光纤通信中的全光器件研究

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摘 要：全光器件是当今光纤通信技术中的研究热点，本文就实现全光网络的关键器件及技术，包括光开关、可调式激光器、可调式滤波器及光纤传感技术，特别是光纤熔锥器件及其技术作了详细的阐述，同时指出了今后发展的方向和趋势。
  光纤通信正朝着密集波分复用DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）结合光放大器OA（Optical Amplifier）的高性能、大容量、灵活的全光网络AON（All Optical Network）发展。AON是以光纤为基本传播媒质，采用WDM技术提高网络的传输容量，以波长路由分配（RAW, Routing and Assignment of Wavelength）为基础，在光节点采用光/分插复用（OADM，Optical Add-Drop Multiplexing）和光交叉连接（OXC，Optical Cross-Connect）技术来提高吞吐量，从而使得光网络具有高度灵活性和生存性。由于WDM的技术的不断发展，提高了光互联网技术满足不断增长带宽需求的能力，特别是未来的太比特率通信网只有使用光子交换技术才能满足网络容量的要求，这要依赖于合理成本下的可重构联网技术以及结构简单的用于复用和交换的光器件不断走向实用化。
  AON的实现依赖于光器件和系统的发展，尤其是以DWDM为基础的全光网络引入交叉连接和分/插复用等一些全新的技术，这些功能的实现很大程度上取决于新型关键器件的开发和研制。同时，一种新技术或新型器件可使整个系统的性能大大改善，有时会推翻整个旧系统，因此许多公司或科研单位都投入较大的力量开发AON和WDM中的新技术和新型的光器件，其中包括集成开关矩阵、滤波器、波长变换器、新型光纤、OADM和OXC等关键器件，还要重点解决高速光传输、复用器、高性能的探测器和可调激光器阵列以及集成阵列波导器件等关键器件，这些光器件与光纤一起构成了全光网络的物质基础。由于对机械稳定性和热稳定性要求的不断提高，人们希望利用全光纤器件来组成光路，这是因为：一方面，信号被限制在纤芯范围内传输，从而提高了稳定性；另一个原因则是单模光纤具有非常低的散射和本征损耗，因此，上述因素在全光纤器件的设计和开发过程中扮演了决定性的角色，使得部分全光纤器件的性能已远远超过了材料光学组件和集成光学器件。
  1.实现全光网的关键器件
  目前为止全光网络设备还未完全进入商用化的阶段，究其原因主要是：一方面网络传输标准的发展未完善，另一方面则是由于光器件的技术发展也还待突破。从器件的角度来看，未来光网络设备与系统发展的关键器件包含了光开关、波分复用器、分插复用器、光交叉连接设备、可调式激光和可调式滤波器等。
  光开关是新一代全光网络的关键器件，主要应用在光交换设备中，实现全光层次的路由选择、波长选择、光交叉连接、自愈保护等功能。在目前也是一个相当热门的研究领域。在实现光开关的众多技术之中，MEMS（Micro-electromechanical system）技术由于可在极小的晶片上排列大规模机械矩阵，解决了OXC发展中容量限制瓶颈的一大问题，同时在技术不断改进之后，MEMS开关的回应速度和可靠性也将大大提升。因此，从目前的情况来看，利用MEMS设计的OXC，极有可能成为今后OXC的主要发展方向。
  采用可调式激光源，就可以1个激光器取代多个固定波长的激光器，同时备用品总共也只需要3至5个即可，大大的降低了系统成本。能实现可调式的激光源主要有3种，即超周期结构光栅形DBR激光器、取样光栅耦合型反射式激光器和取样光栅DBR（Distributed Bragg Reflector）激光器。如图2所示，为一种基于布拉格反射系统的可调式激光源。它们的CW（Continuous Wave）调谐范围都大于40nm，最大可达100nm。可调式激光技术目前发展并不成熟，大部分产品都处在实验室阶段或试用初期，它在未来光网络中的应用主要表现在动态波长分配，通过可调激光以及可调滤波器等器件，实现基于波长的通道分配。对于小于16个节点的光网路，利用可调激光器可以提供简单可靠的光网络方案，而更大的网络架构可同时结合OXC器件。另外，利用可调式激光源，可实现光谱分析系统。目前，日本的Santec公司开发出了基于可调激光器的光谱分析扫描系统，能在2.5秒时间内完成40nm宽度的扫描，并且激光波长的精确控制可以达到1 picometer的测量分辨率。
