薄膜滤光片--建造波分复用器件的砖石

当前光通讯信道密度的迅速增加和数据传输速率的不断提高对dwdm系统的性能提出了空前严格的要求。

在dwdm器件一连串的参数要求中，最重要的莫过于精确的中心波长、宽且平坦的通带、小而均匀的插损、相邻和非相邻通道间高的隔离度，以及比特率与数据格式透明。

其中，滤光片的中心波长和带宽决定了允许光通讯信号通过的工作波长及其偏差。

通常，每个中心波长对应于itu（international telecommunication union）标准通道中的一个，所谓的itu通道可以被看成频域坐标上的一些格点，其原点位于193.1thz，两相邻格点之间的间隔为100ghz。

对于通道间隔低于100ghz的器件来说，其中心波长频率则落在每两个相邻itu标准通道之间的等分点上。

通带较宽的dwdm器件可使得由于发射机频率漂移和线宽展宽引起的信号透过率的变化减到最小，这样就允许激光器的波长选择或其它参数可存在一定的误差，这些误差往往是由激光器工作过程中温度变化以及长时间的使用引起的。

通带一般是指在中心波长的插损以下0.5db范围所对应的带宽。

对通带宽度的典型要求是达到信道间隔的40%~50%。

dwdm器件的插损（insertion loss）是指光信号通过器件时每个信道的信号损失量。

插损低，则减少了有用信号功率的损耗，增加了信号再生与放大前的最大传输距离。

插损的大小通常取决于复用与解复用技术以及复用信道数量的多少。

对于典型的由薄膜滤光片构筑的8通道、100ghz复用器件，其插损往往在4~5db之间。

相邻（非相邻）通道隔离度是指一个通道信号渗漏到相邻两通道（其他非相邻通道）的平均功率。

通道隔离度对dwdm器件来讲是个非常重要的问题，如果隔离度不够大，则基于不同工作原理的器件之间可能会产生干涉效应。

信道隔离度高，可以消除信道间的串扰，继而减少网络的比特误码率（ber）。

对两相邻通道来讲，典型的隔离度要求是≥25db；而非相邻通道隔离度往往要求≥35db。

比特率与格式透明对dwdm器件来说也非常重要。

这不仅仅是因为在不同的信道中存在不同的数据调制格式，而且通信网络必须具有可被升级到高比特率的能力，以适应数据通讯容量的不断增长。

薄膜滤光片技术
dwdm器件可以有多种实现方式，其中以薄膜滤光片技术为基础的器件凭借其优良的特性而成为最具竞争力的选择之一。

薄膜滤光片本身具有非常低的温度系数（<0.002nm/℃），能够保证长期的稳定性，而且与偏振特性相关的各类损耗都很小，其中包括偏振相关损耗（pdl）、色散（cd）、偏振模色散（pmd）等等。

基于薄膜滤光片的器件可广泛用于多信道复用与解复用器以及光上下路复用器（oadm）。

同时，薄膜滤光片除了可以导引和处理光信号，还被广泛地用于增益平坦、频带分割、c通道和l通道的分离、泵浦光的合波等等。

值得一提的是，在新近出现的cwdm和bwdm网络中，薄膜滤光片技术是迄今为止唯一有实用价值的选择。

利用薄膜滤光片进行波分复用
在利用薄膜滤光片构造的波分复用器件中，多层薄膜滤光片与微光学元件以及光纤尾纤组装在一起。

该滤光片允许一个特定通道波长的光透过而反射其他波长的光。

值得注意的是滤光片与自聚焦透镜装配时其光轴要与自聚焦透镜的光轴成一很小的角度，这样可使反射光束被同一个自聚焦透镜重新聚焦在双光纤尾纤的第二根光纤而进入反射端传输。

入射光纤与反射光纤之间相隔很小的距离，透射光则由第二个自聚焦透镜聚焦进入对面的单光纤传输。

由于dwdm器件的参数要求非常严格，特别是在考虑到中心波长和插损的指标以后，其所能承受的光学元件间的准直误差很小。

要得到1db以下的插损，尾纤与自聚焦透镜间的横向失配必须小于20μm，同时要求两者中心轴的角度失配必须小于0.02o。

一般来说，多通道的复用和解复用器由一系列三端口的器件级联而成，每一个器件的反射端信号可作为下一个三端口器件的输入端信号。

在每个独立的三端口器件内都有一个滤光片，允许一个特定的dwdm通道的波长通过。

每个三端口器件都必须按照严格的标准进行装配与测试。

这种用标准组件级联方式来装配器件的方法减少了大量的高精密光学装配过程，提高了产量。

反之，如果不采用这种级联组装方式，那么就可能仅仅是因为器件的某一部分损坏、两光学元件间轻微的装配误差，或者是使用了错误中心波长的滤光片，而造成整个多通道器件的失效。

