1、DWDM 系统中可调谐光滤波器的发展与应用摘要： 可调谐光滤波器是未来全光网络中的核心光器件，在 DWDM 系统中发挥着重要作用。文章对几种常用及极具发展潜力的可调谐光滤波器的原理以及最新进展进行了介绍，最后给出了可调谐光滤波器在可重构光分叉复用、光性能监测以及可调激光器方面的应用。关键词：可调谐光滤波器；密集波分复用；可重构光分叉复用；光性能监测1. 引言可调谐光滤波器（TOF）与可调谐激光器并称为光通信网络与系统中最为关键的两大光器件，随着密集波分复用（DWDM）信道数的增加，实现窄带宽的滤波，大功率的激光输出成为研究热点。由于 TOF 和激光源的结合就成为可调谐激光器，因而 TOF 的发
2、展不可避免的成为 DWDM 系统中的重中之重。目前 DWDM 系统普遍达到 80 路及以上的波分复用，基于各种技术的 TOF 也相应具备调谐范围宽、调谐速率快，窄带宽、驱动功率低，插入损耗小，隔离度高等特点。近年来，光学滤波的技术种类越来越多，根据不同技术制成的 TOF 由最初的 TFF 型、F-P 腔型发展到声光可调谐滤波器（AOTF）型、微环谐振腔型、光子晶体型、光纤光栅型等。本文简介几种极具发展潜力的 TOF 的发展与应用。2. 可调谐光波长滤波器（TOF ）类型2.1 介质膜滤光片型（TFF）介质膜滤波器（TFF）技术是 WDM 系统商用后最成熟的波分复用技术，这一技术的核心在于介质薄
3、膜滤光片。TFF 型 TOF 工作原理为：在玻璃衬底上镀膜，多层膜的作用使光产生干涉选频。介质膜型光滤波器对滤光片的制备有很强的依赖性，薄膜工艺的发展成为制约这种滤波器发展的主要因素，特别是高达 200 层的膜系对基板的应力作用以及基板厚度、类型和线膨胀系数对器件通带的波纹度（Ripple） 、色散等关键指标的影响很大。目前 TFF 型光滤波器的关键技术难点在于提高器件隔离度和器件的消偏振。提高隔离度常用的方法是利用多个 F-P 腔的级联达到滤波的通带平坦，F-P 腔数目越多，滤出波形的矩形度越好，然而多腔滤波片带来的负面影响是 Ripple 随腔数增大，这将直接影响到输出光的功率稳定性。对此
4、，Herman Van de stadt 对不同数目的腔叠加的反射率匹配条件进行了详细的分析，通过调整中间 F-P 腔其与两边的各腔反射镜的反射率达到匹配 1。TOF的消偏振问题近年来有很多研究，文献 2通过薄膜矩阵算法将滤波片间隔层混以高低折射率混合的材料，对准偏振光的中心波长，文献 3通过特征矩阵找到满足不同偏振光反射率相同的折射率材料，实现偏振光的带宽重合。基于 TFF 技术国外已经发展了两种技术，一个是日本的 SANTEC 公司，该技术使用非均匀多腔薄膜滤光片通过机械推拉改变腔长滤波，另一个是美国 Optoplex 公司申请的三端口 TOF 专利，通过转动滤波片的角度来实现波长可调。图
5、 5 为基于 Optoplex 公司三端口 TOF 专利设计两端口 TOF 原理图。分束器半波片A S E 光源S 波P 波滤光片半波片分束器O S AS 波P 波全反棱镜电机 驱动角度 调制图 1 一种消偏振的两端口可调谐光滤波器在近年的 DWDM 市场中，TFF 技术波分复用器件占据一半份额，考虑到运营商对短期运营成本的考虑，在未来的 2-3 年内基于 TFF 技术的 TOF 仍将在 DWDM 系统中占据主导地位。2010 年滤波片生产厂商 lightwaves2020 公司开始推出可调谐光滤波器模块，据悉该公司已推出基于其特有镀膜、器件微型化等技术的 Alpha 可调 F-P 型滤波器，
6、其中一种基于 TFF 技术的滤波器利用步进电机驱动滤波片角度，具有 3dB 带宽小于 0.2nm，损耗小于 2dB，调谐范围达到 20-150nm 等优势。2.2 F-P 腔型F-P 腔型可调谐滤波器具有精细度高，调谐速度快，体积小等优点，在光纤通信系统中到了广泛的应用。目前 F-P 腔型滤波器的分类很多，主要有 MEMS 型 F-P 腔滤波器，光纤型 F-P 腔滤波器，液晶型 F-P 腔滤波器等。光纤 F-P 腔滤波器的主要原理是通过将光纤端面进行抛光处理并镀以高反膜，以光纤端面之间的空气间隙作为 F-P 腔，通过压电效应改变腔长。目前在这一领域的先驱 MOI 公司宣称其产品由于没有透镜等准
