DWDM系统中的光滤波技术

刘俭辉 天津大学精密仪器与光电子工程学院
鲍风雨 辽宁机电职业技术学院

　　密集波分复用光网络的不断演进带动节点器件技术飞速发展，光滤波技术作为其中的关键之一已不仅仅是原来狭义的复用/解复用器的概念，其涵盖的范畴越来越多，包括光分插复用(OADM)、光交叉连接(OXC)、增益平坦滤波(GFF)、色散补偿(DC)、泵浦合波器(PBC)、动态增益均衡器(DGE)、波长锁定器(Wave locker)等。滤波手段层出不穷，多腔介质膜滤波器(MDTFF)、阵列波导光栅(AWG)、光纤布拉格光栅(FBG)、熔融拉锥器件(FBT)、奇偶交错滤波器(Interleaver)，此外还有声光可调谐滤波器(AOTF)、闪耀光栅、全息光栅、全光纤March-Zehnder干涉仪滤波器和全光纤F-P腔滤波器等。这些滤波技术随着人们追求的目标而不断变化，从窄信道间隔、大自由谱域(FSR)、高边模抑制比到现在的平顶(Fat-top)频响、动态可调谐、低色度色散和偏振模色散，各有市场，互相补充，长期共存。总之，在系统需求的刺激下，光滤波技术在不断进步。

　　主流光滤波技术

　　多腔介质膜光滤波器(MDTFF)

　　采用镀膜工艺的介质薄膜滤波器(TFF)是性能良好的带通滤波器，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分插复用器(OADM)，同时还被广泛应用于光纤放大器的增益平坦、频带分割、C和L通道的分离、泵浦光的合波、波长监控和锁定等等。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。目前最好的报道是，2002年 Agere公司宣布推出基于薄膜滤波片技术的50GHz mux/demux 产品，OFC'2002文献报导了信道间隔25GHz的介质薄膜滤波器。

　　阵列波导光栅(AWG)

　　AWG具有双向操作能力，可以实现光网络的诸多功能，如复用/解复用器、光波长路由器、多波长光源、光开关、色散补偿等。与其它类型的解复用器相比，AWG有如下优点：介入损耗小，串音低，可靠性高，加工要求较低，器件尺寸小。此外，AWG还比较容易与光放大器、半导体激光器等有源器件以及PLC型奇偶交错滤波器等无源器件结合，实现单片集成。所以，AWG在密集波分复用系统，尤其是在40波长以上的系统中，占据了绝对优势。

　　尽管AWG器件已经商用，但国外(尤其是日本)对AWG的研究仍十分活跃，目前的研究方向主要集中在以下四个方面：

　　* 多通道AWG的研制，尤其在OFC'2001会议上，首次报导了制作在6英寸硅基片上的400个通道25GHz通道间隔的AWG，该器件覆盖了C＋L波段，充分利用了EDFA的常规增益带宽，介入损耗非常低(3.8～6.4dB)，相邻信道串扰为-20dB，远端串扰低于-30dB，可支持4Tbit/s的传输；

　　* 平顶频谱响应的研究；

　　* 消除偏振相关性。NTT采用半波片法消除双折射的影响。另外还有使用反射式设计、高台波导结构、非双折射波导等方法来降低器件的偏振敏感性；

　　* 有机聚合物(Polymer) AWG。由于聚合物器件比相应硅基底器件成本低，其热光系数比硅大10倍左右，因此聚合物波导可在更宽范围内实现温度调谐，所以聚合物AWG已引起了人们的重视，在OFC'2001会议上，N.Keil提出全聚合物方法，将聚合物材料用于波导结构和基质，通过匹配聚合物基质的热膨胀系数和波导材料的热光系数，可实现无热和偏振无关的AWG。

　　光纤布拉格光栅(FBG)

　　光纤光栅作为光子研究领域的一门新兴技术，具有极其广阔的应用前景，光纤光栅的选频特征使之成为光纤通信中一种重要的无源器件，受到普遍关注。

　　使用光纤光栅可制成光纤激光器、密集波分复用/解复用器、光分插复用器(OADM)、色散补偿器、滤波器、光放大器的增益平坦化、超窄光脉冲产生器、泵浦激光器的波长锁定等高性能光通信器件，目前正向实用化方向发展。光纤光栅将使全光纤器件的研制成为可能，因而所谓的全光纤一维光子集成(即将各种全光纤器件集成在一根光纤里，形成诸多集成型光纤信息系统)也将成为现实。

