光波导技术

光波导技术（精选九篇）

光波导技术 篇1

伴随着光通信的发展, 在金融危机影响下的亚太地区正成为全球光通信市场中最活跃的一部分, 目前所面临的问题主要有: (1) 运营商投资重心从SONET/SDH转移到WDM的趋势将会持续高涨; (2) 3G网络正式商用化带动了移动与固网宽带市场新旧技术的转换; (3) 受市场驱动和政策面的影响, 光纤到户 (Fiber to the Home, FT-TH) 更加深入市场; (4) 系统设备商们将持续兼并收购, 以实现技术优势和资源整合。

基于PLC技术开发的光器件在光网络的组网中占据重要地位。波分复用 (Waveguide Division Multiplexing, WDM) 系统是当前最常见的光层组网技术, 它通过复用/解复用器实现多路信号传输。早期的WDM系统并没有实现真正意义上的光层组网, 难以满足业务网络IP化和分组化的要求, 这种情况直到可重构光分插复用器 (Reconfigurable Optical Add Drop Multiple xe r, ROADM) 的出现才得以改善。平面光波导ROADM是近年来广泛采用的ROADM子系统之一。PLC的ROADM上下路通道是彩色光, 这意味着只有预定义的彩色波长可以在每个端口上下, 也可以配合可调滤波器和可调激光器使用。由于PLC的集成特性, 使其成为低成本的ROADM解决方案之一。目前的光波导, 一般都是以玻璃、Li NbO3、GaAs单晶等做衬底, 再用扩散或外延技术制成的。PLC可以集成多种器件, 例如:韩国的Byung Sup Rho等人用PLC研制的WDM双向模块[1], 我国的浙江大学也研制出一种利用PLC的高集成化的PMD补偿器[2,3]。

2 AWG的结构及其工艺简介

阵列波导光栅 (Arrayed Waveguide Grating, AWG) 是第一个将PLC技术商品化的元器件。它是基于干涉原理形成的波分复用器件, 通过集成的AWG可以实现波长复用和解复用, 这种技术已被用于WDM系统中。目前平面波导型WDM器件有多种实现方案, 其做法为在硅晶圆上沉积二氧化硅膜层, 再利用光刻工艺 (Photolithography) 及反应式离子蚀刻法 (RIE) 制作出AWG。该类器件通路数大、紧凑、易于批量生产, 但带内频响尚不够平坦。由于AWG采用与一般半导体相同的制作过程, 多通道数与低通道数的制作成本相差不多, 但更适合生产, 而且整合度较高, 因此应用在DWDM上具有相当的潜力。北美市场在2008年初呈现活跃状态, 比如:美国加州的PLC设备供应商ANDevices在一月份签订协议, 提供价值$13.5百万的产品给FTTH发展商Enable nce Te chnologie s Inc[4]。在我国, 以PLC技术支持的光器件在光电子器件中占有很大份额, 光电子器件从芯片、封装和模块这三方面关键技术来看, 芯片、封装2.5Gb/s有大批量生产能力, 模块10Gb/s正在形成大规模生产能力, 这跟发达国家相比还有一定差距, 我国的企业家们也正致力于开发低成本、高质量的完整产业链, 用以生产包括PLC技术在内的光电子产品[5]。

3 AWG应用现状及未来发展趋势

支持者们一直认为PLC有更广阔的应用前景, 特别是在晶圆上集成多种功能和大规模生产低成本器件方面。在光通信产业仍处于困境之时, 器件制造商们认为刚刚萌芽的FTTH市场会带来光器件的大规模应用, 这可以帮助他们恢复增长。这个观点在许多PLC技术的支持者中非常流行, 他们认为潜在的大规模应用是一个强劲动力。“一旦掌握了PLC的结构和工艺, 就可以大规模、低成本地制造非常复杂的器件”。因为亚洲是最具竞争力的FTTH市场, 该地区的元器件供应商对PLC的应用很感兴趣。Gemfire总裁和首席执行官Richard Tom pane认为PLC在FTTH系统中扮演着重要角色。另外, 单片集成的方向不是最好的选择, 除非被市场的大规模需求推动。混合集成可以将一系列非常复杂的功能集成为智能PLC模块。Tompane还预测将来PLC光子系统将设计得和现在的线路插卡一样。

用户的带宽需求驱动FTTH的发展, 而FTTH的发展又为新的网络业务提供良好的平台, 网络信息流量迅速增长, 促进城域网和接入网大发展。2008年10月, 由咨询公司Pw C会计事务所发表的一份研究报告表明, 美国电信网络高带宽, 光纤到家庭和光纤到企业最后一公里的更新将在短期内提供大量的环境效益。FTTH委员会总裁Joe Savage声称, “对于电信运营商而言, 这意味着FTTH的这次升级不仅是一个良好的商业命题, 也是一条走向绿化的很好的道路。”该报告声称“随着未来低碳经济和提高环境管理的设想, 光纤到户解决方案是一个重要的可持续利用的网络‘司机’常用的‘钥匙’”。在我国, 对于FTTH的使用目前仅限于一些宾馆和高档住宅小区, 比如, 2004年中国电信铺设在武汉铺设的紫松花园, 大规模的部署尚需时日。本着光进铜退的发展战略, 2009年2月18日国务院召开第50次常务会议, 审议并原则通过“电子信息产业调整振兴规划”, 同时国家要求通过推进农村信息化建设拉动内需, 这些都从政策上促进了FTTH市场的发展。预计2009年FTTH的建设规模会比2008年翻一番, EPON仍然会是FTTH建设的主流技术。GPON也将在一些省市进行一定规模的试验和部署。

4 结论

基于PLC技术的光器件生产链可分为三个主要环节:PLC芯片、光纤阵列和器件封装。对PLC芯片而言, AWG芯片主要以硅基二氧化硅光波导制作。AWG的制作材料除SiO2/Si外, InGaAs P/InP和Polymer/Si也常被采用。InGaAs P/InP系的AWG被看好的原因在于它尺寸小并能与InP基有源与无源光子器件及InP基微电子回路集成在同一基片上。目前国内已有两条硅基二氧化硅光波导工艺线, 分别属于中科院北京半导体研究所和武汉光讯公司, 后者的工艺线已经正常运转, 对国内科研院所提供了一些研究用途的PLC芯片代工服务, 而其自主设计的AWG芯片也正在商品化过程中。但是, 由于开发AWG芯片需要大规模的设备投资, 而国外市场对可靠性的要求较高, 因此除少数公司已经将产品推向国际市场, 多数国内厂商在PLC项目上还比较保守, 仅仅停留在技术储备阶段, 如收集相关技术资料, 了解设备和原材料渠道等。到目前为止, 国内企业尚无产品化的AWG芯片推出, 均为进口芯片进行封装。整体来说, 国内PLC产业尚处于起步阶段。国外主要的AWG器件供应商有NTT Ele ctronics、Hitachi Cable、Ne oPhotonics、Ignis Photonyx、Avane x等公司。

参考文献

[1]Byung Sup Rho, Sung Hwan Hwang etl.“A bidirectional mod-ule integrated on a planar lightwave circuit with a coated WDM fil-ter”, J.Micromech.Microeng, January2008.

[2]王斌, 王磊等, “一种基于平面光波导线路的PMD补偿器的性能分析”, 浙江大学学报 (工学版) , 40卷第1期, 63-66, 2006.

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[4]International Business Times, Tuesday, 29January2008.

光波导陀螺谐振腔谐振特性研究 篇2

光波导陀螺谐振腔谐振特性研究

光波导陀螺谐振腔特性是光波导陀螺谐振腔设计和制备中的关键因素.从多光束干涉的基本原理出发,推导了集成光波导陀螺谐振腔一般谐振过程中,谐振环光强和输出光强表达式.确定了谐振条件和最佳匹配条件,分析了谐振腔的谐振特性.推导了最佳匹配条件以及非最佳匹配条件下,谐振腔内光强幅值表达式,并研究了两种情况下光强幅值的相互关系.

作 者：张彤 张晓阳 季春玲 崔一平ZHANG Tong ZHANG Xiao-yang JI Chun-ling CUI Yi-ping 作者单位：东南大学电子科学与工程学院,南京,210096刊 名：传感技术学报 ISTIC PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS年，卷(期)：19(6)分类号：V2关键词：光波导陀螺 谐振特性 多光束干涉 最佳匹配条件

光波导技术 篇3

提出并设计一种高速测量光波导功分器插入损耗的新方法，试制了相应的测试系统，对平行密排的功分器输出尾纤的出射功率实现连续扫描测试，并实时判断测试数据的可靠性。显著效果有两个；一个是测试速度快，将常规方法所需的5～10 min缩短到了18 s左右；另一个是在高速测试的同时确保测试数据的可信性，系统后台导入了智能判错程序，可以对误测操作实时报警和究源。针对生产现场的小批量对比实验验证了该测量系统的稳定性和实用性，显示了该成果的重要应用价值。

关键词：

光波导器件技术； 光波导功分器； 插入损耗测试； 高速测试技术； 可靠性测试

中图分类号： TH 741文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.04.013

Abstract：

We put forward and designed a kind of high speed method for measuring insertion loss of optical waveguide power splitter.We built a test system to scan the output power of parallel tail fiber of the splitters and judge the reliability of the test data in real time.There are two significant characteristics.One is the test speed.The proposed system shortens the time to 18 s comparing to conventional method of 5 ～ 10 min.The other one is to ensure the credibility of the test data.The system imports intelligent sentence wrong procedure.The measurement errors can real-time alarm and investigate the original operation.Production of small batch ratio on the characteristics of the measurement system is verified by the experiments and results，which show the important application value.