7、直光学器件，其产品能够提供工业上最大精细度范围为 10-16000 的选择。液晶型滤波器采用注入电流方法，通过电光效应改变腔内液晶分子的空间取向，从而改变液晶分子的非寻常光折射率实现调谐，这种光滤波器结构简单，调谐范围大，但是对温度敏感，而且易受液晶分子双折射导致的偏振影响。微机械调谐是近年发展势头非常迅猛的一种调谐方式，基于这种原理的MEMS 型光滤波器采用静电激励或热激励使反射镜发生机械位移，从而改变压电陶瓷材料的长度实现改变腔长的目的。 4在 OFC2010 上，Dicon 参展了其公司自主研发基于 MEMS 技术的 TOF(如图 2 所示)，通过微机械系统调谐衍射光栅旋转角实现滤出波长
8、变化。该公司的这种基于 MEMS 技术 50GHZ 的 TOF 近日已完成全可调范围内 10 亿次开关并且没有出现明显性能下降，它支持 C 或 L 波段工作，可以用于光通道监视，光频谱分析等各种领域。图 2 Dicon 公司在 OFC2010 年推出 MEMS 型 TOF 原理图2.3 声光可调谐滤波器（AOTF）声光可调谐滤波器(AOTF)不受机械调谐精度影响，是 DWDM 系统中一种很有应用前景的滤波器。其主要原理为：在各向同性介质中利用正常声光效应引起介质的弹性形变导致介质的折射率发生周期性的变化，有超声波传播的介质可以看作“光栅”对入射光进行滤波。然而，要制造高性能的 TOF，必须使用
9、各向异性介质，在声表面波（SAW）与光波相互作用下产生反常布拉格衍射，导致满足相位匹配条件（布拉格衍射条件）的入射光偏振态改变，与偏振控制器一起形成滤波器从而实现滤波。目前 AOTF 的关键技术难点在于压缩旁瓣效应与解决偏振依赖性。由于声波强度分布的影响，传统单级偏振依赖共线型 AOTF 透射谱旁瓣约为-9dB，3dB 带宽约 1.6nm，不适用于窄带滤波。近年来抑制旁瓣主要采用有加权耦合、双折射、级联等几种方式。加权耦合通过改变声光耦合系数对旁瓣进行抑制，在 2009 年的 APC 会议上，石家庄大学提出通过优化高斯型权重函数改变声光耦合系数的方案能够将旁瓣压缩至-41dB。双折射切趾通过改
10、变沿光波导方向的双折射率对旁瓣进行抑制，L.B.Aronson 等人提出的基于双折射切趾的方案可以使旁瓣降至-30dB。多级滤波是通过多个单级器件级联实现压缩旁瓣。偏振依赖性是 AOTF 的关键技术， Bell 实验室的 David A.Smith 提出了一种偏振无关的集成声光可调谐滤波器（IAOTF）结构，其主要原理是利用两个模分离器将 TE 模和 TM 模分入不同的波导并在输出端耦合（如图 2 所示） 。加州大学的 Chang-seok Kim 报道的 AOTF 利用Sagnac 环加半波片的方式减小偏振相关损耗（PDL） 5，另外，韩国国立全南大学的Kwang Jo Lee 等人提出了一
11、种解决 AOTF 偏振依赖性的新方法，利用声扭波耦合偏振模来达到消除 AOTF 的偏振依赖性的目的。 6图 3（a） 依赖偏振的声光可调滤波器 图 3（b） 不依赖偏振的声光可调滤波器目前国内外声光研究方面的工作比较多，声光可调谐光滤波器已经商用。Gooch& Honsego 公司研制的 AOTF 可在高达一个倍频带的光谱范围内工作，在可见光范围内分辨率可达几个纳米，其旁瓣能够限制在-20dB 以下。美国 Brimorse 公司研制的 AOTF 系列能够在整个光谱范围内进行快速调谐。Crystal Technology 公司生产的 AOTF 广泛应用于光谱仪和色散等领域，该设备的工作波长为 0
12、.34-4.5 微米。2.4 光纤光栅型光纤光栅型滤波器是光子研究领域比较热门的技术，应用于 WDM 中的光纤光栅是利用光纤材料的光敏性(外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化)，在纤芯内形成空间相位光栅，满足布拉格光栅条件（ ， 为光栅周期）的波长就会2n反射，其他的会透射，其作用是在纤芯内形成一个窄带滤波器（如图 4 所示） 。由于光纤光栅对温度和压力敏感，一般通过温控和压力控制等方式改变光栅周期达到调谐滤出波长的目的。光纤光栅型滤波器可以直接熔接到系统中，由紫外光源写入光栅的办法能够使反射光的反射率达到接近 100%。其波长、带宽、色散等可灵活控制，能得到矩形度高的光谱
