郑传诗 杨坤涛 林斌 陈斯杰
华中科技大学光电子工程系
福州康顺光通讯有限公司
摘要 本文介绍了一种新型的M-Z干涉型光交叉波分复用器(Interleaver)。重点阐述了利用双折射晶体、偏振干涉法、马赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉仪制作Interleaver的原理，单、双级的简化结构。从理论上分析计算了如何展宽波形带宽，并制作样品证实了作者制作的Interleaver的带宽展宽现象。
关键词 光交叉波分复用器 技术实现方法 偏振干涉法 马赫-曾德干涉仪 带宽 DWDM
一、引言
二十世纪九十年代以来，随着个人计算机、因特网在全世界的普及应用，以及商业贸易的全球化，光纤通信行业迅猛发展，通信流量尤其是以因特网为主的数据通信流量出现了爆炸式的指数倍增长，这种急剧增长要求通信网络系统进行变革--最大限度地扩充容量，为此科学工作者找到了行之有效的密集波分复用技术（Dense Wavelength Division Multiplexer，简称DWDM）。在DWDM系统中，人们通过增加单信道速率和减小信道间隔来不断提高光纤带宽的利用率、扩大通信网络系统的容量。对于前一种扩容量方案，人们正着手对单信道速率达40Gbit/s的传输系统进行商业化开发；而后一种扩容方案的关键是研究生产窄带滤波器，如100GHz的滤光片（filter）、阵列光波导（AWG）。虽然filter、AWG的制造原理分别是利用振幅分割和波前分割干涉方式，但两者都是利用低阶干涉（零级干涉）来实现对给定的频率范围进行滤波，所以filter的膜层厚度以及AWG相邻波导的光程差都是在光波长量级。这种低级次干涉技术只能通过增加干涉的次数来减小通带间隔，因此，当波分复用的频率间隔越来越窄的时，filter的膜层不得不越镀越多，AWG的波导也不得不越刻越精细，这对当前的精密加工技术提出了过高的要求，导致小间隔（如50G）的产品成品率低、价格昂贵，因而限制了DWDM技术的推广应用。光交叉波分复用器(Interleaver)技术是改变此种状态的良好途径。Interleaver用高阶干涉的途径，无论多窄的分波间隔，只需要直接提高干涉的级次就可以了，而不需要增加干涉的次数，这与filter和AWG是两种迥然不同的技术途径。Interleaver将密集波长小间隔（50G甚至更密）扩展到更宽的通道间隔（100G或200G）或将两路宽波长间隔的光合并为一路间隔更窄的光，结合技术成熟的产品如100G或200G的filter和AWG形成价格经济、可迅速推广应用的DWDM系统。
光交叉波分复用器(Interleaver)又叫光交叉复用/解复用器,是一种用在光纤通信中密集波分复用(DWDM)系统的光学路由器(Optical router),也称梳状滤波器(Comb filter)。光交叉波分复用器的解复用功能是把单组输入DWDM光信号分解成两组奇偶信道输出，且两组光输出信号信道间隔两倍于输入光信号信道间隔。它使较窄信道间隔设计的DWDM系统，如100GHz(或50GHz)能进一步解分复用成信道间隔为200GHz（或100GHz）的更疏松的DWM系统。如图1所示。相反，光交叉波分复用器的复用功能把两组信道间隔相等但互为相间的DWDM光信号复合为一组信号。它使较宽信道间隔设计的DWDM，如200GHz（或100GHz）能进一步复用成信道间隔为100GHz（或50GHz）的更密集DWDM系统。
图2表示了由三个光交叉波分复用器按两级结构串放在一起的输入输出关系。其中图右两个光交叉波分复用器输入输出信道间隔分别是图左光交叉波分复用器输入输出信道间隔的两倍。假如最左边输入光信号信道间隔是50GHz，则经第一级光交叉波分复用器后信道间隔变为100GHz，再经过第二级光交叉波分复用器后在最右边输出光信号信道间隔变为200GHz，从而大大减低原输入信道间隔50GHz光信号的接收和处理的技术难度。当然，光交叉波分复用器还可以三级甚至四级串放。
Interleaver的另一应用是在节点分插一系列信道，即在Interleaver的一个输出光纤中的一系列光波长可指定为下信道并解复用，同时另一个输出光纤中的一系列光波可继续传输到下一个节点。
二、技术实现方法
Interleaver的技术实现方法大致有以下几种类型：
1． 全光纤马赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉仪型
2． 利用双折射晶体波片的偏振光干涉型
3． 迈克尔逊G-T干涉仪型
4． 光纤光栅型
5． 阵列波导光栅（AWG）型
6． 利用多光束干涉原理的法布里伯罗（F-P）腔型
本篇要介绍的是一种新的实现方法的Interleaver，属于利用双折射晶体、偏振光干涉的马赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉仪型。它的理论模型为，利用圆偏光入射到双折射晶体厚片后分为强度相同的o光、e光两路，将o光、e光的光路作为M-Z干涉仪的两个干涉臂，在o光、e光的光路引入一定的光程差，当o光、e光再经另一双折射晶体厚片合为一束光时产生偏振光干涉，使奇、偶信道波长光的偏振态相互垂直，再经过一偏振选择元器将奇、偶信道光分开。它的简化原理示意图3所示：