Keywords：

technology of optical waveguide devices； optical waveguide power splitter； test of insert loss； high speed testing technique； reliability testing

引言

光纤通信是现代通信网络中的主流技术[1]，在光通信网络中，光波导功分器被大量用来实现光路的连接、光信号功率分配以及各器件之间的耦合控制等，特别是在用户接入网中，光波导功分器已成为核心无源光器件[2-7]

。光波导功分器的插入损耗是器件评价的一个重要指标，测量光波导功分器插入损耗的现行方法有两种，一种是直接测量[8-9]，光波导功分器的输出尾纤预先做好插拔接口头，所有尾纤依次插入光功率计测试输出功率，这种方法的特点是数据可靠，问题是速度很慢，测试成本高。另一种方法是光路插入式测量[10]，在该测试回路中，光源的输出端以及光功率计的输入端分别预先固定连接了过渡光纤，过渡光纤的自由端制备了插拔式法兰，光波导功分器的尾纤通过插拔式法兰与光源以及光功率计连接。这种方法免去了光波导功分器输出尾纤插拔接口头的制作，减少了一道工序成本，但测试速度依然很慢。

为了解决上述工业现场器件评价速度慢、测试成本高的问题，开发了一种高速测量光波导功分器插入损耗的方法及其测量系统。1×8光波导功分器的4波长插损测试的实验结果表明，与上述现行方法费时5～10 min相比，本测试系统的费时大幅减至18s左右。同时，为了确保高速操作过程中的测试数据可靠性，本测试系统导入了后台智能判错程序，可以对误测操作实时报警和究源，显著提升了现场批量测试的数据可信度。

1测试结构和基本要素分析

测试系统的基本结构如图1所示，1×N（N=4、8、16、32、64等）光波导功分器由光波导1×N分支耦合芯片分别与输入端1路单模光纤列阵以及输出端N路单模光纤列阵对接耦合后，固化构成。光波由输入端输入，经N路均分功率后，从N根尾纤出射。单模裸光纤的外径是125 μm，输出尾纤的出射端镜面切割后在同一平面上并行紧靠排列，相邻光纤的芯间距约为127 μm。接收器由一根狭缝连同功率计探头构成，狭缝用于选择透光范围。功率计探头连同狭缝挡板固定在导轨滑块上，经电脑控制步进驱动，可沿平行于尾纤排列的方向快速移动连续探测，测量数据送入电脑分析，完成N根尾纤出射光功率的分别测试。光源含多个切换波长，可根据电脑指令选择。

如图2所示，狭缝宽度固定为5 μm，与之对应的导轨移动步长也是5 μm，狭缝沿y方位移动一个步长，测试一个透过光功率数据，通过连续的扫描测试及其数据分析，分别测得每根输出尾纤的出射光功率。系统测试结构的设计有三个基本要素，一是完成单根输出尾纤光功率测试所对应的狭缝移动扫描的累计宽度Wa，二是狭缝与光纤出射端面的间距，三是测试数据的可靠性判据。狭缝扫描累计宽度Wa用于确保单根被测光纤输出功率的选择性测试，在数据处理中，狭缝扫描一个累计宽度被看成是完成了一个测试点的移动，一个累计宽度内测得的光功率的累计值被规定为一个测试点的测量值；狭缝与光纤出射端面的间距要避免在探测面上出现相邻光纤出射光斑的窜扰重叠。考虑到仪器用于工业现场的大批量器件测试，每个器件的输出尾纤的并行紧靠排列和空间定位由人工操作完成，难免出现空间定位偏离设计工作点的情况，由仪器后台执行的可靠性判断和误测报警是不可忽缺的环节。

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单模光纤的基模出射光可以用高斯光束近似，图2示意了芯间距为127 μm并行排列的输出尾纤（显示局部）的出射光束，以及测试结构。对于任一出射光束，以光纤端面的芯中心作为直角坐标原点，z=0处的出射光束直径W0是束腰，距光纤端面z处平面上的光波归一化场分布为[11-13]

式中：k是波数；z是狭缝到端面的间距；W0是出射光束的束腰半径；R（z）是距离z距离处光斑半径。设一个狭缝扫描累计宽度Wa对应于a个移动步长，在间距z处穿过狭缝的归一化光波的累计光功率Pa由下式计算

显然，狭缝后设置的功率计在一个狭缝扫描累计宽度Wa内测得的归一化光功率Pa（数据上作为一个测试点的测得值）与Wa（或移动步数a）以及间距z相关。图3给出了Pa与单个测试点的移动步数a以及间距z的关联曲线，这里取光通信窗口的右端波长l=1 625 nm，对应的束腰W0=10 mm。若取一个狭缝扫描累计宽度Wa对应的移动步数在18

根据图2所示的几何关系，被测光纤两侧的两根紧邻光纤的出射光，在间距z处穿过一个狭缝扫描累计宽度Wa的归一化光波的窜扰光功率ΔPa计算式为

窜扰光功率ΔPa也与Wa（或移动步数a）以及间距z相关，图4给出了1 625 nm波长的ΔPa与移动步数a以及间距z的关联曲线。若取18

仪器工作时，输出尾纤列阵固定，功率计探头连同狭缝挡板沿图2所示的y方位快速连续移动，测得的光功率是移动位置y的函数。设出射光列阵由N根输出尾纤构成，第1根输出光纤的出射端面的芯中心为直角坐标原点，选狭缝扫描累计宽度Wa的中点作为一个测试点的空间位置坐标点，归一化测得功率可表示成

给出了a=22、l=1 625 nm、N=4情况下，z分别取500 μm、600 μm和800 μm时的测得功率的仿真计算曲线，可以看出，间距z取600 μm或小于600 μm时，可以如实地分别测得4根输出尾纤的归一化输出功率。若间距z大于600 μm（例如图中z=800 μm）时，由于狭缝扫描累计宽度Wa遮挡了部分光波，测得的数据将小于真实数据。图6是图5的局部放大，纵坐标以分贝为单位，用以仿真反映实测时的数据变动。间距z被设置成小于或等于600 μm时，Wa在测试点附近移动35 mm，测得功率的变动不大于0.03 dB；若间距z大于600 μm（例如取z=800 μm）时，同样的移动范围，功率数据变动达到0.13 dB以上。由此可见，对于有N根输出尾纤的器件的插入损耗的测试，数据可靠性的一个重要判断依据是测试曲线是否显示N段长达数十微米的平坦的测试窗口。否之，测得数据失真，可能的原因是间距设置过长。仪器现场工作时，间距z通过机械结构的靠位来确定，但由于输出尾纤的端面严禁碰擦，尾纤端面的定位操作会有±0.1 mm的误差，大批量测试时涉及人工频繁操作，机器后台采用这个判断依据，可以及时阻止误测数据过关。图7是与Wa对应的步数a变动时测得功率的仿真计算曲线，这里z=600 mm。步数a=25是一个临界值，一旦步数a大于25，来自于被测光纤两侧的光纤的出射光会构成明显的串扰，测得数据显示超出单根尾纤输出功率的原理值。这可以作为判断测试数据可靠性的另一个重要依据，由于Wa等于步数a乘上狭缝宽度，一旦步数a确定，机器后台可以用这个判据来鉴定仪器的狭缝设置是否正常。

2实验和结果

按上述图1的基本结构搭建了测试系统，光源含4个可切换波长，分别是1 310 nm、1 490 nm、1 550 nm以及1 625 nm，根据测试程序切换波长，由电脑指令。功率计选择大面积探头类型，直径是3 mm。导轨是高精度直线导轨，离轴漂移小于1 mm，最大行程是5 mm，由步进电机驱动。步进电机的驱动控制器通过RS232接口与计算机相连，可用软件编程进行控制。步进移动量的最小值由脉冲的分割数决定，最小分割数为1/1 000，对应的理论最小步长是0.05 mm。狭缝挡板用两片锋利刀片构成，宽度定位使用厚度为5±0.05 mm的工业标准薄片。程序规定的移动步长是5 mm，与狭缝扫描累计宽度Wa对应的步数a=22。尾纤列阵在专门的夹具台上密排布置和定位固定，夹具台配有直线导轨和间距定位装置，间距定位在500～600 mm之间。系统还配置视屏显示的显微系统，用以监查尾纤列阵的端面状况和空间位置。指令、数据读取、曲线分析、结果汇总和失真报警等操作由计算机担当，对连续测试数据实时做出可靠性判断后，通过测试窗口的特征分析得出每根尾纤输出的插入损耗。图8是系统关键部位的实物照片。

