新型小尺寸窄带偏振分光器在光纤通信中的应用

李美萱、董连和、张 雷、冷雁冰

1. 长春理工大学、吉林 长春 130000 2. 长春理工大学光电信息学院、吉林 长春 130000 3. 吉林省交通规划设计院、吉林 长春 130000

新型小尺寸窄带偏振分光器在光纤通信中的应用

李美萱1,2、董连和1*、张 雷3、冷雁冰1

1. 长春理工大学、吉林 长春 130000 2. 长春理工大学光电信息学院、吉林 长春 130000 3. 吉林省交通规划设计院、吉林 长春 130000

在光纤通信中、为了在不改变调制波长范围的基础上仍能实现更多数据通道的波分复用、设计了一种新型的小尺寸窄带偏振分光器、用于对现有的数据通信网络进行扩容以及提高光信号的信噪比。在该分光器上蒸镀了两种新设计的膜系、一层是窄带滤光膜、另一层是偏振分光膜。采用TFCalc软件仿真、设计结果中窄带滤光膜的带宽约为0.4 nm、偏振分光膜在1 530～1 560 nm范围内对p光的通透性能优于99.8%。基于以上膜系设计在BK7光学玻璃上实际制备两组膜系、实验采用Agilent 8164-A型光波测量系统对经过膜后的光进行光谱分析。结果显示、窄带滤光膜的实际带宽优于0.4 nm、增益平坦度小于-0.05 dB、相比现有常见的0.8 nm滤光膜具有更窄的带宽、可以实现在调制波长范围不变的条件下增大波分复用的数据通道总量。偏振滤光膜的实际p光透光率为99.6%、相比仿真值略低、但仍优于设计要求、相比传统分光器的光信号强度保留效果更好、具有更高的信噪比。综上所述、该分光器具有更好的应用价值和实用意义。

光纤通信； 膜系设计； 窄带滤光膜； 偏振分光

引 言

光纤通信是利用光纤传递携带信息的光信号的通信技术、属于有线通信技术的一个支脉。光纤通信技术对电信工业具有革命性的影响、在大数据时代中扮演着举足轻重的角色[1]。光纤通信技术具有诸多优势、其中包括通信容量大、频带宽； 低损耗、有效传输距离远； 具有很好的保密性、抗干扰能力强、几乎不受电磁干扰、数据传输保真度高； 质量轻、原料成本低等[2]。

国外很早就在该领域进行研究、美国贝尔实验室设计实现了半导体激光器产生极细光线的输出、二者的结合为光纤通信实用化奠定了基础[3]。之后、日本NTT公司采用镀膜技术实现了1.30 μm处带宽为78 nm的带通滤光片、被用于双通道的WDM系统中[4]。该公司成功实现了带宽0.6 nm、温漂小于0.003 nm·℃-1的窄带滤光片、膜料采用Ta2O5和SiO2。美国首先实现了密集波分复用(DWDM)技术1 Tb·s-1级的传输通信[5]。而近几年、Lucent发布了其设计的DWDM系统具有16 Tb·s-1传输速度的实验报告。在国内、发展方向也从原有的单通道系统转为多通道模式、即DWDM系统[6]。北京理工大学研究的消偏振分光棱镜被应用于光纤数据传输中、并采用受抑全反射原理设计制作了光纤通信中小型分光器、针对0.8 nm带宽光效果较好。华中科技大学在“863”项目的支持下、开发的薄膜型偏振分光棱镜(PBS)具有97%的通透效果、隔离度优于35 dB[7]。

DWDM系统[8]的容量更大、更为灵活、可谓是远距离主干传输网的首选、而具有理想窄带通光特性的偏振分光棱镜又是DWDM系统中的核心部件、直接影响通道组数、信号传输距离、调制解调器件结构以及系统信噪比及稳定性[9]。本研究主要内容是基于薄膜设计理论、结合光纤通信中窄带偏振分光器件的应用要求、设计并实验测试获取具有高通透性、高隔离度的窄带偏振分光棱镜。

1 基于新型小尺寸窄带偏振分光器的单组光纤通信系统

在光纤通信中、为了使DWDM系统可以获得更多通道、要求各通道数据可以实时解调从而达到高速数据传输的目的、并且保证各通道间信号不相互串扰、小尺寸的偏振分束棱镜成为了其性能稳定与否的关键器件。传统的晶体型分光器件虽然隔离度高、但其尺寸往往不适合小型化、并且小尺寸的晶体型分光器产生的p光和s光很近难以分离、且相互间不平行对后期光路准直带来麻烦。而一般的薄膜型分光器通透性和隔离性均低于晶体型、综上所述、提出了一种新的小尺寸窄带偏振分光棱镜、设计高通透率及高隔离度的膜系参数、并实验测试了该膜系的光谱效果、解调系统结构如图1所示。

