李 蔚，刘德明，黄德修
(华中科技大学 光电子工程系，湖北 武汉430074)
摘 要：光器件技术的迅速发展，推动了密集波分复用(DWDM)系统的广 泛应用，使得光纤通信系统容量急剧增长.文章综述了几种关键无源器件技术的进展情况、 性能比较以及它们在未来光网络中的重要性，进一步探讨了相关无源器件技术的发展趋势 .
关键词：密集波分复用；阵列波导光栅；动态增益均衡；色散补偿
自从1995年第一个密集波分复用(DWDM)系统应用到实际工程以来，DWDM技术已经被证明是 大容量、长途光传送网的最佳选择.电信运营商更趋向于采用DWDM技术来快速提高已经敷设 的光纤传送网络系统的容量.ITU-T也相继通过一系列标准规范了DWDM系统所使用的光 器件和子系统的主要参数和性能.ITU-T规定DWDM系统的参考频率标准为193.1 THz(～1552 .52 nm)；同时以该波长为基准，规定了200、100和50 GHz信道间隔的一系列标准波长位置 .
目前能够满足DWDM网络和系统相关要求的器件有很多种，而器件的材料、设计和制作技术的 选择主要依赖于DWDM系统的需求.各种器件技术和商用产品的市场竞争日趋激烈， 但市场中处于主流地位的成熟器件技术未必一定是将来的主流器件技术.本文综述了几种 典型的无源器件技术的进展情况、性能比较以及它们在未来光网络中的重要性，并进一 步探讨了相关无源器件技术的发展趋势.
1 DWDM解复用器件
DWDM解复用器件(DWDM De-multiplexer)是DWDM系统的关键器件之一.它的优劣直接影响 到整个系统的容量和性能.典型的器件技术包括光学介质薄膜窄带滤波器[1]、紫 外写入光纤光栅、平面集成阵列波导光栅[2]、熔融拉锥M-Z干涉滤波 器、基于晶体光学的光学梳状分波器等.DWDM解复用器件的主要性能指标包括 ：插入损耗/偏振相关损耗、波长隔离度/串扰、通带特性/品质因数、色散特性、温度稳定 性和制作成本等等.
1.1 光学介质薄膜窄带滤波器技术
光学介质薄膜窄带滤波器的基本原理是基于传统的F-P腔干涉滤波器，并且要求其波长位置 符合ITU-T规定的波长位置、光谱响应的品质因数高、通带稳波系数小、损耗低，且温度稳 定性好.目前制作光学介质薄膜窄带滤波器的方法主要是离子辅助 电子束蒸发淀积和射频磁控溅射.为了实现100/200 GHz信道间隔的DWDM解复用器用窄带 滤波器，人们通常采用多腔结构 (3～5腔)来实现平顶的光谱响应特性和较好的品质因数，光学薄膜的层数将多达150多层. 这给多腔光学介质薄膜窄带滤波器的设计、制作和测试都带来极大的难度.同时对膜层的损 耗、应力、温度稳定性、折射率控制以及衬底材料的热膨胀特性和后续的光学切割抛光等方 面也提出了苛刻的要求[3].
光学介质薄膜窄带滤波器是单通道滤波器，实际制作多通道DWDM解复用器则需要多个中心波 长不同的滤波器级联.由于采用串行的级联方式，而每个三端口器件的反射通道的损耗～0.2 dB，这样在通道数较多时将导致DWDM复用/解复用器件各通道间损耗的不均衡—第一个通道 损耗最小，而最后一个损耗最大，如果通道数为40，则通道间损耗的不均匀性将高达8 dB以 上，这种不均衡是无法满足实际系统需要的.为了解决这个问题，人们通常采用模块化分组 级联的方法，将多个通道分成几个模块，每个模块只包含较少的通道数目，再通过级联最 后形成多通道DWDM复用/解复用器件，采用这种方法制作的器件通道间损耗不均匀性大大减 小，～1.2左右.模块化分组级联方法同时也使DWDM复用/解复用器具有可扩展性和应用的 灵活性，人们可以根据业务发展的实际需要分组配置整个DWDM网络系统，这样既可减少初 始投资，又可保证整个网络未来的可扩展性[2].
1.2 紫外写入光纤光栅技术
光纤光栅是利用高能量紫外激光诱导产生光纤纤芯折射率变化形成周期性结构.光纤光栅相 当于一个带阻滤波器，其基本原理是：符合Bragg条件的波长发生全发射，而其它波长的光 则直接通过.光纤光栅窄带滤波器长度一般为15～20 mm，光栅常数(折射率调制的周期性)~ 1μm，亦即单个光纤光栅就包含有多达上万个周期结构(而光学介质薄膜窄带滤波器仅为15 0～200层)，因此它可以达到接近100%的反射率.光纤光栅具有插入损耗低、对偏振不敏感 、光谱响应特性(光谱形状、带宽、反射率、边模抑制比)动态可控制等特点，其优良的窄 带、平顶的光谱响应特性尤其适合于100 GHz以下信道间隔DWDM复用/解复用器件的要求.
