新型小尺寸窄帶偏振分光器在光纖通信中的應(yīng)用

李美萱、董連和、張 雷、冷雁冰

1. 長(zhǎng)春理工大學(xué)、吉林 長(zhǎng)春 130000 2. 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院、吉林 長(zhǎng)春 130000 3. 吉林省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院、吉林 長(zhǎng)春 130000

新型小尺寸窄帶偏振分光器在光纖通信中的應(yīng)用

李美萱1,2、董連和1*、張 雷3、冷雁冰1

1. 長(zhǎng)春理工大學(xué)、吉林 長(zhǎng)春 130000 2. 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院、吉林 長(zhǎng)春 130000 3. 吉林省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院、吉林 長(zhǎng)春 130000

在光纖通信中、為了在不改變調(diào)制波長(zhǎng)范圍的基礎(chǔ)上仍能實(shí)現(xiàn)更多數(shù)據(jù)通道的波分復(fù)用、設(shè)計(jì)了一種新型的小尺寸窄帶偏振分光器、用于對(duì)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)容以及提高光信號(hào)的信噪比。在該分光器上蒸鍍了兩種新設(shè)計(jì)的膜系、一層是窄帶濾光膜、另一層是偏振分光膜。采用TFCalc軟件仿真、設(shè)計(jì)結(jié)果中窄帶濾光膜的帶寬約為0.4 nm、偏振分光膜在1 530～1 560 nm范圍內(nèi)對(duì)p光的通透性能優(yōu)于99.8%?；谝陨夏は翟O(shè)計(jì)在BK7光學(xué)玻璃上實(shí)際制備兩組膜系、實(shí)驗(yàn)采用Agilent 8164-A型光波測(cè)量系統(tǒng)對(duì)經(jīng)過膜后的光進(jìn)行光譜分析。結(jié)果顯示、窄帶濾光膜的實(shí)際帶寬優(yōu)于0.4 nm、增益平坦度小于-0.05 dB、相比現(xiàn)有常見的0.8 nm濾光膜具有更窄的帶寬、可以實(shí)現(xiàn)在調(diào)制波長(zhǎng)范圍不變的條件下增大波分復(fù)用的數(shù)據(jù)通道總量。偏振濾光膜的實(shí)際p光透光率為99.6%、相比仿真值略低、但仍優(yōu)于設(shè)計(jì)要求、相比傳統(tǒng)分光器的光信號(hào)強(qiáng)度保留效果更好、具有更高的信噪比。綜上所述、該分光器具有更好的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)用意義。

光纖通信； 膜系設(shè)計(jì)； 窄帶濾光膜； 偏振分光

引 言

光纖通信是利用光纖傳遞攜帶信息的光信號(hào)的通信技術(shù)、屬于有線通信技術(shù)的一個(gè)支脈。光纖通信技術(shù)對(duì)電信工業(yè)具有革命性的影響、在大數(shù)據(jù)時(shí)代中扮演著舉足輕重的角色[1]。光纖通信技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)、其中包括通信容量大、頻帶寬； 低損耗、有效傳輸距離遠(yuǎn)； 具有很好的保密性、抗干擾能力強(qiáng)、幾乎不受電磁干擾、數(shù)據(jù)傳輸保真度高； 質(zhì)量輕、原料成本低等[2]。

國外很早就在該領(lǐng)域進(jìn)行研究、美國貝爾實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生極細(xì)光線的輸出、二者的結(jié)合為光纖通信實(shí)用化奠定了基礎(chǔ)[3]。之后、日本NTT公司采用鍍膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)了1.30 μm處帶寬為78 nm的帶通濾光片、被用于雙通道的WDM系統(tǒng)中[4]。該公司成功實(shí)現(xiàn)了帶寬0.6 nm、溫漂小于0.003 nm·℃-1的窄帶濾光片、膜料采用Ta2O5和SiO2。美國首先實(shí)現(xiàn)了密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)1 Tb·s-1級(jí)的傳輸通信[5]。而近幾年、Lucent發(fā)布了其設(shè)計(jì)的DWDM系統(tǒng)具有16 Tb·s-1傳輸速度的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在國內(nèi)、發(fā)展方向也從原有的單通道系統(tǒng)轉(zhuǎn)為多通道模式、即DWDM系統(tǒng)[6]。北京理工大學(xué)研究的消偏振分光棱鏡被應(yīng)用于光纖數(shù)據(jù)傳輸中、并采用受抑全反射原理設(shè)計(jì)制作了光纖通信中小型分光器、針對(duì)0.8 nm帶寬光效果較好。華中科技大學(xué)在“863”項(xiàng)目的支持下、開發(fā)的薄膜型偏振分光棱鏡(PBS)具有97%的通透效果、隔離度優(yōu)于35 dB[7]。