13、，滤波特性较好。然而，光纤光栅型滤波器应用于多通道时，如采用级联的结构，分波时需要大量的 FBG。基于减小 FBG 的目的，这种类型的滤波器常常采用光纤光栅加环形器的反射型结构，这给光纤光栅型滤波器带来了额外的损耗和较高的成本负担。目前，旁瓣串扰和调谐范围是光纤光栅型滤波器发展必须考虑的重要因素，由于 FBG是石英材料，其弹性模量大，在采用常规调谐方式时候，其波长可调谐范围仅为 0.01 纳米/度，这样若要满足 C 波段的调谐，需要温度变化范围非常大，不能满足实际应用的要求。目前国内外采用改变调谐结构、设计切趾函数的方法解决以上问题。文献 7通过改变调谐结构利用 1 只 FBG 可实现 40n
14、m 可调 FBG 滤波器。文献 8通过级联多相移技术的取样光纤光栅补偿相位波动减小旁瓣串扰。F B GC o u p l e r 1 . n i 1 . n i 1 i - 1 , i + 1 n施 加 压 力 或 温 度 变 化图 4 光纤光栅型 TOF 示意图2.5 微环谐振腔型（Microring-resonant ）微环谐振腔是当前的研究热点，它可以实现多种功能器件，并且具有结构紧凑、品质因子高、元件体积小等优点，适合用于大规模集成电路，目前已有研究机构证实大于 100个微环耦合制作光器件的可能性。因此，基于微环谐振腔的滤波器与其他光滤波器相比具有更加优越的灵活性来实现信道的空间分离。
15、在单环谐振腔中，为了形成稳定的场分布，腔内的振荡模在经过一次往返后必须是自再现的，故相位的变化必须是 2 的整数倍，即系统输出被反馈的信号应与原输入信号相位相同。满足微环谐振方程 （R 为mn微环半径，n 为微环波导有效折射率）的光滤出，实现滤波功能 9。基于微环谐振腔的滤波器的调谐通常通过热调制和改变微环半径实现，文献 10 另外给出了一种有源调谐方案，利用自由载流子的吸收效应，通过注入自由载流子改变半导体的折射率实现调谐。 微环谐振腔型滤波器从结构上可分为垂直耦合型和侧向耦合型，其中侧向耦合需要电子束光刻来精确控制微环与直波导间的间隔，而垂直耦合只需要靠外延生长就可以控制耦合系数，从材料上
16、可分为绝缘体型、半导体型和聚合物型，其中基于绝缘体的微环插损小，但仅适用于无源器件，基于半导体材料的微环又分为硅和三五族化合物，硅材料工艺成熟但无法提供增益，三五族化合物材料损耗较高并且工艺还不成熟。基于聚合物材料的微环结构稳定，工艺制作简单并且成本较低，因而是极具发展潜力的一种方案。目前微环谐振腔型滤波器的研究重点在于多环级联工艺，由于单环滤波器通带平顶不够平坦，故这种类型的滤波器不可避免的向多环级联发展。图 5（a）给出了不同环数滤出光谱比较图，可以看出，当环数增大时，滤出光谱的矩形度越来越好 11。但多环级联在实际制作中会引入环与环间谐振调谐问题与耦合系数精确控制问题，因而设计环与直波导
17、，环与环之间的耦合系数这一步骤非常关键。基于微环谐振腔光器件的研究主要集中在国外并已商用。其中 Little optics 公司是这一行业的先驱，该公司推出的基于专利的微环谐振腔技术的甚高阶多腔滤波器，最多腔数达到 11 个（如图 5（b） ） ，该系列产品中的 5 微环滤波器损耗小于 1dB，11 环滤波率损耗也在 2dB 以下，由此可见，基于微环谐振腔的滤波器在 50GHZ、25GHZ 甚至更窄的频率间隔将拥有无可匹敌的性能。近年来，中国科学院半导体研究所也致力于微环谐振腔型光器件的研究，其通过采用电子束曝光（EBL）和感应耦合等离子刻蚀（ICP）技术制作的基于绝缘体上硅（SOI）的微环
18、Q 值达到 33000，已经接近世界先进水平。 图 5（a）不同环数时透射光谱对比图 图 5（b）little optics 公司 11 环 TOF 结构图 2.6 光子晶体型光子晶体自从 1987 年提出以来，其理论和数值模拟技术已经发展得比较成熟。由于光子晶体尺寸小，因而适合制作微小的集成光器件，也是 DWDM 系统中光学滤波器的发展趋势。光子晶体型滤波器通过在光子晶体的周期性结构中引入缺陷，可以使得光子禁带中产生透射模式，从而实现对光波的控制。光子晶体滤波器的滤波性能远优于普通光滤波片，其阻带区对透过光的抑制极易达到 30dB 以上，且其带阻陡峭度接近 90 度，矩形度极佳。另外，由于光
