第35卷第12期 光电工程V ol.35, No.12 2008年12月Opto-Electronic Engineering Dec, 2008文章编号：1003-501X(2008)12-0136-05
喻洪麟1，吴永烽1, 2，康治平1，张法国1
( 1. 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400030；
2. 西南大学工程技术学院，重庆 400716 )
摘要：针对刻划光栅因周期误差和刻线的不平整所带来的鬼线和杂散光的不足和缺陷，提出了基于MEMS闪耀光栅的波分复用器的构成方法，介绍了基于MEMS闪耀光栅的波分复用器的基本组成，介绍了MEMS闪耀光栅的工艺实现以及提高其衍射效率的方案。在LabVIEW中对MEMS闪耀光栅进行了数值仿真分析，同时在ZEMAX 中对波分复用器进行了光线追迹，其结果证明了MEMS闪耀光栅应用于波分复用器中的可行性。
关键词：MEMS闪耀光栅；WDM；数值仿真；ZEMAX
中图分类号：TN256 文献标志码：A
内部收益率Wavelength Division Multiplexer Based on MEMS Blazed Gratings YU Hong-lin1，WU Yong-feng1, 2，KANG Zhi-ping1，ZHANG Fa-guo1
( 1. Key Laboratory of Opto-Electronic Technology and System, Ministry of Education;
Chongqing University, Chongqing 400030, China;
2. Engineering and Technology College, Southwest University, Chongqing 400716, China )
Abstract: Referring to the shortage and limitation of ruled grating which has ghost line and stray light because of period error and ruling irregularity, a method for making a Wavelength Division Multiplexer (WDM) is proposed based on Micro Electro-mechanical System (MEMS) blazed grating. The basic composition of WDM based on MEMS blazed grating is introduced according to the method. The craft for realizing MEMS blazed grating and the means for improving diffraction efficiency are also introduced. MEMS blazed grating is numerically simulated and analyzed in Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench (LabVIEW). And the diffraction intensity distribution of blazed grating is presented.
At the same time, the rays in WDM are traced in ZEMAX. The results prove that MEMS blazed grating can be applied well in WDM.过氧化物酶
滴泪痣小说Key words: MEMS blazed grating; wavelength division multiplexer (WDM); numerical simulation; ZEMAX
1 引 言
波分复用技术在20世纪80年代初就已经被提出，它是指使用多束激光在同一条光纤内同时传输多个不同波长光波的技术，其关键器件是波分复用器(Wavelength Division Multiplexer，WDM)，但当时由于波分复用器(WDM)还不成熟，波分复用技术还未真正用到光纤通信上。到90年代初，掺铒光纤放大器(Erbium- doped Fiber Amplifier，EDFA)的出现和对带宽需求的剧增，最终将WDM推到了光通信发展的中心。EDFA 只在光域中把光信号放大，而不管数据的传输速率和格式；同时，光复用/解复用器和激光二极管技术的进展，也降低了通过波长对光信号打包和拆包的成本。EDFA和WDM技术结合使用，可以不需要光－电－光的转换，用一根光纤就可以将不同波长的光传输几百千米。至今为止，主要有利用介质膜滤波器、衍射收稿日期：2008-05-19；收到修改稿日期：2008-07-21
基金项目：重庆市自然科学基金资助项目(2007BB2202)，博士学科点专项科研基金资助项目(20060611031)
作者简介：喻洪麟(1954-)，女(汉族)，重庆人，教授，博士生导师，主要从事光电技术及系统、新型传感等研究。E-mail: hlyu@cqu.edu 通信作者：吴永烽. E-mail: wyfeng999@163