DWDM系統(tǒng)[8]的容量更大、更為靈活、可謂是遠(yuǎn)距離主干傳輸網(wǎng)的首選、而具有理想窄帶通光特性的偏振分光棱鏡又是DWDM系統(tǒng)中的核心部件、直接影響通道組數(shù)、信號(hào)傳輸距離、調(diào)制解調(diào)器件結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)信噪比及穩(wěn)定性[9]。本研究主要內(nèi)容是基于薄膜設(shè)計(jì)理論、結(jié)合光纖通信中窄帶偏振分光器件的應(yīng)用要求、設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲取具有高通透性、高隔離度的窄帶偏振分光棱鏡。

1 基于新型小尺寸窄帶偏振分光器的單組光纖通信系統(tǒng)

在光纖通信中、為了使DWDM系統(tǒng)可以獲得更多通道、要求各通道數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)解調(diào)從而達(dá)到高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?、并且保證各通道間信號(hào)不相互串?dāng)_、小尺寸的偏振分束棱鏡成為了其性能穩(wěn)定與否的關(guān)鍵器件。傳統(tǒng)的晶體型分光器件雖然隔離度高、但其尺寸往往不適合小型化、并且小尺寸的晶體型分光器產(chǎn)生的p光和s光很近難以分離、且相互間不平行對(duì)后期光路準(zhǔn)直帶來麻煩。而一般的薄膜型分光器通透性和隔離性均低于晶體型、綜上所述、提出了一種新的小尺寸窄帶偏振分光棱鏡、設(shè)計(jì)高通透率及高隔離度的膜系參數(shù)、并實(shí)驗(yàn)測(cè)試了該膜系的光譜效果、解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于小尺寸窄帶偏振分光棱鏡的單組光纖調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖1所示、FDB激光器為系統(tǒng)提供激光、由處理系統(tǒng)控制調(diào)制電路完成信息的載入、再通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇邮斩恕９饫wFC(fiber connector)接頭與擴(kuò)束準(zhǔn)直棱鏡相連使光射入小尺寸窄帶偏振分光棱鏡(narrow-band PBS、narrow-band polarizing beam splitter)。該棱鏡由兩個(gè)不同尺寸的直角棱鏡構(gòu)成、棱鏡1的一條直角邊作為入射面、斜邊為分束面、棱鏡2的一條直角邊為分束面的另一側(cè)、斜邊為出射面。入射面蒸鍍帶寬0.4 nm的窄帶濾光膜(設(shè)計(jì)并多次調(diào)試完成、下文介紹制作工藝、實(shí)驗(yàn)通透性及光譜分布效果)、在兩個(gè)棱鏡相連處蒸鍍分偏振濾光膜(設(shè)計(jì)并優(yōu)化了偏振分束光的透射性能)、出射面蒸鍍?cè)鐾改ぁ?/p>

2 膜系設(shè)計(jì)與仿真分析

2.1 窄帶濾光膜

為了高效地保證窄帶光的透射、設(shè)計(jì)了相應(yīng)的窄帶濾光膜、采用TFCalc薄膜設(shè)計(jì)軟件[10]進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、采用Ta2O5為高折射率材料(H)、SiO2為低折射率材料(L)、設(shè)計(jì)參數(shù)為：G/(LH)^716L(HL)^7 (HL)^7 H14LH (LH)^7 L (HL)^7 H16LH LH 3LH (LH)^5 L (HL)^7 H16LH LH3LH (LH)^5L(HL)^7 H14LH (LH)^7L (HL)^6 H16LH (LH)^5 L0.5A0.6B/A、則透過仿真優(yōu)化后、得到該薄膜的透光光譜曲線如圖2所示。