与狭缝扫描累计宽度Wa关联的移动步数a是测试系统的另一个基本要素，改变a的大小，得到的实测数据如图11所示，实验结果显示的变化倾向与图7的仿真分析基本一致。实物样品的相邻光纤之间的芯中心间距难免存在差异，实测曲线与仿真给出的理想曲线之间有一定的差别，例如a=25的临界情况，实测曲线显示不同程度的凹陷，这是因为实物样品的相邻光纤之间的芯中心间距较理论值略大所致。由实验结果可以看出，当a>25时，来自于相邻光纤的串扰变得明显，理论分析指出移动步数在18

本测试系统的一个显著特点是测试速度快，用1 310 nm、1 490 nm、1 550 nm和1 625 nm 4个波长测量一个1×8光波导功分器的所有通道的插入损耗所需的合计时间为18 s左右，而传统测量方法完成同样的工作需要5～10 min，大幅缩短了测量时间，提高了生产效率。采用本系统在生产现场对100个光波导功分器产品做了与传统方法的比对测量，没有出现误测情况，显示了本测试系统的可靠性。本测试系统根据前述的规律性分析导入了后台智能判错程序，测试过程中一旦出现错误曲线可以实时报警，并提示可能的出错原因，显著提升了测试数据的可信度。

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3结论

设计并试制出了一套新型的自动化测量光波导功分器插入损耗的系统，通过对系统各部分的协调控制，成功地对光波导功分器的插入损耗进行了测量，并且经过不断的实验和改进，最终实验证明了系统的可行性和可靠性，并且大大缩短了测试时间，对光波导功分器的推广起到了一定程度的促进作用，对于其他测量系统也具有一定的参考价值。

参考文献：

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光波导技术 篇4

高压输电线路绝缘子表面在外界污染条件下会产生积污,当积污达到一定程度时,在环境湿度增加等诱因影响下将引起污闪,严重威胁输电线路的安全运行。近年来,许多科研人员针对绝缘子污秽检测技术展开研究,目前常用方法包括等值盐密法[1]、泄漏电流法[2,3]、微波辐射测量法[4]、光学测量法[5,6,7]等。其中等值盐密法采用蒸馏水刷洗和电导率测量方式,测量精度和等价性受到用水量、污秽物提取部位、测量时机等诸多因素影响,且无法实现在线监测;泄漏电流法因测量量与局部电弧乃至污闪密切相关,研究成果最丰富,且有大量的应用,但也存在难以准确推导泄漏电流与等值盐密和灰密的关联关系,且在低湿度条件下准确性低等问题;微波辐射测量法容易受到背景辐射的影响;利用光纤监测污秽度是近年来发展起来的一种新技术,它通过测量积污光纤中光通量的衰减程度来间接测量等值盐密和灰密,具有不易受电磁干扰等优点,因此适于在超高压输电线路中应用。

本文探讨了基于光波导的污秽监测基本原理,阐述了监测装置总体设计方案和核心单元的设计过程。在详述了所进行的各类标定试验基础上,探讨了基于光功率衰减和湿度测量的等值盐密与灰密测算方案。

1 光波导监测污秽的原理

1.1 基于光波导的污秽监测原理

如图1(a)所示,将直径数毫米的高纯度石英棒裸露在空气中,形成一个以石英棒为纤芯、大气为包层的多模介质光波导。

当石英棒表面清洁时,一束射入该光波导且满足全反射条件的激光束,将主要采用传输模方式传播,模场主要能量被锁在纤芯内。由于光的波动性,即使在全反射情况下,光波也会进入大气包层一定深度,称为穿透深度xc,入射点与反射点之间会产生古斯汉欣线移2z,如图1(b)所示。

式中:λ为入射光波长;θi为入射角:n1和n2分别为纤芯和包层的折射率[8]。

穿透深度的存在导致模场能量通过一定厚度的“隧道”泄漏到大气包层中。虽然其泄漏量通常很小[9,10],但由于包层的环状域较大,故光功率比率不可忽视[11],而这一特点为基于包层衰减分析的石英棒表面积污监测提供了有利条件。

石英棒表面附着污秽可视为光波导的包层掺杂,将会对界面反射的激光束能量造成额外的吸收损耗和散射损耗,严重时还会导致局部全反射条件被破坏,产生辐射损耗[8]。因此,分别检测相同条件下的清洁石英棒和沾污石英棒末端接收到的光功率,通过差值分析可以求得沾污所导致的光功率衰减量,从而测量出石英棒表面积污的程度,实现污秽

1.2 光波导边界传输特性与污秽间的关联关系

光波导表面污秽的成分、厚度以及环境湿度等都会对光波能量产生不同的衰减影响,主要体现为吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。

1)吸收损耗

根据迅衰场理论和包层掺杂吸收机理[10,11,12,13],吸收损耗与污层组分密切相关,且随污层的厚度和密度的增加而增加,但增加速率随污层厚度的增加而逐渐趋缓,这与后续试验的情况相符。污秽密度对吸收损耗的影响为:

式中:αa为吸收损耗;ω为污秽密度;α0和K2为与光纤材料和波长相关的常量。

2)散射损耗

污层散射损耗种类很多,如瑞利散射、拉曼散射等,其中主要是瑞利散射,它是因污层中微观折射率不均匀所引起的,瑞利散射随波长的四次方下降[10],即

式中:αr为瑞利散射损耗;A与污层组分、相对折射率差等多个因素有关。

与纯净石英棒表面大气相比,污层折射率的不均匀性严重得多,由此所带来的额外的散射损耗取决于污秽成分、污层厚度和积污过程等。

3)辐射损耗

由于污层成分的复杂性,可能导致纤芯-包层间局部界面的全反射条件被破坏,从而导致除“隧道”效应外,还有部分激光直接折射到包层中,进而产生辐射损耗。污层外表面的不规则性还将导致部分光能辐射到大气中,产生额外的辐射损耗[12]。总辐射损耗与污层的组分、折射率、厚度、潮解性等密切相关。

综上,利用石英棒与绝缘子表面积污特性的相似性[5],通过测量在输电线路现场布设的石英棒的光衰减特性,结合相对湿度、观测点附近常见污秽组分等要素,可以分析、测算观测点的盐密和灰密情况,进而推导附近绝缘子的污秽程度。

2 绝缘子污秽光纤监测装置设计

2.1 监测装置总体设计

监测装置包括顶盖、固定支架、光路系统和基座等单元。其中光路系统由发射端(光源)、环状石英棒(光波导)、接收端组成。基座中安装有驱动与测试电路、电池等。监测装置结构和实物图见图2。

2.2 光波导设计

为了提高监测精度,需要增加全反射次数和敏感范围,故采用环状石英棒作为光波导。当光波导弯曲时,光线在界面处的入射角会发生改变,根据消失场理论,其尾部能量将辐射损耗到包层中。当弯曲到一定程度时,全反射条件不满足,将造成大量的辐射损耗。试验结果表明,光纤波导由于弯曲而造成的损耗取决于弯曲半径R与纤芯直径2a的比值,当R/(2a)<50时,透光率开始下降;当R/(2a)≈20时,透光率明显下降,大量光能量已从光纤包层逸出[11]。

受安装工艺及体积等限制,弯曲半径设计为R=140mm。而纤芯直径受激光束光斑直径、强度等条件限制而不能取值太小,选择2a=4 mm。

在加工时既要保证石英棒的纯度,特别是控制过渡族金属离子和OH根,以减少吸收损耗[10],又要保持石英棒的曲率近似恒定,以避免过多的散射损耗[8]。

2.3 光源设计

为提高抗干扰能力,采用半导体激光器作为光源,波长658 nm,此时石英棒折射率n1约为1.457。

与光纤轴线相交的子午光线在纤芯中的传输如图3所示。

激光束通过入射端面折射进入石英棒时满足斯涅尔(Snell)定律:

式中:n0为空气折射率;θ0为激光束从端面射入纤芯的入射角;90°-θi为对应的折射角。

为了满足全反射条件,θ0应不大于入射临界角θ0':

式(5)中反正弦函数的自变量大于1,其含义是无论光束以何种入射角射入石英棒,都能在纤芯-包层界面产生全反射。对于洁净表面的石英棒而言,n2=n0。然而,当石英棒表层积污后,n2增加,导致入射临界角减小,全反射的条件可能被破坏,使衰减加剧。还有一种情况需要考虑,即在雨雪霜等高湿度条件下,石英棒表层潮湿附水,此时即使没有积污,包层折射率也不再为1。以折射率为1.333的水为例,由式(5)可求得此时端面入射临界角变为36°,为了确保在这种条件下光束能够进行有效的全反射,装置中选择的激光入射角为30°。

光纤输出光强不仅与源自污秽的光纤损耗有关,还与光源强度相关,故不能采用单一输出测量来求解衰减量,但双光路检测法[7]对分光器的安装工艺、分光精度,以及参考光纤包层的稳定性都提出了很高的要求。本装置采用单根石英棒监测方案,辅以激光器恒稳功率控制、温度补偿和输入输出光强同步测量技术,测算光强衰减量,取得了较好的效果。后续试验和测试中光强衰减量均以功率衰减率L来表征:

式中:Pi和Po分别为输入光强和输出光强。

与穿过光纤轴面的子午光线相比,斜射光线在光纤中以空间螺旋折线传播,情况要复杂得多[9],甚至影响到测量精度。因此,要求激光出射光轴必须位于石英棒的子午面内,即对激光器的安装位置提出了严格要求。

通过对比试验,对激光器光斑大小及光纤直径与积污识别能力之间的关系进行了分析,试验结果表明小的光斑和小直径石英棒具有更高的积污识别能力。基于试验结果,装置中光源采用进口军用激光二极管,通过主动控温技术避免模式跳变,并保证波长的稳定性。配装非球面玻璃透镜,使输出光束准直性好,主要光学参数为:光斑直径2 mm,功率2～10 mW,发散角小于1.5 mrad,端面入射角30°。

3 不同盐密、灰密及湿度条件下的标定试验

虽然污秽中的不溶物不直接参与导电,但仍会影响绝缘子闪络电压[14]。因此,国家电网公司颁布标准,要求对输变电设备的污秽状况评估和污区分布图的绘制,从单纯考虑盐密转向综合考虑等值附盐密度(ESDD)和不溶物密度(NSDD),而2010年颁布的《输电线路状态监测装置通用技术规范》则明确规定,输电线路现场污秽度监测必须同时监测盐密和灰密[15]。

对于表面污层中的盐分而言,其潮解程度随相对湿度的增加而升高,其附着在石英棒表面形成的污层有效厚度、折射率都会发生变化,导致光能衰减随之变化,因此,环境相对湿度是这种监测方法中必须获知的参数。灰分虽然难以潮解,但其对已潮解的盐分具有保湿作用,因此也会间接影响到光能的衰减。

为了定量测量盐密、灰密、湿度等因素对石英棒光波导传输衰减的影响,分析其内在机理,开展了一系列不同盐密、灰密和湿度条件下的标定试验。试验方法参照相关国家标准和文献实施[16,17]。除湿度效应试验外,其余试验的环境条件均为:环境温度20～26℃,湿度45%～55%。

3.1 不同灰盐比条件下的污秽累积性试验与装置一致性试验

保持盐分密度不变,分别配制灰盐比为1:1,3:1,6:1,1:2的污液,对3台监测装置分别别进行不同程度的积污试验,试验结果如图4所示。

从试验结果可以看出,在各种灰盐比条件下,光功率衰减随着涂污次数的增加而增加,且增加速率随着积污的饱和而降低,这与直观感觉一致。在相似的积污条件下,各台装置输出结果的一致性较好。

3.2 不同灰盐比和不同湿度条件下的标定试验

配置灰盐比为1:1,3:1,6:1的污液和纯灰污液,使用同一监测装置分别涂污2次和6次,而后置于温湿度箱内,将温度设定为25℃,改变相对湿度,待湿度稳定并保持300 min后,记录光功率衰减。试验结果如图5所示。

由试验结果可得出以下4个基本结论。

1)当湿度小于60%时,各种污秽条件下光功率衰减基本不变;当湿度大于75%时,光功率衰减量减少。分析其机理为:湿度越大,由于盐分潮解成液态或近液态越明显,因此折射率越低,光通量的衰减越小。而对于灰分而言,由于其难以溶解于水,因此不同湿度下折射率基本不变,导致光通量的衰减差别较小。

2)在相近的试验条件下,保持污秽中盐分含量不变,增加灰分含量,对应的光功率衰减减小。

3)相同环境与灰盐比条件下,积污越严重,光功率衰减越强。

4)此外还进行了灰分含量对比试验,结果表明:纯灰条件下,灰分的多少对光功率影响很小。

3.3 石英棒衰减特性与绝缘子盐密的对比试验

配置灰盐比为1:1,3:1,6:1的污液,采取同样的积污方法,分别对污秽监测装置与绝缘子积污,通过增加喷涂次数来改变污秽程度。测算石英棒的光功率衰减,同时按照国家标准测量处于相同积污状态的绝缘子的盐密和灰密值[17],将两者数据进行对比分析。试验结果如图6所示。

从图6曲线可以看出:各种灰盐比条件下光功率衰减均与盐密变化趋势一致,且均随盐密升高而变化趋缓,灰盐比不同其斜率不同。这些特性验证了采用光波导功率衰减测量法来监测绝缘子等值盐密和灰密的可行性,试验数据为后续测量模型的建立提供了重要的数据支持。

4 基于光功率衰减和湿度测量的等值盐密和灰盐比测量方案

综合各试验结果可知,光功率衰减率L与盐密、灰密和环境湿度H等因素密切相关。通过测量L和H,利用信号处理和人工智能的方法分析求解等值盐密和灰密的具体数值具有较好的可行性。

现场积污是一个渐变过程,在一日内石英棒表面的积污状况通常不会突然变化(绝缘子表面污秽也是如此),而湿度变化却相对较大。这就意味着在一段时间内,可以得到一组积污相似而湿度不同的数据,充分利用这些相关信息可有效提高测量精度。

针对污秽监测中测量参量与输出参量间复杂的非线性对应关系,采用人工神经网络的方法来测算盐密和灰密,所建立的神经网络模型如图7所示。其输入神经元数目为4,分别是单位时间内最大湿度HA和最小湿度HB,以及各自所对应的光功率衰减率LA和LB;输出神经元数目为2,分别是等值盐密与灰密;考虑到输入输出对应关系的复杂性,隐含层设为2层,每层神经元数目为4。训练好的神经网络模型具有良好的适应性,既可由单组测试数据(L,H)估算ESDD和NSDD,此时(L,H)被分别复制2次作为输入,也可利用湿度不同的两组数据以更高精度推导出污秽值。该神经网络的具体建模与训练过程及相关研究成果将另行撰文发表。

5 精度检验与现场运行情况

5.1 绝缘子污秽光纤监测装置精度检验

装置研制完成后,在西安高压电器研究院国家绝缘子避雷器质量监督检验中心进行了性能检验和精度测试。检验过程参照GB/T 4585—2004规定的方法,对XWP-70型绝缘子进行喷污实验并测量盐密和灰密,共12片分4组进行,分别喷涂4种不同的盐密和灰密。对第1组绝缘子染污时,同时采用相同的方法对绝缘子污秽光纤监测装置进行染污。待充分干燥后,用一定量的蒸馏水清洗第1组绝缘子,测量其盐密,过滤清洗溶液并烘干后测量灰密,同时记录监测装置的测量值。依次将该组的其他绝缘子清洗,并最终求出盐密及灰密的平均值,然后将绝缘子污秽光纤监测装置清洗干净,干燥后再对第2组绝缘子和监测装置进行染污及测量,依次类推对其余2组绝缘子染污及测量盐密和灰密,并记录相应的监测装置的测量值。污液成分包括蒸馏水、NaCl、硅藻土和SiO2,污染方式采用喷污法。

表1所示为所获得的精度测试数据。

通过与人工清洗测得的盐密值进行比较,验证该装置可以同时测量盐密和灰密,且2个参量的测量误差均小于±10%[18],误差满足国家电网公司提出的指标要求[15]。

5.2 现场运行情况

装置研制完成后,先后在青海—西藏±400 kV直流联网工程、宁东—山东±660kV直流输电示范工程等重点电网项目中安装运行。图8所示为现场安装照片。

图9所示为青海—西藏±400kV直流联网工程柴拉极Ⅰ线0325号杆塔,自10月1 5日至12月30日期间所测得的日均等值盐密和等值灰密数据曲线,以及环境温度和湿度数据曲线。

6 结语

光波导技术 篇5

关键词：光子晶体波导,慢光,时域有限差分法

在过去的十年中,一种新的前沿科技逐渐发展起来,这就是实现对材料光学特性的控制。如果能够在材料中阻止光的传输,或者使光仅能在某些频率和某些方向上传输,或者将光局限在某些区域内,就可以制作出很多有用的器件。在这方面,可以导光的光线已经为通信行业带来了一场变革。1987年,E·Yablonovitch[1]和S·John[2]分别在讨论周期性电介质结构对材料中光传播行为的影响时,各自独立地提出了“光子晶体”这一新概念。所谓光子晶体,是一种新型人造的介电常数呈周期性排布的介质结构。晶体内部的原子是呈周期性有序排列的,正是这种周期势场的存在,形成了能带结构,带与带之间可能存在带隙,而能量落在带隙中的波是不能传播的。光子晶体正是利用光折射系数的周期性变化,产生光子带隙结构,从而控制着光在光子晶体中的运动。如果只在一个方向上存在着周期性结构,那么光子带隙只能出现在这个方向。如果在三个方向上都存在周期结构,那么可以出现全方位的光子带隙,特定频率的光进入光子晶体后将在各个方向都禁止传播。如果通过引入缺陷破坏了光子晶体的周期结构特性,那么在带隙中将形成相应的缺陷能级,仅有特定频率的光才可在这个缺陷能级中出现。如果产生了缺陷条纹——即沿着一定的路线引入缺陷,那么就可以形成一条光的通路。光子晶体为未来的通信行业提供了更多的发展空间。基于光子晶体的光子器件具有许多优良的特性,并且尺寸很小,因此成为未来集成光学的理想选择。光子晶体因为其出色的对光的操控能力,自从提出后,便获得了广泛的关注。

