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基于双耦合器的平坦型全光纤波长交错滤波器

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维普资讯 http://www.cqvip.com Abstract:The transmission function of a interleaver consisting of a 2×2 and 3×3 single mode fiber coupler in series was analyzed.Based on the Fourier series digital approximation method,the relation— ship among the splitting ratios of the couplers,the length difference of interference arms and intensity transmission spectrum was discussed.The results indicate that this configuration can achieve an ap— proximate rectangular wavelength response when the length difference of interference arms and COU— piing coefficients of the couplers are given by a certain value in order,its stability and isolation is im— proved greatly.An advantage of this interleaver is that the coupling ratio of coupler and the propor— tion of the length differences can be controlled accurately because light interference effect can be sheered awav in fabricating.A novel structure of interleaver is fabricated with fused biconical taper technics in experiment.The experiment results are in good agreement with the theoretical analysis. Key words:applied optics;comlyfilter;Mach-Zehnder interferometer;interleaver;directional coupler 收稿日期:2005一i0—14;修订日期:2006—01—04. 基金项目:国家自然科学基金(N0.50475109、10572055)、兰州交通大学“青蓝”工程资助项目。 维普资讯 http://www.cqvip.com 146 光学精密工程 第14卷 Mach—Zehnder干涉仪(MZI)型波长交错滤 波器以其结构简单、制作成本低、信道均匀性好、 与系统兼容性强以及较低的偏振相关损耗和附加 损耗等优点,在光纤通信波分复用系统中有着重 要的应用价值。例如上下路复用解复用器、波长 交错器((Interleaver)、声光滤波器、多波长光纤 激光器等 ,但是一般的MZI其带通形状为正 弦型,如果在非平衡MZI的干涉臂中加入光纤 环 ,或者采用多次熔锥的方法形成多级MZI串 联结构 ],都可使得光学梳状滤波器透射率形态 近似于方波。前者由于光纤环直径要求非常小, 实际制作存在一定的困难。在实际制作多级串联 MZI时,由于光的干涉作用,一般只能对第一个 耦合器的分光比准确控制,其余耦合器的分光比 由于光的干涉作用而无法监测和控制,只能凭经 验去融拉,分光比难以准确控制。本文提出了由 一个2×2耦合器和一个平行排列的3×3耦合器 构建波长交错滤波器的新方法,理论分析和实验 证明该器件不仅实现了透射谱近似为方波、边模 抑制比较高的波长交错滤波器功能,而且在实际 制作过程中可以对每个耦合器的分光比和干涉臂 长差进行准确控制,克服了以往制作全光纤MZI 型波长交错滤波器的不足。 2 原 理 本文提出的全光纤型波长交错滤波器结构 如图1所示,它主要由一个2×2耦合器(DE )和 一个一字型的3×3耦合器(DC )以及一个光隔 离器(Isolator)组成,其中DC2的3端口与光隔离 器串接在一起,只让输入光进入耦合器DC。,阻止 反射光反射到光源;耦合器DC。的输出端口1 和 31通过光纤z 联接在一起形成环路,在端口2 引 出长度为 z的光纤,并且在端面上镀反射膜 MR;连接臂z。、z 把耦合器DC。和DC 联接在一 起,形成一个MZI。 由于光在器件中传输的距离比较短,忽略其 图l基于双耦合器的平坦型全光纤波长交错滤波 器的原理示意图 Fig.1 Schematic diagram of an all—fiber optical in— terleaver having approximate rectangular wavelength response 传输损耗。光信号在单模光纤中传输满足E — E exp(ilfL)(其中L为光纤的等效光程)。系统 的分析基于熔锥型单模光纤定向耦合器的散射矩 阵,S 和S。