基于薄膜滤波技术(TFF)的DWDM可调谐光滤波器的研究

摘要

作为能将单一波长光信号从多波长混合信号中有选择性提取出来的可调谐光滤波器，是密集波分复用（DWDM）系统中必不可少的器件。随着密集波分复用技术的不断演进，光纤中传输的波长数越来越多，单信道的传输速率也越来越高，光通信网正由静态的波分复用系统向高速动态路由的全光通信网络演变。因此波分复用系统对可调谐光滤波器的性能要求也越来越高，除了要具有良好的滤波特性外，还要具有较大的可调谐范围，较低的成本和尽可能小的信道串扰。目前已有的可调谐滤波技术主要有光纤光栅型可调谐光滤波器、声光型可调谐光滤波器、F-P腔型可调谐光滤波器和阵列波导光栅型可调谐光滤波器等。但这些技术都不能同时满足低成本、通带平顶、较大的可调范围、低串扰、偏振和温度不敏感的要求，因此在实际工程应用中受到限制。由于多腔窄带薄膜滤光片具有价格低、通带窄、插入损耗低和温度稳定性好的特点，因此采用其作为滤波器得到了广泛的应用。窄带滤光片在倾斜入射时，由于膜层有效光学厚度的变化，其中心波长会向短波方向移动。但是由于其偏振敏感性，限制了其在可调谐滤波方面的应用。
　　 本文以多腔窄带滤光片为主要的研究对象，基于薄膜光学特征矩阵理论，对窄带滤光片在倾斜入射时的各种特性进行了较为详细的分析，得到了在倾斜入射时降低其偏振敏感性的办法和规律。通过膜系寻优算法的研究，设计并制备了角度调谐滤光片。同时设计并制备了以该角度调谐滤光片为核心的三端口可调谐滤波器件。实验证明结果达到设计所需的指标。具体的工作、结论及创新点如下：
　　 (1) 分析了多层薄膜系统的光学特性，基于麦克斯韦尔的电磁场理论，推导了薄膜系统的光学特征方程，并在此基础上分析了窄带滤光片膜系的光谱响应和相位特性与膜系结构参数的关系；
　　 (2) 对窄带滤光片的带宽、矩形度、纹波特性和群时延、群时延色散等进行了分析，对滤光片纹波的抑制技术进行了研究，得出了影响这些特性指标的规律和抑制纹波的方法；
　　 (3) 对窄带滤光片的倾斜入射特性进行了较为详细的分析和探讨，当滤光片的倾斜入射角度增加时，其两个偏振模式的透射中心波长将出现明显的分离，通过调节膜系间隔层的结构，能使其实现对准消除偏振分离现象；
　　 (4) 针对光纤通信所使用窄带滤光片的实际要求，提出了角度调谐窄带滤光片的设计指标以及膜系初始结构，并根据设计的寻优算法以及相应的程序得到了一组信道间隔为100GHz的角度调谐窄带滤光片膜系；
　　 (5) 实际制备了设计用于信道间隔为100GHz的DWDM四腔窄带角度调谐滤光片，设计和完成了实验测试平台，并对其进行了实际测试，测试结果证明各项指标都基本满足设计要求，在20nm的有效调谐范围内具有较低的偏振敏感特性；
　　 (6) 针对测试中出现的光路位移以及由于导致的准直器耦合度降低的现象，进行了理论和实验上的研究，并制备了动态的光路补偿装置，实验证明能有效的降低透射光谱的损耗；
　　 (7) 针对测试中出现的光斑展宽以及由此导致的半宽展宽以及通带高斯化现象，进了了理论和实验上的研究，并制备了光斑整形装置，实验证明设计的整形棱镜组能有效的降低光斑展宽造成的干涉级次降低问题；
　　 (8) 针对滤光片的调谐范围，通过利用基于光子晶体的偏振分束器和半波片以及双级滤波的方法，提出了一种完全消偏振的可调谐滤波设计，理论计算和实验证明该方法能进一步加大滤光片的调谐范围，使之调谐范围能覆盖整个C波段，同时还能在整个调制范围内做到完全偏振无关；
　　 (9) 在广泛查阅国内外文献的基础上，提出了基于我们设计的角度调谐滤光片的三端口可调谐光滤波器结构设计。理论分析和实验证明该结构能具有较低的调制耦合难度、较高的信道隔离度以及能补偿光路位移和实现双级滤波。