12光學(xué)梳狀濾波器ppt課件

1、1. DWDM系統(tǒng)中的光學(xué)濾波器萬(wàn)助軍萬(wàn)助hujun.wangmail華中科技大學(xué)南五樓華中科技大學(xué)南五樓309室室1.2.1 光學(xué)梳狀濾波器簡(jiǎn)介1.2.2 光學(xué)梳狀濾波器的工作原理1.2.3 基于雙折射晶體的梳狀濾波器1.2.4 基于PLC技術(shù)的梳狀濾波器1.2.5 基于GT諧振腔的梳狀濾波器1.2 光學(xué)梳狀濾波器為什么需要梳狀濾波器？DWDM信道間隔和技術(shù)方案：信道間隔和技術(shù)方案：200GHz 100GHz 50GHz 25GHz1.6nm 0.8nm 0.4nm 0.2nmTFF TFF 止于此止于此AWG AWG AWG 止于此止于此通信系統(tǒng)需要新的通信系統(tǒng)需

2、要新的DWDM濾波技術(shù)濾波技術(shù)TFF：Thin Film Filter，薄膜濾波片，薄膜濾波片AWG：Arrayed Waveguide Gratings，陣列波導(dǎo)光柵，陣列波導(dǎo)光柵什么是梳狀濾波器？ f 2f降低了對(duì)后續(xù)濾波器的技術(shù)要求降低了對(duì)后續(xù)濾波器的技術(shù)要求梳狀濾波器的應(yīng)用in usefor backupinterleaver hereinterleaver here作為波段濾波器，分波之后的信道間作為波段濾波器，分波之后的信道間隔為原來(lái)的兩倍，降低對(duì)后續(xù)濾波器隔為原來(lái)的兩倍，降低對(duì)后續(xù)濾波器的技術(shù)要求。的技術(shù)要求。作為波段濾波器，保留一半波長(zhǎng)作作為波段濾波器，保留一半波長(zhǎng)作為系統(tǒng)備份

3、。為系統(tǒng)備份。1.2.1 光學(xué)梳狀濾波器簡(jiǎn)介1.2.2 光學(xué)梳狀濾波器的工作原理1.2.3 基于雙折射晶體的梳狀濾波器1.2.4 基于PLC技術(shù)的梳狀濾波器1.2.5 基于GT諧振腔的梳狀濾波器1.2 光學(xué)梳狀濾波器偏振光干涉分析 兩個(gè)偏振片中夾一個(gè)波片結(jié)構(gòu)兩個(gè)偏振片中夾一個(gè)波片結(jié)構(gòu)基于偏振光干涉分析得到基于偏振光干涉分析得到I1 P1偏振方向檢測(cè)光強(qiáng)偏振方向檢測(cè)光強(qiáng)I2 P2偏振方向檢測(cè)光強(qiáng)偏振方向檢測(cè)光強(qiáng))2/(sin)2/(cos2221IIfcnL2(f) 取決于取決于 (nL)有限沖擊響應(yīng)系統(tǒng)nkkktatH0)()(nkjkkeaH0)(傅里葉變換傅里葉變換時(shí)域時(shí)域單個(gè)波單個(gè)波 輸

4、入輸入1個(gè)光脈沖，輸出個(gè)光脈沖，輸出2個(gè)光脈沖個(gè)光脈沖兩個(gè)波片兩個(gè)波片 輸入輸入1個(gè)光脈沖，輸出個(gè)光脈沖，輸出3個(gè)光脈沖個(gè)光脈沖n個(gè)波片個(gè)波片 - 輸入輸入1個(gè)光脈沖，輸出個(gè)光脈沖，輸出n+1個(gè)光脈沖個(gè)光脈沖輸出脈沖序列可以表示如下：輸出脈沖序列可以表示如下：有限沖擊響應(yīng)有限沖擊響應(yīng)FIR系統(tǒng)系統(tǒng)傅里葉級(jí)數(shù)傅里葉級(jí)數(shù)傅里葉分析n=10n=50n=100以傅里葉級(jí)數(shù)來(lái)近似方波，級(jí)數(shù)項(xiàng)數(shù)以傅里葉級(jí)數(shù)來(lái)近似方波，級(jí)數(shù)項(xiàng)數(shù)越多，則近似程度越好。越多，則近似程度越好。傅里葉分析任何波形均可以傅里葉級(jí)數(shù)來(lái)近似任何波形均可以傅里葉級(jí)數(shù)來(lái)近似級(jí)數(shù)項(xiàng)數(shù)級(jí)數(shù)項(xiàng)數(shù)n n越多，則近似程度越好越多，則近似程度越好梳狀濾