由于光子晶体波导具有周期性结构,其色散特性与普通波导有很大的区别。在布里渊区边缘,由于强烈的散射现象,将产生慢光。利用这一现象,可以设计光子晶体慢光波导[4,5,6]。利用慢光效应,可以设计光缓存器[7]和全光存储[8],增强波导中的非线性效应[9,10],文中设计了一种新型的一维光子晶体慢光波导结构,用时域有限差分法(finite difference time domain,FDTD)分析了该结构的色散关系,且在时域上证明该结构具有慢光现象。首先分析了麦克斯韦方程的FDTD解法,在此基础上使用MIT实验室开发开源软件MEEP[11]数值仿真了光子晶体慢光波导的特性,得到了布里渊区边界处平坦的色散曲线,该曲线说明了所设计的波导具有慢光模式,并且利用FDTD法在时域上证明了该结构的慢光特性。

1 FDTD算法

Yee在1966年提出了FDTD法[12]来解麦克斯韦旋度方程。FDTD法将空间和时间进行了离散化处理,用各离散点上的数值解来逼近连续场域内的真实解,经过时间演算,可以计算出电磁波随时间演化的规律。

在光子晶体中,假设自由电荷ρ和电流J都为零,介质的参数不会随着时间变化,并且各向同性,那么麦克斯韦方程可表示为[13]

其中,和分别为介质中的电场和磁场;t为时间;ε和μ为介质的电导率和磁导率。麦克斯韦旋度方程可以分解为下面6个耦合方程

其中,Ex、Ey、Ez以及Hx、Hy、Hz分别为电场和磁场在x、y和z轴上的相关分量。上面6个耦合偏微分方程是FDTD法的基础,分别对应TE模和TM模。Yee在空间上建立了矩形差分网格,网格节点与一组对应的整数标号一一对应,利用二阶精度的中心差分近似把旋度方程中的微分算符直接转换为差分形式。空间上使电磁分量交错放置,在时间轴上电分量和磁分量相差半个时间步长。在此文中所采用的结构具有TE模式,因此在这里对式(2)在坐标(i,j,k)处进行了展开,改写成差分方程

其中,Δx、Δy和Δz为对应方向上的空间步长;Δt为时间步长。括号中的3个分量分别为x、y和z方向的位置参数,场分量的上标表示时间参数,例如Hxn(i,j,k)表示在在nΔt时间上坐标为(i,j,k)处Hx的值。这里只给出了Hx分量的展开形式,其余两个分量形式与Hx分量类似。从式(4)中可以看出,每个网格点上的场分量的新值依赖于该点在前一时间步长时刻的值以及该点周围临近点上另一个场分量早半个步长时的值。因此任一时刻可以算出一个点,利用并行算法可计算出周围的多个点。这样,可以交替算出各个网格的电磁场,最终得到想要时域数值结果。

在计算中,吸收边界条件采用了1994年由Berenger提出的完全匹配层(PML,perfectly matched layers)[14],具体方法及原理可参考文献[13]中所介绍。完全匹配层是指将电磁场分量在吸收边界区分裂,并分别对各个分裂的场分量赋以不同的损耗,这样在外边界处得到了一种非物理的吸收材料。

一般来说,空间步长越小,仿真结果越精确,但同时仿真所需要的内存和所消耗的时间就越长。为了确保结果的收敛性,对于各向同性且无损耗和色散的介质,通常选取网格大小,λ为波长。而在仿真中,光源归一化频率为0.195,对应波长λ>5a,而,因此可以确保仿真结果是收敛的。

2 光子晶体慢光的FDTD仿真

图1是文中采用的结构,光栅材料为Si(图1中黑色部分),折射率为3.5,光栅晶格常数为a,光栅宽度为0.54a,长度为0.2a,波导宽度为0.26a,波导的长度为100a。在左侧红色方块处设置了高斯光源,晶格分辨率为32,在结构四周采用厚度为a的完美匹配层,因为采用的结构中存在TE模,因此高斯脉冲设置了TE模,中心频率设为0.2(2πc/a)。通过FDTD计算的色散曲线如图2所示。

从图2中可以看出,在频率为0.195(2πc/a)左右存在平坦色散曲线,且该频率处于光线之下,说明该频率的光可以在波导中传播,并且可以实现慢光,为了验证这一点,在图1中设置了两个监控点,在波导的入口处放置了监控点1,出口处放置了监控点2。晶格分辨率和前面设置一样为32。再次利用FDTD法研究了脉冲经过该波导传播后的情况,结果如图3所示,从图3中可以清晰地看出,脉冲经过该波导的传输后,延时为1000(a/c),群速度为0.1c,这也验证了图2中该频率处的慢光现象。

3 结束语

光波导技术 篇6

溶胶-凝胶法是一种由金属有机化合物、金属无机化合物或上述两种混合物经过水解缩聚过程,逐渐凝胶化及进行相应的后处理,而获得氧化物和其他化合物的新工艺,是材料制备的重要方法。其在制备纳米材料、玻璃、薄膜、功能材料以及有机-无机杂化材料等领域有着广泛的应用[1]。

利用溶胶-凝胶法制备有机-无机杂化材料的主要原理是在无机网络中掺入有机功能分子或聚合物实现功能化,且有机组分与无机组分以化学键结合,因而其具有较高的稳定性,在光学、热学、电磁学和生物学等方面具有许多优越的性能[2]。然而,用溶胶-凝胶法制备杂化材料的时间较长,通常需要几天或几个星期;凝胶的干燥过程中由于溶剂、小分子醇和水的挥发,使材料内部产生收缩应力,致使材料脆裂,很难获得大面积或较厚的有机-无机杂化材料。此外,当用溶胶-凝胶法制备得到杂化光波导薄膜时,残留的水分子会对光产生吸收,从而增大光波导薄膜的光损耗。

无水溶胶-凝胶法是新的溶胶-凝胶技术,是指在缩聚生成桥氧键—O—时,氧供体是由非水类物质反应提供的。最早报道无水溶胶-凝胶法的要追溯到1950年,是制备氧化硅和磷酸硼材料的,而直到上个世纪90年代,法国工作者提出了“无水溶胶-凝胶法”这个名称,无水溶胶-凝胶法才受到人们的关注。与其它一些传统的材料制备方法相比,无水溶胶-凝胶法具有诸多优点:首先,它的工艺过程简单,合成温度大大降低;其次,由于无水溶胶-凝胶法是非水解过程,合成的材料OH含量低,从而避免溶胶-凝胶制备过程中为了去除材料中残留的水分,采取的高温而对有机材料产生的不利影响。因此用无水溶胶-凝胶法合成的材料特别适合应用于光通信,光波导,光集成器件等领域。目前国外研究者运用此方法合成了一些用溶胶-凝胶法等其他液相法难以合成的杂化材料。韩国学者[3,4]通过核磁共振、红外光谱等对无水溶胶-凝胶法合成的苯基改性的二氧化硅材料进行了分析。国内从事无水溶胶-凝胶的研究,主要是浙江大学钱国栋课题组利用无水溶胶-凝胶法制备得到低羟基的光功能玻璃[5]等。

本文用无水溶胶-凝胶法合成不同二苯基二羟基硅烷(Diphenylsilanediol,DPSD)含量的有机无机杂化材料,通过FTIR谱和Raman散射谱表征杂化材料的结构,利用棱镜耦合法测试得到杂化光波导薄膜的光传输损耗。

1 实验部分

1.1 样品制备

用GPTS(98%)和DPSD(95%)作为反应先驱体,Ba(OH)2·8H2O为催化剂。先秤取0.015 g Ba(OH)2·8H2O于5 mL GPTS溶液中,在锥形瓶里混合磁力搅拌15 min。为避免DPSD自身聚化,每隔10 min加入一定量的DPSD于前面的混合溶液中,全部的DPSD于1 h内加完,用锡箔纸封口后于80℃条件下加热磁力搅拌直至体系均匀透明为止。继续室温下搅拌12 h,静置溶液12 h后用孔径为0.45µm针式过滤器过滤,去除Ba(OH)2·8H2O固体颗粒得到样品1。不同先驱体得到杂化材料的反应原理如式(1)所示。

在相同条件下称取不同量的DPSD分别制备得到样品2~4,各个样品的组分如表1所列。

利用旋涂的方法分别在硅基片和石英玻璃片上涂膜,涂膜速率为1 200 r/min,时间为30 s,成膜后的样品在恒温干燥箱(WHL-25A)中100℃热处理24 h。

1.2 样品测试

用美国Advantage NIR785型Raman光谱仪(100~2 000 cm-1,分辨力为6 cm-1)和Nicolet 380型Fourier变换红外(FTIR)光谱仪(测试范围为400~4 000 cm-1,扫描36次,分辨力为4 cm-1)来测试杂化材料中各化学基团的振动光谱并讨论其结构特点。采用Unico 2802H型紫外-分光-近红(UV-Vis-NIR)分光光度计(测试范围为190~1100 nm)测试石英基片上的薄膜的光透过率,用2WA-J型Abbe折射仪测试了薄膜的折射率。为了测试平面波导中的光传输损耗,用直角棱镜把波长为632.8 nm的激光束耦合入平面光波导的导光层中,用CCD记录散射光强,从而计算出光传输损耗[6]。

