(集成光电子学导论)第七章波分复用器.ppt

思考：可以用于波长滤波器的结构 光纤光栅——波长滤波器 FBG的发现与发展 透射式/反射式光栅 光纤光栅 光纤光栅的类型 均匀周期光栅 非均匀周期光栅（啁啾光栅） 光纤光栅的制作 光纤芯层里由于含有少量锗（Ge）元素，因此对紫外光非常敏感 当以折射率周期性分布的紫外光照射光纤时，光纤芯层折射率将也呈现这种周期性分布 光纤激光器的光纤光栅谐振腔 啁啾光纤光栅用于光通信色散补偿 不同波长在光纤里具有不同折射率，因此具有不同传播速度 啁啾光纤光栅用于色散补偿 光纤光栅在传感中的运用 阵列波导光栅 阵列波导光栅是光通信骨干网最核心的器件之一。要了解它是什么，怎么产生的，我们可以将它作为一个工程案例分析 注意整个思考过程，请跟着我一起思考！ 波分复用 波分复用器件是光通信应用里非常重要的一类器件。基于波分复用的光通信，一个波长相当于一个IP，不同波长携带不同的信息，波分复用器件就是将多个波长的光耦合到一根光纤内进行传输，并可以在传输终端将多个波长信号分开，到目标客户端分别输出。 请利用已有的光学知识，思考可以实现波分复用的器件都有哪些？ 波分复用器 我们分析这个问题，还原到最本质的应用目标，就是实现一个光学系统，能够把不同波长的光分开，或和在一起。回忆光学的知识，能将光按波长分开的光学原理都有哪些呢？ 实例：波分复用器 假如说我们用光栅来实现这个目标，能否设计一个基本的光学系统来实现这一应用呢？ 波分复用 波分复用器 光从光纤出来就相当于一个光点到了自由空间，必然会发散，经过光纤衍射，再反射回去，经过很大的光程差，光必然扩散的不成样了。要知道光纤中的光不是空白的，是调制了信号的。比如101110这个数列在空间上是有特定光强分布的。经过无限自由扩散后信号自然失真。如果你考虑到这些，就会知道，波分复用不仅应该把不同波长的光散射开，也应该具有成像功能，能够在输出端对光纤末端的输出信号成像。即信号按波长分开了，但对每个波长，信号不应有变化。 此外从光纤出来呈高斯扩散的光，如分解为平面波，到光栅后入射角各不相同，那么不同入射角对应同一波长，意味着衍射角也不一样，很难收集最后的能量 波分复用器： 波分复用器 这样基本上原理可行了。 接下来一步就要像刚才提到的步骤，来看做可靠性分析。对光通信，特别是高速光通信而言，对可靠性要求分外高。 波分复用器 对高速光通信系统，波分复用器主要应用在骨干网的收发端。一旦出问题会让整个网络中断，影响非常大。我们做产品设计的时候一定要搞清产品应用在什么场合，这样才能分析我们的设计是否达标。上面的系统原理上虽然可行，但不稳定因素很多。光在自由空间扩散，外界环境温度、气流、湿度变化都会对信号造成扰动。并且图示系统接头过多，机械固定装置老化等因素都会影响器件工作。此外图示1：1透镜系统像差也对信号造成威胁。 如果分析到了这些，我们应该想办法简化这个系统。记住对高速通信应避免不可靠因素，接头越少越好！ 阵列波导光栅 光栅制作不好影响了产品的正常使用，有没有改进办法呢？ 该产品的一个标志性的创新：阵列波导光栅。他的思路就是仍利用光栅的原理，但换了个容易实现的方式。这是荷兰的Smit提出的。该产品也是目前波分复用领域最成功的产品，创造了巨额财富。每个产品销售价在2-5万美元左右。 阵列波导光栅 阵列波导光栅 这样的设计是否就完美了呢？不是。考虑到实际需要还有很多改进之处，如产品是否对偏振太敏感？是否损耗过大？是否噪声特性还不够好？是否对稳定变化太敏感？是否对激光器波长抖动很敏感？。。。直到现在，每年都有大量的论文发表，围绕着如何改进阵列波导光栅波分复用器的设计，以便让产品更加完美。 但是，我们应该意识到，那个日本人使用阵列波导来代替光栅，实现同样原理的不同形式的改进是对该产品具有划时代意义的。这就是创造力的价值。 思考：阵列波导光栅和刻蚀衍射光栅哪个理论上性能更好？ 要回答这个问题，我们必须把问题放在实际应用场合来考虑。波分复用器是能让多个波长的激光，信号调制以后和在一起，最后由一根光纤输出。或一个光纤传输的多个波长信号，经过这个波分复用器，按波长分为若干路，最后独立输出。 我们先来看一个基本问题：这个应用描述里过程有个“或”字。为什么用“或”不用“且”呢？ 光学的一个基本原理：光路是可逆的。能将多个波长和在一起，系统反过来用，就应该能将和在一起的多个波长分开。 光纤 多波长 分离的多波长 光栅 简单的看这样就能实现波分 复用功能，但是否这样就能实用了呢？ 请考虑图示系统里面对 高速通信而言，有哪些不足 怎么改？——集成光电子学存在的价值 一个改进思路是用凹面光栅，凹面光栅不仅具有色散功能，同时具有成像功能。因此省去了透镜的使用，减少了不稳定环节。 但是可以看到，光仍然在自由空间传输，仍然对环境变化敏感。 此外空间的凹面光栅制作难