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摘要 波分复用( w d m ) 密集波分复用( d w d m ) 技术是实现光纤通信系统超高速大容 量传输的关键技术,而稳定的可调谐光滤波器是d w d m 系统中的关键器件之一。本文结 合天津市自然基金重点项目、教育部基金重点项目,提出一种基于光子晶体光纤双折射 效应的s a g n a c 干涉仪型光滤波器,它具有温度不敏感、工作波长范围宽、信道间隔可调 谐等优点,从而具有广泛的应用前景。 本文利用全矢量有限元法从理论上分析了高双折射光子晶体光纤特性,并以j o n e s 矩阵理论为基本数学方法对高双折射光子晶体光纤s a g n a c 干涉仪型光滤波器进行了大 量的数值模拟和实验研究,为高双折射光子晶体光纤s a g n a c 干涉仪器件的进一步研究 和实用化奠定了基础。 本文的主要工作内容如下: 第一,设计了一种纤芯附近引入两个大圆空气孔的压缩栅格结构高双折射光子晶体 光纤,采用全矢量有限单元法对该光子晶体光纤的双折射、色散及温度等特性进行了理 论研究及大量数值模拟。研究发现,所提出的光子晶体光纤具有以下特点t1 ) 在1 5 5 0 n m 处可以获得5 0 1 0 。3 的相双折射,在长波长处群双折射为0 ,可以有效地降低偏振模色 散对通信系统的影响;2 ) 在长波长烛偏振方向( 两个大圆空气孔方向) 出现大的负色 度色散,而相同波长处y 偏振方向色度色散为正,可用于单一偏振方向上的色度色散补 偿;3 ) 温度稳定性好。 第二,以j o n e s 矩阵理论为基本理论,对高双折射光纤s a g n a c 干涉仪模型进行了理论 推导,并对高双折射光子晶体光纤s a g n a e 干涉仪的传输函数进行数值模拟。 第三,提出了基于纤芯附近引入两个大圆空气孔的压缩栅格结构高双折射光子晶体 光纤s a g n a c 干涉仪的光滤波器,并对其温度特性及信道间隔调谐进行了理论分析和实验 研究。分析结果表明,该滤波器具有温度不敏感、工作波长范围宽、信道间隔可调谐的 优点。 关键词:干涉型光滤波器光子晶体光纤s a g n a c 干涉仪高双折射温度不敏感 a b s t r a c t w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) ld e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( d w d m ) a l et h ek e yt e c h n o l o g i e st oa c h i e v eh i g h - s p e e da n dl a r g e c a p a c i t yt r a n s m i s s i o no f o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t a b l et u n a b l eo p t i c a lf i l t e ri so n eo ft h ek e yd e v i c e si n d w d ms y s t e m i nt h i st h e s i sa no p t i c a lf i l t e rb a s e do nb i r e f r i n g e n c ei np h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ( h i b ip c f ) s a g n a cl o o pi n t e r f e r o m e t e ri sp r e s e n t e d ,w h i c hi ss u p p o r t e db yn a n j i nk e y p r o j e c to fa p p l i e da n db a s i cr e s e a r c hp r o g r a m su n d e rg r a n tn o 0 4 38 0 0 911a n dt h ek e y p r o j e c to fm i n i s t r yo fe d u c a t i o nu n d e rg r a n t n o 2 0 6 0 0 6 t 1 1 i sf i l t e rh a s p o t e n t i a la p p l i c a t i o n s d u et oi t sa d v a n t a g e ss u c ha si n s e n s i t i v et ot e m p e r a t u r e ,w i d ew a v e l e n g t hs p a n , t u n a b l e c h a n n e ls p a c i n ga n ds