2 结果与讨论

2.1 薄膜基团结构分析

图1为薄膜样品的FTIR谱。—OH基的伸缩振动出现在3 650~3 200 cm-1范围内,由样品的FTIR谱可以得到,随着DPSD的摩尔含量提高,样品中存在的—OH基数目逐步减少。这表明DPSD的—OH的增加量还不足以完全与来自GPTS的—OCH3完全反应,说明通过优化DPSD和GPTS的反应配比还可进一步减少杂化物中—OH数量。2 800~3 000 cm-1存在着4个弱峰,这是饱和的C—H伸缩振动峰,其中—CH3基的伸缩吸收出现在2 960 cm-1和2 876 cm-1附近,—CH2基的吸收出现在2 930 cm-1和2 850 cm-1附近[7]。1 080 cm-1为Si—OCH3振动吸收峰[8],此处的吸收峰强烈是因为GPTS的量过量,来自DPSD的—OH不足以和来自GPTS的—OCH3完全反应,从而剩余大量的Si—OCH3基团。1 124 cm-1为Si—C6H5的伸缩振动吸收峰,这是DPSD引入的结果。1 194 cm-1处的吸收峰也比较强烈,这是Si—O—Si在TO模式下的非对称式伸缩振动峰,488 cm-1为Si—O—Si在LO模式下的摇摆振动峰,816 cm-1为Si—O—Si键的弯曲振动峰[5],表明反应物中存在较多的Si—O—Si,这和式(1)表示的反应过程相符。1 429 cm-1为苯环上的—CH基伸缩耦合振动峰,且吸收峰的强度随着DPSD摩尔量的增多而增强。

1 297 cm-1为Si—C键的吸收峰。518 cm-1是低频Si—O振动峰,700 cm-1和720 cm-1是苯基圆环弯曲模式下的各种振动峰[3]。样品在910 cm-1处存在一个弱吸收峰,这是环氧环的特征吸收峰,并且吸收强度并未随着DPSD含量的提高而增强或减弱,表明在反应过程中环氧环并没有打开。

为了进一步确定杂化物中的官能团以及取代基的位置,测试了样品的Raman光谱。图2为样品的Raman光谱。样品在1 000 cm-1处都有一很强的偏振峰,这是苯环的呼吸振动,1 018~1 030 cm-1是CH面内变形振动峰,是单取代苯类的拉曼特征谱带。这一谱带在红外光谱上也是显著的。1 170 cm-1附近的两个弱谱带,1 600 cm-1附近的双重谱带,630 cm-1是单取代苯类的环变形振动峰,在它们的红外光谱中,均在700和740 cm-1处出现较强的吸收峰。可以判定样品杂化物存在单取代苯[9],这也证明了Si—C6H5结构的存在。835 cm-1为C—O—C的对称振动峰,600 cm-1为Si—O—Si的对称振动峰[10]。1 122 cm-1为C—O—C的反对称振动峰(较弱)。C—O伸缩振动出现在1 185和1 150 cm-1附近。饱和CH的各种振动方式虽然都出现在Raman光谱中,但均较弱[11]。1 268 cm-1为环氧环的呼吸振动。

2.2 薄膜的折射率

用Abbe折射仪测试得到薄膜的折射率,图3为DPSD不同含量下样品薄膜的折射率变化曲线。材料的折射率一般取决于电子极化性和致密程度,由图3可以得到,随着DPSD含量的增加,薄膜的折射率增加。这是由于DPSD的增加,苯基成分增加,而苯基具有较高的极化率。此外,薄膜折射率非纯线性的增加,是因为苯基含量的增加同时降低了薄膜的致密性。因此,在合成过程中可以通过控制DPSD的掺杂量来调节材料的折射率,从而满足光波导器件对折射率的期望。

2.3 薄膜的紫外透过吸收

图4为薄膜在190~1 100 nm范围内的透过率曲线。从图4可以看出:波长超过370 nm后样品的透过率都在90%以上,表明杂化薄膜在可见光和近红外范围内具有很好的透过性和较低的光吸收损耗。而在紫外范围内有着强烈的吸收,对于波长在230 nm以下的紫外光,其吸收率可高达100%。DPSD摩尔含量的提高,使得杂化薄膜在可见光和近红外范围内的透过性有所提高,紫外透过率降低,表明DPSD对于紫外线起着有效的屏蔽,有可能减慢杂化材料的老化。

2.4 平板波导薄膜的光传输损耗

波导传输光线的散射光的强弱直接反应平板波导内光强的变化强度,因此采用测量光在平板波导内传输光线散射光的方法,测试平板波导薄膜的传输损耗。利用棱镜耦合装置将波长为632.8 nm的He-Ne激光器的激光耦合到波导薄膜,形成导模,可以在膜面上获得清晰可见的传输光线[12,13],如图5所示。用CCD获取传输光线的散射光,再用Matlab图像处理软件对CCD拍摄到的光波导传输光线进行处理,利用最小二乘法拟合出散射光强随传输长度的变化曲线,光在波导中的传输损耗可以表示为[14]

α为光强在波导中的传输损耗,单位为dB/cm,x0、x1分别为激光耦合进波导的不同位置,单位为cm,I0、I1分别表示不同位置的散射光强。最后利用最小二乘法拟合,得到样品平板波导在632.8 nm波长处的传输损耗为0.26 dB/cm,拟合的标准偏差为0.005。

3 结论

光波导技术 篇7

关键词：光波导,耦合效率,梯度折射率介质,绝缘体上的硅

近年来, 硅基光集成技术日益成熟, SOI ( silicon on insulator) 材料［1，2］是人们普遍认可的用以替代单晶硅材料的一种新型的光电子集成材料。其中, 在SOI波导器件、SOI光调制器、SOI光开关、SOI阵列波导光栅、SOI多膜干涉耦合器等诸多光子集成器件方面的应用均已得到了深入研究［3—9］, 由于SOI器件具有与硅完全兼容的CMOS工艺, 因此为光子集成技术以及芯片实现提供了保证。一般而言, 单模SOI光波导作为SOI器件中最基本的元件, 其模场直径大约为1 μm量级, 要将标准单模光纤 ( 模场直径约10 μm) 中的光场输入到该单模SOI波导, 如果没有能够有效实现模斑转换的耦合器, 由于模斑尺寸不匹配将会带来比较大的耦合损耗。2004年, 加拿大微结构研究小组A. Delage等［4］提出用非晶硅材料在SOI基底的硅波导上表面沉积3. 5 μm厚的非对称GRIN介质膜, 在垂直方向实现了入射光束耦合进入0. 5 μm厚的SOI波导芯层。尽管理论耦合效率为87% , 但实验值却只有40% ~ 45% , 紧接着又有多家研究机构对此进行了改进。2009年, Atilla Ozgur Cakmak等提出利用二维梯度折射率晶体的聚焦效应将GRIN PC置于光子晶体波导的输入端用作光束耦合器［5］, 可以实现高效率地光传输, 这一优点使GRIN光子晶体有望用于紧凑并且需要强聚焦的光学系统中以代替传统的透镜。近年来, 又有GRIN介质的实验制作及其压缩后光斑的实验测量方面的研究报道［6］。现利用GRIN介质对高斯光束的会聚作用, 研究在光束端面耦合中实现单模光纤与单模SOI平面波导间的高效耦合, 并对影响耦合效率的因素进行分析。

1平面波导中场分布

1. 1 SOI平面波导结构

通常情况下, 在设计波导器件的过程中为了避免高阶模式之间的相互影响, 就必须使导模的高阶模式截止, 只允许TE或TM基模的单模波导通过传输。图1所示为SOI对称平面波导的结构侧视图, 选用硅作为芯区材料, 折射率为n1= 1. 45 ; 二氧化硅作为波导的限制层材料, 折射率为n2= 3. 42 , 芯层厚度为2a。波导在y方向和z方向无限延伸, 约束光线的条件为光沿z方向传输且上下表面全反射。损耗为1 d B /cm左右。

为简单起见, 仅讨论入射光为TE模的偏振光, TM模的传输可以用同样的方法得到。TE波在平面波导中的本征方程为

式 ( 1) 中, u和w为归一化工作参数, u = ( κ02n12- β2) 1/2, w = ( β2- κ02n22) 1 /2, m为导模阶数, κ0为自由空间的波数, β 为传播常数。对式 ( 1) 求解即可得到SOI平面光波导中单模传输时, 要求波导芯层的最大厚度不能超过0. 24 μm。

1. 2 TE波的模场分布

根据波导的波动理论, 平面波导中TE模 ( 即E在y方向) 的场方程为

当光沿着z方向传播时, 根据在界面处x = ± a及电磁波Ey、Hz的连续条件, 可得到TE波的模场分布为

在实验条件下, 数值计算的结果表明波导结构中只允许传输一个模式且电场能量被局域在芯层。

2高斯光束在平面波导中的耦合

如何实现光纤与芯片波导之间有效的耦合作用, 在此利用GRIN介质中传输的高斯光束宽度表现为周期性的会聚特征, 在出射端面处对接一个尺寸为亚微米量级的SOI平面光波导, 通过调整介质的聚焦参数 α 和介质长度变化使出射光束宽度与SOI波导的模场半径相匹配, 以达到提高光束在传输过程中的耦合效率的目的, 从而改善光学系统中由于分立元器件之间交换信息导致模场尺寸不匹配而引起的能量损耗。