2008年12月 喻洪麟 等：基于MEMS 闪耀光栅的波分复用器的研究 137光栅、阵列波导光栅以及马赫－曾德尔干涉仪等技术原理来制作WDM ，其中的衍射光栅型的特点是分辨率高，方向集中，但机械方法刻划的光栅因为周期误差和刻线的不平整，容易引起鬼线和杂散光[1-2]。据此，论文中提出了基于MEMS 闪耀光栅的波分复用器的设计，有效避免了刻划光栅所带来的缺陷和不足。 2 波分复用系统的组成原理
波分复用器是对光波波长进行分离与合成的器件，其组成部件主要包括复用器和解复用器，其中复用器是把各个光源所发出的具有不同波长的光耦合到传输光纤中，而解复用器则在光电探测器之前将具有不同载波频率的单个信号分离出来。波分复用器分为粗波分复用和密集波分复用器，波长在1 310 nm 及1 550 nm 两个窗口各传输一路光波信号的被称为粗波分复用器，其特点是插入损耗小，信道间隔宽。而波长间隔小于2 nm 的复用器称为密集波分复用器(Dense Wavelength Division Multiplexer ，DWDM)，因为其波长间隔小，在光纤传输中，可以使多路信号共用一个掺铒光纤放大器实现多路放大，因此可以远距离光纤通信，在这里讨论的是密集波分复用器的构成。其系统如图1所示。
图中充分利用单模光纤1.55 µm 低损耗区带来的巨大宽带资源，根据波长或频率的不同将光纤的低损耗区划分为若干个光波道，每个波道设置一个光波作为载波，在发送端用WDM 复用器将不同规定波长的信号光载波λ1, λ2, …, λn 耦合到一根光纤，并通过光纤放大器进行放大并进行传输。在接收端，再由WDM 解复用器将这些不同波长承载不同信号的光载波分开，从而在一根光纤中可以实现多路光信号的复用传输。 3 复用器/解复用器的构成
在波分复用系统中，关键部件就是复用器/解复用器，要求具有波长选择机制，具有低插入损耗和低串扰性能，可以使用干涉滤波器、衍射光栅、阵列波导光栅，由于基于衍射光栅的复用器/解复用器的插入损耗与通道数无关，容易构成多通道的DWDM 系统，并且具有方向集中，分辨率高等的优点，因此实用中选择了MEMS 闪耀光栅构成的WDM 复用器/解复用器。其原理如图2所示，其中的复用器中的闪耀光栅起耦合作用，将来自不同通道的不同波长的光载波耦合到一个通道，而在解复用器中，闪耀光栅根据其衍射原理，来自同一通道的光载波对应光栅具有相同的输入角，但由于波长不同，因此具有不同的衍射角，从而将不同波长的光载波进行分离，其分离公式为
λθθm d =−)]sin()[sin(d i (1)
式中：d 是光栅周期，λ 是光波波长，θi 是光入射角，θd 是光衍射角，整数m 是光栅级次，从上式可知，在光栅级次m 和入射角θi 相同的条件下，光波波长λ 不同，则衍射角θd 就不同，从而达到分离的目的。
图1 DWDM 传送系统示意图
Fig.1
Transmission system of DWDM
(a) 图2 解复用器(a)和复用器(b)
Fig.2 Demultiplexer (a) and Multiplexer (b)
λ1 λ2
λ3 λ123λ1 λ2 λ3
λ1(b)
光电工程 第35卷第12期
138 为了能让光纤和光开关之间进行最佳的耦合，设计中采用了自聚焦透镜。自聚焦透镜具有很好的聚光、准直等特性，其用途是对光纤中传输的高斯光束进行准直，以提高光纤之间耦合效率。
自聚焦透镜是渐变折射率透镜，它的折射率服从平方率分布规律[3]，并满足等光程条件：
=∫T s r n d )(恒值 (2)
式中：d s 表示r 处的弧长元，T 是时间周期，由于：
2
/10222]cos )0()([d )(d φn r n r r n s −= (3) 其中0φ表示光线在初始点的切线与轴线的夹角。将(3)式代入(2)式有：
∫=−T r n r n r n d ]cos )0()([)(2/10
2222φ恒值 (4)
或可写作： ∫=−R r n r n r n 02
国际会计/102222d ]cos )0()([)(4φ恒值 (5) 若设其折射率分布为 )cos 1()0()(022222φr a n r n −= (6) 将式(6)代入式(5)有： ∫∫−−=T R r r a r a n s r n 02
/1022200222d )cot 1(sin )cos 1)(0(4d )(φφφ (7) 令0cot sin φθar =，则有r a d cot d cos 0φθθ=，代入式(7)得：
∫∫=−−=2π00
2/120202d cot )sin 1(sin cos )sin sin 1)(0(4d )(θφθφθθφa n s r n T 0
0202
020cos ]sin )2/1(1[)0(π2d )sin sin 1(cos )0(42πφφθθφφ−=−∫a n a n (8) 当0φ很小时，式(8)可写为 a
n s r n T )0(π2d )(=∫ (9) 则一周期内的光程值为恒值，即近轴子午光线在传播时将聚焦于a z /π2=处。 当0φ很小时，式(6)变为
)1)(0()(2222r a n r n −= (10)