oo n ,n l ec h a r a c t e r i s t i c so fh i - b ip c fa r et h e o r e t i c a la n a l y z e du s i n gf u l l - v e c t o rf i n i t e - e l e m e n t m e t h o d i na d d i t i o n , al a r g ea m o u n to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sb a s e do nj o n e sm a t r i xa n d e x p e r i m e n t so ft h eo p t i c a lf i l t e ra r et a k e n , w h i c hi s b a s e do nh i - b ip c fs a g n a cl o o p i n t e r f e r o m e t e r t 1 1 i st h e s i sl a y saf o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c ha n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o no f h i b ip c fs a g n a cl o o pi n t e r f e r o m e t e r :t h e m a i nc o n t e n t sa r e 舔f o l l o w s : f i r s t , ak i i l do fh i - b ip c f 、7 l ,i t l lt w ob i gc i r c u l a ra i rh o l e sa d j a c e n tt ot h ec o r ea n d s q u e e z e dh e x a g o n a ll a t t i c ei sp r o p o s e d n l ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sb i r e f r i n g e n c e ,d i s p e r s i o n a n dt e m p e r a t u r eo ft h eh i b ip c fa r es t u d i e du s i n gf u l l v e c t o rf i n i t e e l e m e n tm e t h o d a c c o r d i n g t ot h er e s e a r c h , t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o p o s e dp c fa r ea sf o l l o w s :1 ) 珏ep h a s e m o d a lb i r e f r i n g e n c eo ft h ep c fi s5 0x10 。a t15 5 0 n ma n dt h eg r o u pm o d e lb i r e f r i n g e n c eo f t h ep c fi s0a tl o n g - w a v e l e n g t h ,w h i c ha r eo fg r e a ti m p o r t a n c et om i n i m i z et h ei m p a c to f p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n ( p m d ) i nt e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s 2 ) mx - p o l a r i z a t i o n d i r e c t i o n ( a l o n g t h el a r g ea i rh o l e s ) o ft h ep c fh a s l a r g en e g a t i v ed i s p e r s i o n a t l o n g w a v e l e n g t h ,w h e r e a si th a st h ep o s i t i v ey - p o l a r i z e dd i s p e r s i o na tt h es a m ew a v e l e n g t h t h a tc a l lb eu s e df o rd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o nf o rs i n g l e - p o l a r