通信網絡中 ， 高速光纖通信系統(tǒng)僅僅充當點對點的傳輸手段 ， 網絡中重要的交換功能還是采用電子交換技術 。 傳統(tǒng)電子交換機的端口速率只有幾 Mb/s到幾百Mb/s， 不僅限制了光纖通信網絡速率的提高 ， 而且要求在眾多的接口進行頻繁的復用 /解復用 ， 光 /電和電 /光轉換 ， 因而增加了設備復雜性和成本 ， 降低了系統(tǒng)的可靠性 。 雖然采用異步轉移模式 (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