5、波器的譜線亦可以傅里葉級(jí)數(shù)來(lái)近似梳狀濾波器的譜線亦可以傅里葉級(jí)數(shù)來(lái)近似給定一系列串聯(lián)的波片，可得到一個(gè)傅里葉級(jí)數(shù)系列給定一系列串聯(lián)的波片，可得到一個(gè)傅里葉級(jí)數(shù)系列級(jí)數(shù)系數(shù)系列級(jí)數(shù)系數(shù)系列akak取決于各波片快軸的方位角取決于各波片快軸的方位角kk設(shè)計(jì)任務(wù)：給定系數(shù)系列設(shè)計(jì)任務(wù)：給定系數(shù)系列akak，計(jì)算角度系列，計(jì)算角度系列kk傅里葉分析級(jí)數(shù)項(xiàng)數(shù)更多，但上升和下降沿級(jí)數(shù)項(xiàng)數(shù)更多，但上升和下降沿存在抖動(dòng)，不符合要求。存在抖動(dòng)，不符合要求。級(jí)數(shù)項(xiàng)數(shù)更少，但譜線滿足應(yīng)用需求。級(jí)數(shù)項(xiàng)數(shù)更少，但譜線滿足應(yīng)用需求。1.2.1 光學(xué)梳狀濾波器簡(jiǎn)介1.2.2 光學(xué)梳狀濾波器的工作原理1.2.3 基于雙折射晶體

6、的梳狀濾波器1.2.4 基于PLC技術(shù)的梳狀濾波器1.2.5 基于GT諧振腔的梳狀濾波器1.2 光學(xué)梳狀濾波器晶體型梳狀濾波器結(jié)構(gòu)nppnnn,112211晶體型梳狀濾波器的核心部分晶體型梳狀濾波器的核心部分傅里葉級(jí)數(shù)的系數(shù)傅里葉級(jí)數(shù)的系數(shù)ak取決于波片快軸取決于波片快軸的相對(duì)角度的相對(duì)角度:晶體型梳狀濾波器結(jié)構(gòu)kAkakbkk (deg)k (deg)01230.50.28130-0.03130.0915-0.1585-0.5915-0.34150.09150.1585-0.59150.3415123p-750-6045123p-75-75-135-90前兩個(gè)波片快軸夾角為前兩個(gè)波片快軸夾角

7、為0，合為，合為一片一片檢偏器與起偏器夾角為檢偏器與起偏器夾角為90，因，因此位移晶體此位移晶體2和和7的主平面正交。的主平面正交。晶體型梳狀濾波器結(jié)構(gòu)2+3: 2+3: 偏振轉(zhuǎn)換組件，將隨機(jī)偏振的入射光轉(zhuǎn)換為相同偏振偏振轉(zhuǎn)換組件，將隨機(jī)偏振的入射光轉(zhuǎn)換為相同偏振態(tài)的兩束平行光，以消除器件的偏振相關(guān)性。態(tài)的兩束平行光，以消除器件的偏振相關(guān)性。7: 7: 以位移晶體代替偏振片，兩個(gè)正交偏振態(tài)均檢測(cè)到。以位移晶體代替偏振片，兩個(gè)正交偏振態(tài)均檢測(cè)到。晶體型梳狀濾波器結(jié)構(gòu)位移晶體位移晶體2, 7, 12的主平面分別位于的主平面分別位于0, 90, 0方向。方向。對(duì)時(shí)延單元的考慮溫度穩(wěn)定性考慮溫度穩(wěn)定性

