張阜文
電子科技大學(xué)寬帶光纖傳輸與通信系統(tǒng)技術(shù)國家重點實驗室
摘 要：全光器件是當今光纖通信技術(shù)中的研究熱點，本文就實現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件及技術(shù)，包括光開關(guān)、可調(diào)式激光器、可調(diào)式濾波器及光纖傳感技術(shù)，特別是光纖熔錐器件及其技術(shù)作了詳細的闡述，同時指出了今后發(fā)展的方向和趨勢。
光纖通信正朝著密集波分復(fù)用DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）結(jié)合光放大器OA（Optical Amplifier）的高性能、大容量、靈活的全光網(wǎng)絡(luò)AON（All Optical Network）發(fā)展。AON是以光纖為基本傳播媒質(zhì)，采用WDM技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量，以波長路由分配（RAW, Routing and Assignment of Wavelength）為基礎(chǔ)，在光節(jié)點采用光/分插復(fù)用（OADM，Optical Add-Drop Multiplexing）和光交叉連接（OXC，Optical Cross-Connect）技術(shù)來提高吞吐量，從而使得光網(wǎng)絡(luò)具有高度靈活性和生存性。由于WDM的技術(shù)的不斷發(fā)展，提高了光互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)滿足不斷增長帶寬需求的能力，特別是未來的太比特率通信網(wǎng)只有使用光子交換技術(shù)才能滿足網(wǎng)絡(luò)容量的要求，這要依賴于合理成本下的可重構(gòu)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及結(jié)構(gòu)簡單的用于復(fù)用和交換的光器件不斷走向?qū)嵱没?
AON的實現(xiàn)依賴于光器件和系統(tǒng)的發(fā)展，尤其是以DWDM為基礎(chǔ)的全光網(wǎng)絡(luò)引入交叉連接和分/插復(fù)用等一些全新的技術(shù)，這些功能的實現(xiàn)很大程度上取決于新型關(guān)鍵器件的開發(fā)和研制。同時，一種新技術(shù)或新型器件可使整個系統(tǒng)的性能大大改善，有時會推翻整個舊系統(tǒng)，因此許多公司或科研單位都投入較大的力量開發(fā)AON和WDM中的新技術(shù)和新型的光器件，其中包括集成開關(guān)矩陣、濾波器、波長變換器、新型光纖、OADM和OXC等關(guān)鍵器件，還要重點解決高速光傳輸、復(fù)用器、高性能的探測器和可調(diào)激光器陣列以及集成陣列波導(dǎo)器件等關(guān)鍵器件，這些光器件與光纖一起構(gòu)成了全光網(wǎng)絡(luò)的物質(zhì)基礎(chǔ)。由于對機械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性要求的不斷提高，人們希望利用全光纖器件來組成光路，這是因為：一方面，信號被限制在纖芯范圍內(nèi)傳輸，從而提高了穩(wěn)定性；另一個原因則是單模光纖具有非常低的散射和本征損耗，因此，上述因素在全光纖器件的設(shè)計和開發(fā)過程中扮演了決定性的角色，使得部分全光纖器件的性能已遠遠超過了材料光學(xué)組件和集成光學(xué)器件。
1.實現(xiàn)全光網(wǎng)的關(guān)鍵器件
目前為止全光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備還未完全進入商用化的階段，究其原因主要是：一方面網(wǎng)絡(luò)傳輸標準的發(fā)展未完善，另一方面則是由于光器件的技術(shù)發(fā)展也還待突破。從器件的角度來看，未來光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵器件包含了光開關(guān)、波分復(fù)用器、分插復(fù)用器、光交叉連接設(shè)備、可調(diào)式激光和可調(diào)式濾波器等。
光開關(guān)是新一代全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件，主要應(yīng)用在光交換設(shè)備中，實現(xiàn)全光層次的路由選擇、波長選擇、光交叉連接、自愈保護等功能。在目前也是一個相當熱門的研究領(lǐng)域。在實現(xiàn)光開關(guān)的眾多技術(shù)之中，MEMS（Micro-electromechanical system）技術(shù)由于可在極小的晶片上排列大規(guī)模機械矩陣，解決了OXC發(fā)展中容量限制瓶頸的一大問題，同時在技術(shù)不斷改進之后，MEMS開關(guān)的回應(yīng)速度和可靠性也將大大提升。因此，從目前的情況來看，利用MEMS設(shè)計的OXC，極有可能成為今后OXC的主要發(fā)展方向。
