TFF型WDM器件技术原理

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我们知道，光纤通信是技术是实现互联网并改变世界的关键技术之一，光纤通信的一个优势是可以在一根光纤中同时传输数十个波长，称作波分复用（WDM）。WDM传输的基本元件是光学滤波器，可通过光纤熔融拉锥（FBT）、薄膜滤光片（TFF）、阵列波导光栅（AWG）和光学梳状滤波器等技术实现。TFF和AWG是最常用的两种WDM技术，本文讨论基于TFF的WDM器件。

薄膜滤光片
法布里-帕罗干涉仪（FPI）是光学滤波领域常用的干涉仪。FPI结构如图1所示，包括两个玻璃片和夹在其中、具有精确厚度的隔片。玻璃片的内表面镀了部分反射膜，外表面则通常镀增透膜。


图1. 法布里-帕罗干涉仪结构

除了图1中的体光学结构，FPI还可以通过介质膜实现，如图2所示。多层薄膜沉积于玻璃基片上，以高/低折射率介质膜构成的周期结构，其功能类似于部分反射膜。中间的腔层将两个反射镜隔开。


图2. 基于薄膜技术的法布里-帕罗干涉仪

与基于体光学元件的传统FPI干涉仪一样，基于薄膜技术的FPI干涉仪也可以作为光学滤波器。如图3所示，干涉仪的透射峰是周期性的，随着镜面反射率的增加，透射谱的精细度越来越高。在自由光谱范围内，干涉仪只有一个透射峰，如图4所示。当镜面反射率较高时，透射峰线宽非常窄，可用于窄带滤波。


图3. 薄膜FPI的透射谱


图4. 窄带FPI在一个FSR之内的透射谱

然而，在一些特殊应用领域，比如DWDM传输系统中，要求滤波器具有平顶平顶和窄带滤波特性。这种滤波器需要多腔薄膜结构，如图5所示。多腔的效果如图6所示，FP干涉腔的数量越多，通带越平坦，而边缘陡降特性更好，这对DWDM系统中的应用非常有利。然而，多腔结构伴随着更多的“镜面”，意味着薄膜层数成倍增加。所有膜层都需要以非常高的均匀度和精密的厚度沉积于玻璃基片上，因此多腔结构将会降低良率，增加成本。

图5. 多腔薄膜滤波器结构


图6. 多腔薄膜滤波器的滤波效果

薄膜滤波器的设计非常灵活，除了具有平顶的窄带滤波片，还可以实现许多其他滤波器，比如图7中的长波通滤波片（LP）, 图8中的增益平坦化滤波片（GFF）。LP滤波器可用于WDM单纤双向传输，比如发射波长为1310nm的光信号，接收波长为1550nm的光信号。GFF滤波器则用于掺饵光纤放大器（EDFA）中，对增益谱进行平坦化。

图7. 长波通滤波片的透射谱

图8. 增益平坦化滤波片的透射谱

WDM器件
TFF滤光片用于WDM器件中，图9所示为三端口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，TFF滤光片粘贴在双光纤准直器的准直透镜的端面上。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。

图9. 基于TFF的三端口WDM器件结构

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10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。

图10. 基于三端口WDM器件的WDM模块结构

基于三端口WDM器件的WDM模块，其尺寸相对较大（典型8信道WDM模块的尺寸为130×90×13mm3），在一些特殊应用领域，这个尺寸不符合要求。为满足这些要求，人们开发了紧凑型WDM模块，如图11所示。所有TFF滤光片固定在一块玻璃基片上，然后逐个对准和固定输入/输出准直器。紧凑型WDM模块的典型尺寸为50×30×6mm3，比常规WDM模块的尺寸小得到。紧凑型DWDM和CWDM模块，通常又叫作CDWDM和CCWDM。

图11. 紧凑型WDM模块结构

从图10中可以看到，模块中的不同波长经过不同数量的三端口WDM器件，因此产生不同的插入损耗。随着端口数增加，损耗均匀性劣化。此外，最后端口处的最大损耗是限制端口数的另一个因素。图11中的紧凑型WDM模块，存在同样的问题。因此TFF型WDM模块通常限于≤16信道。


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