i z a t i o nd i r e c t i o n 3 ) h i g h t e m p e r a t u r es t a b i l i t y s e c o n d ,r i g o r o u sa n ds y s t e m a t i ct h e o r e t i c a la n a l y s e so ft h et r a n s f e rf u n c t i o n so ft h eh i g h b i r e f r i n g e n c ef i b e rs a g n a ei n t e r f e r o m e t e ra r ed e v e l o p e du s i n gj o n e sm a t r i xm e t h o d ,a n da g r e a td e a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n so fh i - b ip c fs a g n a ei n t e r f e r o m e t e rt r a n s f e rf u n c t i o n sh a v e b e e nt a k e n r d ,an o v e ld e s i g no fo p t i c a lf i l t e rb a s e do nh i b ip c fs a g n a cl o o pi n t e r f e r o m e t e ri s p r o p o s e d 1 1 1 et e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc h a n n e ls p a c i n gt u n i n go ft h ef i l t e r a r e t h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a tt h ef i l t e r h a sm a n y a d v a n t a g e ss u c ha si n s e n s i t i v et ot e m p e r a t u r e ,、航d ew a v e l e n g t hs p a n ,t u n a b l ec h a n n e ls p a c i n g a n ds o o n k e yw o r d s :i n t e r f e r e n c e - t y p eo p t i c a lf i l t e r , p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ( p c f ) , s a g n a ci n t e r f e r o m e t e r , h i g l lb i r e f r i n g e n c e ,t e m p e r a t u r e i n s e n s i t i v e t i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得一墨盗堡墨盘堂一或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。一 学位论文作者签名:狐嘲明签字日期:硼7 年力月柏日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗墨墨盘鲎有关保留、使用学位论文 的规定。特授权叁盗墨墨盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编, 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名:旅叼明导师签名:马秀粟 签字日期:刎7 年口月) f 日签字日期:川年肛月刀日 第一章绪论 第一章绪论 信息产业发展的速度史无前例。为了满足爆炸性增长的带宽需求,作为通信主要传 输手段的光通信已逐步迈入超高速时代。随着高输出功率窄谱宽光源、高速光调制技术、 宽带光放大技术以及高比特率的密集波分复用( d w d m ) 、光时分复用( o t d m ) 、光孤 子传输等技术的发展和成熟,光纤通信正向着超高速率( 超大容量) 、超长距离以及全 光传输网化的方向发展。密集波分复用技术是全光传输网的基础,而稳定的可调谐光滤 波器是d w d m 系统中的关键器件之一。伴随着d w d m 技术的飞速发展,光滤波器的 技术也在不断发展,日趋完善。 1 1 光纤通信概述 1 8 8 0 年,美国人贝尔i l 】( b e l l ) 发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。