以上表明按式(10)所表示的折射率分布时，子午光线在光纤中传播的路径为正弦曲线，并满足等光程条件，形成自聚焦。以上各个式中，)0(n 为轴线折射率，)(r n 为离轴距离r 处的折射率，a 2=A 为自聚焦透镜的聚焦常数。在这里采用的是1/4周期的聚焦透镜。
4 MEMS 闪耀光栅的实现
在复用器/解复用器的构成中，除了自聚焦透镜以外，另一更重要的部件就是MEMS 闪耀光栅，其周期、闪耀角以及其衍射效率直接影响整个波分复用器的性能，然而其周期、闪耀角以及衍射效率都与MEMS 的工艺密不可分。硅微加工技术制作光栅通常使用光刻工艺和各项异性腐蚀技术。硅的各项异性腐蚀性主要是指硅的不同晶面在腐蚀液中具有不同的腐蚀速率，基于硅的这种腐蚀性，可以在硅衬底上加工出不同闪耀角的闪耀光栅形状。其具体的工艺步骤为[4-6]：
1) 制备表面为特殊晶面的硅片，可以采用偏向(001)面20° 的(111)硅晶面作为硅片的表面并抛光； 2) 在(111)硅表面上制备0.4 µm 厚的SiO 2薄膜；
3) 在SiO 2薄膜上涂一层AZ-1813正性光刻胶；
4) 对光刻胶进行曝光；
5) 对光刻胶进行显影；
6) 利用添加HF 酸的缓冲剂把裸露出来的SiO 2薄膜去除掉；
7) 去除SiO 2薄膜表面剩余光刻胶；
2008年12月 喻洪麟 等：基于MEMS 闪耀光栅的波分复用器的研究 139
8) 将有SiO 2掩膜图形的硅片放在KOH 溶液中进行各向异性腐蚀；苍茫云海中秋月
9) 去除作为掩膜的SiO 2薄膜，此步骤以后，光栅就被制作出来了，但还需进一步地抛光和削尖； 10) 对光栅表面进行氧化抛光和削尖。也就是把光栅放入氧化炉中进行氧化，再生长一层SiO 2薄膜； 11) 用添加HF 酸溶液的缓冲剂把SiO 2薄膜去除，重复氧化抛光与消尖工艺，直到光栅平顶消除为止； 12) 在光栅表面蒸镀一层金薄膜，提高光栅的反射效率。
其中1)～9)为传统的光栅工艺加工步骤，由于在掩膜下的硅表面被保护起来，未被腐蚀，因此在除去掩膜材料后，光栅的衍射面上将留下一个掩膜保护住的小平台，该小平台的存在，使得光栅衍射面不连续，从而降低了光栅的衍射效率。为了提高衍射面的光洁度以及提高MEMS 闪耀光栅的衍射效率，还需进一步的抛光和削尖处理，上述步骤中的10)～12)就是进行氧化抛光和削尖处理。经过该处理后的MEMS 闪耀光栅也提高了WDM 的性能参数。
5 仿真实验结果及分析
根据复用器/解复用器的构成，利用Focus
Software Inc 公司的光学设计软件ZEMAX 进行仿真
分析。该光学设计软件能提供大量可供光学系统选用
的内置面型，其中就包括衍射光栅、自聚焦透镜等，
并且具有很强的光线追迹功能，其程序模式具有共轴
模式和非共轴模式[7]。由于这里所仿真的属于非共轴
系统，因此在论文中采用了非共轴模式的仿真界面。
其解复用器的三维布局图如图3所示。
其中的标准透镜的作用是将入射光纤所出射的发散光变成平行光，从而使得入射到自聚焦透镜的光是
平行光。在设计中自聚焦透镜的折射率分布为
)001.01(5.1)1)(0()(222222r r a n r n −=−= (11) 由于ZEMAX 不支持衍射光栅的衍射效率的仿真，只支持对应衍射级次的光线的偏离路径的仿真，为了得到衍射光栅的最佳周期，用LabVIEW 平台闪耀光栅进行了数值仿真，结果表明周期为2 000 nm 且闪耀角为20° 的闪耀光栅对1.55 µm 附近的光具有最佳的分光效果，并且其光能主要集中在1级光谱上，其衍射强图分布如图4所示。因此在ZEMAX 仿真中用衍射光栅来代替闪耀光栅，其周期为2 000 nm 。
在图3中，模拟了3种不同波长的光被分离的情况，图中由上到下其波长分别为1 550 nm 、1 500 nm 、1 450 nm ，从探测器中观察显示结果如图5所示，其光斑间隔为230 µm 左右，大于光纤直径(200 µm)，能有效实现光波的分离。当波长间隔缩小时，分光效果不太明显，经过仿真实验证明，当波长间隔缩小至2 nm 时，其光斑距离相隔24 µm 左右。
结束语
基于MEMS 闪耀光栅的波分复用器能有效避免机械刻划光栅所带来的缺陷，论文提出了基于MEMS
图3 解复用器的三维布局图 Fig.3
3D layout of demultiplexer 图5 ZEMAX 中探测器的结果Fig.5 The results of detector in ZEMAX
图4 在LabVIEW 下仿真所得的闪耀
光栅的衍射强度分布图
Fig.4 The diffraction intensity distribution of blazed
grating simulated in LabVIEW
光电工程第35卷第12期140
闪耀光栅的波分复用器的构成方法，并在ZEMAX光学软件中进行了模拟仿真。也提出了MEMS闪耀光栅的工艺实现方案以及提高其衍射效率的方法，并在LabVIEW中对闪耀光栅进行了数值仿真，其仿真结果表明，其周期为2 000 nm，闪耀角为20°的闪耀光栅能使光纤通信中所需的波长范围的分光效果最佳。从ZEMAX的仿真结果表明，其信道间隔为50 nm左右时，分离效果较好，若信号间隔小于50 nm时，分离效果较差，还不能达到密集波分复用器的性能，因此还需对系统作进一步的优化处理。
参考文献：
[1]李叶芳，王晓旭，柳华. 波分复用器在光纤通信中的应用[J]. 物理与工程，2007，17(5)：26-28.
