Interleaver技术

第24卷第1期光电子技术Vol.24No.1.2004年3月OPTOELECTRONIC TECHNOLOGYMar. 2004多专题介绍Interleaver技术张婷，盛秋琴，董孝义(南开大学物理科学学院光电信息科学系,天津，300071)摘要: Interleaver技术的出现更新了密集波分复用中分波/合波器件设计的理念,大大降低密集波分复用器的设计压力。本文较系统地介绍了Interleaver 的理论及应用,并对50 GHzInterleaver目前的技术状况和实现方法作了较为全面的阐述和比较。关键词:交错复用技术;复用/解复用器;密集波分复用中图分类号: TN253文献标识码: A文章编号: 1005-488X (2004 )01 -0061-07Interleaver T echnologyZHANG Ting, SHENG Qiu-qin, DONG Xiao-yi(Department of Photoelectricity Information Science ofPhysics Institute, Nankai University, Tianjin, 300071, China)Abstract: The concept of the dense wavelength division multiplexing device is renovated when theemergence of the interleaver technology，which reduce greatly the pressure of the traditional filter . Irthis paper the theory and the application of the Interleaver are introduced. Especially, the current statusand the realized plan of the 50 GHz Interleaver are represented and compared roundly.Key words: Interleaver; multiplexers/demultiplexers; DWDM为了更进一步提高带宽利用率,波道间隔已从100引言GHz向50GHz(或更窄)的方向发展。波道间隔越窄，对DWDM系统复用/解复用器的要求就越在带宽就是资源的时代,为了充分利用有限的高,对传统制作工艺的难度也就越大。用作解复用带宽资源，小波道间隔已成为发展趋势。为了满足器的100GHz及更窄带通的滤波器的成品率很迅速增长的带宽需求,更有效地使用当前技术成熟低,导致窄带滤波器价格极高。的掺铒光纤放大器(EDFA)的增益带宽，密集型波长交错复用技术(Interleaver)的运用将大波分复用(DWDM)系统必须提供更多的复用波道大降低系统的成本.缓解DWDM系统对滤波器件数,由此波道间隔变得越来越窄1。32波和40波YH中国煤化工系统的发展状况看160100GHz间隔的DWDM系统已经得到广泛商用。CNMHC鲁件商用化将是DWDM.收稿日期:2003-04-28作者简介:张婷(1980-),女,硕士研究生。主要从事光波电子与光通信方面的研究。盛秋琴(1946-),女,教授。主要从事光电子与光通信方面的研究。董孝义(1936-),男,教授。主要从事信息光电子学与现代光通信方面的研究。62光电子技术第24卷系统的一个热点，而间隔为50GHz的交错复用器性能。另外,这种光梳状分波器可以用于制作多通是关键器件之一[2]。道的OADM器件,使在单纤双向传输系统中提高信噪比等。1Interleaver的理论及应用.目前，制作50 GHz的Interleaver的技术主要有:非平衡M-Z干涉仪型(包括F"T型和PLCInterleaver技术是-种可把-列频率间隔为型)、偏振光干涉型、MGTI型、BGTI型、薄膜滤波f的光信号分成两列频率间隔为2 f的光信号,分器型等多种方案。别从两个信道输出的光滤波技术,称其中一个信道为奇信道,另外一个为偶信道[3]。也称之为群组滤2 50 GHz Interleaver实现方法波,即光学梳状滤波(1.5]。通常,将Interleaver技术制作的器件也称之为Interleaver。图1为一个502.1非平衡 M-Z干涉仪(MZI)型GHz的Interleaver工作示意图。它的功能是将一列50GHz频率间隔的光信号分成两列频率间隔光纤马赫曾德尔干涉仪是较为简单的为100GHz的光信号,或者反过来将两列频率间Interleaver 技术。