采用可調(diào)式激光源，就可以1個激光器取代多個固定波長的激光器，同時備用品總共也只需要3至5個即可，大大的降低了系統(tǒng)成本。能實現(xiàn)可調(diào)式的激光源主要有3種，即超周期結(jié)構(gòu)光柵形DBR激光器、取樣光柵耦合型反射式激光器和取樣光柵DBR（Distributed Bragg Reflector）激光器。如圖2所示，為一種基于布拉格反射系統(tǒng)的可調(diào)式激光源。它們的CW（Continuous Wave）調(diào)諧范圍都大于40nm，最大可達100nm。可調(diào)式激光技術(shù)目前發(fā)展并不成熟，大部分產(chǎn)品都處在實驗室階段或試用初期，它在未來光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在動態(tài)波長分配，通過可調(diào)激光以及可調(diào)濾波器等器件，實現(xiàn)基于波長的通道分配。對于小于16個節(jié)點的光網(wǎng)路，利用可調(diào)激光器可以提供簡單可靠的光網(wǎng)絡(luò)方案，而更大的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可同時結(jié)合OXC器件。另外，利用可調(diào)式激光源，可實現(xiàn)光譜分析系統(tǒng)。目前，日本的Santec公司開發(fā)出了基于可調(diào)激光器的光譜分析掃描系統(tǒng)，能在2.5秒時間內(nèi)完成40nm寬度的掃描，并且激光波長的精確控制可以達到1 picometer的測量分辨率。
可調(diào)式濾波器的發(fā)展對于推動全光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)扮演著決定性的角色，而發(fā)展全光網(wǎng)絡(luò)的一個先決條件是必須做到光層面的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與管理，以目前的技術(shù)而言，若要對光信號做監(jiān)控，必須先將光信號取樣后，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，才能做下一步的信號監(jiān)控或路由控制。然而，這種方式不但所需的設(shè)備昂貴，且線路復(fù)雜、管理不易，隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的快速增加，顯然是沒有經(jīng)濟效益的。利用可調(diào)式濾波器為基礎(chǔ)的光纖監(jiān)控和管理，則不須針對每一個波長分別設(shè)置光電轉(zhuǎn)換及監(jiān)測設(shè)備，只需要透過可調(diào)式濾波器，將要處理的波長篩選出來即可，因此可大大簡化光纖監(jiān)管系統(tǒng)的架構(gòu)。特別是對于傳統(tǒng)的可調(diào)式OADM必須用波分復(fù)用器將所有波長分別獨立，再通過電路控制選擇要下載的波長，如果用可調(diào)式濾波器來取代波分復(fù)用器，則不須將個別波長分別獨立，只要使用一個可調(diào)式濾波器將要下載的波長篩選出來即可完成。
由于技術(shù)尚未完全成熟，可調(diào)式濾波器的價格目前仍然相當昂貴，這是還無法商用化的原因。目前最被看好的技術(shù)是聲光可調(diào)濾波器AOTF，（Acousto-Optic Tunable Filter），如圖3所示。其原理是將聲波信號加于光的傳播介質(zhì)，使光在特定的正交方向產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，此時使用偏振器即可從入射光束（主信號）中分離出一個或多個波長的光信號。當需一次取出多個波長的光信號，可重復(fù)使用多個AOTF，以獲得各個所需波長的光信號。除AOTF之外，其他的技術(shù)還包含微機械式（MEMS）、陣列波導(dǎo)式（Array Wave－guide Grating）及布拉格光纖光柵式（，F(xiàn)iber Bragg Grating）等，這些技術(shù)與OADM或OXC的結(jié)合，使得全光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的強大功能完全發(fā)揮出來。
