Filter-WDM器件最全解析

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波分复用（WDM）是当前光纤通信扩容的主要手段。WDM波分复用器传输的基本元件是光学滤波器，WDM器件按硬件产品的工作原理分类，可分为滤波片式（Filter）、熔融拉锥式（FBT）和阵列波导光栅（AWG）。本文解析TFF型三端口波分复用器件即Filter-WDM。

TFF薄膜滤波片

Filter-WDM通常称为三端口波分复用器，由薄膜滤波器（TFF）构成，TFF由几十层不同材料、不同折射率和不同厚度的介质膜组合而成。以高/低折射率介质膜构成的周期结构，从而对一定的波长范围呈通带，而对另外的波长范围呈阻带，形成所要求的滤波特性。其功能类似于部分反射膜。中间的腔层将两个反射镜隔开。

图1：基于薄膜技术的FPI干涉仪

使用基于薄膜技术的FPI干涉仪作为光学滤波器。干涉仪的透射峰是周期性的，随着镜面反射率的增加，透射谱的精细度越来越高。

图2：薄膜FPI的透射谱

在自由光谱范围内，干涉仪只有一个透射峰，当镜面反射率较高时，透射峰线宽非常窄，可用于窄带滤波。

图3：窄带FPI在一个FSR之内的透射谱

在DWDM密集波分传输系统中，需要滤波器具备窄带和平顶滤波特性，而这需要多腔薄膜结构，如图所示。

图4：多腔薄膜滤波器结构

FP干涉腔的数量越多，通带就越平坦，边缘陡降特性就更好，非常有利于DWDM应用。不过，多腔结构需要更多的“镜面”，使得薄膜层数成倍增加。每个膜层都需要以超高的均匀度和精密的厚度沉积到玻璃基板上，导致多腔结构成本增加且良率降低。因此，当信道数大于16时，基于AWG的并行结构更适合DWDM模块。

图5：多腔薄膜滤波器的滤波效果

薄膜滤波器还有长波通滤波片（LP）和增益平坦化滤波片（GFF）。LP滤波器可用于WDM单纤双向传输（发射接收波长不同）。GFF滤波器则用于掺饵光纤放大器（EDFA）中，可平坦化增益谱。

图6：长波通滤波片的透射谱

图7：增益平坦化滤波片的反射谱

Filter-WDM器件

Filter-WDM包括一个双光纤准直器、一个单光纤准直器和一个TFF滤波片。双光纤准直器的准直透镜端面上粘贴TFF滤波片。WDM波长从通用端输入，TFF滤波片将特定波长λn透射，其余波长则被反射，只剩波长λn从透射端口输出。

图8：Filter-WDM结构

为了解复用出所有波长，需要将串联多个三端口器件，组成WDM模块。每个三端口器件中的TFF滤波片透射波长是不同的。当信号传输方向相反，WDM模块可用作复用器。

图9：基于三端口WDM器件模块结构

紧凑型波分复用器

常规WDM模块的尺寸相对较大（典型8信道WDM模块的尺寸为130×90×13mm3），不符合某些场景的应用需求。于是便研发出了紧凑型波分复用器，是常规WDM模块的迷你版（有紧凑型CWDM和DWDM模块，简称为CCWDM和CDWDM）。它同样基于TFF技术，工作方式与常规WDM模块相同，不同之处在于紧凑型WDM的相邻信道利用平行光束在自由空间级联，而不是用光纤，波长信道之间的耦合通过走“之”字路线的淮直光线形式实现。没有了级联所用的光纤，紧凑型WDM封装盒的尺寸比标准WDM封装足足小了10倍。

图10：紧凑型波分复用器结构

波长每经过一个三端口WDM器件，会产生不同的插入损耗。随着端口数增加，损耗均匀性劣化，最后端口处的最大损耗会限制端口数，紧凑型波分模块也存在同样的问题，因此Filter-WDM信道数通常不超过16个。

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