一种新型基于MEMS的GTI滤波器

2019-11-03 18:25:30

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来源：转载

供稿：网友

南加利福尼亚大学EE-System学院

斯坦福大学电子工程学院

　　摘要：我们采用一个转换时间为10μs的波长可调GTI来演示其在WDM系统中波长转换情况，同时也在一个时间-波长二维OCDMA系统演示了快速跳码试验。我们观察到功率损耗小于0.5dB。

　　关键词：GTI OCDMA

1、简介

　　波分复用器和解复用器几乎是所有WDM系统和网络的主要组成部分。从传统意义上讲，多路复用/解复用器（de/mux）都属于静态器件，随着温度的变化波长范围会有少许改变。几乎在第一个静态复用/解复用器获得商用的同时，人们就梦想出现一种能实现波长快速调谐版本的复用/解复用器。快速可调的复用/解复用器可以广泛应用到各种领域，包括应用在时间/波长二维光码分多址（OCDMA）系统里的快速跳码（code hopping）技术上，从而既提高了QoS性能又增强了安全性[1]。

　　先前可调复用器几乎没有什么新的进展，最近有利用一个1xN MEMS驱动的Gires-Tournois干涉仪（GTI）来制作快速调谐复用/解复用器的报道[2]，采用这种方法的GTI是利用一个可编程的微反射镜阵列来取代传统GTI结构里的背向反射平面（back reflection plane），从功能上来说，这种GTI实际上扮演着类似可调阵列波导光栅（AWG）的角色[3]，输出端口都是与相关波长呈周期性关系。例如，对于一个包含N个端口的多路解复用器来说，第一路波长从端口1输出，第N路波长从端口N输出，而第N+1路波长则又从端口1输出。经过调谐后，第N-1路波长可以从端口N输出，而第N路波长则可以由端口1输出，第N+1路波长由端口2输出。在我们的原型器件中，邻近端口之间的串扰为8 dB，而MEMS反射镜的调谐速度达到了10μs。尽管基本的器件测量论文已有公开发表[2]，但系统级的研究还尚未被报道。

　　在本篇论文里，我们将演示一个基于GTI的1x3波长复用/解复用器的系统级性能以及快速转换能力，当中采用的GTI带有一个可调谐的中心波长。对GTI的群延迟波纹（GDR）测量发现其GDR低于5ps。而在对这款复用/解复用器进行10Gb/s数据传输演示时发现其功率损耗低于0.5 dB。

　　另外，由于2D的OCDMA系统里的异步光正交码的周期性频率位移现象，也导致了正交码现象[4]。因此，用这种可调多路器来实现编码跳跃（Code hopping）便成为一种简单易行的方式。由于偷听者需要在监听编码本身的同时还要发现跳码的次序，这就增加偷听的难度，因此系统安全性大大提高。同时由于可调编码器/解码器在出现其他用户的MAI（Multiple access Interference，多址接入干扰）降低接收信号质量的情况下可以允许一个用户跳跃到一个新的编码上，因此跳码技术也被证明可以维护服务的品质（QoS）。而这款MEMS GTI则可以被用来完成编码跳跃，同时相比其他潜在竞争技术（如温度调谐FBG或延迟线开关）性能也作了重大改进（如速度和简单性）。下面我们就介绍一下采用GTI的2D OCDMA系统的跳码试验情况。

2、将GTI作为一个高速开关

　　每一个多路器的输出端口都表现出一个周期性的滤波器光谱。通过改变加载于静电MEMS驱动器上的电压，我们可以改变微发射镜的垂直方位，因此我们引入了入射光束的相位移概念。这种相位移在光纤阵列的输出端会转变为输出干涉图样的周期性位移（cyclic shift）[2]。举例而言，从端口3到端口1的被称为第3rd个波长位移，从端口1到端口2的是第1个波长位移，依次类推（见图1a）。图2a则展示了转换程序。一个承载2Gb/s数据的波长穿越多路器。通过在两个不同的电压之间进行转换（速率为15 kHz），引入的数据输出端口将从端口2转换到端口1。图中显示了10μs的转换速度。我们还观察到在转换的过程中比特并未出现降级退化现象，不过峰对峰值（peak to peak）却发生了改变。这些端口处于关闭位置时的串扰为5-8dB，标准插入损耗为11.5dB。之所以会出现这么高的插损和串扰的主要原因是元件和自由空域耦合未对准的缘故。因此，我们可以通过使用一个阶跃光束分路器（分光比可调）以及增加微反射镜数量（目前一般为6个）的方法来大幅改进插损和串扰性能。模拟的结果显示[2]插损最低可降到3dB，串扰也能达到13dB。

