摘 要：全光器件是當今光纖通信技術中的研究熱點，本文就實現全光網絡的關鍵器件及技術，包括光開關、可調式激光器、可調式濾波器及光纖傳感技術，特別是光纖熔錐器件及其技術作了詳細的闡述，同時指出了今后發展的方向和趨勢。
光纖通信正朝著密集波分復用DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）結合光放大器OA（Optical Amplifier）的高性能、大容量、靈活的全光網絡AON（All Optical Network）發展。AON是以光纖為基本傳播媒質，采用WDM技術提高網絡的傳輸容量，以波長路由分配（RAW, Routing and Assignment of Wavelength）為基礎，在光節點采用光/分插復用（OADM，Optical Add-Drop Multiplexing）和光交叉連接（OXC，Optical Cross-Connect）技術來提高吞吐量，從而使得光網絡具有高度靈活性和生存性。由于WDM的技術的不斷發展，提高了光互聯網技術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只有使用光子交換技術才能滿足網絡容量的要求，這要依賴于合理成本下的可重構聯網技術以及結構簡單的用于復用和交換的光器件不斷走向實用化。
AON的實現依賴于光器件和系統的發展，尤其是以DWDM為基礎的全光網絡引入交叉連接和分/插復用等一些全新的技術，這些功能的實現很大程度上取決于新型關鍵器件的開發和研制。同時，一種新技術或新型器件可使整個系統的性能大大改善，有時會推翻整個舊系統，因此許多公司或科研單位都投入較大的力量開發AON和WDM中的新技術和新型的光器件，其中包括集成開關矩陣、濾波器、波長變換器、新型光纖、OADM和OXC等關鍵器件，還要重點解決高速光傳輸、復用器、高性能的探測器和可調激光器陣列以及集成陣列波導器件等關鍵器件，這些光器件與光纖一起構成了全光網絡的物質基礎。由于對機械穩定性和熱穩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傳輸，從而提高了穩定性；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計和開發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組件和集成光學器件。
1.實現全光網的關鍵器件
目前為止全光網絡設備還未完全進入商用化的階段，究其原因主要是：一方面網絡傳輸標準的發展未完善，另一方面則是由于光器件的技術發展也還待突破。從器件的角度來看，未來光網絡設備與系統發展的關鍵器件包含了光開關、波分復用器、分插復用器、光交叉連接設備、可調式激光和可調式濾波器等。
光開關是新一代全光網絡的關鍵器件，主要應用在光交換設備中，實現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域。在實現光開關的眾多技術之中，MEMS（Micro-electromechanical system）技術由于可在極小的晶片上排列大規模機械矩陣，解決了OXC發展中容量限制瓶頸的一大問題，同時在技術不斷改進之后，MEMS開關的回應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設計的OXC，極有可能成為今后OXC的主要發展方向。
采用可調式激光源，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，大大的降低了系統成本。能實現可調式的激光源主要有3種，即超周期結構光柵形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的可調式激光源。它們的CW（Continuous Wave）調諧范圍都大于40nm，最大可達100nm。可調式激光技術目前發展并不成熟，大部分產品都處在實驗室階段或試用初期，它在未來光網絡中的應用主要表現在動態波長分配，通過可調激光以及可調濾波器等器件，實現基于波長的通道分配。對于小于16個節點的光網路，利用可調激光器可以提供簡單可靠的光網絡方案，而更大的網絡架構可同時結合OXC器件。另外，利用可調式激光源，可實現光譜分析系統。目前，日本的Santec公司開發出了基于可調激光器的光譜分析掃描系統，能在2.5秒時間內完成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。
可調式濾波器的發展對于推動全光網絡架構扮演著決定性的角色，而發展全光網絡的一個先決條件是必須做到光層面的網絡監控與管理，以目前的技術而言，若要對光信號做監控，必須先將光信號取樣后，經過光電轉換，才能做下一步的信號監控或路由控制。然而，這種方式不但所需的設備昂貴，且線路復雜、管理不易，隨著網絡業務的快速增加，顯然是沒有經濟效益的。利用可調式濾波器為基礎的光纖監控和管理，則不須針對每一個波長分別設置光電轉換及監測設備，只需要透過可調式濾波器，將要處理的波長篩選出來即可，因此可大大簡化光纖監管系統的架構。特別是對于傳統的可調式OADM必須用波分復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，如果用可調式濾波器來取代波分復用器，則不須將個別波長分別獨立，只要使用一個可調式濾波器將要下載的波長篩選出來即可完成。
由于技術尚未完全成熟，可調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是聲光可調濾波器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，使光在特定的正交方向產生衍射現象，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，其他的技術還包含微機械式（MEMS）、陣列波導式（Array Wave－guide Grating）及布拉格光纖光柵式（，Fiber Bragg Grating）等，這些技術與OADM或OXC的結合，使得全光網絡系統的強大功能完全發揮出來。