分别为2×2耦合器和3×3耦合器 的散射矩阵,3×3耦合器为一字型耦合器。散射 矩阵S。和S。可分别表示为 : 广COS(OtS) isin(as)1 S,一IL  sin(as) cos(as)J1,  (1) ∞sz( 2)去 一sin (7z/2)I S 一 i sin(y )c。s(y ) √2 sin( )l 。l ~sin (Tz/2)sin(Tz) COS。(7z/2)I (2) 其中 和 分别是2×2耦合器的耦合系数和有 效耦合长度,y和 分别是3×3耦合器的耦合系 数和有效耦合长度。 假设输入光场E 从耦合器DC。端口3输 入,经过隔离器(Isolator)后进入耦合器DC ,在 DC 的3个端口1 、2 和3 的输出光场分别为 E , ‘、E 和 , “,E。, 和 , 经过光纤z 传 输后分别从端口3 和1 进入耦合器DC ,E , 在 光纤£ 传输后又被反射回到端口2 再次进入到 耦合器DC。,这三束光在耦合器DC 中形成第一 次干涉,干涉后的输出光分别为E 、E。 和 。 被光隔离器(Isolator)阻断,E1 和 Ez ‘分别经过干涉臂l。和z 后,在耦合器DC 中形成第二次干涉,所产生的干涉输出谱E 和 E 分别从DC 端口4、5输出,其表达式为: 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 鲁怀伟,等:基于双耦合器的平坦型全光纤波长交错滤波器 147 cos( l/2)c。 ( )+ sin( l/2)]c。s(d )一 1 sin(2yz)cos( /2)sin(厂E ]I  las)exp( z) = LE m“J E. . [c。s( /2)c。s。(y )+ sin( 1/2)]sin(ds)+去sin(2y )c。s( 1/2)c。s(ds)exp(一 ) (3) 式中0 一 (21 z l1)一flaz ,02一 (1 l。)一 lfaz ,i一(一1) ,0 和0 代表两个干涉臂的传 3 数值模拟 输相位差,△z 和△ 。是干涉仪两臂长差。根据光 由傅里叶级数展开原理可知:周期性方波可 强公式P=E・E (其中E 是E的共轭复数), 以经傅里叶展开成一系列正弦或余弦函数的叠 输入光强为P 一E ・E ,则端口4和端口5 加,反之,也可以利用满足傅里叶级数关系的多个 的输出光强分别为P 一E ”・E ” 和P = 正弦或余弦波的叠加来构造方波。根据此原理, E ・E ”,归一化输出光强T4一P /P ,T 一 经计算机模拟计算,发现当取耦合器DC 和DC P5/P…。由于共同项exp(一ilfl1)和exp(一 3) 的耦合系数和有效耦合长度乘积分别为 一兀/4 和yz一7c/5,两对光纤臂长差△z 一 2Al 时,归 对输出光强没有贡献,所以在式(3)中将忽略。 一化输出光强T 和T 可表示为: r ] r0.470 2—0.498 2COS( 2)0.029 9cos(2fl, ̄z 2)+0.058 lcos(3 l2)] L丁5 J Lo.470 2+0.498 2cos( Z2)0.029 9cos(2p, ̄t2)一0.058 lcos(3flal2)J (4) 在计算中,假设光纤的纤芯有效折射率 --- 1.457。由式(4)可以看出:器件的透射光强 和 的各项正好构成了傅里叶级数的基波项与 谐波项,对式(4)计算得到了如图2所示的周期谱 图。实线代表端口4的归一化输出光功率曲线, 虚线代表端口5的归一化输出光功率曲线。输出 谱线出现平顶(flat—top),这在应用中是很重要 的,它可以抵消信道波长漂移带来的不利影响,可 以作为波长交错滤波器。 当保持两个干涉臂的臂长差比例不变,调节 (b)as=Tt/4 and /5,△厶一O.5 rnlTl,AI2=--0.25 rnlTl 其大小时.其输出峰间隔会得到相应调节,即如果 图2交错滤波器随波长变化的输出曲线 维持各个干涉臂的臂长差比例关系不变而增大其 实线:对应端口4;点线:对应端VI 5 Fig.2 Transmission variation with wavelength at 大小,则梳状谱的峰值间隔将会相应变小,反之增 out—port of the interleaver 大,如图2所示。在图2(b)中,耦合器的分光比 Solid:at P4…port;Dot:at P5…port 与图2(a)中的完全一样,仅改变光纤臂长差△ 一0.5 mm,△z2=一0.25 mm。可以看出图2(b) 中梳状谱的峰值间隔比图2(a)中大l倍,其它基 本没有变化。 分析还发现:器件输出光谱对耦合器的分光 比不是特别敏感,也就是说,如果耦合器的分光比 略微偏离最佳值,也能得到比较理想的输出谱图。 将图2中耦合器的耦合系数与有效耦合长度的乘 (a)口 =,t/4 and), 一 /5,,Al1=1 mm,,Al2一一0.5 mm 积分别改为ds一7c/4、yz一27c/9和d5=27c/9、 一 维普资讯 http://www.cqvip.com 148 光学精密工程 0 第14卷 O O O O O O O O O 0 9 8 7 6 5 4 3 2 2丌/9,重新计算得到的输出谱图如图3所示。和 图2比较图3所示的谱线形状变化不大,图3(a) 中曲线的峰值略有下降,但边模抑制比有所改善; 在图3(b)中,由于耦合器DC 不是3 dB耦合器, 两个端口的输出峰值略有差异,输出波形也不再 对称,端口4输出曲线的中心稍微有些下凹,但两 个端口的输出曲线都基本保持了平顶,因此对波 长交错滤波器功能带来的影响不是太大。 (a) =丌/4、 =2丌/9、 1一1.0 mm, 2=--0.5 inetr (b)us=2 ̄/9、 一27c/9、 l—1.0 mm, 2 --0.5 mm 图3 交错滤波器随波长变化的输出曲线 1 罅 渖 扯 脚 越 毪 实线:对应端口4;点线:对应端口5 Fig.3 Transmission variation with wavelength at ports of the interleaver Solid:at P4。 port;Dot:at P5。 port 4 实验制作与测量结果 全光纤干涉型滤波器的制作有两个关键技 术,第一是光纤方向耦合器的分光比的控制,其二 是光纤干涉臂长差的控制。一般的MZI在制作 过程中,第一个光。纤方向耦合器的分光比比较容 易控制,在熔拉第二个光纤方向耦合器时,由于通 过第一个耦合器的光已经是相干光,只要在第二 个耦合器内的光强有互相耦合就会产生干涉,所 以在熔拉第二个耦合器时已不能用一般的监测光 功率来控制其耦合长度,而只能凭经验熔拉。如 果是级联MZI,不仅光纤耦合器的分光比难以控 制,而且第二对光纤干涉臂差△z。与第一对光纤 干涉臂差△z。的比例关系也难于控制到非常匹 配。而本文提出的干涉型滤波器很好地解决了这 两个难题,下面简述一下其制作与检测过程。 实验采用标准的单模光纤,并采用高温H。一 O。焰对光纤进行熔融拉锥来制作耦合器DC 和 DC ,H。一O。焰的宽度约为6 mm。监测光源是中 心波长为1 525 nm的半导体激光器。融拉过程 参照文献[8]的方法,第一步先制作2×2耦合器 DC ,然后把其两个输出端口的光纤臂z。和z 紧 密呈一平面地沿圆型薄片绕一角度a,使外圈的 光纤臂z 比内圈光纤臂 。长△ ,把监测光的输 入端改在光隔离器(Isolator)的前端,让输入光通 过光隔离器后再进入端口3(参照图1)。在熔融 拉锥前,用剪断法准确确定输入光的功率,在端口 2 用光功率计对输出光功率进行测量,当端口2 的光功率达到理论预定值时立即停止熔拉。整个 融拉过程采用计算机进行控制,拉伸速度为120 ktm/s。可以看出,在熔拉耦合器DC 的过程中, 输入光从端口3人,从端口2 出,中间只通过耦合 器DC。,没有任何干涉,所以可以准确控制DC 的分光比。 由前面的分析可以看出,在光纤耦合器分光 比确定以后,器件的输出光谱形状与两对光纤臂 长差△Z 和△z 的比例有关,这个比例关系完全 可以由△ 。来调节。如果没有特殊要求,在融拉 耦合器DC 的过程中,△z 的精度可以适当放宽, 这样就降低了制作难度。同样光纤环z。的长度 也没有必要精确控制,取个近似值就可以了,而 △z 可以只通过改变光纤臂z 的长度来调节,使 之满足器件对△z 和△z。的比例要求。目前对光 纤臂zz的长度的调节只能通过研磨一镀膜一试 验观察一再研磨_--・这样一个复杂过程来逐步接 近,这样一个过程虽然比较繁琐,但不可控制量大 大减少,有关工艺和技术方面的问题有待于进一 步开发和研究解决。 对制作的滤波器进行了性能测试。光源采用 Santec公司生产的TSL 2210型波长可调谐激光 器,调谐波长为1 500~1 580 nm,从端口3输入 ¨ ^ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 鲁怀伟,等:基于双耦合器的平坦型全光纤波长交错滤波器 149 光功率为1 mW的光,在输出端口4和5分别用 长度差△z 和△z。之间比例关系存在的误差所 两只光功率计对输出功率进行测量,得到如图4 致。 所示的测试结果(曲线上的一些微小起伏已经过 光滑处理)。可以看出,该谱线和图2的理论曲 5 结 论 线非常接近,图形也比较理想,两条谱线峰之间的 波长间隔约为1.6 nm,样品输出曲线顶部和底部 提出了一种新型的全光纤波长交错滤波器, 的一些畸变可能是由于实验样品的两条干涉臂的 它是由一个2×2耦合器和一个一字型的3×3耦 合器所组成的,当耦合器的分光比和光纤干涉臂 满足一定条件时,可以实现波长交错滤波器、梳 状滤波器等功能。另外组成器件的两个耦合器的 ≥ { 分光比以及两对光纤干涉臂长差在实际制作过程 芎 中可以精确控制,在工艺上克服了制作MZI时, 其第二个耦合器的分光比无法直接测量而只能凭 经验拉制的缺点。这种器件缺点是:由于3×3耦 合器的一个端口的输出没有利用,所以器件的附 加损耗以及插入损耗加大,归一化输出峰值小于 图4交错滤波器端口3输出光谱随波长变化的实 1;另外一字型3×3耦合器的制作过程相对于2 验测量值 ×2耦合器要复杂,实验过程要求非常严格。这 Fig.4 Output spectra of port 3 of the interleaver versus wavelength obtained from experi— 些问题有待于进一步研究解决。总之,本文为设 merit 计和制作光纤梳状滤波器,波长交错滤波器等提 出了一种新的思路。 参考文献: [1]BETHUYS S,LABLONDE I ,RIVOALLAN I ,et a1.Optical add/drop multiplexer based on UV-written Bragg grating in twineore fiber Mach—Zehnder interferometer[J].Electron Lett,1998,34(12):1250—1252. 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