LI Ye-fang，WANG Xiao-xu，LIU Hua. The application of Wavelength Division Multiplexer in Fiber Communication [J].
Physics and Engineering，2007，17(5)：26-28.
[2]Sokolova E A，Kalikmanov V I. Spectrometers consisting of a diffractive lens and a concave diffraction grating [J]. Journal of
Modern Optics，2004，51(14)：2191-2201.
[3]朱少丽，徐秋霜，刘德森. 自聚焦透镜在光纤准直器中的应用分析[J]. 西南师范大学学报，2004，29(3)：379-382.
ZHU Shao-li，XU Qiu-shuang，LIU De-sen. The Analysis of GRIN in Optical Fiber Collimator [J]. Journal of Southwest China Normal University，2004，29(3)：379-382.
[4]李四华，吴亚明，韩晓峰. 改善MEMS闪耀光栅衍射效率的研究[J]. 光电工程，2004，31(5)：24-37.
LI Si-hua，WU Ya-ming，HAN Xiao-feng. Study on improving diffraction efficiency of MEMS blazed gratings [J].
Opto-Electronic Engineering，2004，31(5)：24-37.
[5]KELLER L D，JAFFE D，ERSHOV O A，et al. Fabrication and testing of chemically micromachined silicon echelle gratings
[J]. App1.Opt，2000，39(7)：l094-1105.
[6]Syms Richard R A，Moore David F. Optical MEMS for telecoms [J]. Materials Today，2002，5(7-8)：26-35.
[7]刘全，吴建宏，李朝明. 取样光栅的设计及衍射行为的研究[J]. 激光技术，2005，29(4)：398-422.
LIU Quan，WU Jian-hong，LI Chao-ming. Design of beam sampling grating and study on its diffraction action [J]. Laser Technology，2005，29(4)：398-422.
JJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJ ( 上接第88页 )
[12]Dedeoglu Y，Toreyin B U，Gudukbay U，et al. Wavelet based real-time fire and flame detection in video [C]// Proc. of IEEE
ICASSP’05. Philadelphia, USA：IEEE Press，2005：669-672.
[13]Ugur Toin B，Dedeoglu Yigithan，Enis Cetin A，et al. Computer vision based method for real-time fire and flame detection [J].
Pattern Recognition Letters，2006，27：49-58.
[14] 周平. 基于机器视觉的自然目标特征学习与即时检测[D]. 杭州：浙江大学，2006.
ZHOU Ping. Features Learning and Real-time Detection of Natural Objects Based on Machine Vision [D]. Hangzhou：Zhejiang University，2006.
外国文学评论[15]周平，钟取发，汪亚明，等. 自然场景兴趣区的分量组合-压缩快速分割法[J]. 浙江大学学报(工学版)，2007，41(4)：656-660.
ZHOU Ping，ZHONG Qu-fa，WANG Ya-ming，et al. Fast segmenting ROI of field scenario based on RGB combination and bit-masked reduction [J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science)，2007，41(4)：656-660.
[16] 帅师，周平，汪亚明，等. 基于小波的实时烟雾检测[J]. 计算机应用研究，2007，24(3)：309-311.
SHUAI Shi，ZHOU Ping，WANG Ya-ming，et al. Wavelet Based Real-time Smoke Detection [J]. Application Research of Computers，2007，24(3)：309-311.
[17] Collins R T，Liu Yanxi. On-line selection of discriminative tracking features. Technical Report, CMU-RI-TR-03-12 [R].
Pittsburgh PA：the Robotics Institute Carnegie Mellon University，2003.
豫公网安备41160202000603
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