另外，光纖傳感技術的進一步發展也與光器件的發展密不可分。光纖傳感是以光波為載體，光纖為媒質，感知和傳輸外界被測信號的新型傳感技術，在某些方面的應用優勢是傳統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律對光纖中的光波的物理特征參數，如強度（功率）、波長、頻率、相位和偏振態進行調制，然后通過解調后進行數據處理。因此，光纖傳感和信號處理的基礎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，同時光纖傳感技術也正在向時分復用、波分復用網絡的方向發展。
總之，光器件作為光纖通信設備的重要組成部分，也是光纖傳感和其它光纖應用領域不可缺少的器件，因此，其重要性變得日益突出。世界上許多的研究機構和光通信公司都投入巨大的人力和物力開發光器件并建立相關的產業，這必將推動如OXC、OADM及光纖監視管理系統等設備的廣泛應用，實現高效率、高彈性的全光網將不再是遙遠的夢想。國際標準化組織已經或正在制定光器件的各種技術標準，因此，努力研制和開發新的光器件也是我國光通信產業發展的重點。
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成其它器件的一種基礎器件，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)良好的環境穩定性。在經過適當保護后，受環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。可以方便地改變器件的性能參數。(5)制作成本低廉、適于批量生產。
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，使一根光纖內的一部分光耦合到另一根光纖中來實現特定分光比，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，要對耦合比進行監控，并通過控制拉絲過程來進行調節。由于熔合區的纖芯的面積已經小到了無法維持各自導模的程度，因而熔融區（耦合腰）就成為一個新的合成波導，信號也就被耦合成這一波導的兩個基模（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）之間的漲落導致了能量的轉移，由于耦合腰周圍外部介質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特性對熔合區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，還可實現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新型的980/1550nm波分復用器[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，但這種器件的生產工藝有待于進一步的研究；并且，利用保偏光纖和常規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雜性，可研制成用于監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光纖熔融技術，也是一個很好的研究方向，它可以改變原常規光纖的導波特性，開發新型的寬帶混合器/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用器，目前的產品種類也比較單一，主要有1310/1550nm波分復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的發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的光混合器/分路器，這對設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、局域網和無源光網絡的不斷發展，出現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Mike Pearsall等四位專家成功地開發出全波光纖（All wave Fiber）以來,研發全波混合器/分路器也已成為當務之急。因為有全波光纖，沒有全波器件，還是不可能最終實現全波系統。（4）在功率方面，從最初地300mW已經過渡到500mW，目前在一些特殊的應用場合需要1000mW，相信這種器件在拉曼光放大系統和超高可靠性的摻鉺光纖放大器模塊中具有更重要的應用價值。因此，為實現高功率工作要求，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。
熔融拉錐工藝經過了二十多年的不斷提高和發展，已經成為一門對光器件的開發具有舉足輕重的技術――熔融型全光纖器件技術。從理論上講，除了光非互易器件以外，它可以開發所有其它各類器件。到目前為止，它可以生產各類混合器/分路器、衰減器、寬帶/窄帶/甚至密集波分復用器和全光纖Interleaver，另外還有基于熔融光纖技術的光調衰減器、光開關、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定性等方面仍是下一步研究的目標。
3.光器件的發展及趨勢
在各種光器件中，作為光纖通信和光纖傳感系統中的重要組成部分的全光纖器件已經取得了長足的進步，并具有了一定的規模。同時，光纖通信的發展呼喚著功能更全、指標更先進的光器件不斷涌現，因為一種新型器件的出現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雜，涉及許多不同的工藝技術，而每一種光器件的制作工藝又各不相同，自成體系，這些工藝技術主要涉及到機械加工、成型工藝、精密光學加工、激光加工、以及材料加工和半導體工藝等工藝技術，器件的優劣、性能指標的好壞都與工藝技術密切相關。因此，尋求更新更先進的工藝技術是發展光器件的重要課題，也是推動光纖通信事業向前發展的關鍵之一。而制作光器件的另外一個重要方面是光學材料。在光纖通信的自身不斷發展的同時，也推動著光學材料的向前發展，光子晶體和聚合物光器件的發展就是光學材料發展的有力例證。最后，光器件的發展過程可歸結于以下幾條主線：（1）纖維光學和集成光學共同發展，互為補充。（2）分離器件和集成化器件將長期共存，但發展趨勢是集成化。（3）光波導理論和電磁波理論是構成光無源器件的理論基礎。（4）高、精、尖的加工技術是光器件的基本保證。要發展光器件，必須加強工藝技術的提高。（5）尋找新的光器件所需的新型光學材料。 |
