超窄帶寬可調(diào)光濾波器的研究

夏 源，謝 卉，孫莉萍*，胡強(qiáng)高

（1.武漢郵電科學(xué)研究院，武漢430074；2.新一代光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌），武漢430074；3.武漢光迅科技股份有限公司，武漢430205）

超窄帶寬可調(diào)光濾波器的研究

夏 源1，2，3，謝 卉2，3，孫莉萍2，3*，胡強(qiáng)高2，3

（1.武漢郵電科學(xué)研究院，武漢430074；2.新一代光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌），武漢430074；3.武漢光迅科技股份有限公司，武漢430205）

為了降低可調(diào)光濾波器的帶寬，采用雙光柵結(jié)構(gòu)和基于微機(jī)電系統(tǒng)的反射鏡相結(jié)合的方法，構(gòu)建了具有波長連續(xù)可調(diào)諧的超窄帶寬濾波器，并進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取得了濾波帶寬小于0.4nm的數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，雙光柵結(jié)構(gòu)的光濾波器具有性能穩(wěn)定、重復(fù)性優(yōu)良的性能特點(diǎn)，并且很好地滿足了帶寬需求。這種結(jié)構(gòu)顯著降低了可調(diào)諧光濾波器的濾波帶寬，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

光學(xué)器件；可調(diào)光濾波器；雙光柵；微機(jī)電系統(tǒng)

引 言

隨著密集波分復(fù)用技術(shù)的飛速發(fā)展以及帶寬需求的持續(xù)增長，全光網(wǎng)絡(luò)（all optical network，AON）將成為光通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢［1］。光交換技術(shù)與信道監(jiān)控技術(shù)是全光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中有待突破技術(shù)難題。光通道監(jiān)測器（optical channelmonitor，OCM）是支持密集波分復(fù)用傳送、節(jié)點(diǎn)智能化的重要技術(shù)之一，它提供了對每個(gè)信道行為的監(jiān)控能力，做到了在光層面的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和管理，滿足了發(fā)展AON的一個(gè)必要前提［2-3］。以可調(diào)諧光濾波器為基礎(chǔ)的OCM，則不需針對每一個(gè)波長分別構(gòu)建光電轉(zhuǎn)換及監(jiān)測設(shè)備，只需要通過可調(diào)諧光濾波器，將需要處理的波長篩選出來即可。在基于可調(diào)諧光濾波器的OCM中，最核心的部分是其光模塊——可調(diào)諧光濾波器（tunable optical filter，TOF）。TOF將需要處理的波長信號篩選出來并進(jìn)行算法分析，而不需要針對單一波長分別構(gòu)建光電轉(zhuǎn)換和監(jiān)控設(shè)備，從而大幅降低設(shè)備成本。但是，TOF的濾波帶寬直接限制了OCM的性能［4］。因此，TOF光路設(shè)計(jì)的核心便是降低帶寬。針對TOF的帶寬需求，本文中采用將兩塊衍射光柵級聯(lián)的方案來達(dá)到降低帶寬的目的。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)波長的連續(xù)可調(diào)諧，又采用了基于微機(jī)電系統(tǒng)（micro-electromechanical system，MEMS）的反射模塊，這樣的結(jié)構(gòu)不僅有效降低了光濾波器的濾波帶寬，又提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

1 工作原理

1.1 級聯(lián)的衍射光柵

將光路中傳播的光信號以高斯模型進(jìn)行分析，于是，沿z軸傳播的高斯光束可以描述為：

式中，A0為原點(diǎn)的中心光振幅，k=2π/λ為波數(shù)，λ為波長，w（z）為觀察點(diǎn)z處的光斑半徑，R（z）為觀察點(diǎn)z處的曲率半徑，φ（z）為觀察點(diǎn)z處的相位函數(shù)。

由夫瑯禾費(fèi)衍射原理可知，入射光經(jīng)過光柵產(chǎn)生極大值的條件是：

d（sinα±sinβ）=mλ，（m=0，±1，±2，…）（2）式中，d為光柵相鄰兩條縫之間的間隙大小，單位為mm，α為光線的入射角度，β為光線的折射角度。

（2）式也稱為光柵方程。由光柵方程可以看出，入射光經(jīng)過光柵后產(chǎn)生了θ=（α+β）的偏角。此現(xiàn)象也可以看作是兩個(gè)高斯光束在光柵面以θ角耦合的結(jié)果。不妨設(shè)這兩個(gè)高斯光束的函數(shù)表達(dá)式為E1（x，y，z）和E2（x，y，z）［5］。于是，兩個(gè)高斯光束的耦合效率可以表示為：

對于圓高斯光束，可得到如下計(jì)算公式：

式中，w1和w2為E1（x，y，z）和E2（x，y，z）的束腰半徑，z1和z2為E1（x，y，z）和E2（x，y，z）的束腰到兩光束交界面的距離。本文中E1（x，y，z）和E2（x，y，z）為同一高斯光束經(jīng)過衍射光柵衍射前后的狀態(tài)，所以，w1=w2且z1=z2=0，代入（4）式得：