8、考慮: 晶體的雙折射系數(shù)受溫度影響，以兩片溫度系數(shù)相反的晶體的雙折射系數(shù)受溫度影響，以兩片溫度系數(shù)相反的晶體，快軸相互對(duì)準(zhǔn)；或者以兩片溫度系數(shù)相同的晶體，快軸與慢軸交錯(cuò)晶體，快軸相互對(duì)準(zhǔn)；或者以兩片溫度系數(shù)相同的晶體，快軸與慢軸交錯(cuò)對(duì)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，兩片晶體的厚度則取決于二者的溫度系數(shù)比值。對(duì)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，兩片晶體的厚度則取決于二者的溫度系數(shù)比值。加工容差考慮：前兩片晶體的雙折射系數(shù)較大，相應(yīng)的厚度加工容差較小。加工容差考慮：前兩片晶體的雙折射系數(shù)較大，相應(yīng)的厚度加工容差較小。因此，二者加工厚度稍小于理論設(shè)計(jì)值，不足部分以低雙折射系數(shù)的晶體因此，二者加工厚度稍小于理論設(shè)計(jì)值，不足部分以低

9、雙折射系數(shù)的晶體補(bǔ)償，后者加工容差較大，且可加工幾種厚度，以供選擇。例如與石英晶補(bǔ)償，后者加工容差較大，且可加工幾種厚度，以供選擇。例如與石英晶體補(bǔ)償體補(bǔ)償YVO4晶體，容差由晶體，容差由0.04m提高到提高到0.9m。成本考慮：以右圖所示的成本考慮：以右圖所示的PBS棱鏡代替晶體波片，可降低成本。棱鏡代替晶體波片，可降低成本。一個(gè)時(shí)延單元由一個(gè)時(shí)延單元由3片晶體組成片晶體組成1.2.1 光學(xué)梳狀濾波器簡(jiǎn)介1.2.2 光學(xué)梳狀濾波器的工作原理1.2.3 基于雙折射晶體的梳狀濾波器1.2.4 基于PLC技術(shù)的梳狀濾波器1.2.5 基于GT諧振腔的梳狀濾波器1.2 光學(xué)梳狀濾波器基于PLC技術(shù)的梳

10、狀濾波器結(jié)構(gòu)ininoutoutBAjjBAcossinsincos方向耦合器的傳輸矩陣瓊斯方向耦合器的傳輸矩陣瓊斯矩陣）：矩陣）：兩個(gè)輸出端口之間的耦合比取決于耦合角兩個(gè)輸出端口之間的耦合比取決于耦合角。=kL, L為耦合區(qū)長(zhǎng)度為耦合區(qū)長(zhǎng)度, k為耦合系數(shù)，取為耦合系數(shù)，取決于波導(dǎo)參數(shù)和波導(dǎo)間距。決于波導(dǎo)參數(shù)和波導(dǎo)間距。PLC型梳狀濾波器的矩陣分析2/12/12/2/0000zzeeSjjd2/2/00kkjjpeeS延遲線：延遲線：相移器：相移器：方向耦合器：方向耦合器：2/02/0)()(NNkkkNNkkkzzbzFzzazHNkkNNSSSSSS0011單元傳輸矩陣：?jiǎn)卧獋鬏斁仃嚕焊?/p>

11、狀光路：格狀光路：傳輸函數(shù)：傳輸函數(shù)：kkkkcjjScossinsincos212212212212cossinsincoszezejzejzeSSSSkkkkjkjkjkjkdpckPLC格狀光路解析前面前面N-1級(jí)格狀光路的傳輸矩陣：級(jí)格狀光路的傳輸矩陣：計(jì)算計(jì)算n、n的遞歸公式的遞歸公式:2/ )1(10112/ )1(1011)()(NNkkNkNNNkkNkNzzbzFzzazH)()()()(11111011zHzFzFzHSSSSNNNNNkNkN2/ )1(2/2/ )1(102/12/ )1(2/002/ )1(112/1cossincossin)(sincossincos

12、)(NjNNNNNNkkjNkNkNNjNNNNkkjNkNkNzebazzebazFzebazzebazHNNNN2/02/0)()(NNkkkNNkkkzzbzFzzazH202010011argtannnnnnnnnnnnnbababaab2/12/111cossinsincosnnjnnknnknkjnnknnknkebabebaa設(shè)計(jì)步驟22)()(zFzH2/02/0)()(NNkkkNNkkkzzbzFzzazH根據(jù)數(shù)字濾波器技術(shù)根據(jù)數(shù)字濾波器技術(shù)得到的傳輸譜線：得到的傳輸譜線：傳輸函數(shù)：傳輸函數(shù)：kk光路參數(shù)：光路參數(shù)：遞歸公式遞歸公式NkkkkNkkkkzzAzFzzAzH1