图3为单模光纤M-Z干涉仪的隔为100GHz的光信号复用成一列50 GHz频率Interleaver示意图，它由两根相同的单模光纤连续间隔的光信号。熔拉两个3dB耦合器而形成。光波从端口1输入，经过第一个3dB耦合器分为等强度的两光束,在上100 GHz第二个3dB耦合器中干涉输出。通过控制两干涉50 GHz偶信道输出臂L、L2的臂长差,分离不同间隔的波道。光梳状100 GHz输入1-E1 耦合器1L耦合器2 E3输出3分波器奇信道输出E2E4输出4图150 GHz Interleaver的工作示意图输入2_Fig.1The schematic diagram of the 50 GHzInterleaver .图3 Mach-Zehnder 型Interleaver的结构示意图Fig. 3 Schematic diagram of Mach- ZehndeInterleaver具有分波的功能,图2给出利用光梳状分波器实现80个通道的DWDM器件的示单级MZI的传输矩阵意。只要在50GHz光梳状滤波器后面,加上两个T=「cos0, isin0, ]diag(e- i12eg/2))间隔为100GHz的40路WDM器件就可构成一Lisinθ, cosθ, 」个间隔为50GHz的80路DWDM器件。100GHz.「cos02 isinθ27的WDM器件可由介质膜滤光片或AWG制造,这Lisinθ2 cosO2 」种结构可大大节约成本,并且能够获得很好的器件式中,0、02为两个耦合器的相位因子,8为不等长光纤产生的位相差。100 GHzC后两次光纤熔锥得到的Interleaver插入损耗一1X40般都低于0.6 dB,其带通形状为正弦型。目前制作爪f*.50GHz光梳状分波器中国煤化工用多次熔锥的方法,形成优化处理,可得到平顶带100 GHz JCNMH G通形状的Interleaver。多级MZI级联的相应传输矩阵为Tm= Tn ... T2T;图2利用 Interleaver制作80通道的DWDM器件式中T'n表示第n级MZI的传输矩阵。Fig.2 80 channel DWDM device with Interleaver图4为一种采用M-Z干涉串联结构的第1期张婷等: Interleaver 技术53Interleaver示意图[7],称其为FT (flat-top器或者相移器,比较容易调节干涉臂长差。图6所Fourier filter) 型Interleaver。它由三个不同型耦示是Hitachi Cable 公司用PLC技术设计的50合比的耦合器级联组成,相邻两个耦合器之间的相GHz平顶带通Interleaver,称为wavelength位延迟不同。选择合适的光纤臂的长度,相当于在splitter. 它由三个相同的、基于三级联的M-Z干涉单级MZI的输出谱上叠加了三次谐波项,从而改仪的傅里叶滤波线路通过PCL技术集成在高对比善其滤波特性。基于光纤熔锥非平衡M-Z干涉仪度波导上组成,集成片的大小是37 mm X 25方法实现的Interleaver,偏振相关性和色散特性都mm18]。这类器件的优点是设计简单,信道均匀性比较好，而且插入损耗保持在0.6dB。好,偏振相关损耗低及低色散性和可集成性;其最WaveSplitter等公司已经推出了该类型的产品。大缺点是偏振敏感性和插入损耗较大。h.帮上t7#8_#9耦合器1耦合器2耦合器3#10) |、#1)AoAAs< m #6P#12如.图4 FT型Interleaver的结构图图6 PLC 型Interleaver结构图Fig. 4 Schematic diagram of a FT InteleaverFig.6 Wavelength splitter with configuration ofdispersion compensation图5给出了分别采用单级M-Z干涉型结构和采用M-Z干涉串联结构(FT型)的50 GHz .表1给出了以上三种不同结构的型50 GHzInterleaver的性能,其中,虚线表示单级M-Z型结Interleaver的性能比较。构的性能,实线表示F*T型结构的性能。可以看表1 50GHzM-Z 型F3T型和PLC型Interleaver的性能出,F3T型的顶部要比单级M-Z型顶部平坦得多。