这种电 话利用了太阳光或弧光灯作为光源,通过透镜把光束聚焦在送话器前的振动片上,使光 强度随话音的变化而变化,实现话音对光强度的调制。在接收端用抛物面反射镜把从大 气传来的光束反射到硅光电池上,使光信号变换为电流传送到受话器。由于当时没有理 想的光源和传输介质,这种光电话的传输距离很短,并没有实际的应用价值,因而进展 很慢。然而,光电话仍是一项伟大的发明,它证明了用光作为载波传送信息的可行性。 因此,可以说贝尔电话是现代光通信的雏形。 1 9 6 0 年,美国人梅曼1 2 】( m a i m a n ) 发明了第一台红宝石激光器,使沉睡了8 0 多年 的光通信进入了一个崭新的阶段,在光通信史上有划时代的意义。和普通光相比,激光 具有波谱宽度窄,方向性好,亮度高以及频率和相位一致的良好特性。激光是种高相 关光,其特性和无线电波相似,是一种理想的光载波,但由于不能找到可靠和低损耗的 传输介质,对光通信的研究一度陷入低谷。 1 9 6 6 年,英籍华人高锟【3 】( c k k a o ,前香港中文大学校长) 和霍克哈姆 ( c a h o c k h a m ) 首先提出用石英纤维作为光纤通信的传输介质,从理论上证明了使用 光纤( o p t i c a lf i b e r ) 传输光波信号的可能,从而奠定了现代通信光纤通信的基础。 1 9 7 0 年美国康宁( c o m i n g ) 公司第一次宣布其所研制的高硅酸盐玻璃单模光纤的 损耗已小于2 0 d b k m l 4 1 ,向使用光纤作为传输介质迈出了最重要的一步。它的意义在于: 使光纤通信可以和同轴电缆通信竞争,从而展现了光纤通信的美好前景,促使世界各国 相继投入大量的人力物力,把光纤通信的研究开发推向了一个新阶段。几年之后,光纤 损耗迅速下降,1 9 8 0 年,光纤损耗进一步降低到0 2 d b k m ,为光纤通信的大范围的应 用铺平了道路。 此外,作为光纤通信系统中的关键器件之一的光源在1 9 7 0 年也取得了实质性的进 展。美国贝尔实验室、同本电气公司( n e c ) 和前苏联先后突破了半导体激光器在低温 ( - 2 0 0 ) 或脉冲激励条件下的工作限制,研制成功室温下连续振荡的镓锚硎t ( g a a i a s ) 第一章绪论 双异质结半导体激光器【5 】。虽然只有几个小时的寿命,但其意义重大,它为半导体激光 器的发展奠定了基础。以后几年中,1 9 7 6 年日本电报电话公司研制出发射波长为1 3 “m 的铟镓砷磷( i n g a a s p ) 激光器,1 9 7 9 年美国电报电话( a t & t ) 公司和日本电报电话 公司研制成功发射波长为1 5 5 t m 的连续振荡半导体激光器。 由于光纤和激光器的技术进步,使1 9 7 0 年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。 在光纤通信发展史上另一重要里程碑是在光域可直接放大光信号的掺铒光纤放大 器( e r b i u md o p e df i b, 的发明。 年英国南安普顿大学制作出了 最初的掺铒光纤放大器e r 。a m p l i f i e 的r 发e d 明f 使a 光) 一电一光1 中9 8 继6 e d f a 的方式转变为全光中继,大大 降低了系统成本,加速了光纤通信的发展,引起了光纤通信的革命性的变革,其中最突 出的是在波分复用( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ,w d m ) 光纤通信系统中的应用。 自从1 9 6 6 年高锟提出光纤作为传输介质的概念以来,光纤通信系统发展十分迅速, 大致经历了以下几个阶段: 第一代光纤通信系统的工作波长为0 8 5 p m 附近,属于短波长波段,传输光纤为多 模光纤。光源使用镓铝砷激光器,光电检测为硅( s i ) 材料的半导体p i n 光电二极管或 半导体雪崩半导体二极管( a p d ) 。这一代光通信是以1 9 7 7 年美国芝加哥进行的码速率 为4 4 7 3 6 m b s 的现场实验为标志t 6 1 。 第二代光纤通信的工作波长为1 3 p m ,传输介质为多模光纤f 7 j ,属于长波长波段, 是石英光纤的第二个低损耗窗口,具有较低的损耗和最低的色散。采用的光源是长波长 铟镓砷磷铟磷( i n g a a s p ,i n p ) 半导体激光器,光电检测则采用锗( g e ) 材料。1 9 8 7 年 实现了速率为1 7 g b s ,中继距离为5 0 k m 的商用化光纤传输系统。 第三代光纤通信是从1 9 8 4 年实现了波长为1 3p m 的单模光纤光通信系统开始的【引。 单模光纤较多模光纤色散低得多,损耗也更小。这一代光纤通信广泛用于长途干线和跨 洋通信中。 第四代光纤通信是在8 0 年代中后期实现的工作波长为1 5 5 岬。+ 单模光纤光通信系 统【9 1 。1 5 5u m 是石英光纤的第三个低损耗窗e l 。