另外，光纖傳感技術(shù)的進一步發(fā)展也與光器件的發(fā)展密不可分。光纖傳感是以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界被測信號的新型傳感技術(shù)，在某些方面的應(yīng)用優(yōu)勢是傳統(tǒng)的傳感器所無法比擬的。光纖傳感實際上就是把外界信號按照其變化規(guī)律對光纖中的光波的物理特征參數(shù)，如強度（功率）、波長、頻率、相位和偏振態(tài)進行調(diào)制，然后通過解調(diào)后進行數(shù)據(jù)處理。因此，光纖傳感和信號處理的基礎(chǔ)是光纖本身以及由其制造成的各種全光纖器件，如光纖熔錐耦合器、光纖延遲線、光纖馬赫－增德爾（Mach-Zehnder）光纖干涉儀、邁克爾遜（Michlson）干涉儀、光纖法布里－珀羅（Fabry-Perot）干涉腔、薩格奈克干涉儀和光纖陀螺儀等，同時光纖傳感技術(shù)也正在向時分復(fù)用、波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)的方向發(fā)展。
總之，光器件作為光纖通信設(shè)備的重要組成部分，也是光纖傳感和其它光纖應(yīng)用領(lǐng)域不可缺少的器件，因此，其重要性變得日益突出。世界上許多的研究機構(gòu)和光通信公司都投入巨大的人力和物力開發(fā)光器件并建立相關(guān)的產(chǎn)業(yè)，這必將推動如OXC、OADM及光纖監(jiān)視管理系統(tǒng)等設(shè)備的廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)高效率、高彈性的全光網(wǎng)將不再是遙遠的夢想。國際標準化組織已經(jīng)或正在制定光器件的各種技術(shù)標準，因此，努力研制和開發(fā)新的光器件也是我國光通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點。
2.光纖熔錐器件
熔錐型光纖器件是全光器件中最具代表性的也是構(gòu)成其它器件的一種基礎(chǔ)器件，在光纖通信中得到了廣泛的使用，這是因為它具有以下特點：(1)極低的附加損耗。目前，利用熔錐法制作的標準X(或Y)型耦合器的附加損耗已低于0.05dB，這是其他方法所難以達到的。(2)方向性好。這類器件的方向性指標一般都超過60dB，保證了傳輸信號的定向性，并極大地減少了線路之間的串擾。(3)良好的環(huán)境穩(wěn)定性。在經(jīng)過適當保護后，受環(huán)境條件的影響可以限制到很小的程度。(4)控制方法簡單、靈活�？梢苑奖愕馗淖兤骷男阅軈�(shù)。(5)制作成本低廉、適于批量生產(chǎn)。
自1985年起，許多專家利用熔錐拉錐法對兩根單模光纖進行處理，使一根光纖內(nèi)的一部分光耦合到另一根光纖中來實現(xiàn)特定分光比，成為光纖熔錐耦合器。熔錐型耦合器是先將兩根光纖稍微扭絞一下，然后加熱，最后拉細成型。在加熱時，幾種熱源均可采用，其中包括微型加熱器，不過火焰噴燈看來是最好的。在實際的操作過程中，要對耦合比進行監(jiān)控，并通過控制拉絲過程來進行調(diào)節(jié)。由于熔合區(qū)的纖芯的面積已經(jīng)小到了無法維持各自導(dǎo)模的程度，因而熔融區(qū)（耦合腰）就成為一個新的合成波導(dǎo)，信號也就被耦合成這一波導(dǎo)的兩個基模（也稱最低次模）--對稱模和不對稱模，這兩個模（與纖芯模式不同）之間的漲落導(dǎo)致了能量的轉(zhuǎn)移，由于耦合腰周圍外部介質(zhì)的折射率會影響相互作用模的相對相速度，因而也會影響耦合比。此外，熔錐型耦合器的光學(xué)特性對熔合區(qū)的橫截面的形狀是高度敏感的，特別是當采用啞鈴形的熔合區(qū)橫截面時，就可以顯著減小對折射率的依賴，而對于相同面積的矩形或橢圓截面則正好相反。在加工過程中，通過調(diào)整光纖的熔合程度就可以控制截面的形狀，從而也就控制了器件的溫度靈敏度。
另外，利用光纖熔錐技術(shù)，還可實現(xiàn)熔融型混合光纖器件。它是由兩種或兩種以上不同的光纖熔融而成的器件，具有鮮明的特點，能滿足一些特殊的要求。例如，用兩種不同的光纖開發(fā)新型的980/1550nm波分復(fù)用器[5]，可以降低SMF28和PureMode HI980光纖間的熔接損耗，從而降低EDFA的信噪比，但這種器件的生產(chǎn)工藝有待于進一步的研究；并且，利用保偏光纖和常規(guī)單模光纖的熔融拉錐，可以避免利用兩根保偏光纖所需的嚴格角向定位所帶來的工藝上復(fù)雜性，可研制成用于監(jiān)視偏振光光功率的抽頭（Tap）器件；還有，利用無芯光纖和各種常規(guī)光纖熔融技術(shù)，也是一個很好的研究方向，它可以改變原常規(guī)光纖的導(dǎo)波特性，開發(fā)新型的寬帶混合器/分路器、新型長周期光纖光柵和衰減器等。而對于熔融型光纖混合器/分路器，從工作帶寬來分，大致又可分為三大類：即單窗口窄帶混合器/分路器，其工作帶寬為±10nm；單窗口寬帶混合器/分路器，其工作帶寬為±40nm；雙窗口的工作波長為1310±40nm和1550±40nm。對于熔融型光纖寬帶波分復(fù)用器，目前的產(chǎn)品種類也比較單一，主要有1310/1550nm波分復(fù)用器和用于摻鉺光纖放大器的980/1550nm和1480/1550nm二種合波器。