Tab.1 Key optical performance of 50 GHz M-Z、FT andPLC Interleaver性能规格参数M-ZF3TPLC-20插入损耗/dB0.2).32.5興-300.5-dB通带宽度/GHz201(-40 ,25-dB截止带宽/GHz.141 550.0 1 550.51551.01551.5通带波纹/dB0.1波长/nm偏振相关损耗/dB色散/ps●nm-10图550GHzM-Z型(虚线)和F'T型(实线)Interleaver 的性能2.2偏振光干涉型Fig.5 Typical optical spectra of a 50 GHz FTInteleaver ( solid line ) and a regular偏振光干涉型Interleaver[9I是利用偏振光干unbalanced Mach- Zehnder interferometer涉原理,将DWDM光纤通信系统中奇、偶波道的(dotted line)中国煤化工组。当-束线偏振光正入类似的技术也有用平面波导(PLC)技术实现HCN M H体光轴方向)时 ,被分解的。平面光路(PLC) Interleaver 是利用硅基片上为其有不同传播迷受的o光和e光,它们从晶体出的微型光电子集成技术，将光元件集成于波导之射时具有某一位相差δ。如果在出射端放置-个检上,形成集成光路来控制和处理光信号。因为平面偏器，那么这两个偏振光将在偏振轴方向发生干波导型M-Z干涉仪可以在干涉臂上加入相位控制涉。选取适当的晶体厚度可以将奇数波道的载波与偶数波道的载波分别分到与o光、e光平行的偏振54电子技术第24卷态.上,其结构如图7所示。图8为偏振干涉型Interleaver透射光谱[10]。.双折射法拉第令-10双折射溘辖箐，波光片晶体2旋转片2镜-20输出47 154815491550!5511552.. sin型单级滤波波长/nm一平坦型单级滤波图7偏振光干涉型Interleaver结构图Fig. 7 Folding type birefringent Interleaver(a)下面采用琼斯矩阵分析偏振光干涉型Interleaver的工作原理。双折射晶体的传输矩阵为「cosθsinθTp=LsinθcosθJdiag(e- i12ei/2)-30sinθ 7-4(3)1547 1548 15491550 15515 1 552L sinθcos0J... sin型双级滤波波长/nm式中,0表示晶体光轴与入射线偏振光间的夹角;δ一平 坦型双级滤波表示波片厚度d引起的位相差。比较(1)式和(5)(b)式可看出,单级MZI的传输功能等效于一块双折图8偏振光干涉型Interleaver透射光谱(a)采用单级波片;(b)采用双级波片射晶体的传输功能。-般正弦型单级滤波结构很难满足DWDMFig.Transmitting spectra of the birefringentInterleaver (a) single stage plate; (b )器件对通带平坦度和隔离度的要求,为了得到平坦double -stage plate型透射光谱,必须改进结构。在45°波片后再加一个一159的波片,于是相位延迟为原来的2倍,输出表2给出了不同结构的偏振光干涉滤波型50谱得到改善,称之为平坦型单级滤波结构。为了提GHz Interleaver 的性能比较。高隔离度,往往采用双级结构。表2不同结构的偏振光干涉滤波型50GHzInterleaver性能比较Tab.2 The performance comparison of the 50 GHz birefringent Interleaver with different structure带宽/nm隔离度/dB- -0.5 dB-1.0dB-3.0dB-25dBf.c士FSR/5f,c士FSR/10平坦型单级滤波0. 2240.2740.3780. 674-15 (-0.14)-26 (-0. 01)平坦型双级滤波0. 1840.2240.308.0.57-30 (-0.28)-52 (-0. 02)正弦型单级滤波0.160. 230.380.735-9 (0. 48)-15 (-0.12)正弦型双级滤波0.112.0.1580, 2740, 646- 19 (-0.98)31 (一0.256)利用双折射晶体的偏振光干涉型Interleaver,信道间隔的Interleaver,并已通过Telcordia1221可以灵活设计满足不同信道间隔要求的器件,对晶相关测试。其50 GHz Interleaver 达到的指标是，体本身的加工精度和折射率测量要求都很高,具有中国煤化工8dB,所有通道插入损工艺成熟、插入损耗小、偏振相关损耗低、隔离度YHCNMHG通带内隔离度大于26高.温度稳定性好等优点,比较适合信道间隔在50dB,0.5dB带宽为0.19 nm,PDL小于0.2 dB。GHz以上的系统。国内烽火通信科技有限公司和2.3 MGTI 型.