1 9 9 0 年实现了速率为2 4 g b s ,中继距 离为l o o k r n 商用化光纤通信系统。第四代相干光通信以及光孤子通信j 下在实验阶段。 纵观现代光纤通信技术发展的趋势和特点,光纤通信将会在网络技术、单模光纤的 传输技术、复用技术、器件集成化、全光通信等方面获得进一步的发展和突破。 1 。2 波分复用( w d m ) 密集波分复用( d w d m ) 系统 当前,全球通信业务量迅速增长;因特网发展尤其迅猛,对通信系统传输容量的要 求越来越高。为了适应网络传输容量的不断增长和满足网络交互性、灵活性的要求,并 且充分利用现有的通信设施,在光通信领域产生了各种复用技术l l u j : 光时分复用( o t d m ) :在光域上对光信号进行时分复用; 波分复用( w d m ) :在光域上对光信号进行频分复用,相邻光载波波长间隔小于 l n m : 光码分复用( o c d m ) :利用光正交码作为用户地址对信息进行光编码,以实现复 第一章绪论 用。 。 此外还有偏振复用【1 m 1 3 1 、副载波复用【1 4 1 、相干复用等,但目前只有波分复用方式进 入大规模商用阶段,是当前增加通信系统传输容量的最好方法,而其它方式尚处于试验 研究阶段。 1 2 1 波分复用的基本概念 波分复用【1 5 2 0 】是指将两种或多种各自携带有大量信息的不同波长的光载波信号,在 发射端经复用器汇合,并将其耦合到同一根光纤中进行传输,在接收端通过解复用器对 各种波长的光载波信号进行分离,然后由光接收机做进一步的处理,使原信号复原,这 种复用技术不仅适用于单模或多模光纤通信系统,同时也适用于单向或双向传输。 波分复用、密集波分复用本质上都是光波长分割复用( 或光频率分割复用) ,所不 同的是复用信道波长间隔不同。8 0 年代中期,复用信道的波长间隔一般在几十到几百纳 米,如1 3 1 a m 和1 5 1 a m 波分复用,当时被称为w d m 。9 0 年代后,e d f a 实用化,为了 能在e d f a 的3 5 , - - 4 0 n m 带宽内同时放大多个波长的信号,d w d m 发展起来,波长间隔 为姗量级。i t u t 已建议标准的波长间隔为o 8 n m ( 在1 5 5 1 t m 波段对应1 0 0 g h z 频率 间隔) 的整数倍,如0 8 n m ,1 6 n m ,2 4 n m ,3 2 n m 等。 1 2 2 波分复用系统的构成 w d m 系统主要有三部分组成:光发送机、中继放大器和光接收机【2 1 之钔。w d m 系 统结构可根据波长转换器的运用与否分为两种类型【2 5 1 :一是开放式系统,即s d h 信号 通过波长转换器接入波分复用系统,其s d h 光接口符合g 9 5 7 标准,如图1 - 1 所示;二 是集成式系统,即s d h 信号不通过波长转换器接入波分复用系统,其s d h 光接口符合一 g 6 9 2 的要求,如图l 一2 所示。 t r a n s t 例悃m i t e 。 p h m 。s y n t l l 。i 。w a v e , o p t i c a ll i n ea m a l i f i t r a n s m i t t p t i c a i c o n v e r t e rp o w e ra m p l i f i e r o pc aa m pe r n ee r s lr m l f r o n t r e c e i v e r o p t i c a lw a v eo p t i c a lc o n v c r t g t r e o e i v e r s d ir l r :_ 九i 九1 阿 := ! ilj r :? 1 九2 l 2f :_ l 幽 o m 蕊p 刊涉了9 赢 o a | o a o d 圃h 广。 - l 九nc :_ l :! i s r 图1 1 开放式波分复用光线路系统 注:s 为发射机的光连接器输出端光纤的参考点,为g 9 5 7 接口;r 为接收机的光连接器输入端 光纤的参考点,为g 9 5 7 接口。 第一章绪论 t p h 咖s y n t h c t i cw a y 吖 o p t 删“n e - m p r a n s m i t t e r erpowera m p l i f i e r u p a l a m p i l i i i i cl iq s ir m i f r o n t , o p t i c a lw a v e r e c e i v e r s d ir t l 上u 九2 勋l o m 0 a l l , o a 0 d h 广- hi s nr m ns d nr n 一一一 _ 一一一 图1 - 2 集成式波分复用光线路系统 注:s 1 s n 分别为光通路1 ”i l 发射机的光连接器输出端光纤的参考点,为g 6 9 2 接口;r i r n 为接收机光连接器输入端光纤的参考点,为g 9 5 7 接口。