通常采用相位掩膜方法和全息曝光方法制作光纤光栅.在光纤光栅的实际制作中，影响其性 能的主要因素有：(1) 设计参数的优化及实现，例如用特种光敏光纤设计以提高光敏特性并 抑制包层模损耗、用切趾技术以实现平顶响应和良好的品质因数；(2) 先进、灵活的制作 技术，例如光纤光栅计算机集成制造系统、掺氢技术等；(3) 温度稳定、性能可靠的封装技 术，使其温度稳定性优于1 pm/℃；(4) 快速而准确的测试技术等等.
1.3 平面集成阵列波导光栅技术
光集成的概念提出至今已经有40多年的历史，平面集成光波导器件由于其尺寸小、可多功能 集成、平面工艺适合于批量生产等诸多优点，一直受到广泛关注.阵列波导光栅(AWG，)是迄 今为止最成功的平面集成光波导无源器件.
AWG的工作原理是[2]：输入波导将光纤中的多波长光耦合到第1个平板波导中，此 时的光不再受到横向限制并且开始发散并且分别进入阵列波导的输入端口；光沿各波导独 立传输，达到阵列波导的输出端口；适当选择阵列波导的长度，使临近波导的光程差等效于 DWDM器件中心波长的整数倍，这样能保持光波长等相位地到达第2个平板波导；阵列波导长 度的改变使得相位随波长发生变化，从而导致第2个平板波导在输出波导的聚焦点随波长的 不同而发生移动，亦即各波长发生空间分离，并由输出波导的不同端口输出，最终实现多波 长解复用的功能.
虽然制作平面集成AWG的材料体系有很多种，但是硅基SiO2波导技术在无源A W G器件的制作上有很多优点，技术发展也较为成熟.所依赖的波导技术分别为等离子增强型化 学气相沉积(PECVD)以及火焰水解沉积(FHD，Flame Hydrolysis Deposition).同时还需要 先进的反应离子刻蚀(RIE)技术、高温退火(Annealing)、去除偏振、光谱通带响应平坦等相 关技术.
光学介质薄膜窄带滤波器技术和紫外写入光纤光栅技术制作的DWDM解复用器件是串行工作， 而基于平面集成AWG技术的器件则是并行工作，尤其在端口数目较大时(＞32通道)在插入损 耗及其均匀性上优势明显，而且随着工艺和技术的不断进步，未来在总体器件的功能复杂性 与功能集成和制作成本等方面必将逐步取代现有的器件技术.尽管如此，平面集成AWG仍 然有不少问题需要进一步解决，比如器件的温度稳定性问题(需要恒定工作温度)、如何提高 器件总体隔离度问题等等.
1.4 光学梳状分波器(Interleaver)
为了满足容量增长的需要以及更有效地利用现有光放大器的放大带宽，DWDM系统的信道间 隔已变得很窄，从200/100 GHz降低到50 GHz，甚至25 GHz.这对通常可行的光学介质薄 膜窄带滤波器、紫外写入光纤光栅和AWG等技术来讲变得难以实现.一个有效的办法是采用 光学梳状分波器——将多波长的光分成两路，一路包含奇数波长，而另外一路包含偶数波长 ，同时奇数之间和偶数波长之间的信道间隔比输入多波长信道间隔增加一倍.采用这种方法 ，结合现有通行的DWDM解复用器件技术，可实现信道间隔更窄的复用与解复用.
制作光学梳状分波器的方法包括晶体偏振技术、熔融拉锥M-Z干涉仪技术、F-P腔干涉滤波 器技术、取样光纤光栅技术、平面波导技术等等.其中，熔融拉锥M-Z干涉仪方法虽然发 展较早，但其正弦光谱响应特性导致其通带宽度小、信道间隔离度不高，而且制作复杂，成 品率难以控制.F-P腔干涉滤波器技术需要对F-P进行特殊设计以符合特定信道间隔的要求 ，而且其温度稳定性仍是一个需要仔细解决的问题.平面波导技术和取样光纤光栅技术仍在 进一步发展当中.目前大量商用的仍是采用晶体偏振技术制作的光学梳状分波器.
2 光放大器的动态增益平坦和光通道性能检测器件技术
2.1 光放大器的动态增益平坦器件技术
DWDM系统的广泛应用主要得益于宽带光纤放大器.然而，宽带光纤放大器对多波长光信号增 益不平坦，多级光纤放大器会引起信道间功率水平的极大差异，带来光信噪比的恶化，限制 了DWDM系统的传输距离.因此，对DWDM系统应用的宽带光纤放大器需要增益平坦.目前的 增益平坦滤波器主要有固定的增益平坦滤波器(GFF，Gain Flatness Filter)和动态增益平 坦滤波器(DGE，Dynamic Gain Equalizer)两种.