武汉光迅科技公司,采用平坦型两级滤波结构，已批量提供了C波段和L波段的100GHz、50GHz.MGTI型的结构与迈克尔逊干涉仪的结构相第1期张婷等: Interleaver 技术55似,如图9所示。不同之处只是其中一个干涉臂所涉仪代替,如图11所示。其中L1=3. 2 mm,L2=5. 1 mm,ro= 10%,r1= 34%,r2== 88%,do= 1.5、G反射镜mm,d=3. 2mm,d2=5. lmm,r= 100%。采用这分東器.种结构的50 GH MGTI型Interleaver具有更好的输入/输出光.平坦度(0.5dB通带宽度为0.28nm)和更高的隔全反镜离度(>71 dB)。透镜G-T镜=100%T输出光L，E图9 MGTI 型InterleaverBSd|aFig.9Michelson Birefringent Gires- Tournois反射输出r=34% r-=88% r=100%Interferometer (MGTI) Interleaver三反射镜法布里-泊罗干涉仪透射输出用的全反镜由G-T镜(Gires-Tournois Mirror)代图11 -种新型的MGTI型Interleaver替11.12].G-T镜是-种谐振腔结构，由两个间隔很Fig.11 A novel MGTI Interleaver小的平行平面镜组成。其中一个平面镜反射率为100%，另- -块反射率较低,中间的隔离层由超低2.4 BGTI 型Interleaver热膨胀物质构成。G-T反射镜是具有相移作用的元件，相移量ψ()的大小由反射腔的间距和腔镜BGTI型( Birefringent Gires- Tournois反射率共同确定,能够调整两主干涉臂产生的相位Interferometer) 结构的Interleaver 由C. L.i等差，使这种滤波器具有平顶带通功能。人[14]在MGTI和晶体双折射Interleaver工作原理基础上提出,其结构如图12所示，与迈克尔逊干业(λ) =- 2tan-「1+ VRtan|(20) ](4)l1-VR式中,R是腔面反射率,d是反射腔间距。偏振分束器-14波用在MGTI结构参数中，主臂长差决定Interleaver的周期特性，即决定波道间隔。G-T镜输入/输出光1|1b腔长和其中一个臂的反射率将影响MGTI的滤波形状。调整G-T参数可以得到性能优良的1/8波片Interleaver.图10显示了其输出特性。MGTI的主输出光↓要缺点是色散比较大。图12具有 两个GTIs的BGTI型Interleaver1.201.00Fig. 12 Birefringent GTI Interleaver with two GTIs短0.800.6涉仪类似，50: 50分束器由偏振分束器(PBS)代0.40也0.20替,两个全反镜均由G-T镜代替,此外还包括4个0.00 t双折射晶体波片。G-T反射镜a的腔间距为G-T-0.20 Lpp+T反射镜h的一半，因G-T反射镜a的相位相应归一化频率中国煤化工倍。当同束光信号在G-(0= πd/z)TYHCNMHT反射镜b经历的相移图10MGTI输出特性曲线相接近或相差π时,光信号以极小损耗通过输出端Fig. 10 The output characteristic curve of the MGTI口。因为避免了MGTI中对光程差敏感的问题,所有一种新型的MGTI型Interleaverl3],它 是以器件的温度和振动稳定性得到了提高。但在这种把另一个反射镜用一个三反射镜法布里-泊罗干方案中,引入了偏振模式色散(PMD),两臂中的光66光电子技术第24卷的中心波长也会相互抵消,而且制作两个完全相同总的来说，GTI (MGTI和BGTI)型的G-T镜也是很难的。Interleaver, 具有插入损耗低,通带宽,体积小的特为了克服以上的缺点,又设计了只具有一个点,是适合应用在信道间隔为50GHz或更小的系GTI的BGTI型Interleaver],如图13所示。入射统上的。光被分成两束偏振光,这两束光通过相等的距离进出同一个GTI,每束光中的S分量和P分量自身2.5薄膜滤波器型相互干涉产生输出图样,输出光强为:介质薄膜干涉滤波器是使用最广泛的-种滤2√R,(1 - R)cos8(5)波器,主要应用在400GHz到100GHz频率间隔2(1一R)"+ 4R.cos2δ的低通道波分复用系统中。这种技术十分成熟,可以提供良好的温度稳定性和通道隔离度以及很宽2√R(1 - R,)cosδI.=2+ (1- R)2+4R.cosδ(6)的带宽。主要工作原理是在玻璃衬底上镀膜,多层式中R为反射镜的反射率;8为G-T腔引入的相膜的作用使光产生干涉选频,镀膜的层数越多选择位差。