3.4　波分复用/解复用器

波分复用器（WDM）的功能是把多个不同波长的光发送机输出的光信号复合在一起，并注入一根光纤中。解复用器与波分复用器的功能正好相反。解复用器的功能是把从一根光纤中输出的多个波长的复合光信号，还原成单个不同波长信号，并分配给不同的光接收机。由于光具有互易性，当改变传播方向时，解复用器可以作为波分复用器，但解复用器要求有波长选择元件，而波分复用器则不需要这种元件。根据波长选择机理的不同，波分复用/解复用器可以分为棱镜型、光栅型（含阵列波导光栅型）、光干涉型、介质薄膜型等。

3.4.1　光栅型解复用器

光栅型解复用器如图3.4.1所示。在1.3.4节中，我们介绍了衍射光栅的基本原理，并且得到了因相长干涉，强度最大的光斑位置条件，这就是由式（1.3.14a）表示的dsinθ=mλ，d为光栅间距，该式对任意波长都适用。对于m=1的一阶衍射，有

这就意味着每个波长在一定的角度会出现最大值，如图3.4.1（a）所示。

在图3.4.1（b）中，输入的多波长复合信号聚焦在反射光栅上，光栅对不同波长光的衍射角不一样，从而把复合信号分解为不同波长的分量，然后由透镜聚焦在每根输出光纤中。所以，这种以角度分开波长的器件又称角色散器件。使用渐变折射率透镜可以简化装置，使器件相当紧凑，如图3.4.1（c）所示。如果用凹面光栅，可以省去聚焦透镜，并可集成在硅片波导上。

由式（1.3.14a）可得

式中，Δθ是分开间距为Δλ的两个波长光信号的角度。通过式（3.4.2），可将角度分开转变成距离分开，根据图3.4.1（a），可得

【例3.4.1】光栅型解复用器

（a）如果光栅间距d=5μm，需要分开的波长是1 540.56nm和1 541.35nm，请问要想把它们分开需要多大的角度？

（b）使用相同的光栅，把它们分开时，透射衍射光栅和光纤端面间的距离L是多少？

解：这是ITU-T推荐的DWDM系统波长，我们可以近似认为波长间距为0.8nm。

（a）由式（3.4.1）可得

对于λ1=1 540.56nm　d=5μm，θ1=sin-1（λ1/d）≈17.945°

对于λ2=1 541.35nm　d=5μm，θ2=sin-1（λ2/d）≈17.955°

（b）由式（3.4.3）可得

L=（y2-y1）/（tanθ2-tanθ1）

普通单模光纤的包皮直径是245μm，相邻两根光纤的最小间距y2-y1=245μm，所以L=（y2-y1）/（tanθ2-tanθ1）≈1.323m。显然用这么长的光纤来制作WDM器件是不现实的，所以，通过本例说明，必须采用透镜来缩短相邻两根光纤的最小间距。

3.4.2　光干涉型波分复用/解复用器

法布里-珀罗干涉仪和马赫-曾德尔干涉仪都可以作为干涉滤波器（Interference Filter）。这种滤波器只能让复用信道中的信号从一个信道通过，从而实现对复用信号的解复用。几个这种滤波器可以组合构成多个波长的波分复用器或解复用器。

1个马赫-曾德尔干涉仪的结构如图3.4.2所示。马赫-曾德尔干涉仪的一臂比另一臂长，其差为ΔL，由式（1.2.8）可知，使两臂之间产生与波长有关的相位差Δϕ=kΔL，假如相位差是0或2π的整数倍，则图3.4.2中3、4两个点是同相位的，所以k=2π/λ，Δϕ=kΔL=（2π/λ）ΔL。

马赫-曾德尔干涉仪的传输特性如图3.4.3所示，其峰-峰之间的相位差对应自由光谱范围（FSR）。

由马赫-曾德尔干涉仪组成的集成4信道光干涉型波分复用器如图3.4.4所示。光程差的选择要使不同波长的两个输入信号的总光功率只传送到一个指定的输出端口，而可以制成更有效的波分复用器。整个结构可以用SiO2波导制作在一块硅片上。

从系统设计的角度考虑，最好是在Si或InP衬底上集成内部具有波分复用器或解复用器的光发送机或光接收机，这样便可使波分复用器的插入损耗比较低。

评价波分复用器性能的主要指标是每个信道的（耦合）损耗。解复用器的性能要求是除了每路信号的插入损耗较小外，还要信道隔离度好。在理想情况下，解复用器要把每个信道分开，而邻近信道之间没有任何光功率泄漏。实际上，这种光功率泄漏是存在的，特别是对于密集WDM系统来说。为了满足系统性能的要求，光功率泄漏产生的串扰必须很小（小于-20dB）。

3.4.3　介质薄膜型解复用器

1.3.2节已介绍了电介质镜的基本原理，本节介绍利用其基本原理构成的介质薄膜型（Thin-Film Filters）解复用器（Demultiplexers）。

介质薄膜型解复用器利用光的干涉效应选择波长。可以将每层厚度为光的1/4波长，高、低折射率材料（如TiO2和SiO2）相间组成的多层介质薄膜，作为干涉滤波器。用介质薄膜滤波器构成的解复用器如图3.4.5所示。在高折射率层反射光的相位不变，而在低折射率层反射光的相位改变π。连续反射光在前表面相长干涉复合，在光的一定波长范围内产生高能量的反射光束，而在这一范围之外，则反射很小。这样通过多层介质膜的干涉，就使一些波长的光反射，而使另一些波长的光透射。用多层介质薄膜可构成高通滤波器和低通滤波器。两层介质薄膜的折射率差应该足够大，以便获得陡峭的滤波器特性波形。用介质薄膜滤波器构成的几种解复用器如图3.4.6所示。用介质薄膜滤波器可构成WDM解复用器，如图3.4.5（b）和图3.4.6所示。

几种常用波分复用器性能比较如表3.4.1所示。