在復(fù)色光的情況下，波長為λc的高斯光束與波長為λc，Δ的高斯光束的耦合效率為：

式中，w為光柵面出的光斑半徑值，即w=w1=w2。θc，θc，Δ分別是中心波長對應(yīng)角度與偏光對應(yīng)角度：

由（6）式容易得出，當(dāng)光路中的準(zhǔn)直透鏡和光柵特征常數(shù)固定的情況下，耦合效率僅與（θc-θc，Δ）有關(guān)。

由（6）式、（8）式容易得出可調(diào)諧濾20dB波器的濾波帶寬W與不同波長間的偏光角度差（θcθc，Δ）具有對應(yīng)關(guān)系，且兩者的值成反比例關(guān)系。即當(dāng)（θc-θc，Δ）越大時(shí)，對應(yīng)的濾波帶寬越窄。同時(shí)，由光柵方程可知，復(fù)色高斯光束每經(jīng)過一次光柵，相應(yīng)的波長偏光角度差（θc-θc，Δ）便會(huì)增大，帶寬W便會(huì)減小。雙光柵設(shè)計(jì)方案就是基于這個(gè)原理來降低濾波帶寬的［6-7］。

1.2 MEMS轉(zhuǎn)鏡工作原理

作者所使用的MEMS反射鏡結(jié)構(gòu)正是基于梳狀驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的。以下將簡要介紹基于靜電力的梳狀結(jié)構(gòu)的工作原理。由庫侖定律可知，置于電場中的兩個(gè)帶電粒子A（電量為q）和粒子B（電量為q′）產(chǎn)生的靜電力大小為：

式中，ε是介質(zhì)的介電常數(shù)，在自由空間中ε0=8.85× 10-12C2/（N·m2），r是電場中兩個(gè)帶電粒子間的距離。

如圖1所示，為兩塊正對的由介電材料隔開的帶電平板，其間距為d′。當(dāng)在兩塊平板上加以電壓時(shí)，平板就會(huì)被充電，從而產(chǎn)生電容：

Fig.1 Electrostatic force on parallel plates

式中，A是平板的面積，εr是相對介電常數(shù)，b和L分別為平行平板的寬度和長度。

圖1中，只要保持加在兩塊平行板上的電壓V，上下兩塊平行板就可以一直保持不同的電荷。因此，可以認(rèn)為在這種情況下確實(shí)存在著電勢。與該電勢相對應(yīng)的電勢能可以表示為：

式中，負(fù)號說明電壓升高時(shí)，電勢能會(huì)減小。

垂直于平板（沿d方向）相應(yīng)的靜電力大小可以通過（11）式中的電勢能導(dǎo)出：

由于在寬度b和長度L上受到的靜電力是在平行平板相應(yīng)方向上分布排列而推導(dǎo)出來的。因此，可以推導(dǎo)出（12）式的一般形式：

式中，i代表的是所感興趣那部分的方向，可取為厚度d的方向，或?qū)挾萣的方向，或長度L的方向。根據(jù)（11）式和（13）式可以寫出平行平板在寬度b和長度L上受到的靜電力的表達(dá)式。

在寬度b方向上的靜電力大小為：

在長度L方向上的靜電力大小為：

由（14）式和（15）式兩個(gè)式子可以看出，F(xiàn)b與寬度b無關(guān)，F(xiàn)L與長度L無關(guān)。用這些靜電力作為微致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力的主要缺點(diǎn)是通過這種方式獲得的驅(qū)動(dòng)力往往比較小。因此，在MEMS的實(shí)際設(shè)計(jì)中，廣泛地應(yīng)用了多組相互錯(cuò)開的極板的布局，這種布局通常稱作梳狀驅(qū)動(dòng)。

圖2為梳狀驅(qū)動(dòng)中的靜電力模型。圖中一對固定電極夾著一個(gè)移動(dòng)電極，構(gòu)成了梳狀驅(qū)動(dòng)中的一組平板結(jié)構(gòu)。其中，移動(dòng)電極與固定電極的間距是d，移動(dòng)電極的寬度是b，加在固定電極上的電壓為V。通過以上對于平行板間靜電力的分析，可以得出，此時(shí)產(chǎn)生的靜電力將使得移動(dòng)電極沿著圖中Fm的方向移動(dòng)，靜電力的大小為兩組平行平板產(chǎn)生的靜電力的疊加。根據(jù)（15）式的結(jié)論，不難得出，移動(dòng)電極上的靜電力Fm大小為：

Fig.2 Electrostatic forcemodel of comb drive

于是，在該靜電力的驅(qū)動(dòng)下，相互咬合的多對梳狀齒產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，從而拉動(dòng)位于梳狀齒中部的反射鏡，使其產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)［8-10］。圖3所示為MEMS反射鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。