  可调式滤波器的发展对于推动全光网络架构扮演着决定性的角色，而发展全光网络的一个先决条件是必须做到光层面的网络监控与管理，以目前的技术而言，若要对光信号做监控，必须先将光信号取样后，经过光电转换，才能做下一步的信号监控或路由控制。然而，这种方式不但所需的设备昂贵，且线路复杂、管理不易，随着网络业务的快速增加，显然是没有经济效益的。利用可调式滤波器为基础的光纤监控和管理，则不须针对每一个波长分别设置光电转换及监测设备，只需要透过可调式滤波器，将要处理的波长筛选出来即可，因此可大大简化光纤监管系统的架构。特别是对于传统的可调式OADM必须用波分复用器将所有波长分别独立，再通过电路控制选择要下载的波长，如果用可调式滤波器来取代波分复用器，则不须将个别波长分别独立，只要使用一个可调式滤波器将要下载的波长筛选出来即可完成。
  由于技术尚未完全成熟，可调式滤波器的价格目前仍然相当昂贵，这是还无法商用化的原因。目前最被看好的技术是声光可调滤波器AOTF，（Acousto-Optic Tunable Filter），如图3所示。其原理是将声波信号加于光的传播介质，使光在特定的正交方向产生衍射现象，此时使用偏振器即可从入射光束（主信号）中分离出一个或多个波长的光信号。当需一次取出多个波长的光信号，可重复使用多个AOTF，以获得各个所需波长的光信号。除AOTF之外，其他的技术还包含微机械式（MEMS）、阵列波导式（Array Wave－guide Grating）及布拉格光纤光栅式（，Fiber Bragg Grating）等，这些技术与OADM或OXC的结合，使得全光网络系统的强大功能完全发挥出来。
  另外，光纤传感技术的进一步发展也与光器件的发展密不可分。光纤传感是以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测信号的新型传感技术，在某些方面的应用优势是传统的传感器所无法比拟的。光纤传感实际上就是把外界信号按照其变化规律对光纤中的光波的物理特征参数，如强度（功率）、波长、频率、相位和偏振态进行调制，然后通过解调后进行数据处理。因此，光纤传感和信号处理的基础是光纤本身以及由其制造成的各种全光纤器件，如光纤熔锥耦合器、光纤延迟线、光纤马赫－增德尔（Mach-Zehnder）光纤干涉仪、迈克尔逊（Michlson）干涉仪、光纤法布里－珀罗（Fabry-Perot）干涉腔、萨格奈克干涉仪和光纤陀螺仪等，同时光纤传感技术也正在向时分复用、波分复用网络的方向发展。
  总之，光器件作为光纤通信设备的重要组成部分，也是光纤传感和其它光纤应用领域不可缺少的器件，因此，其重要性变得日益突出。世界上许多的研究机构和光通信公司都投入巨大的人力和物力开发光器件并建立相关的产业，这必将推动如OXC、OADM及光纤监视管理系统等设备的广泛应用，实现高效率、高弹性的全光网将不再是遥远的梦想。国际标准化组织已经或正在制定光器件的各种技术标准，因此，努力研制和开发新的光器件也是我国光通信产业发展的重点。
  2.光纤熔锥器件
  熔锥型光纤器件是全光器件中最具代表性的也是构成其它器件的一种基础器件，在光纤通信中得到了广泛的使用，这是因为它具有以下特点：(1)极低的附加损耗。目前，利用熔锥法制作的标准X(或Y)型耦合器的附加损耗已低于0.05dB，这是其他方法所难以达到的。(2)方向性好。这类器件的方向性指标一般都超过60dB，保证了传输信号的定向性，并极大地减少了线路之间的串扰。(3)良好的环境稳定性。在经过适当保护后，受环境条件的影响可以限制到很小的程度。(4)控制方法简单、灵活。可以方便地改变器件的性能参数。(5)制作成本低廉、适于批量生产。
  自1985年起，许多专家利用熔锥拉锥法对两根单模光纤进行处理，使一根光纤内的一部分光耦合到另一根光纤中来实现特定分光比，成为光纤熔锥耦合器。熔锥型耦合器是先将两根光纤稍微扭绞一下，然后加热，最后拉细成型。在加热时，几种热源均可采用，其中包括微型加热器，不过火焰喷灯看来是最好的。在实际的操作过程中，要对耦合比进行监控，并通过控制拉丝过程来进行调节。由于熔合区的纤芯的面积已经小到了无法维持各自导模的程度，因而熔融区（耦合腰）就成为一个新的合成波导，信号也就被耦合成这一波导的两个基模（也称最低次模）——对称模和不对称模，这两个模（与纤芯模式不同）之间的涨落导致了能量的转移，由于耦合腰周围外部介质的折射率会影响相互作用模的相对相速度，因而也会影响耦合比。此外，熔锥型耦合器的光学特性对熔合区的横截面的形状是高度敏感的，特别是当采用哑铃形的熔合区横截面时，就可以显著减小对折射率的依赖，而对于相同面积的矩形或椭圆截面则正好相反。在加工过程中，通过调整光纤的熔合程度就可以控制截面的形状，从而也就控制了器件的温度灵敏度。