一 1 2 3w d m d w d m 系统的特点 波分复用系统之所以得到世界各国的普遍重视和迅速发展,这与其出色的技术特点 是密不可分的。 1 光波分复用器结构简单、体积小、可靠性高 在波分复用技术中,技术的关键在于光波分复用器,它应具有将几种不同波长的光 信号按一定顺序组合起来传输的功能,又具有将组合起来传输的光信号分开,并分别送 入相应终端设备的功能。目前实用的光波分复用器是一个无源纤维光学器件,由于不含 电源,因而器件结构简单、体积小、可靠、易于和光纤耦合。另外由于波分复用器具有 双向可逆性,即一个器件可以起到将不同波长的光信号进行组合和分开的作用,因此便 于在一根光纤上实现双向传输的功能。 2 提高光纤的频带利用率 在目前实用的光纤通信系统中,多数情况是仅传输一个光波长的光信号,其只占据 了光纤频谱带宽中极窄的一部分,远远没能充分利用光纤的传输带宽,因而复用技术的 使用大大地提高了频带利用率。 3 降低对器件的速率要求 信号的传输速率越快,对系统中所使用的光器件的响应要求越高,因此器件的“电 瓶颈 直接限制了系统的信息传输速率。w d m 技术的使用很大程度上降低了对某些器 件性能的要求,同时又能满足系统容量的要求。 4 提供透明的传送通道 w d m 通道对所携带的信息格式是透明的,而与信号速率及电调制方式无关,因而 它是一种理想的网络扩容手段。这样在w d m 系统中只要增加一个附加波长就可以引入 任意所需的新业务形式或新的容量,可见它也是一种实现宽带新业务的方便手段。 5 可更灵活地进行光纤通信组网 由于使用光波分复用技术,可以在不改变光缆设施的条件下,调整光纤通信系统的 第一章绪论 网络结构,因而在光纤通信组网设计中极具灵活性和自由度,便于对系统功能和应用范 围的扩展。因此w d m 技术的应用形式有多种,既可以使用在长途通信系统之中,还可 以使用在广播式分配网和多路多址局域网环境之下。 1 2 4w d l d d w d l d 系统中的光滤波器 由于w d m 系统中,需要多路不同波长的光复用到同一根光纤中,而不同的波长传 载着不同的信息,因此在读取和写入信号时,需要对特定的信道进行操作,这就涉及到 信道的控制和信道选择,即需要光波长选择,在此情况下我们就必须使用光滤波器。光 滤波器可在光域实现对光信号的处理,在波分复用系统、全光交换系统等领域具有广泛 的应用价值。 光滤波器是光w d m 系统中控制光信号的关键器件之一。随着w d m 技术的广泛应 用和飞速发展,光滤波技术已不仅仅是原来狭义的复用解复用器和波长选择,其涵盖的 范畴越来越广,还包括了光放大器的噪声滤除、光分插复用( o a d m ) 、光交叉连接 ( o x c ) 、增益平坦滤波( g f f ) 、,色散补偿( d c ) 、泵浦合波器( p b c ) 、动态增益均衡 器( d g e ) 、波长锁定器( w a v el o c k e r ) 等,所以己经成为了光纤通信系统特别是w d m 技术中的关键器件之一。在系统需求的刺激下,光滤波技术在不断进步,光滤波器在未 来的光纤通信等领域中必将发挥更重要的作用。 1 3 光滤波器的研究现状 在光学世界中,“滤波器 通常是一个广义的术语,指滤出一部分入射光而透射其 余部分的器件。而在w d m 系统中,“滤波器 是指一种特殊类型的滤波器干涉滤 波器。这种干涉可能发生在两束光之间,比如马赫曾德尔( m a c h z e h n d e r ,m z ) 干涉 或像法布里珀罗( f a b r y p e r o t ,f p ) 腔型的多光束干涉,或者是基于光栅结构的干涉, 或者是光信号模式之间的干涉等等。目前研究较多的滤波器主要有水6 j : ( 1 ) 光束干涉结构:f p 腔型滤波器、m z 干涉型光滤波器。 ( 2 ) 光栅结构:在光学结构中引入光学属性的周期性改变,比如光纤布拉格光栅 ( f i b e rb r a g gg r a t i n g ,f b g ) 型滤波器、阵列波导光栅( a r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n g , a w g ) 型滤波器、声光可调滤波器( a c o u s t o o p t i ct u n a b l ef i l t e r ,a o t f ) 等。 1 3 1 光束干涉滤波器 , 1 法布里珀罗( f p ) 腔型滤波器 法布里珀罗腔型滤波器由谐振腔和输入输出光纤组成,谐振腔是f p 滤波器的核心 部件。谐振腔一般由两面彼此平行的镜面组成,光线由光纤进入腔中并在两镜面中做多 次反射,发生干涉。该型滤波器主要原理是通过调节腔长即调整两镜面之间的距离、入 射角或其它量来选择某一波长的光通过腔体,而其他波长的光则因干涉而被阻隔。