图1 基于小尺寸窄带偏振分光棱镜的单组光纤调制解调系统结构图

由图1所示、FDB激光器为系统提供激光、由处理系统控制调制电路完成信息的载入、再通过光纤网络传输到接收端。光纤FC(fiber connector)接头与扩束准直棱镜相连使光射入小尺寸窄带偏振分光棱镜(narrow-band PBS、narrow-band polarizing beam splitter)。该棱镜由两个不同尺寸的直角棱镜构成、棱镜1的一条直角边作为入射面、斜边为分束面、棱镜2的一条直角边为分束面的另一侧、斜边为出射面。入射面蒸镀带宽0.4 nm的窄带滤光膜(设计并多次调试完成、下文介绍制作工艺、实验通透性及光谱分布效果)、在两个棱镜相连处蒸镀分偏振滤光膜(设计并优化了偏振分束光的透射性能)、出射面蒸镀增透膜。

2 膜系设计与仿真分析

2.1 窄带滤光膜

为了高效地保证窄带光的透射、设计了相应的窄带滤光膜、采用TFCalc薄膜设计软件[10]进行优化设计、采用Ta2O5为高折射率材料(H)、SiO2为低折射率材料(L)、设计参数为：G/(LH)^716L(HL)^7 (HL)^7 H14LH (LH)^7 L (HL)^7 H16LH LH 3LH (LH)^5 L (HL)^7 H16LH LH3LH (LH)^5L(HL)^7 H14LH (LH)^7L (HL)^6 H16LH (LH)^5 L0.5A0.6B/A、则透过仿真优化后、得到该薄膜的透光光谱曲线如图2所示。

图2 窄带滤光膜的透射光光谱仿真曲线

由图2可知、粗实线表示顶端宽度、细实线表示底端宽度、该窄带滤光膜的透光范围为1 547.203 4～1 547.585 7 nm、带宽约为0.4 nm、具有很好的窄带通透能力、增益平坦度小于±0.02 dB、符合设计要求。在实现此带宽要求后、对于不同的透过波长仅需按照特定规律改变膜层厚度即能实现整个波长带宽范围内的调节和选择。

2.2 偏振分光膜

偏振分光膜的结构如图3所示、入射介质与出射介质材料均为BK7、为了保证膜层牢固并且易于实现、采用Ta2O5为高折射率材料(H)、SiO2为低折射率材料(L)、入射膜层的角度为45°。

图3 偏振分光膜膜层设计图

高折射率材料与低折射率材料交叉分布、设每层膜对应的特征矩阵有

(1)

式中、δk表示膜层的相位厚度、ηk表示膜层对应的等效折射率。

(2)

其中、φk为折射角、可通过折射定律计算。而对于p光和s光的导纳ηk分别为

(3)

式中、nk为第k层的折射率、K为吸收系数。

由此再对每层迭代边界条件、即可获得整个膜系对应的特征矩阵

(4)

则膜层反射率有

(5)

式中、η0为入射介质的等效导纳。由此可以分别求解Rs和Rp、则当选定光学厚度、入射波长范围(1 530～1 560 nm)后、将高通透的约束条件(Rp<0.15%,Rs>99.5%)代入软件通过极值法获得最优的膜系结构、最终膜系设计结果为G/0.366169H0.534198L0.391896H0.523233L0.388231H0.535169L0.410148H0.57423L0.432422H0.586212L0.424452H1.223388L0.856005H1.109133L0.82808H1.232393L1.054397H1.658031L1.397675H1.927908L1.343631H1.692868L1.209329H1.62525L1.288899H1.967355L1.423112H1.631698L1.186828H1.625049L1.53454H2.074044L1.295318HLHLHLHLH/A、基于此的偏振分光仿真曲线如图4所示。

图4 偏振分光膜的偏振光透射仿真曲线

由图4可知、分束棱镜在1 530～1 560 nm范围(设计调制波长范围)内、稳定地满足反射s光、通透p光的特性、能量保留率优于99.8%、相比传统分束膜2%左右的误差精度提高了约一个数量级。

3 膜系光谱特性实验

经基片减薄、透镜抛光、划片后、采用镀膜机完成以上窄带滤光膜和偏振分光膜的蒸镀、并对该膜进行光谱测定、采用Agilent型光波测量仪对窄带滤光膜与偏振分光膜的带宽、增益平坦度以及分束后偏振光能量损耗进行了测试与分析。窄带滤光膜的实际光谱测试曲线如图5所示。