19、子晶体具有优良的弯曲效应，能量传输基本无损失，所以光子晶体滤波器对通过波段的光波损耗非常小。这些优势让光子晶体技术引起了国内外大量研究机构的关注，利用光子晶体制作可调滤波器的研究更是层出不穷。可调谐光子晶体滤波器主要有用禁带缺陷的变化或者光子晶体结构层次变化两种形式调谐。基于这两种方式调谐的几篇文献值得重视，文献 12通过调节空气膜的厚度实现对三通道滤波的调谐要求，并提出了多通道透射峰半高宽随光子晶体折射率增加而减小的结论，为调节 TOF 多通道宽度提供了方法。文献 13用空气作为杂质层，由表面微机械技术制备光子晶体结构，利用表面微机械技术实现对空气膜的厚度调谐。文献 14在光子晶体缺陷处引入
20、液晶材料，将液晶与一维光子晶体结合，利用光子晶体的光子禁带、缺陷特性和液晶折射率随电压变化而改变的特性构造新型TOF，当驱动电压由 0.5V 增至 5V 时，透射峰从 1520nm 移到 1552nm，调谐范围达到32nm，带宽在 0.4-1.7nm 之间。光子晶体被科学界称为“光半导体” ，目前光子晶体技术已经从理论研究阶段过渡到实验室阶段，可以预计，在未来的几年中，基于光子晶体的各种光器件将逐渐走向商用。3. TOF 在 DWDM 系统中的应用TOF 在 DWDM 系统中主要用作光信号的复用/解复用、信号监测等方面。下面列举其在DWDM 各种不同领域的应用实例。3.1 TOF 应用于 RO
21、ADM可重构光分叉复用器（ROADM）是 DWDM 系统中的核心设备，它对全光网络的传输能力，组网方式，关键特性等具有重要影响。目前，ROADM 根据信道上下路方式可分为基于 TOF 以及基于光开关两类。采用不同 TOF 是实现 ROADM 技术的主要方案，它便于网络升级，给运营商带来了更多业务开展的便利及运营成本的降低。加拿大报道的利用光纤光栅制成的 ROADM 在 1550nm 窗口有 8 路 TOF，各路波长间隔 0.8nm，国内也有研究机构报道了基于 AOTF 的 ROADM，器件隔离度达到 32DB，损耗小于 3DB。通常，基于AOTF 的集成化多信道 ROADM 采用多个 AOTF
22、 串联的方式，与精密的温控装置配合使用，其响应速度达到 ms 级，可覆盖整个 C 波段滤波。另外，采用 TFF 技术与波长选择开关（WSS） 、波长阻塞器（WB）配合使用，可实现光通道任意波长上下话路，便于灵活选择光信号。图 7 展示了基于 WB 的 RODAM 方案。图 6 TOF 应用于 ROADM 示意图3.2 TOF 应用于 OPM随着 DWDM 的发展，如何保障光网络在大容量、高速率，复杂的拓扑结构中有效运行是业内研究的重点方向。OPM 作为 DWDM 系统的检测设备，主要应用在 DWDM 系统构建，DWDM 系统错误检测，DWDM 系统降级老化检测三个方面，其商用以来一直收到系统设
23、备商的追捧，各大器件制造商在其 OPM 产品上大做文章，在 2010 年 OFC 大会上，各大厂商纷纷推出其基于不同原理的干涉型 OPM 模块，例如 Aegis 的基于热光调谐滤波器的 OPM、AXSUN 的基于 MEMS 滤波器的 OPM 以及 Opptolex 的基于机械 TOF 的 OPM 等。干涉型 OPM 主要由三部分组成：TOF、探测器以及信号处理控制器。图 8 所示的为Optoplex 公司基于薄膜滤波技术的 OPM 原理图，其基本原理为：首先从光网络信号中，提取出一定的光功率，TOF 对传送过来的输入光信号进行滤波，将一定带宽的光信号透过后导入光电探测器，光电探测器对光信号采样
24、后将光信号的振幅转换为电信号传送给信号处理控制器。信号处理与控制器在接收了采样数据后，再发送指令，改变可调谐滤波器的通带波长，如此反复，直到扫描完所需的整个波长范围；最后信号处理器将得到的采样数据进行分析和处理，计算出光信号的通道中心波长、光功率、OSNR 等指标，并将结果和光谱数据输出。图 7 TOF 应用于 OPM 示意图3.4 TOF 应用于可调谐激光器可调谐激光器是高速光通信系统、WDM 网络系统、光测试系统和快速波长交换系统等的重要光源，国际上常用的调谐方法有调谐谐振腔角度、声光滤波器、电调液晶标准具等。其中最具代表性的模块为 JDSU 采用 INP 单片集成技术将激光器和滤波器集成