　　熔融拉锥型(FBT)全光纤器件

　　目前熔锥型滤波器件主要是两波复用的，其波长分别是980/1550nm; 1310/1550nm; 1480/1550nm; 1510/1550nm; 980/1590nm 1480/1590nm。其中980/1550nm及1480/1550nm的波分复用器主要用于C波段的EDFA的泵浦光与信号光的合波，现已被大量应用于实用化的EDFA之中；980/1590nm 和1480/1590nm的器件主要用于L波段的EDFA。与镀膜技术相比，熔锥型泵浦合波器的优点是耐高功率性能好，而且工艺简单，价格低廉，介入损耗很小。1310/1550nm器件主要应用于宽带波分复用系统中，或者在早期铺设的1310nm波长光纤系统上扩展1550nm波段新业务，在旧光纤通信系统的扩容过程中发挥重要作用。

　　在熔锥系列器件中还有一种特殊的由单根光纤拉制而成的双锥器件，它可以用作带通滤波器、带阻滤波器、窄带滤波器、波分复用器等。双锥光纤滤波器可用于EDFA的增益平坦化，为了解决级联EDFA的增益均衡问题，又研制出其透过谱形状与基于光纤光栅的增益均衡器的透过谱十分相似的带阻双锥滤波器。研究者提出在一根光纤上拉制几个连续的锥可有效扩展谱响应透过峰峰值间的波长间隔，降低透过峰的带宽，形成一个全光纤的高消光比窄带滤波器。

　　奇偶交错滤波技术

　　这种滤波技术的器件主要有以下几种类型：

　　* 晶体双折射型；

　　* 迈克尔逊干涉仪+G-T干涉仪型(MGTI)；

　　* 非平衡Mach-Zehnder干涉仪型；

　　* 取样光纤光栅型奇偶交错滤波器；

　　* 光纤光栅组合型Interleaver器件；

　　* AWG型奇偶交错滤波器；

　　* 光纤F-P型奇偶交错滤波器。

　　声光可调谐滤波器(AOTF)

　　由于声光可调谐波长滤波器(AOTF)具有调谐范围宽的特点，还具有多态波分复用开关(Multistate WDM Switch)如上下行波长路由的功能，因此，在20世纪末的十年曾一度成为研究热点。

　　全光纤声光可调谐滤波器是近期的一个研究热点，这里，调谐声波的频率可实现对滤波器的峰值波长进行调谐。

　　光滤波技术的发展趋势

　　光滤波技术主要发展趋势包括：(1) 信道间隔向两个方向发展，超密集波分复用和粗波分复用各有市场。(2) 通带形状向平顶通带频响发展。(3) 对其它通道较强的抑制能力，陡峭的滚降特性，高隔离度。(4) 可调谐滤波器，信道间隔和带宽动态可调。(5) 向可编程方向发展。(6) 低色度色散和偏振膜色散。(7) 优良的时域特性，对光信号的损伤尽可能小。

　　从目前的情况看，在MUX/DEMUX(复用/解复用)应用方面，薄膜型滤波器仍是工艺最成熟、性能最稳定的产品，在市场上会保持其主导地位。

　　在OADM应用方面，尤其是固定波长的OADM，目前仍是薄膜型滤波器的天下；未来对其造成冲击的有FBG型OADM和SOA型的OADM，特别是在可调谐OADM的应用中。不过，在OXC和波长路由应用方面，由于薄膜型需要光开关等器件的配合，所以结构较复杂；相比之下，AWG可以很容易实现波长路由。据有关资料统计，在小于16通道的DWDM 滤波器中，薄膜技术占65%，AWG占25%，FBG占10%；而在大于16通道的模块制作中，薄膜技术占15%，AWG占65%，全息技术20%。由此统计结果可知，在现今薄膜技术仍是主流，而发展趋势是AWG技术。

　　此外，Interleaver的出现巧妙地解决了DWDM系统信道间隔不断细化同传统光学滤波技术之间的矛盾，是一种快速发展的很有前景的新型复用/解复用器件。

----《通讯世界》