  另外，利用光纤熔锥技术，还可实现熔融型混合光纤器件。它是由两种或两种以上不同的光纤熔融而成的器件，具有鲜明的特点，能满足一些特殊的要求。例如，用两种不同的光纤开发新型的980/1550nm波分复用器[5]，可以降低SMF28和PureMode HI980光纤间的熔接损耗，从而降低EDFA的信噪比，但这种器件的生产工艺有待于进一步的研究；并且，利用保偏光纤和常规单模光纤的熔融拉锥，可以避免利用两根保偏光纤所需的严格角向定位所带来的工艺上复杂性，可研制成用于监视偏振光光功率的抽头（Tap）器件；还有，利用无芯光纤和各种常规光纤熔融技术，也是一个很好的研究方向，它可以改变原常规光纤的导波特性，开发新型的宽带混合器/分路器、新型长周期光纤光栅和衰减器等。而对于熔融型光纤混合器/分路器，从工作带宽来分，大致又可分为三大类：即单窗口窄带混合器/分路器，其工作带宽为±10nm；单窗口宽带混合器/分路器，其工作带宽为±40nm；双窗口的工作波长为1310±40nm和1550±40nm。对于熔融型光纤宽带波分复用器，目前的产品种类也比较单一，主要有1310/1550nm波分复用器和用于掺铒光纤放大器的980/1550nm和1480/1550nm二种合波器。
  就目前来看，熔融型光纤器件及其技术的发展趋势和方向主要集中在：(1)对器件插入损耗的平坦度要求越来越高，最终希望具有波长无关的光混合器/分路器，这对设计一般的光模块和掺铒光纤放大器具有重要意义，同时可以在波长极度平坦（零耦合器上）做更进一步的工作。（2）对器件的偏振灵敏度的要求也越来越高。尽管目前标准产品的偏振灵敏度在0.1dB左右，但很多用户需要小于0.05dB或0.03dB甚至更低的偏振灵敏度的器件。（3）在工作带宽方面，对其要求也越来越宽，从最初的窄带工作，到单窗口宽带，再到双窗口宽带工作。随着光城域网、局域网和无源光网络的不断发展，出现了需要全波段工作器件的趋势。也就是说对混合器/分路器而言，工作波长需从1260nm到1650nm，这就是所谓的全波混合器/分路器（All wave Mixture/Splitter）。特别是在1998年，朗讯技术Mike Pearsall等四位专家成功地开发出全波光纤（All wave Fiber）以来,研发全波混合器/分路器也已成为当务之急。因为有全波光纤，没有全波器件，还是不可能最终实现全波系统。（4）在功率方面，从最初地300mW已经过渡到500mW，目前在一些特殊的应用场合需要1000mW，相信这种器件在拉曼光放大系统和超高可靠性的掺铒光纤放大器模块中具有更重要的应用价值。因此，为实现高功率工作要求，首先要进一步降低器件的附加损耗，其次必须提高光纤的横向熔融程度。（5）对器件的可靠性的要求也是越来越高。
  熔融拉锥工艺经过了二十多年的不断提高和发展，已经成为一门对光器件的开发具有举足轻重的技术――熔融型全光纤器件技术。从理论上讲，除了光非互易器件以外，它可以开发所有其它各类器件。到目前为止，它可以生产各类混合器/分路器、衰减器、宽带/窄带/甚至密集波分复用器和全光纤Interleaver，另外还有基于熔融光纤技术的光调衰减器、光开关、光纤光栅、OADM、全光纤滤波器和频移器等。同时，器件的高集成度、高可靠性、小的体积和工艺的稳定性等方面仍是下一步研究的目标。
  3.光器件的发展及趋势
  在各种光器件中，作为光纤通信和光纤传感系统中的重要组成部分的全光纤器件已经取得了长足的进步，并具有了一定的规模。同时，光纤通信的发展呼唤着功能更全、指标更先进的光器件不断涌现，因为一种新型器件的出现往往会有力地促进光纤通信的进步，甚至使其跃上一个新的台阶。但是，光器件的制作工艺又特别复杂，涉及许多不同的工艺技术，而每一种光器件的制作工艺又各不相同，自成体系，这些工艺技术主要涉及到机械加工、成型工艺、精密光学加工、激光加工、以及材料加工和半导体工艺等工艺技术，器件的优劣、性能指标的好坏都与工艺技术密切相关。因此，寻求更新更先进的工艺技术是发展光器件的重要课题，也是推动光纤通信事业向前发展的关键之一。而制作光器件的另外一个重要方面是光学材料。在光纤通信的自身不断发展的同时，也推动着光学材料的向前发展，光子晶体和聚合物光器件的发展就是光学材料发展的有力例证。最后，光器件的发展过程可归结于以下几条主线：（1）纤维光学和集成光学共同发展，互为补充。（2）分离器件和集成化器件将长期共存，但发展趋势是集成化。（3）光波导理论和电磁波理论是构成光无源器件的理论基础。（4）高、精、尖的加工技术是光器件的基本保证。要发展光器件，必须加强工艺技术的提高。（5）寻找新的光器件所需的新型光学材料。