不同DWDM器件方案的比较(节选)

上海交通大学光学与光子学研究所 王怡韵

　　DWDM器件在理论上的探讨已有很长的时间了，但经过实践的磨合，形成了几种切实可行、成本低廉、性能较佳的方案。

　　介质膜片法

　　介质膜片法，又称滤波片法、介质薄膜法、薄膜滤镜法。单路的DWDM，一路包含多个波长的光波通过入射光纤进入自聚焦透镜(GRIN LEN)。自聚焦透镜不同于普通光纤，光线在其中的轨迹呈现正弦、余弦曲线。对于沿轴向传播的光线不改变方向，而对于与轴平行和与轴成一定角度的子午光线，自聚焦透镜将使光线有规则的与轴相交或者离散。这种透镜也能聚焦和成像。入射光经自聚焦透镜后会聚成近似的平行光线（腰斑内的）。此光线在介质膜片上分成2路，相应于膜片中心波长的光绝大部分透过，再经自聚焦透镜汇聚成一点，由P（Pass Port）端输出，分出波长λ1。其余非中心波长的光将反射至R（Reflect Port）端，反射回来的光将进下一路DWDM，分出波长λ2，如此反复就可以将所有波长都分离出来。当然，实际DWDM器件并非简单串联各路，而是有一定规则的，以减小最后一路的介入损耗，并使各路能量均衡。

　　以上介绍的是解复用过程，根据光路可逆原理，当各输出端作为输入时，将在原来的输入端输出多波长的合波光信号，完成复用的功能。 介质膜片法由于技术成熟，对于100GHz及其以上通道数目的较小系统，其市场占有率保持在40％以上，被认为是“实现几十Gb/s通信系统的一种首选方案。”

　　阵列波导光栅法

　　阵列波导光栅（AWG）是通过标准的集成光学工艺，在硅、磷化铟甚至有机聚合物上制作而成的。它由输入输出波导群，两个盘形波导及AWG一起集成在衬底上。

　　器件主要由输入输出波导、第一和第二聚焦腔以及波导阵列三个部分组成，集成在单一衬底上。输入输出波导的位置和阵列波导的位置满足罗兰圆规则。它的波导数应足够多，以充分接收平面波导区的衍射光功率。阵列波导连接两个平面波导区，能构成1:1的光学成像系统。在传输过程中，波前变形很小。由于阵列波导一般有几百条，相邻波导的长度差为常数△L，这种结构产生的波长相关相移使阵列波导呈衍射光栅的特性。根据衍射理论，在阵列波导的输出端，按波长长短顺序排列输出，并通过另一个聚焦腔耦合输出到相应的输出波导的输入端，最终实现分波输出。当N个波长的光信号从器件不同的输入端口输入时，在器件输出端口得到的信号波长是不一样的。根据理论推导，输入输出波长的关系满足N×N阵列形式（可以将其展现出来）。这样就完成了解复用功能。同样，如果将N个波长信号分别从N个输入端口输入，在任何一个输出端口均可收到N个波长的信号。当运用在光时分复用技术上时，一个接收机用户便能享用N倍的信息流量，复用功能便这样实现了。

　　AWG法的难点在于波导光栅的制作，要求在硅材料衬底上镀多层玻璃膜来形成光栅，采用光刻、反应离子刻蚀等标准半导体工艺控制玻璃膜的厚度、成分与欠缺。这种集成性很好的器件频率间隔可以做到50GHz，复用通道也可以多于16个。

　　光纤Bragg光栅法

　　这种方法基于长周期或者短周期的光纤光栅。光纤光栅是通过紫外光在高掺锗或者普通载氢光纤按一定的掩膜刻制的光栅。

　　它利用了紫外激光诱导光纤芯折射率呈周期性变化的机理。当折射率的周期性变化满足布拉格光栅条件时，相应波长的光就会产生全反射，而其余波长的光会顺利通过，相当一个带阻滤波器。由于光纤Bragg光栅是直接采用紫外光写入的，它的反射波长的反射率可达100％。

　　由光纤Bragg光栅构成的DWDM器件有两类型：

　　①分波型

　　②环形器型

　　级联M-Z干涉法

　　这是一种历史悠久的老方法，利用的是大家熟知的熔融M-Z干涉仪，虽然目前没有多少公司采用，但它的潜力仍不容忽视。

　　M-Z干涉仪独特的梳状滤波性能，不仅仅可直接作DWDM器件，还可运用到最新的Interleaver技术中，为前端的将信号按奇偶分开的群组滤波器，做出频率间隔小于等于50GHz的DWDM器件。ITF等公司的Interleaver正是运用了这样的技术。

　　体介质法

　　衍射光栅是体介质型的一种重要应用。衍射光栅型是利用了光栅对输入光束进行散射的原理，每个波长通道对应与空间唯一的衍射角，衍射光被各自的光纤接收。目前有三种主要的应用形式：

　　①低空间频率光栅(小于400线/mm)：具有非常好的衍射效率，很小的偏振相关性。但由于很长的聚焦距离，体积一般较大；

　　②高空间频率衍射光栅：可以减小器件的体积，但同时介入损耗变大，偏振相关性增强；

　　③体全息光栅：利用路径反转的有机聚合物波导的体全息光栅制作。这种方法成本低，利用迂回光路体积小，机械性能及抗干扰性较好。同时它可使用多模光纤，便于在城域网的小波长数环境运用。

　　综合比较

　　A、优缺点分析

　　B、性能指标分析

　　综上所述，介质膜片法、阵列波导光栅法、光纤光栅法、级联M-Z干涉法、体介质法这五种方案各有优势，但对于当今具体的DWDM系统而言，前三种显然更加实用，其中涉及到的技术与设备相对简单，具有成本适中、可重复性好的优势。此外，为了制作出稳定的多通道器件，相应的通道间均衡必须仔细设计来满足实际要求。四类器件指标中也多有环环相扣的，合理地平衡其中的差别是造出高质量器件的前提。

摘自《通讯世界》2002.1