　　图1（a）通过改变MEMS结构，多路器便获得周期性的输出波长，转换速率为10μs，而多路器的带宽为30nm。FSR也可以从0.6nm 调节到1.2nm。（b）GTI的周期性位移也可以被用来进行正交OCDMA码间的跳跃。

　　图2b则展示了贯穿滤波器通带的群时延波纹GDR，数据显示其peak-to-peak波纹在整个滤波器带宽范围内都低于5 ps，并且具有一个比较均匀的平坦斜率——这说明滤波器有效减少了色度色散现象。GDR采用的是调制相法测量的，fmod = 1 GHz ，lstep= 0.01nm。

　　图2（a）在端口2和3之间转换的l2，转换时间为10μs。(b) 贯穿GTI滤波器通带的群时延波纹GDR图，其peak-to-peak波纹在整个滤波器带宽范围内都低于5 ps，GDR采用的是调制相法测量的，fmod = 1 GHz ，lstep= 0.01nm。（c）10G调制1548nm信号穿过每一端口的BER测量。在穿越CTI过程中比特未出现失真现象。

　　图2c显示了10G调制1548nm信号穿过每一端口的BER测量情况。结果显示功率损耗低于0.5dB。

3、在一个时间-波长二维OCDMA系统中的快速跳码试验

　　光码分多址（OCDMA）技术因其能实现多个用户之间安全，异步的数字通讯而受到人们越来越多的关注[5]。一种有助于传统OCDMA系统消除对小型码片时间（chip time）需求的方法就是采用二维OCDMA架构，在上述架构中，每个比特被分离成一些码片时间和一组不连续波长的集合[6]。图1b显示了一个OCDMA比特是如何按时域和波长来编码的。由于异步正交码的波长周期位移通常是正交码本身，因此GTI周期性的波长调谐特性结合MEMS驱动器的快速调制速度将使这些基于MEMS的可调GTI成为跳码OCDMA系统的不错选择。

试验装备

　　图3显示了跳码演示中的试验配置图。每个数据比特被编写进一个三波长（1543.2 nm, 1548 nm, 1552.8 nm）和8个码片（每个码片间隔为100ps）的组合。如果数据为“1”，那10Gb/s图样发生器就在一个比特周期内（800 ps）产生一个100ps的脉冲，如果数据为“0”则没有脉冲。光纤布拉格光栅阵列（FBGA）则作为固定编码器来延迟相关码字的波长。编码数据接着再穿过不同长度的光纤（~20 m）分配到各个用户手中。

　　图3：在一个时间-波长OCDMA系统中采用GTI作为可调解码器的试验配置图。传输速率为1.25Gb/s，每个码片为10Gb/s。

　　图4：通过调节GTI的电压，使之达到30V，用户1就可以被解码了。将电压调节到80V，第二个用户将被解码。图a和B显示了当只有一个用户存在时候的编码/解码情况。图c显示了存在两个用户时的跳码情况。

　　来自两个用户的编码数据被集合在一起，再通过可调GTI解码器。连接到GTI输出端口的光纤长度都是不一样的，从而对用户波长进行重新排列并产生一个三级峰值脉冲。接收器的输出端是一个阀值探测器，可以复原1.25Gb/s数据。图4a和b显示了只需调节GTI的电压就可以对用户1和用户2的数据进行解码，而无须改变延迟线长度。图4c显示了两个用户同时存在的情况，当一个用户被解码时，剩余的用户将会对先前用户产生噪音。来自GTI的串扰也跟MAI类似。

参考文献:

[1] A. Stok, et. al. Network, IEEE , Volume: 14 Issue: 6 , Nov.-Dec. 2000

[2] K. Yu, et. al., Lasers and Electro-Optics Society 2003 Annual Meeting, LEOS’03, Paper WE4, Oct., 2003.

[3] C. Dragone, et. al.IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 3, pp. 812–815, Sept. 1991.

[4] O. Moreno, et. al., IEEE Trans. On Information Theory, vol. 41, no. 2, 1995

[5] J. A. Salehi, et.al., IEEE Trans. on Communications, vol. 37, no. 8,1989

[6] L. Tancevski, et. al., IEE PRoc. in optoelectronics, vol.

摘自　光纤新闻网

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