13、12)12(122112)12(1225 . 0)(5 . 0)()5 . 0()!1()!(25 . 012112kkNkNiNANiNkk最佳平坦化濾波器：最佳平坦化濾波器：設(shè)計(jì)實(shí)例0.5dB帶寬帶寬30GHz3dB帶寬帶寬50GHz串?dāng)_串?dāng)_-25dB相鄰?fù)ǖ老噜復(fù)ǖ?GHzkAkakbkkk0 0.50.31450.3145-3001 0.28130.5915-0.59150 02 00.15850.15856003-0.0313-0.09150.09159001.2.1 光學(xué)梳狀濾波器簡(jiǎn)介1.2.2 光學(xué)梳狀濾波器的工作原理1.2.3 基于雙折射晶體的梳狀濾波器1.2.4 基于PLC技

14、術(shù)的梳狀濾波器1.2.5 基于GT諧振腔的梳狀濾波器1.2 光學(xué)梳狀濾波器Gires-Tournois諧振腔kLjRkLjRjr2exp12expexp)tan(11tan21kLRR基于多光束干涉分析得到：基于多光束干涉分析得到：其中波數(shù)其中波數(shù)k=2/。輸入一個(gè)光脈沖，輸出輸入一個(gè)光脈沖，輸出+個(gè)光脈沖個(gè)光脈沖0)()(kkktatH0)(kjkkeaH傅里葉變換傅里葉變換無(wú)限沖激響應(yīng)無(wú)限沖激響應(yīng)IIR系統(tǒng)系統(tǒng)傅里葉級(jí)數(shù)傅里葉級(jí)數(shù)采用一個(gè)GT腔的邁克爾遜干涉儀2112)tan(11tan2LLkkdRR 2sin2inctransII兩條光路的相位差：兩條光路的相位差：透過(guò)率：透過(guò)率：信道

15、間隔取決于間隙信道間隔取決于間隙d，譜線形狀取決于反射率譜線形狀取決于反射率R。為了實(shí)現(xiàn)梳狀濾波器為了實(shí)現(xiàn)梳狀濾波器波形，波形， L1-L2=d/2。R=5%R=10%R=15%R=20%采用一個(gè)GT腔的邁克爾遜干涉儀R, 通帶通帶, 阻帶阻帶, 串?dāng)_串?dāng)_ 采用兩個(gè)GT腔的邁克爾遜干涉儀采用一個(gè)采用一個(gè)GT腔的梳狀濾波器，要求腔的梳狀濾波器，要求L1-L2=d/2。在實(shí)際的制造過(guò)程中，這點(diǎn)難以保證，因此提出采用兩個(gè)在實(shí)際的制造過(guò)程中，這點(diǎn)難以保證，因此提出采用兩個(gè)GT腔的梳狀濾波器結(jié)構(gòu)。腔的梳狀濾波器結(jié)構(gòu)。 基于普通干涉基于普通干涉基于偏振光干涉基于偏振光干涉后面對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后面對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)

16、行分析采用兩個(gè)GT腔的邁克爾遜干涉儀 22tan11tan2)tan(11tan211kLRRkLRR2cos201II2sin202II基于普通干涉基于普通干涉R=18%采用兩個(gè)GT腔的邁克爾遜干涉儀梳狀濾波器技術(shù)方案對(duì)比技術(shù)方案GT諧振腔時(shí)延晶體PLC格狀光路信道間隔1 (GHz)6.252002520025200插入損耗IL (dB)0.71.52.00.5dB通帶寬度 (GHz)161011-25dB阻帶寬度 (GHz)121614插入損耗抖動(dòng) (dB)0.30.4N/A偏振相關(guān)損耗PDL (dB)0.20.30.2頻率誤差 (GHz)1.01.02.0頻飄溫度系數(shù)(GHz)2.02.0溫控工作溫度 ()-570-570溫控GTR諧振腔：信道間隔諧振腔：信道間隔f最窄，損耗最低，通帶最好。最窄，損耗最低，通帶最好。時(shí)延晶體：最好的阻帶寬度。時(shí)延晶體：最好的阻帶寬度。PLC格狀光路：必須溫控才能穩(wěn)定工作。格狀光路：必須溫控才能穩(wěn)定工作。參考文獻(xiàn)lInterleaver technology: comparisons and applications requirementslSynthesis of coherent two-port lattice-form optical delay-line circuitlOptical half-b