性越好,一般都要镀200层以上[16]。镀膜后的玻璃此种类型的Interleaver结构更简单,具有更经过切割,研磨,再与光纤准直器封装在一起。这种好的温度稳定特性。表3是50GHz MGTI型和技术的不足之处在于要实现频率间隔100GHz以BGTI型Interleaver的测试性能的比较结果。下比较困难,限制了通道数只能在16以下。干涉滤表350GHz MGTI型, BGTI型和偏振光干涉型.波器技术使用覆盖在玻璃衬底上的多层电介质薄Interleaver 的性能比较膜来组合或分离DWDM系统中特定波长的光,通Tab.3"he performance comparison of the 50 GHz过控制沉积在衬底上的层数进行干涉可以产生各MGTI、BGTI and birefringent Interleaver种窄带、宽带增益平坦的滤波器。偏振光也可以通过级联改善薄膜滤波器型50 GHzMGTI BGTI干涉Interleaver的滤波性能。一种基于Multi- Cavity通带宽度@0. 5 dB(GHz)士17 士15土8Fabry Perot filters (FPF) 的薄膜滤波器型50 GHz截止带宽@- 25 dB(GHz)士12土7士7Interleaver,结构如图14所示，是一个四腔F-P插入损耗/dB<1<1<2.5通带波纹/dB.0.2 0.2 0.4腔的级联结构[7]。制作中采用了电子数束蒸发熔中心频率稳定度/(GHz/9C)).04 0.04 0.04凝石英的技术。反射层是一个四分之一波片,含有偏振相关损耗/dB0.1 0.30.3高折射率的物质Ta2O3和低折射率的物质SiO2偏振模色散/ps0.1 0.5 0.3在蒸发的过程中,衬底(熔凝石英)被加热到350士10GHz范围内的色散/ps●nm"士80士60 士15。C,氧气压力调整到2.2X10- 'mbar。 可以看出这加补偿器后的色散/ps●nm-1土20士15种级联结构可以明显的提高器件的平坦度和隔离可制造性难中等中等成本高度,如图15所示。测试结果显示信道隔离度达到-25dB,插入损耗小于一0.6 dB(最小可到-0.4dB),信道间隔约为0.4 nm。偏振分束器G-T镜反射层输入/输出光C.隔离层.FPFI_FPF21/12波片中国煤化工透镜~1/4波片YHCNMHG1/8波片图14 Multi- Cavity Fabry Perot filters 型Interleaver结构图输出光Fig.14 Schematic outline of the structure of the图13 具有一个GTI的BGTI型InterleaverMulti- Cavity Fabry Perot filters InterleaverFig. 13 Birefiringent GTI Interleaver with one GTI第1期张婷等: Interleaver技术370.0[4] Jerry Bautista， Robert Shine. Interleavers make high-5.02用channel-count systems economical[J ]. Lightwave. 2000，(8):140-144.等-10.0-15.0[5] Jerry Bautista， Robert Shine. Filter technologies vie for.发-20.0DWDM system applications [ OL ]. http: // www.-25.0..... 4腔.fiberoptics. online. com，2000,6.[6] KuznelsoM V. Cascaded coupler Mach Zehnder Channel1 548.5 1549 1549.5 1550 1550.5 1551 1551.5dropping filters for wavelength division multiplexed optical波长/msysterms[J]. J. Light wave Technology, 1994. 12 (2):226-图15不同腔数Interleaver的输出谱[7] Li Y P，Henry C H. Silica based optical integrated circuitsFig.15The output spectra of Interleaver with[J]. IEEE Proc. Optoelectron.. 