一束宽带圆偏光经双折射晶体折射后分1、2两路传播，1路为o光，2路为e光，2路光再经过一相位延迟片后，1路、2路光再经过第二块双折射晶体后合光，此时1路、2路光有一定的光程差，产生偏振光干涉，由于同一光程差对于不同波长的光具有不同的延迟效果，适当选择光程差，可以使得两个不同通道波长的光的偏振方向互相垂直。再经过一偏振选择元器--另一块双折射晶体厚片将奇、偶信道光分开。
以下是对作者制作的样品计算分析：
选择的设计通道波长为C-band ITU 波长，输出波长间隔为200GHz。
双折射晶体采用YVO4晶体，厚度：la1=6.5mm，no=1.94473, ne=1.999，分离角α=5.7°。
相位延迟片面性用BK7玻璃，其折射率为：n=1.50091，厚度为：lb1=0.5452mm。
光路1、2的位相延迟为：
设输入光E0为圆偏光：
可得输出振幅与波长关系为：
其中，输出波长光强与波长的关系如图4所示，样品的实测其中一输出光谱如图5所示。
图4 单级Interleaver的理论输出光谱 图5 单级Interleaver的实测输出光谱
由图4、5可以看出，波峰很"尖"，意味着带宽很窄。而通带宽度过于狭窄，则无法充分地保留进入信号光谱，从而引起信号波形变坏并可能会带来误码；同时，也对相邻的信号不能充分地隔离，容易造成信道间的串扰。一个真正可以实际应用的Interleaver器件，必定要设法对上述的波形进行修正，才能满足光通讯的要求。这种修正的基础就是古老的光学概念---傅立叶变换，通过光学傅立叶变换的途径，我们甚至有可能做到使最终的输出波形与所需的实际波形的任意接近，根据实际应用一般只采用二级。本Interleaver的第二级干涉的原理与第一级干涉完全相同，只是光程差有所不同，为第一级光程差的两倍。设入射光为圆偏光，本双级Interleaver的简化原理示意图6所示。
第二级的结构如下：
双折射晶体采用YVO4晶体，厚度：la3=12mm，no=1.94473, ne=1.999，分离角α=5.7°。
相位延迟器用BK7玻璃，其折射率为：n=1.50091，厚度为：lb2=1.466mm。
光路3、4的位相延迟为：
可得双级的输出振幅与波长关系为：
经理论计算，双级deInterleaver的输出光波长振幅与波长的关系如图7所示，双级样品的实测其中一输出光谱如图8所示。
比较单级和和双级的理论、实测输出光谱图，经分析可得，增加一级干涉对输出光谱将起到极大的改善作用，比较结果如表1所示。
从表1可得，实测结果基本与理论计算相符合，双级Interleaver的输出波形明显接近于方波，波形系数为60.5%。单、双级Interleaver的理论和实测的0.5dB、3dB带宽如图9~14所示。
三、Intreleaver性能指标分析
在评估Interleaver时,要测量的参数首先是插损、通带形状、所要求的信道间距间的串扰。正如所有的器件一样，特别是Interleaver,因它和DWDM滤波器层叠使用，它的插损越小越好。当信号波长漂移时，为了尽量减小信道功率变动，一致的平通带形状是很可取的。任何最初信道功率不平衡将会当信号更加不平衡通过多重放大器，并影响系统的信噪比性能。经常，在取得平顶通带形状和插损之间采取折中，因为增加的滤波元件经常会增大插损。最后，串扰性能是很关键的，因为Interleaver用作滤波器的前置部位，并决定这集合装置的串扰性能。虽然附加的DWDM滤波器用在Interleaver的输出端，这些滤波器会有更宽的通带，但不能提高毗连信道的串扰性能。
即使以上三个基本参数达到了设计目标，还有许多其他参数得考虑。这个装置必须以ITU 波长为中心波长，不关是一个通道的中心波长为ITU波长，而且是整个系统的所有的通道的中心波长都必须是ITU波长。在工作温度范围内这个装置的波长漂移必须被考虑，最大的波长偏移量将用来分析系统的通带性能和串扰。
作者在设计第一、二级M-Z干涉仪时，引入自动温度补偿设计方法--使干涉仪的两臂光程差在工作温度范围的变化量接近于零，光程差的温度影响参数有双折射晶体的线膨胀系数和折射率温度变化系数、相位延迟片的线膨胀系数和折射率温度变化系数。这样，Interleaver不用外加温度控制，它的波长偏移量就可控制在充许的范围内，是一无源器件。作者制作的100G双级Interleaver级性能指标如表2所示，指标在同类产品中位于先进水平。
四、结束语
Interleaver是一项新的技术，它结合现有的技术成熟的产品如100G或200G的filter和AWG可形成价格经济、可迅速推广应用的大容量的DWDM系统。作者用新的实现方法
利用双折射晶体、偏振光干涉的马赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉仪制作的Interleaver有很宽的带宽、良好的输出光谱和自动温度补偿功能，性能指标在同类产品中位于先进水平。
摘自 光纤新闻网
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