固定的GFF主要是针对特定波段、特定信道数目的光纤放大器来设计，使得滤波器的损耗曲 线与光纤放大器的增益曲线刚好相反，从而使光纤放大器的增益平坦度在±0.5 dB以内.通 常的制作技术包括薄膜干涉滤波器、长周期光纤光栅、啁啾光纤光栅等.尽管采用了固定GF F，20个放大器级联应用之后，光纤放大器的增益不平坦度仍将高达10 dB.而且，固定DGF 难以补偿受激拉曼散射、传输信道波长上/下以及放大器老化而引起的光纤放大器增益不平 坦.因此，需要采用DGE对光纤放大器的增益进行动态控制来保持系统的光信噪比特性.
对于DGE有很多制作技术，比如平面光波导技术、微光机械系统技术(MEMS)、液晶技术以及 声光滤波器技术等等.目前DGE的开发主要集中在它的光通道检测特性、动态控制功能的实现 与响应速度.评价DGE好坏的技术指标包括光谱响应特性、残余增益起伏、偏振相关损耗 、低插入损耗(避免过大降低光放大器噪声指数)、动态范围、响应时间等，此外，体积、功 耗和制作成本也是重要的考核指标.
DGE不仅可以补偿放大器带宽内的随机增益波动，还可用于放大器的动态增益斜率补偿，以 及用于光分插复用节点——均衡直通信道、减少残余下话路波长信号等等.但DGE的价格居高 不下，极大地限制了它的广泛应用，急需采用一些新技术降低器件成本.
2.2 光通道检测器件技术
光通道性能检测器件(OPM，Optical Performance Monitor)主要用于检测DWDM网络系统中波 长通道的工作状态，例如与光传送相关的波长、信道功率和光信噪比等关键信息.
DWDM系统的信道数目日益增多，单根光纤传输的容量迅速增加，整个网络系统的运行状况必 须进行实时监测，以防患于未然.OPM能够迅速检测到波长通道的任何性能恶化，例如中心波 长漂移、光功率波动或光信噪比下降等，并上报网管系统.
OPM也是智能光网络系统对波长信道进行主动测试和动态管理的基础.特别是随着DWDM系统 技术在城域网络中的应用，网络的智能化日趋重要，需要采用OPM器件实现网络管理系统在 波长层次对光传输层进行管理.
3 色散补偿器件技术
色散补偿技术主要有：色散补偿光纤(DCF，Dispersion Compensate Fiber)、啁啾光纤光栅 、虚拟成像阵列技术(VIPA，Vitural Image Phase Array)等.目前光纤线路中色散补偿大 多采用DCF方案.虽然DCF能提供宽带的色散补偿，但存在体积大、引入大的额外衰减、易产 生非线性效应和高阶色散补偿困难等问题.
啁啾光纤光栅补偿模块(DCG，Dispersion Compensate Grating)具有体积小、成本低、损耗 低、不易受非线性效应影响、与偏振无关和制作技术灵活等特点，还能够针对高阶色散进行 补偿，因此近些年发展较快.
4 器件可靠性
DWDM系统的推广应用，单根光纤中的传输容量迅速增加，使得相关无源器件的可靠性显得越 来越重要.人们对器件可靠性的关注并不亚于对其光学特性指标的要求.尽管人们目前对器 件的失效机理知之甚少[4]，但每个光器件必须经过一定步骤的例行试验并被证明 通过之后，才有可能被系统厂家所接受.
目前国际通行的无源器件可靠性试验标准为GR-1209-CORE和GR-1221-CORE.人们需要遵 循器件可靠性指标要求，在器件性能和成本之间进行折中考虑.
5 发展趋势
未来长途DWDM系统的发展趋势是更密的信道间隔、更宽的工作波长范围、更高的单信道速 率以及超长距离传输，这对上述各类器件性能提出了一系列更高的要求.
DWDM技术在城域网、接入网中的推广则要求器件的低成本与小型化.小型化的实现主要通过 光集成技术和微小封装技术；而器件自动封装技术则是一个降低器件成本的较为有效的途径 .自动交换光网络(ASON)则对器件的可调谐与智能化提出了要求.随着工艺和技术的进步，一 些新型的器件技术发展也较快.其中，基于光子晶体的器件、低成本聚合物光波导器件以及 MEMS器件引人注目.
总体说来，器件的功能集成化、体积小型化、封装自动化成为DWDM系统用无源器件的重要发 展趋势.
参考文献
［1］Bruce Nyman. Technology trends in dense WDM demultiplexers [J]. Optical fiber technology, 2001(7):255-257.
［2］Smit M K. Phasar based WDM devices: Principals, design, and applications [J]. IEEE J. Select Topics Quantum Electronics, 1996(2):236-239.
［3］顾培夫.密集波分复用薄膜干涉滤光片的设计[J].光学学报，2002,22(7)：794-799.
［4］Maack D R. Reliability methodologies for fiberoptic components [J]. O ptics & Photonics News, 2002(5):34-36.
摘自 光通信研究
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