2. 1介质端面处的模场分布

如图1所示, 假定光束垂直入射并沿z方向传播, GRIN介质的折射率沿x方向变化并且关于y轴对称, 又令折射率变化函数满足方程n ( x) = n1sech ( αx) 。分析中重点考虑标准单模光纤的模场与单模SOI平面光波导的耦合, 这里单模光纤的基模 ( LP01模) 为零阶贝塞尔函数, 如果光纤的归一化频率满足V > 1. 2, 则可利用高斯函数来近似的描述单模光纤的模场分布［7］。由于常用的SMF28单模光纤的模场半径w0的范围在4 ~ 10 μm之间, 在此高斯函数又由其模场半径w0唯一确定。因此, 在计算中选取入射激励场源为高斯光束且束腰半径为w0= 5 μm, 假定入射面处高斯光束的初始半宽恰好为束腰半径, 则单模光纤中TE偏振光的基模电场分布近似为

一般而言, 平面光波导的横向宽度远大于厚度, 可认为单模光纤与SOI光波导在横向方向上模场匹配, 这里仅需要考虑垂直于厚度方向上的耦合情况。

当折射率分布n ( x) = 3. 42sech ( x /8) 时, 选取GRIN介质的长度为12 μm, 厚度为10 μm, 数值模拟得到的电磁场坡印廷矢量的z分量在整个结构中的分布如图2所示。可以明显看出高斯光束进入GRIN介质后, 光束逐渐向GRIN介质的折射率最大的中心平面会聚, 在GRIN介质的出射端面入射光束聚焦, 实现光斑的转换; 然后进入SOI波导结构的芯层, 形成稳定的传输模式传输。结果显示, 波导芯层局域了很强的电磁场能量, 耦合效率得到了较大的提高。耦合进入波导中的光功率也可通过坡印廷矢量z分量的时间平均值在波导截线上的积分计算求得。

在GRIN介质的折射率函数n ( x) = 3. 42sech ( x/8) 的情况下, 当高斯光束以10° 倾斜入射时, 结果显示: 尽管光束在介质中的传输过程中仍然表现出周期性会聚的特性, 但是光束会聚的焦点位置改变了, 相对于折射率对称中心的平面位置发生了移动, 如图3所示。这种移动将对光束从输出端耦合进入SOI光波导的能量产生较大的影响, 也将对光纤与芯片波导之间的耦合效率造成一定的影响。

2. 2影响SOI光波导耦合效率的因素

通过理论分析, 认为传输光束相对介质轴线的入射角度 θ、SOI光波导的芯层轴线相对于介质轴线的位移 Δy及聚焦参数 α 等因素都会对光纤与芯片波导之间的耦合效率产生影响。

下面具体讨论上述参量对耦合效率的影响结果, 同样选用入射高斯光束的束腰半径 ω0= 5 μm。 计算结果如图4所示, 图 ( b) 、 ( c) 为正入射 ( θ = 0°) 情形下, 分别在聚焦参数为0. 125和沿介质轴线方向入射时的耦合效率变化曲线; 图 ( a) 、 ( c) 为沿介质轴线方向入射 ( Δy = 0) 情形下, 分别在聚焦参数为0. 125和正入射时的耦合效率的变化曲线。可见耦合效率随着 Δx和 θ 值的增大而降低, 而且这两个因素的微小变化都会引起耦合效率的很大变化, 反映出结构中的 Δx和 θ 对耦合效率的不利因素; 图4 ( c) 也反映出耦合效率随着GRIN介质聚焦参数 α 的变化情况, 耦合效率在 α = 0. 25 μm－ 1时有最大值, 说明在这种条件下端面处光场模斑匹配达到最佳。通过分析得到具有单模光纤模场的高斯光束, 通过一维双曲正割GRIN介质进入SOI波导的最佳耦合条件为 α = 0. 25 μm－ 1, Δx = 0, θ = 0°, 最大耦合效率为84. 7% , 大大提高了直接传输时的耦合效率。

用同样的方法来进一步研究TM波的电场分布及其耦合效率。如图5所示为TE波和TM波在最佳耦合条件下, 耦合效率随着波长的变化曲线。结果显示, 对同一入射波长, TM偏振光对应的耦合效率较大; 对于1 550 nm的通信波长而言, TM和TE偏振光的耦合效率相同, 均为84. 1% 。进一步分析可知, 两种模式的光束耦合效率随着波长的变化均不大, 因此对称耦合结构用于实现单模光纤与SOI波导耦合适用于较宽的波段。

3结论

在单模光纤与SOI波导之间, 接入对称折射率分布型GRIN介质耦合结构, 通过调整GRIN介质的折射率参数及长度变化使之与SOI波导的模场半径相匹配, 能够提高光束耦合效率, 改善光学系统中分立元器件间信息交换时由于模场尺寸不匹配引起的损耗。耦合效率随着入射波长和偏振态而变化, TE偏振光的最佳耦合条件为 α = 0. 25 μm－ 1, Δx = 0, θ = 0°, 相应的最大耦合效率为84. 7% ; 对于1 550 nm的通信波长, TE和TM波具有相同的耦合效率, 均为84. 1% 。综上所述, 对称折射率分布的一维双曲正割GRIN介质耦合进入SOI波导, 能够极大地提高直接传输的耦合效率。

参考文献

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光波导技术 篇8

1.1 光波导概述

从科学意义上来看, 光纤和平面继承光波导都隶属于光波导的范围, 其大致由芯层、衬层以及包层所组成, 就一般情况而言芯层的折射率是要略大于包层折射率的。由于光是在芯层里面进行的传播, 所以光波导在这里是以“模式”的形式而存在。

结合实践经验来看, 这里提到的模式是一种相对比较特殊的光场分布, 对于直波导来说, 这种光场分布在波导里面一旦发生, 就能够非常稳定的以其基本形态不变的状态传播下去。

1.2 数值计算方法

针对波导设计和特性的计算环节, 一般情况下我们运用的都是解麦克斯韦方程组来求得具体数值。

我们已经知道麦克斯韦是一组偏微分方程, 因此具体的解法实质上就是研究偏微分方程的数值解法;大体上来看解法有两种:

有限元法和有限差分法;这两种解法的核心思想都是将一个连续性、整体化的问题通过离散的形式来进行解答;

具体步骤可以分为两类:

1) 求解区域作网格划分, 运用有限网格的节点来实际取代连续区域;

2) 将微分算子离散化、进而使得解答的整个过程成为线性代数的解答形式。

2 硅基微纳光波导的设计和分析

光波导是光集成期间的重要组成要素之一, 它的特点和具体性能直接影响着光集成器件的实际功能以及尺寸等方面;以材料上的差异来进行区分, 主要可以分为硅基光波导、铌酸锂光波导等。经过科学研究硅基材料具有其他材料所不能相比的成本低的优势, 因此, 我们将主要的注意力放在硅基光上。

2.1 测试传播损耗和耦合损耗

首先要制作宽度不相同的光波导来进行通光测试, 为了更够更加准确的得到传播损耗和耦合损耗, 研究的方法采用的是截断法。具体的操作是:

采用锥形透镜光纤将光耦合到波导中。其中, TLF的模场直径为3~4um。

测量结果参见图1;

通过对图1的观察, 我们能够很准确的求出传播损耗和耦合损耗。又如图2所示。

波导的宽度不断减小, 传播损耗大致就呈线性增大的态势。当波导的宽度从4降到1.8的时候, 传播能耗是在增加的。

此外, 由于波导侧向折射率差值相对比较大, 此外, 侧壁的粗糙程度对于传播损耗有着很直接的影响;我们在实际操作中可以运用优化光刻技术来改进侧壁的粗糙程度。

3 基于硅纳米线微环谐振器的超高密度波分复用器

就目前的发展态势来看, 世界上主要的一些通信设备共影响所开发的IP包路由器, 可以实现在单通道40Gb/s的数据速率, 就当前科学技术来看, 这已经达到了一个极值, 再想进一步提高难度非常大。为了克服这一难题全光数据处理方式随之出现。

为了能够容纳更多的路由信息而同时又不至于占用太多的宽带资源, 标签的波长之间只有非常小的间隔, 一般在1550nm波段只为0.1nm。在接收端口, 还应该采用与之相应的超高密度波分复用滤波器识别这些标签所包含的路由信息, 这也是为了方便下一步对数据进行的处理工作。

4 总结和建议

本文对于硅基纳光波导进行了一个简要的研究、分析。并且对硅纳米线光波导进行了运算方法上的探索, 对于其设计方式也结合自身实践经验做出了概述。并由此测算出了其优越的弯曲性能和提高器件集成度的出色能力。