图5 窄带滤光膜的实测光谱曲线

由实测数据可知、该光谱带通区域为1 547.201 4～1 547.613 6 nm、半宽处带宽约为0.4 nm、增益平坦度小于-0.05 dB、略低于仿真设计值-0.02 dB、仍优于设计要求-0.1 dB。滤光窗口内的曲线平滑、仅在窗口区域以外存在部分噪声、且噪声峰值均在-35 dB以下、基本不影响应用、与仿真设计的光谱分布范围、带宽及均匀性基本一致、符合使用要求。

同理对偏振分光膜进行实测光谱分析、得到图6。

图6 偏振分光透射光强实测数据分布

如图6中p光和s光的光强透射数据分布可以看出、在初始设计的1 530～1 560 nm范围内、p光的透射能力优于99.6%、虽然略低于仿真结果99.8%、但仍比传统偏振分束器件具有更好的光强保留特性、而s光的截止能力也是如此、在该波长范围的整体平均透过率约为0.075%、明显优于设计要求的0.15%。

4 结 论

设计制造了一种新型小尺寸窄带偏振分光器、并将其应用于波分复用技术、从而达到对现有的数据通信网络进行扩容以及提高光信号的信噪比的目的。制作该器件需要完成两层重要膜层的蒸镀、分别给出了窄带滤光膜和偏振分光器设计方法及参数、通过仿真模拟了其透射光谱效果。最后实验结果显示窄带滤光膜的带宽为0.4 nm、偏振分光器的p光透过率为99.6%。两项标准验证了该器件的可行性、实现在调制波长范围不变的条件下增大波分复用的数据通道总量、并且提高了光信号的信噪比。

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[2] LIU Dong-mei,WANG Xiao-juan,FU Xiu-hua(刘冬梅,王晓娟,付秀华). Acta Photonica Sinica(光子学报),2014,43(1): 0131002.

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[7] YUE Wei,WU Shu-ming,HAN Long(岳 威,武淑明,韩 隆). Laser & Infrared(激光与红外)、2014,44(2): 192.

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[10] Wada D,Murayama H,Igawa H. Smart Materials and Structures、2011,20(8): 085028.

*Corresponding author

Research and Application of Narrowband Polarizing Beam Splitter in the Optical Fiber Communication

LI Mei-xuan1,2,DONG Lian-he1*,ZHANG Lei3,LENG Yan-bing1

1. Changchun University of Science and Technology,Changchun 130000,China 2. College of Optical and Electronical Information,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130000,China 3. Traffic Planning and Design Institute of Jilin Province、Changchun 130000,China

In fiber-optic communications,in order to achieve more data channels in the wavelength division multiplexing (WDM) system without changing the modulation wavelength range,a new type of small-sized narrowband polarizing beam splitter was designed. It can be used for data communication network expansion and improve the Signal to Noise Ratio (SNR) of the optical signal. Two kinds new film system designed were deposited on the polarizing beam splitter. One layer is narrowband filter film,while the other layer is polarizing beam splitter film. TFCalc software was used for simulation analysis,and the results shown that the bandwidth of the narrowband filter film was about 0.4 nm,and the permeability of p light from the polarizing beam splitter film was better than 99.8% in the range of 1 530～1 560 nm. Based on the above film system design,two groups film system was made on BK7 optical glass. In the experiment,light through film was spectral analysis with Agilent 8164-A type optical measuring instrument. Experimental results show that the actual bandwidth of the narrowband filter film is better than 0.4 nm,gain flatness is not less than -0.05 dB. It has a narrower bandwidth compared to the existing common 0.8 nm filter film,and it can be realized to increase the amount of data channels in the wavelength division multiplexing system with the same modulation wavelength range. Actual transmittance of p light was 99.6% through polarizing filter film,and it’s slightly lower than the simulated values,but it remains better than the design requirements. Compared to conventional polarizing beam splitter,its optical signal was stronger,and it has a higher SNR. In summary,the polarizing beam splitter has better application value and practical significance.

Optical fiber communication; Film system design; Narrowband filter film; Polarizing beam splitter

Jan. 13,2016; accepted Apr. 27,2016)

2016-01-13、

2016-04-27

国家自然科学基金项目(60637010)、吉林省教育厅“十二五”科学技术研究规划项目(吉教科[2014]B060)资助

李美萱、女、1984年生、长春理工大学博士研究生 e-mail：limeixuannuc@163.com *通讯联系人 e-mail：custdong@126.com

TN929

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)12-4072-04