另外，这种级联组装方式在用于oadm或者今后需要额外的通道时可以大大增加装配的灵活性与可升级性，也有利于库存控制与产品的标准化。

尽管每一个光学面的损耗被努力降到最低，但是由于通道数量增加，级联的三端口器件还会增加额外的损耗。

一个三端口器件典型的插损应小于0.5db。

级联时随着通道数量的增加损耗会成比例的增大，这是由于光学表面数量也在增加的缘故。

而在级联序列中越靠后传输的通道会产生越大的损耗。

为了克服这个缺点，通常将不同透过率的滤光片与特定的级联设计配合在一起以平衡不同通道中的信号强度，或者以某种方式在所有的通道中得到一致的插损。

对一个8通道、100ghz的dwdm复用器件来说，每个通道的平均插损约为5db。

薄膜滤光片的制备
薄膜滤光片的工作原理立足于基本的光干涉现象。

透明介质薄膜沉积在基片表面，随着入射光波长的变化其光学性质也在变化。

当膜层厚度为四分之一波长厚度时，干涉效应最强。

具有高反射率的高低折射率膜层交替的四分之一膜系是低损耗滤光片的基础。

高反射率膜系具有一定的带宽。

在这带宽之外，由于相位的失配造成干涉减弱，透过率变得很高。

另外，在四分之一波堆中常常加入二分之一膜层在界面形成反射镜从而形成谐振腔。

多谐振腔滤光片结构可应用于多通道dwdm器件，因为这种结构可以得到很窄的通带，并且损耗很低，曲线陡峭，而且可以通过增加四分之一膜层对数以及灵活组合谐振腔层来设计薄膜滤波片。

薄膜滤光片通常的尺寸为1.5×1.5mm2，是从一个特殊的具有优良热学性质的基片上切割下来的。

一般在基片上交替镀制高低两种折射率的光学材料，层数要求100～200层。

常用的低折射率膜层材料是sio2，高折射率膜层材料是ta2o5，这两种材料在通讯波段内具有很好的热稳定性。

而且二者还具有很高的折射率比值，这样有利于采用较少的高低膜层数来获得窄的带宽和低损耗指标。

作为制作通道很窄、曲线陡峭的滤光片的选择之一，人们对高低折射率交替的四分之一膜层结构已有很长时间的认识。

然而，没有先进的现代薄膜镀制技术，针对dwdm应用的一系列前所未有的要求就难以实现。

目前有三种沉积技术用于dwdm镀膜：离子束辅助沉积（ibad）、等离子体辅助沉积（pad）和离子束溅射（ibs）。

它们都基于共同的工作原理：用离子束轰击成膜材料表面，在基片表面形成致密的薄膜。

高能粒子与目标分子之间的碰撞可以避免薄膜内缺陷的形成，缺陷的减少有几个优点：第一，薄膜密度增大，物理一致性很好，可提高产量。

第二，避免因薄膜缺陷吸附水蒸气及其他分子，而导致薄膜长时间稳定性变差。

第三，从多次重复的薄膜沉积过程来看，折射率变得更加稳定。

当有能量辅助沉积时，sio2和ta2o5可产生致密的非晶微结构从而获得表面非常光滑的薄膜。

薄膜技术的发展趋势
目前dwdm的信道数已扩展至40个通道以上，而通道间隔也已达到50ghz以下。

通道间隔的减小需要滤光片的透过率曲线非常陡峭以获得可接受的通道带宽。

一个典型的50ghz 滤光片通常需要镀制数百层的膜层来分隔单个波长。

镀制如此多的膜层，容易造成局部薄膜厚度与密度波动产生的缺陷增加，从而降低了滤光片的合格率。

针对这个问题的解决方式是将薄膜滤波片与一个交叉波分复用器（interleaver）组合。

interleaver可将一束输入的多通道
信号分离成互补的两束，一束包括奇数通道信号，另一束是偶数通道信号，使得通道之间的间隔变为原来的两倍(见下图3)。

利用级联的interleaver可实现更宽的通道分离。

因为现有的镀膜技术制备出的滤光片，其通道分离能力还无法达到interlever的水平，而且还存在稳定性差，产量低的问题。

滤光片与interleaver的组合不仅解决了通道间隔小于50ghz滤光片产量低的问题，而且减轻了由于级联架构的采用所导致的插损增加。

这种插损的增加一方面来源于多个三端口器件的串联；此外还包括为了平衡各个通道的插损而对滤光片透过率所做的调整。

例如，一路160通道的输入信号，首先被分解成c波段和l波段的两路信号。

其中每路包括80个通道，通道间隔为50ghz（见下图4）。

然后这两路信号分别通过两个50ghz的interleaver，每路信号被分离成两路分别包含40个通道的信号列，信道间隔为100ghz。

这四路信号又通过四个100ghz的interleaver，分为8路20个通道的信号，每路信道间隔为200ghz。

第一个10通道信号被一个10通道200ghz滤光片模块解复用；余下的10个通道信号则通过该200ghz滤光片模块的一个升级端口，最终被第二个10通道的200ghz滤光片模块解复用。