25、到一个平台上推出小尺寸的可调激光器，以及 Santur 公司基于 MEMS 器件从一组激光器阵列中选择合适波长技术的可调激光器。近年来，我国可调谐激光器的开发也有较大进展，图 9展示了吉林大学研制出基于介质膜滤波技术的可调谐环形掺饵光纤激光器，其调谐范围涵盖整个 C 波段，边模抑制比大于 60DB，波长稳定性优于 0.01nm，其在 DWDM 全光系统中具有很好的应用前景。图 8 基于薄膜滤波技术的可调谐环形掺饵光纤激光器4. 结束语DWDM 系统是当前最常见的光层组网技术，它的成熟使得光网络从带宽规划逐渐转移到带宽管理上，TOF 作为 DWDM 系统中核心光器件，对光信号的复用/ 解复用、性
26、能监测等方面具有重要的意义。由此，也必然要求 TOF 向窄带宽，宽调谐范围，高隔离度方向发展。在未来的光通信系统中，如何改进各种滤波技术，如何改进 TOF 的各项指标仍将是器件制造商研究的重点。参考文献：1 Herman van de Stadt, Johan M. Muller. Multimirror Fabry-Perot interferometers J. J. Opt. Soc. Am. A,1985,2(8):1363-1370.2 顾培夫,李海峰,章岳光等.用于倾斜入射的波分复用薄膜滤光片的特性及改进 J.光学学报,2003,23(3):377-380.3 俞侃,黄德修,樊玲等
27、. 角度调谐滤光片带宽消偏振研究J.光学学报,2010,30(1):214-217.4 Jason S. Milne, John M. Dell. Widely Tunable MEMS-Based Fabry-Perot Filter. Journal of microeletromechanical systems. 2009, VOL.18, NO.4.5 C.-S.Kim, B.Choi, J.S.Nelson, Q.Li, P.Z.Dashti, and H.P.Lee. compensation of polarization-dependent loss in transmiss
28、ion fiber grating by use of a sagnac loop interferometer, Opt.Lett,vol.30, 2005, Page(s)20-22.6 Kwang Jo Lee, In-Kag Hwang, Hyun Chul Park, Byoung Yoon Kim. Polarization-Independent all-fiber acousto-optic tunable filter using torsional acoustic wave. Photonics technology letters. 2010, VOL.22, NO.8
29、.7 杨亦飞,张伟刚,刘波等. 一种新颖的宽带可调光纤光栅滤波器J.光电子激光,2005,16(8):910-912.8 尹飞飞,季恒,谢世钟. 光纤光栅梳状滤波器信道间隔的相移补偿C. 全国第十三次光纤通信暨第十四届集成光学学术会议论文集,2007.9 A. Yariv. Universal relations for coupling of optical power between microresonators and dielectric waveguidesJ. Electronics Letters, VOL.36, NO.4, pp.321-322, Feb.2000.10 J
30、.-M.Huangt, Y.D.Yao, Z.L.Deng. A study of tunable optical filters based on micro-ring structuresC. oceedings of the 2009 IEEE.11 B.E.Little, S.T.Chu, H.A.Haus, J.Foresi, and J.-P.Laine. Microring resonator channel dropping filtersJ. Journal of lightwave technology, VOL.15, NO.6, June 1997.12 刘启能. 光子晶体多通道可调谐滤波器的理论研究J.应用光学,2008,29(4):639-643.13 茅惠兵,杨昌利,赖宗声. 光子晶体可调谐滤波特性的理论研究J.物理学报,2004,53(7):2201-2205.14 于海霞,杜春梅,梁广东. 复周期结构光子晶体波长可调谐滤波器的研究 J.激光与光电子学进展,2009,3.