圖2 窄帶濾光膜的透射光光譜仿真曲線

由圖2可知、粗實(shí)線表示頂端寬度、細(xì)實(shí)線表示底端寬度、該窄帶濾光膜的透光范圍為1 547.203 4～1 547.585 7 nm、帶寬約為0.4 nm、具有很好的窄帶通透能力、增益平坦度小于±0.02 dB、符合設(shè)計(jì)要求。在實(shí)現(xiàn)此帶寬要求后、對(duì)于不同的透過波長(zhǎng)僅需按照特定規(guī)律改變膜層厚度即能實(shí)現(xiàn)整個(gè)波長(zhǎng)帶寬范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)和選擇。

2.2 偏振分光膜

偏振分光膜的結(jié)構(gòu)如圖3所示、入射介質(zhì)與出射介質(zhì)材料均為BK7、為了保證膜層牢固并且易于實(shí)現(xiàn)、采用Ta2O5為高折射率材料(H)、SiO2為低折射率材料(L)、入射膜層的角度為45°。

圖3 偏振分光膜膜層設(shè)計(jì)圖

高折射率材料與低折射率材料交叉分布、設(shè)每層膜對(duì)應(yīng)的特征矩陣有

(1)

式中、δk表示膜層的相位厚度、ηk表示膜層對(duì)應(yīng)的等效折射率。

(2)

其中、φk為折射角、可通過折射定律計(jì)算。而對(duì)于p光和s光的導(dǎo)納ηk分別為

(3)

式中、nk為第k層的折射率、K為吸收系數(shù)。

由此再對(duì)每層迭代邊界條件、即可獲得整個(gè)膜系對(duì)應(yīng)的特征矩陣

(4)

則膜層反射率有

(5)

式中、η0為入射介質(zhì)的等效導(dǎo)納。由此可以分別求解Rs和Rp、則當(dāng)選定光學(xué)厚度、入射波長(zhǎng)范圍(1 530～1 560 nm)后、將高通透的約束條件(Rp<0.15%,Rs>99.5%)代入軟件通過極值法獲得最優(yōu)的膜系結(jié)構(gòu)、最終膜系設(shè)計(jì)結(jié)果為G/0.366169H0.534198L0.391896H0.523233L0.388231H0.535169L0.410148H0.57423L0.432422H0.586212L0.424452H1.223388L0.856005H1.109133L0.82808H1.232393L1.054397H1.658031L1.397675H1.927908L1.343631H1.692868L1.209329H1.62525L1.288899H1.967355L1.423112H1.631698L1.186828H1.625049L1.53454H2.074044L1.295318HLHLHLHLH/A、基于此的偏振分光仿真曲線如圖4所示。

圖4 偏振分光膜的偏振光透射仿真曲線

由圖4可知、分束棱鏡在1 530～1 560 nm范圍(設(shè)計(jì)調(diào)制波長(zhǎng)范圍)內(nèi)、穩(wěn)定地滿足反射s光、通透p光的特性、能量保留率優(yōu)于99.8%、相比傳統(tǒng)分束膜2%左右的誤差精度提高了約一個(gè)數(shù)量級(jí)。

3 膜系光譜特性實(shí)驗(yàn)

經(jīng)基片減薄、透鏡拋光、劃片后、采用鍍膜機(jī)完成以上窄帶濾光膜和偏振分光膜的蒸鍍、并對(duì)該膜進(jìn)行光譜測(cè)定、采用Agilent型光波測(cè)量?jī)x對(duì)窄帶濾光膜與偏振分光膜的帶寬、增益平坦度以及分束后偏振光能量損耗進(jìn)行了測(cè)試與分析。窄帶濾光膜的實(shí)際光譜測(cè)試曲線如圖5所示。

圖5 窄帶濾光膜的實(shí)測(cè)光譜曲線

由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知、該光譜帶通區(qū)域?yàn)? 547.201 4～1 547.613 6 nm、半寬處帶寬約為0.4 nm、增益平坦度小于-0.05 dB、略低于仿真設(shè)計(jì)值-0.02 dB、仍優(yōu)于設(shè)計(jì)要求-0.1 dB。濾光窗口內(nèi)的曲線平滑、僅在窗口區(qū)域以外存在部分噪聲、且噪聲峰值均在-35 dB以下、基本不影響應(yīng)用、與仿真設(shè)計(jì)的光譜分布范圍、帶寬及均勻性基本一致、符合使用要求。