Fig.3 Schematic diagram of MEMSmirror

2 實(shí)驗(yàn)光路的設(shè)計(jì)與分析

下面將介紹一種超窄帶寬波長可調(diào)諧濾波器的光路設(shè)計(jì)方案。

首先，由高斯光束帶寬的計(jì)算公式可知，當(dāng)入射的中心波長固定時(shí)，帶寬的大小與光斑的尺寸成反比，即光斑尺寸越大，帶寬越小。因此，本文中在實(shí)際應(yīng)用的前提下選取了一個(gè)準(zhǔn)直透鏡，將插針出射的發(fā)散斑進(jìn)行準(zhǔn)直，并獲得一個(gè)尺寸為?4mm的光斑。

然后，為了得到一個(gè)超窄帶寬的濾出峰，采用的將兩塊光柵級聯(lián)的方案，即光束傳播過程經(jīng)過4次光柵。本文中采用了兩塊線數(shù)為900的衍射光柵，由（2）式光柵方程容易計(jì)算得到，當(dāng)中心波長為1548.47nm時(shí)，入射角度與出射角度相等，同為44.172°。

由于MEMS轉(zhuǎn)鏡的鏡面大小受制于加工工藝，目前的技術(shù)條件下，轉(zhuǎn)鏡的面積較小，且小于光斑的尺寸，所以在MEMS轉(zhuǎn)鏡的前端采用了一個(gè)望遠(yuǎn)鏡組對光斑進(jìn)行縮放。于是，得到超窄帶寬波長可調(diào)諧濾波器的光路如圖4所示。

Fig.4 Optical path schematic diagram of ultra-narrow bandwidth of tunble optical fileter

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)第2節(jié)中設(shè)計(jì)的光路制作了一個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品，并通過嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)測試得到了本方案的預(yù)期結(jié)論。具體的實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果展示如下面所示：利用光譜分析儀（型號：AQ6370B，橫河）測試光濾波器在無偏壓狀態(tài)下的濾波輸出。如圖5所示，當(dāng)入射光為C波段光源時(shí)，濾出波的波長為1548.49nm，插入損耗為-2.86dB，帶寬為0.3468nm。

Fig.5 Power output of tunble optical fileter in non-bias state

測試光可調(diào)濾波器在電壓連續(xù)變化時(shí)，輸出光信號的波長、帶寬及插入損耗的變化關(guān)系。圖6為光可調(diào)濾波器的測試系統(tǒng)示意圖：利用放大自發(fā)輻射（amplified spontaneous emission，ASE）光源提供的穩(wěn)定輸出光（C波段）作為光濾波器的輸入信號；上位機(jī)程序通過串口通信控制壓變電路的輸出電壓，從而改變光濾波器的反射鏡偏角，最終濾出所需波長的光信號；同時(shí)，上位機(jī)通過串口通信控制光譜分析儀（optical spectrum analyzer，OSA）采集數(shù)據(jù)，并回傳數(shù)據(jù)以供分析。圖中，SMF（single mode fiber）代表單模光纖。

Fig.6 Testing program of ultra-narrow bandwidth TOF

圖7為輸出光信號的濾波帶寬與波長的關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)測試的波段范圍內(nèi)（1538nm～1558nm），帶寬完全控制在0.4nm內(nèi)，大部分波段的帶寬控制在0.35nm附近，基本達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。

Fig.7 Filter bandwidth versuswavelength

圖8為輸出光信號的插入損耗與濾波波長的關(guān)系。受限于衍射光柵的衍射效率、光學(xué)元件的像差以及熔接差損等因素，目前樣品器件的插入損耗控制在3.8dB以內(nèi)，基本達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

Fig.8 Insertion loss versus wavelength

4 結(jié) 論

窄帶濾波器在高速光通信領(lǐng)域中的應(yīng)用是近年來的研究熱點(diǎn)。為了有效降低濾波帶寬，本文中采用了雙光柵結(jié)構(gòu)的光路設(shè)計(jì)。通過理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)樣品制作，論證了該方案的可行性和實(shí)用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果證明，該方案對帶寬的控制非常理想，并且具備結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高、重復(fù)性好的性能特點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。

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Research of tunable optical filters w ith ultra-narrow bandw idth

XIA Yuan1，2，3，XIE Hui2，3，SUN Li-ping2，3，HU Qiang-gao2，3
（1.Wuhan Research Institute of Post and Telecommunications，Wuhan 430074，China；2.State Key Laboratory for New Optical Communication Technologies and Networks，Wuhan 430074，China；3.Accelink Technologies Co.Ltd.，Wuhan 430205，China）

In order to reduce the bandwidth of tunable optical filters，a continuous tunable optical filter with ultranarrow bandwidth wavelength was designed by using double gratings and mirror ofmicro-electromechanical system.Through theoretical analysis and experimental verification，filter bandwidth less than 0.4nm was obtained.The results show that an optical filter with double gratings has high stability and excellent repeatability.This scheme can reduce the filter bandwidth，which meets the bandwidth demand.

optical devices；tunable optical filter；double gratings；microelectromechanical systems

TN713

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2013.04.017

1001-3806（2013）04-0493-05

國家八六三高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2011BAH07B01）

夏 源（1986-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣怆娮悠骷?/p>

*通訊聯(lián)系人。E-mail：liping.sun＠accelink.com

2012-09-20；

2012-10-29