WDM波分复用器件的结构组成介绍

目前已知WDM波分复用技术有很多种,如:FBT (熔融拉锥,Fused Biconical Taper)、FBG(光纤布拉格光栅,Fiber Bragg Grating)、TFF (薄膜滤波, Thin Film Filter)、AWG (阵列波导光栅, Arrayed Waveguide Grating)、EDG (刻蚀衍射光栅,Etched Diffraction Grating)、MZI (马赫-曾德干涉,Mach-Zehnder Interferometers)、MRR (微环谐振器型, Micro Ring Resonator)。其中TFF和AWG是最常用的两种WDM技术。本文介绍一下TFF型WDM器件的结构组成。

三端口WDM器件的结构,包括一个双光纤准直器、一个单光纤准直器和一个TFF滤光片。

三端口WDM器件的结构

TFF介质薄膜滤波片 (膜片), 是整个WDM器件最核心元件,成本最高。TFF滤光片粘贴在双光纤准直器的准直透镜的端面上,主要功能是进行透射与反射。

 TFF介质薄膜滤波片 (膜片)

普通膜片尺寸如图所示,也有特殊尺寸的。有滤波面(反射面)和增透面(透射面),滤波面的主要功能是让某种颜色的光(即对应某种波长的光)通过,让其他颜色的光反射;增透面的主要功能是让光通过膜片。一般来说,颜色较深的是反射面,颜色较浅的是透射面。

三端口WDM器件的结构

多层介质膜滤波片是一种多层高反射膜,膜层数目可多达几十层至上百层,交替由较高折射率和较低折射率的两种电介质材料组成,与滤波片基底和空气相邻的膜层具有较高折射率。将几十层不同的介质薄膜组合起来,组成具有特定波长选择特性的干涉滤波器,就可以实现将不同波长分离或合并的效果。

三端口WDM器件的结构

从光纤端发出来的光是发散的,导致不能传远!怎么办?

WDM器件的结构

因此,需要用到准直器,将原本发散的光聚成一束光斑较大的平行光束,从而达到准直(平行)效果,保证相对长的传输距离。准直器是利用透镜( C-Lens或者G-Lens)的汇聚原理。

WDM器件的结构

什么东西能够使发散的光线平行传输,使平行传输的光线会聚?那就是透镜。透镜是对光束进行变换的关键部位,使用较多的是定折射率透镜(C-lens),也就是球面透镜(conventional lens),和自聚焦透镜(G-lens),又称梯析透镜(Gradient-index,GRIN)。C-lens和G-lens都具有聚焦和成像功能。两个透镜的作用是不同的,第一个透镜将发散的光线平行,第二个透镜将平行的光线汇聚。

波分复用器的结构

从外观上来看,C-lens的端面一端为球面,而G-lens的一端为平面,正是因为这个原因,G-lens准直器可以将某些光学器件直接粘接在该平面上,从而使得模块可以更紧凑,这是C-lens不具备的特点。在WDM器件中输入端使用G-lens其中一个原因主要是因为它的耦合面是平的,方便滤波片的粘接。

波分复用器的结构

GRIN lens的准直特性中,一个很重要的参数是节距。如下图所示,如果让一束平行光线入射进GRIN lens,其传播轨迹是遵循周期函数的模式,GRIN lens的厚度刚好为一个周期时,出射光线也讲是一组平行光线。在光纤通信中,通常使用的是1/4节距的G-lens。

波分复用器的结构

将C-透镜装在光纤头的前面,外面用玻璃或金属套管封装,就做成了一个C-透镜准直器。光纤准直器由尾纤与透镜精确定位而成,利用透镜( C-Lens或者G-Lens)的汇聚原理使原本发散的光聚成一束光斑较大的平行光束,从而达到准直(平行)效果。一般G-透镜准直器的成本要比C-透镜准直器高,所以我们大多使用C-透镜准直器。

波分复用器的结构

TFF WDM器件中,输入端双光纤准直器一般采用G-lens透镜准直器,输出端单光纤准直器采用C-lens透镜准直器。

波分复用器的结构

不管封装形式如何,基于Filter的WDM器件的基本光路都是如下图所示。WDM信号包括波长λ1, λ2,…λn,从公共端输入,TFF滤光片让一个波长λn透射,其他波长则被反射,因此波长λn从透射段输出,而其他波长从反射端输出。其中,一路输入的光信号被分成两路不同的光信号输出,即为分波;两路输入的光信号被合成一路混合的光信号输出,为合波。

波分复用器的结构

为了将所有波长解复用,需要将n个三端口器件串联起来,组成WDM模块,如图所示,其中每个三端口器件中的TFF滤光片,其透射波长不同。WDM模块可用作解复用器或者复用器,取决于信号的传输方向。

波分复用器的结构




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