同理對(duì)偏振分光膜進(jìn)行實(shí)測(cè)光譜分析、得到圖6。

圖6 偏振分光透射光強(qiáng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分布

如圖6中p光和s光的光強(qiáng)透射數(shù)據(jù)分布可以看出、在初始設(shè)計(jì)的1 530～1 560 nm范圍內(nèi)、p光的透射能力優(yōu)于99.6%、雖然略低于仿真結(jié)果99.8%、但仍比傳統(tǒng)偏振分束器件具有更好的光強(qiáng)保留特性、而s光的截止能力也是如此、在該波長(zhǎng)范圍的整體平均透過率約為0.075%、明顯優(yōu)于設(shè)計(jì)要求的0.15%。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)制造了一種新型小尺寸窄帶偏振分光器、并將其應(yīng)用于波分復(fù)用技術(shù)、從而達(dá)到對(duì)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)容以及提高光信號(hào)的信噪比的目的。制作該器件需要完成兩層重要膜層的蒸鍍、分別給出了窄帶濾光膜和偏振分光器設(shè)計(jì)方法及參數(shù)、通過仿真模擬了其透射光譜效果。最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示窄帶濾光膜的帶寬為0.4 nm、偏振分光器的p光透過率為99.6%。兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證了該器件的可行性、實(shí)現(xiàn)在調(diào)制波長(zhǎng)范圍不變的條件下增大波分復(fù)用的數(shù)據(jù)通道總量、并且提高了光信號(hào)的信噪比。

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*Corresponding author

Research and Application of Narrowband Polarizing Beam Splitter in the Optical Fiber Communication

LI Mei-xuan1,2,DONG Lian-he1*,ZHANG Lei3,LENG Yan-bing1

1. Changchun University of Science and Technology,Changchun 130000,China 2. College of Optical and Electronical Information,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130000,China 3. Traffic Planning and Design Institute of Jilin Province、Changchun 130000,China

In fiber-optic communications,in order to achieve more data channels in the wavelength division multiplexing (WDM) system without changing the modulation wavelength range,a new type of small-sized narrowband polarizing beam splitter was designed. It can be used for data communication network expansion and improve the Signal to Noise Ratio (SNR) of the optical signal. Two kinds new film system designed were deposited on the polarizing beam splitter. One layer is narrowband filter film,while the other layer is polarizing beam splitter film. TFCalc software was used for simulation analysis,and the results shown that the bandwidth of the narrowband filter film was about 0.4 nm,and the permeability of p light from the polarizing beam splitter film was better than 99.8% in the range of 1 530～1 560 nm. Based on the above film system design,two groups film system was made on BK7 optical glass. In the experiment,light through film was spectral analysis with Agilent 8164-A type optical measuring instrument. Experimental results show that the actual bandwidth of the narrowband filter film is better than 0.4 nm,gain flatness is not less than -0.05 dB. It has a narrower bandwidth compared to the existing common 0.8 nm filter film,and it can be realized to increase the amount of data channels in the wavelength division multiplexing system with the same modulation wavelength range. Actual transmittance of p light was 99.6% through polarizing filter film,and it’s slightly lower than the simulated values,but it remains better than the design requirements. Compared to conventional polarizing beam splitter,its optical signal was stronger,and it has a higher SNR. In summary,the polarizing beam splitter has better application value and practical significance.

Optical fiber communication; Film system design; Narrowband filter film; Polarizing beam splitter

Jan. 13,2016; accepted Apr. 27,2016)

2016-01-13、

2016-04-27

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(60637010)、吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究規(guī)劃項(xiàng)目(吉教科[2014]B060)資助

李美萱、女、1984年生、長(zhǎng)春理工大學(xué)博士研究生 e-mail：limeixuannuc@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail：custdong@126.com

TN929

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10.3964/j.issn.1000-0593(2016)12-4072-04