基于硅纳米线光波导来看, 在阵列末端引入双追星辅助波导结构能够一实现在不增加器件尺寸的前提下, 明显提高器件通道的均匀性的目的。这也为我们最终实现硅纳米超高密度波分复用器提供了可能。

针对本论文所探讨出的内容, 结合实践经验对后续相关工作提出以下建议:

1) 关于深刻蚀二氧化硅脊形光波导一直是一个难点, 结合文章分析和实践经验来看, 我们可以通过对薄膜沉积工艺的调整, 来增大芯层和包层之间的相对折射率差, 这样就能够最大程度的保证在不增大泄露损耗的前提下, 减小膜层厚度和刻蚀深度, 最终达到减小侧壁散射损耗的目的。

2) 基于硅纳米线为环谐振器的超高密度波分复用器, 应该有意识的减小通道损耗。

首先, 同样是对硅纳米光线波导的制作工艺进行一定程度上的调整, 以减小其传播损耗为目的;其次, 将目前使用的单环结构改为更为科学, 消光比更高的高阶微环谐振器, 这也从侧面反映出当两者具有相同的通道损耗时, 高阶微环的通道间串扰更小。

5 结束语

如果要最终实现在中短距离通信以及互连领域中广泛运用集成光子器件的理想, 就必须通过客观的方式来提供我们自身的科技综合能力。在研究领域必须必须在以下几个方面进行更深层次的研究:首先, 如何能够更进一步降低集成光子器件的成本, 使其能够实现大规模的产业化经营;其次, 进一步改进光子器件的性能, 尤其是在降低有源器件功耗的方面, 更应该引起相关科研人员的注意;再者, 集成光子器件的理想用途还有很多, 我们应该不懈努力继续发掘出其本身具有的潜力, 使之更好的为我们服务。

结合发展历程来看, 光子学的研究和产业化进程, 都深刻的影响着人们的日常生活以及社会经济的发展。

摘要：随着科学技术综合水平的不断提高, 通信技术和信息已经越来越多的深入到人们生活的各个方面, 并且深远的影响着社会经济的发展。就光通信技术这一点来说, 人们不仅仅是希望它作用于长距离通信应用, 而希望它延伸至中、短距离的通信以及互连领域。基于此, 光通信中的集成光电子器件也就受到了各方面的广泛关注。如何降低其成本并提高其工作效率也成为了我们研究的重心, 基于此本文将对与其关系甚密的硅基微纳光波导集成型滤波器和光电探测器做一个系统的概述。

关键词：通信技术,硅基微纳光波导集成型滤波器,光电探测器

参考文献

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[4]王剑威.硅基纳米光波导与器件及光传感应用研究[D].浙江大学, 2012.

光波分复用技术与应用研究 篇9

1 光纤的基本特性

因为单模光纤具有内部损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低的优点, 因而得到了广泛应用。从80年代末起, 我国在国家干线网上敷设的都是常规单模光纤。常规石英单模光纤同时具有1550nm和1310nm两个窗口, 最小衰减窗口位于1550nm窗口。多数国际商用光纤在这两个窗口的典型数值为:1310nm窗口的误减在 (0.3～0.4) d B/km;1550nm窗口的衰减在 (0.19～0.25) d B/km。在1380nm有一个OH-根离子吸收峰导致损耗比较大外, 其它区域光纤损耗都小于0.5d B/km (据报道已有公司推出了ALL-WAVE全波光纤, 消除了这一损耗峰峰值, 使整个频带更加平坦) 。现在人们所利用的只是光纤低损耗频谱 (1310～1550nm) 极少的一部分。以常规SDH2.5Gb/s系统为例, 在光纤的带宽中只占很小一部分, 大约只有0.02nm左右;全部利用光纤放大器EDFA的放大区域带宽 (1530～1565nm) 的35nm带宽, 也只是占用光纤全部带宽 (1310～1570nm) 的1/6左右。理论上, WDM技术可以利用的单模光纤带宽达到200nm, 即25THz带宽, 即使按照波长间隔为0.8nm (100GHz) 计算, 理论上也可以开通200多个波长的WDM系统, 因而目前光纤的带宽远远没有利用。WDM技术的出现正是为了充分利用这一带宽, 而光纤本身的宽带宽、低损耗特性也为WDM系统的应用和发展提供了可能。

2 波分复用的技术原理

WDM本质上是光域上的频分复用 (FDM) 技术。从我国几十年应用的传输技术来看, 走的是FDM-TDM-TDM+FDM的路线。开始的明线、中同轴电缆采用的都是FDM模拟技术, 即电域上的频分复用技术, 每路话音的带宽为4kHz, 每路话音占据传输媒质 (如同轴电缆) 一段带宽;PDH、SDH系统则是在光纤上传输的TDM基带数字信号, 每路话音速率为64kb/s;而WDM技术是光纤上频分复用技术, 16 (8) ×2.5Gb/s的WDM系统则是光域上的FDM模拟技术和电域上TDM数字技术的结合。在模拟载波通信系统中, 为了充分利用电缆的带宽资源, 提高系统的传输容量, 通常利用频分复用的方法, 即在同一根电缆中同时传输若干个信道的信号, 接收端根据各载波频率的不同, 利用带通滤波器就可滤出每一个信道的信号。同样, 在光纤通信系统中也可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量, 在接收端采用解复用器 (等效于光带通滤波器) 将各信号光载波分开。由于在光的频域上信号频率差别比较大, 人们更喜欢采用波长来定义频率上的差别, 因而这样的复用方法称为波分复用。每个波长通路占用一段光纤的带宽, 与过去同轴电缆FDM技术不同的是: (1) 传输媒质不同, WDM系统是光信号上的频率分割, 同轴系统是电信号上的频率分割利用。 (2) 在每个通路上, 同轴电缆系统传输的是模拟信号4kHz语音信号, 而WDM系统目前每个波长通路上是数字信号SDH 2.5Gb/s或更高速率的数字系统。

3 波分复用技术的主要特点

可以充分利用光纤的巨大带宽资源, 使传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍。使N个波长复用起来在单模光纤中传输, 在大容量长途传输时可以大量节约光纤。另外, 对于早期安装的芯数不多的光缆, 芯数较少, 利用波分复用不必对原有系统作较大的改动即可比较方便地进行扩容。利用WDM技术选路来实现网络交换和恢复, 从而可能实现未来透明的、具有高度生存性的光联网。WDM已不仅成为解决容量问题的手段, 而且成为加速新业务量生成的基础。在国家骨干网的传输时, EDFA的应用可以大大减少长途干线系统SDH中继器的数目, 从而减少成本。距离越长, 节省成本就越多。

4 波分复用的优点

超高速大容量:复用光通道速率为:622MB/S、25GB/S、10GB/S, 复用通道数:4、8、16、32个或更多, 超大容量传输:可达300GB/以上, 可平滑升级扩容:根据需要随意增加复用光通道, 各信道彼此独立, 可透明传送不同业务。

可利用成熟TDM技术、避开更高速TDM技术难度, 2.5GSDH技术已十分成熟, TDM方式10GSDH已达电子器件工作极限。对光纤色散无过高要求:N*2.5G的WDM系统对光纤色散的要求, 同单波长2.5G一样, G.652光纤适合于传输2.5GTDM信号, 但难以传10G以上TDM信号, 需进行色散补偿。可利用宽带EDFA实现超长距离传输:用一个宽带EDFA可对复用光通道信号同时放大, 可实现超长距离传输 (可达640KM) , 节省大量中继设备。适合向全光网络发展, 可与光分插复用和光交叉连设备结合使用, 组成具有高度生存性、超大容量的全光网络。

5 波分复用的技术现状和发展

我国WDM实用化技术处于世界先进水平, 我国863安排的8X2.5GB/S已与青济和广汕线路投入应用, 重庆移动长途传输干线渝西环DWDM 320G工程, 采用Unitrans ZXWM-32 (320G) 密集波分复用系统和SDH Unitrans系列设备建设。环网包括新牌坊、大坪、IDC中心、南坪、永川、北碚六个OTM和ADM站点和江津、铜梁、潼南3个OLA站点。由武汉邮电科学研究院承担的国家863重大项目“32X10GB SSDH波分复用系统”在广西南宁通过国家验收, 该项目是国家863计划的重中之重项目。通过应用到实际工程-广西南宁至柳洲段, 实现了在同一管理平台上对SDH和WDM的统一管理, 具有完善的管理维护功能。

WDM技术仍处于快速发展阶段, 许多厂商的32×2.5Gb/s系统都已投入使用, 另外N×10Gb/s的WDM技术也发展很快, 我们目前制定的规范仅仅对当前引进和建设的16 (8) ×2.5Gb/sWDM系统参数进行了具体规定, 对于16通路以上的WDM系统的光接口参数还没有规范。但是许多普遍原则, 例如WDM分层结构、光接口分类、保护以及安全要求等在多通路WDM系统中仍将适用

摘要：本文主要阐述光纤的基本特性, 波分复用的技术原理, 波分复用技术的主要特点, 波分复用的优点以及波分复用的技术现状和发展。

关键词：WDM (波分复用) ,FDM (频分复用) ,带宽,光纤色散,研究

参考文献

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