1996， 143(5):263-280.different cavity number[8] Chiba T, AraiH，Ohira K H,et al. Wavelength splittersfor DWDM systems[OL]. http: // www. i-LEOS. ol薄膜滤波器型Interleaver结构比较简单,并2001,10.不要求诸如温度控制等的附加工序,而且它们具有[9]蔡燕民,王昕歌， 方祖捷,等.用于DWDM系统的双折射型非常低的插入损耗和偏振损耗,非常高的信道间隔Interleaver 原理分析[J].中国激光,2001,28(11): 1 017-1020.离度。但是,对于50 Hz或更小的信道间隔要求,薄[10]罗勇，吴克宇,卜勤练.具有高隔离度平坦滤波特性的光膜层的制做难度非常大,很难正确控制通带中心和梳状分波器[OL].光纤通信技术(电子期刊)，http: ,斜度要求,生产过程时间太长。www. fiberhome. com. cn, 2002 ,3.[11] Benjamin B Dingel ，Tadashi Aruga. Properties of a novelnoncascaded type， east-to- design ripple-free optical3结束语bandpass filter[J]. J. of Lightwave Tech, 1999,17(8): 1461-1 469.随着计算机网络及其他数据传输服务的飞速.[12] Benjamin B Dingel , Masayuki Izutsu. Mulifunction optical发展,长距离光纤传输系统以及大容量光纤网络对filter with a Michelson -Gires- Tournois interferometer for通信容量和系统扩展的需求日益膨胀,但是由于目wavelength- division-multipiexednetworksystem前使用的EDFA及传输光缆的通带波长有限，自applications[J]. Optics Letters， 1998, 23(14): 1099-1 .然会希望复用波长间隔越来越小,这样Interleaver101.可以发展很大的作用。另外，对于城域网和局域网，[13]hao Yonghong, Jiang Yaoliang. Zheng Quan, et al. Novel .interleaver based on modified Michelson interferometer with它可以用作分插复用器,将输出端的一组波长下载three- mirror Fabry. Perot interferometer and Gires-到本地节点,而把另一组波长直接传往另一节点。Tournois resonator in optical components and transmission总之,Interleaver将随着通信容量的不断增大,有systems[J]. Proc. SPIE ,2002:4 906.着非常美好的潜在市场前景。[14] Christopher Lin ，Simon Cao. New approaches tointerleaver, dispersion management and DWDM technology参考文献[OL]. http: // www. lw. petten. com, 2001，3.[15] Shiie Gu. Optical signal interleaver and deinterleaver[1]赵春柳，葛春风，董孝义,等.新型光子器件Interleaverdevices with chromatic dispersion compensation [ P ].[J].光通信技术,2002.26(4):18-21.Pending patent. App. ,No. 09/874, 925，2001 -06 04.[2] 胡强高. 160X50GHz密集波分复用/解复用器.光纤通信[16]邵永红，姜耀丽，钱龙生.光波分复用器件和光学梳状滤波技术(电子期刊)[OL] . http: // www. fiberhome. com. cn ,器理论及最新进展[J].光机电信息.2002.(5):25-282002，3.中国煤化工hang Yueguang. et a 1. Optial[3] Jerry R Bautista. 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