就目前來看，熔融型光纖器件及其技術(shù)的發(fā)展趨勢和方向主要集中在：(1)對器件插入損耗的平坦度要求越來越高，最終希望具有波長無關(guān)的光混合器/分路器，這對設(shè)計一般的光模塊和摻鉺光纖放大器具有重要意義，同時可以在波長極度平坦（零耦合器上）做更進一步的工作。（2）對器件的偏振靈敏度的要求也越來越高。盡管目前標準產(chǎn)品的偏振靈敏度在0.1dB左右，但很多用戶需要小于0.05dB或0.03dB甚至更低的偏振靈敏度的器件。（3）在工作帶寬方面，對其要求也越來越寬，從最初的窄帶工作，到單窗口寬帶，再到雙窗口寬帶工作。隨著光城域網(wǎng)、局域網(wǎng)和無源光網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了需要全波段工作器件的趨勢。也就是說對混合器/分路器而言，工作波長需從1260nm到1650nm，這就是所謂的全波混合器/分路器（All wave Mixture/Splitter）。特別是在1998年，朗訊技術(shù)Mike Pearsall等四位專家成功地開發(fā)出全波光纖（All wave Fiber）以來,研發(fā)全波混合器/分路器也已成為當務(wù)之急。因為有全波光纖，沒有全波器件，還是不可能最終實現(xiàn)全波系統(tǒng)。（4）在功率方面，從最初地300mW已經(jīng)過渡到500mW，目前在一些特殊的應(yīng)用場合需要1000mW，相信這種器件在拉曼光放大系統(tǒng)和超高可靠性的摻鉺光纖放大器模塊中具有更重要的應(yīng)用價值。因此，為實現(xiàn)高功率工作要求，首先要進一步降低器件的附加損耗，其次必須提高光纖的橫向熔融程度。（5）對器件的可靠性的要求也是越來越高。
熔融拉錐工藝經(jīng)過了二十多年的不斷提高和發(fā)展，已經(jīng)成為一門對光器件的開發(fā)具有舉足輕重的技術(shù)――熔融型全光纖器件技術(shù)。從理論上講，除了光非互易器件以外，它可以開發(fā)所有其它各類器件。到目前為止，它可以生產(chǎn)各類混合器/分路器、衰減器、寬帶/窄帶/甚至密集波分復(fù)用器和全光纖Interleaver，另外還有基于熔融光纖技術(shù)的光調(diào)衰減器、光開關(guān)、光纖光柵、OADM、全光纖濾波器和頻移器等。同時，器件的高集成度、高可靠性、小的體積和工藝的穩(wěn)定性等方面仍是下一步研究的目標。
3.光器件的發(fā)展及趨勢
在各種光器件中，作為光纖通信和光纖傳感系統(tǒng)中的重要組成部分的全光纖器件已經(jīng)取得了長足的進步，并具有了一定的規(guī)模。同時，光纖通信的發(fā)展呼喚著功能更全、指標更先進的光器件不斷涌現(xiàn)，因為一種新型器件的出現(xiàn)往往會有力地促進光纖通信的進步，甚至使其躍上一個新的臺階。但是，光器件的制作工藝又特別復(fù)雜，涉及許多不同的工藝技術(shù)，而每一種光器件的制作工藝又各不相同，自成體系，這些工藝技術(shù)主要涉及到機械加工、成型工藝、精密光學(xué)加工、激光加工、以及材料加工和半導(dǎo)體工藝等工藝技術(shù)，器件的優(yōu)劣、性能指標的好壞都與工藝技術(shù)密切相關(guān)。因此，尋求更新更先進的工藝技術(shù)是發(fā)展光器件的重要課題，也是推動光纖通信事業(yè)向前發(fā)展的關(guān)鍵之一。而制作光器件的另外一個重要方面是光學(xué)材料。在光纖通信的自身不斷發(fā)展的同時，也推動著光學(xué)材料的向前發(fā)展，光子晶體和聚合物光器件的發(fā)展就是光學(xué)材料發(fā)展的有力例證。最后，光器件的發(fā)展過程可歸結(jié)于以下幾條主線：（1）纖維光學(xué)和集成光學(xué)共同發(fā)展，互為補充。（2）分離器件和集成化器件將長期共存，但發(fā)展趨勢是集成化。（3）光波導(dǎo)理論和電磁波理論是構(gòu)成光無源器件的理論基礎(chǔ)。（4）高、精、尖的加工技術(shù)是光器件的基本保證。要發(fā)展光器件，必須加強工藝技術(shù)的提高。（5）尋找新的光器件所需的新型光學(xué)材料。橢圓截面則正好相反。在加工過程中，通過調(diào)整光纖的熔合程度就可以控制截面的形狀，從而也就控制了器件的溫度靈敏度。
