薄膜滤波器与阵列波导光栅技术的比较

波分复用 (WDM) 是一种提高光纤带宽和传输能力的关键技术。它通过同时传输多个工作在不同波长的光信号来实现这一目标。目前常用的 WDM 技术包括薄膜滤波器 (TFF) 和阵列波导光栅 (AWG)，它们都因其在不同波长间有效管理光信号而被广泛应用。

薄膜过滤器-TFF 技术

薄膜滤波器（TFF）技术是波分复用（WDM）器件技术领域的主流选择。TFF 利用特殊薄膜材料的光学特性，有效地分离或复用不同波长的光信号。这些滤波器通常由多层不同厚度的薄膜构成，具有结构化排列和精确的反射率。这种结构使得特定波长的光在薄膜内反射，而其他波长的光则能够穿过，从而实现信号分离和复用。TFF 技术的显著优势包括结构简单、尺寸紧凑、成本效益高以及可靠性强。

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多层介质薄膜滤波器是一类具有多层结构的高反射薄膜。这些层数可从几层到数百层不等，交替使用两种折射率不同的介质材料。靠近空气层的滤光片基底上的介质层具有较高的折射率。通过复合多层不同的介质薄膜，可以合成具有精确波长选择特性的干涉滤波器。这使得有效分离或混合不同波长的光成为可能。

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薄膜滤波器 (TFF)是整个波分复用 (WDM) 装置中至关重要且价格相对昂贵的组件。一个三端口 WDM 器件包含一个双光纤准直器、一个单光纤准直器和 TFF 滤波器。TFF 滤波器位于双光纤准直器准直透镜的端面，其主要作用是信号的传输和反射。对于来自同一光源的包含波长 λ1、λ2、…、λn 的 WDM 信号，TFF 滤波器允许其中一个波长 λn 透射，其余波长则被反射。因此，λn 从透射端输出，其余波长从反射端输出。这种分割将一个输入光信号转换为两个不同的光信号输出，即解复用。相反，两个输入光信号汇聚成一个复合光信号输出，即复用。

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如图所示，多个三端口器件必须依次连接才能构建波分复用 (WDM) 模块，以解复用所有波长。在此配置中，每个三端口器件都具有具有不同传输波长的 TFF 滤波器。由此产生的 WDM 模块具有双重功能：根据信号传输方向的不同，它可以作为解复用器或复用器。

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由级联的三端口波分复用 (WDM) 器件构成的 WDM 模块通常体积较大，例如，一个 8 通道 WDM 模块的尺寸通常约为130×90×13mm³，这可能不适用于某些特定的专用应用。为了解决这一限制，我们开发了一种紧凑型 WDM 模块，如图所示。在该装置中，TFF 滤波器固定在玻璃平台上，而输入/输出光纤准直器则按顺序进行精确对准。这种紧凑型模块的尺寸显著缩小，通常为 50×30×6mm³，体积小得多。这些紧凑型密集波分复用 (DWDM) 和粗波分复用 (CWDM) 模块通常分别被称为 CDWDM 和 CCWDM。

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紧凑型粗波分复用 (CCWDM) 提供了一种更为紧凑的解决方案。它无需依赖笨重的光纤级联结构，而是在准直光束条件下于自由空间环境中运行，将相邻通道级联起来。其基本原理是利用输入透镜将波长为λ1、λ2...λn 的光信号聚焦到初始滤波器上。随后，携带波长λ1 的光信号穿过初始滤波器，并被导向第一个输出透镜。在第一个输出光纤中，λ1 光信号被分离出来，而其余信号则被初始光纤反射到下一个光纤，以进行进一步的信号分离。此过程重复进行，直至所有信号均被成功分离。波长通道之间的互连通过锯齿形光图案实现。

阵列波导光栅（AWG）技术

在薄膜滤波器（TFF）波分复用（WDM）模块中，不同波长的光信号会经过不同的器件，从而导致不同的功率损耗。随着端口数量的增加，损耗均匀性会下降。此外，末端端口的最大损耗也限制了端口数量。因此，基于 TFF 的 WDM 模块通常被限制在≤16个通道。然而，传统的密集波分复用（DWDM）系统通常需要在单根光纤中传输 40 或 48 个波长。这就需要具有高端口数的复用器/解复用器单元。串行结构会在终端端口处积累过多的损耗，因此需要一种能够同时复用/解复用数十个波长的并行结构。阵列波导光栅（AWG）正是满足这一需求的解决方案。

阵列波导光栅（AWG）技术是另一种常用的技术。它利用平面光波导电路（PLC）技术在芯片基板上制造阵列波导光栅。AWG 通过光纤上的平面波前分束器对不同波长的光信号进行复用和分离。通常，AWG 由一系列平行排列的波导组成，这些波导以特定的规则性和晶格分布排列在光波导上。每个波长的光都通过指定的波导，从而实现信号的复用和分离。与 TFF 技术相比，AWG 技术具有更高的波长隔离度、信道数量和带宽。因此，它被应用于高速光通信系统中。

下图展示了 AWG 的典型结构。它由五个主要部件组成：

1. 发射波导

2. 输入星形耦合器（FPR - 自由传播区）

3. 波导阵列

4. 输出星形耦合器

5. 众多接收器波导

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信号从发射波导发出，在输入星形耦合器内自由传播的过程中发生分离，最终进入阵列波导。值得注意的是，这种分离过程是无色的，这意味着所有波长都均匀分布在阵列波导中。阵列波导内的多束光束之间会产生相位差。这些光束的相位遵循类似于传统光栅的等差数列。因此，不同的波长被色散，并随后聚焦到输出星形耦合器内的不同位置。接收波导就位于这些焦点处。每个接收波导对应一个特定的波长，从而实现密集波分复用（DWDM）信号的并行解复用。

两种波分复用（WDM）技术在光通信系统中都有广泛的应用。传统上，阵列波导光栅（AWG）技术被认为更适用于长距离、高信道容量的密集波分复用（DWDM）场景，而薄膜滤波器（TFF）技术则更适用于低信道容量的粗波分复用（CWDM）城域网部署。

结论

薄膜滤波器（TFF）通常由多层不同厚度的薄膜构成，其中薄膜滤波器是波分复用（WDM）器件中最关键也是最昂贵的组件。如果器件需要更多通道，则必须增加薄膜的数量，从而推高 TFF 的价格。相反，任意波形发生器（AWG）允许同时采集 40 个通道，但缺乏选择性地使用单个通道的灵活性。因此，添加和删除 10 个通道的信号的成本与管理 40 个通道的成本相当。因此，对于涉及多个通道的场景，AWG 比 TFF 更经济。许多资料将 16 个通道作为这两种技术的分界点。需要少于 16 个通道的应用被认为适合 TFF 技术，而需要超过 16 个通道的应用则更适合 AWG 技术。

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