根据 第一章绪论 改变两镜面之间距离的方式不同,该型滤波器可分为以下两类: 第一类是通过镜面的运动而直接改变镜面距离,主要包括压电陶瓷型和微机电系统 ( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ,m e m s ) 型等,其中压电陶瓷型主要是通过陶瓷的 长度随电压的改变而相应变化的特性制成,压电陶瓷长度的改变引起两镜面之间距离的 改变而进行滤波。其工作原理如图1 3 所示。而微机电系统型是利用微机械技术来改变 腔长的,其核心是一个腔长可改变的空气f p 腔。该腔由硅衬底1 4 波长厚度的氮化硅 薄膜和3 1 4 波长厚度的空气腔构成,在衬底的底部有反射镜。薄膜会因为其顶部的外加 电压向衬底的方向靠拢,这样空气腔的厚度可以在1 2 至3 4 波长之间变化。此种滤波 。,器的特点是自由光谱范围较宽、调节电压小、禁带宽度大,、主要缺点是透射效率较低,一: 所以在大规模的光通信系统中应用有较大缺陷【2 6 1 。 p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s l t i c a if i b e r i l il i - i-_ l l r e f l e c t i n gg l a s s 图1 3 压电陶瓷型f - p 腔可调光滤波器工作原理 第二类是通过腔体内物质的折射率的改变而引起光程差,主要代表是电液晶型。此 类滤波器主要是通过晶体的电光效应来改变晶体的折射率,进而改变腔内光程的。其工 作原理如图1 。4 示。电液晶型具有调谐速度快的优点,从目前来看一般可达微秒量级。 但由于液晶微粒对光散射,使其损耗较大,透射率较低,故在大规模通信系统应用中有 较大局限性。 一 + o 图1 - 4 电液晶型f - p 腔可调光滤波器工作原理 2 马赫曾德尔干涉( m z ) 型光滤波器 马赫曾德尔干涉型光滤波器的结构示意图如图1 5 所示i 一由两个3 d b 耦合器和两 段单模光纤构成。滤波器的输入信号经过3 d b 耦合器分波后分别进入干涉仪的两臂。在 干涉仪的一臂上有一个相位延迟控制单元,它通过调节两臂的光程差,使得两路信号存 在相位差,其中相位相差兀的信号相互抵消而被滤掉,在相位差为2 7 【的整数倍时光强最 大。在输出端再经过3 d b 耦合器耦合两路信号输出,这样就实现了滤波。通过多级干涉 仪的级联,可以选择单波长的通过。此类滤波器的优点是全光纤设计、结构简单、插入 损耗小、成本低,缺点是温度稳定性差,并且其通带较宽,选择性较差,因此使用时常 第一章绪论 多级联用【2 7 1 。 l l 图1 5 马赫曾德尔干涉型光滤波器原理图 1 3 2 基于光栅结构的滤波器 1 光纤布拉格光栅型滤波器 光纤布拉格光栅是在适当的光照下,致使纤芯折射率呈周期性变化而形成的。当折 射率的周期性变化满足布拉格光栅的谐振条件时,相应的波长反射,其他波长则顺利通 过f 2 s ,2 9 。其工作原理如图1 - 6 所示。f b g 就相当于一个带阻滤波器,多个这样的光栅以 一定的方式组合可以制成密集型波分复用器。光纤光栅与通信光纤天然匹配,插入损耗 非常小,波长、带宽、色散可灵活控制,而且结构灵活,便于集成。存在的主要问题是 受外界环境的影响较大,如温度、应变等因素的微小变化都会导致中心波长的漂移。 s i g n a li n 一 r e f l e c t i o n f i b e rc o r eo p t i c a lf i b e ri n d e xm o d u l a t i o n 一- _ 一 :l : 图1 6 光纤布拉格光栅滤波器 i t r a n s m i s s i o n 2 阵列波导光栅型滤波器 图1 7 为一种阵列波导光栅型滤波器【3 们,其基本结构由三部分组成:输入输出( i o ) 波导、自由传播区平板波导和弯曲阵列波导。它的工作原理是:光源经由分波元件分成 多个振幅大致相等的子波源后,将其依序导入阵列波导中,再经多重输出耦合元件后, 使特定波长的光源将会在特定的位置形成干涉输出。在阵列波导光栅中,相邻波导的光 学长度均相差一个定值,此值为阵列波导光栅中心波长的整数倍,对位于中心波长的入 射信号光,经由不同的波导到达阵列波导光栅的输出端时将具有相同的相位,同时输入 端的光场分布将在输出端被重现,即输入端的发散光场将被再现为输出端的具有相同振 幅和相位分布的光场,因而位于中心波长的光场在解复用器入射面的像将被再现到解复 用器出射面的中心,而对于位于其它波长的入射信号光将偏离一个角度后会聚到解复用 器的出射面,从而达到选频的目的。 第一章绪论 a w g 型滤波器的主要优点有:可靠性高、插入损耗小、串扰低、加工要求较低、 体积小等。此外,a w g 还比较容易与光放大器、半导体激光器等有源器件以及p l c 型 奇偶交错滤波器等无源器件结合,实现单片集成。所以,a w g 在密集波分复用系统, 尤其是在4 0 波长以上的系统中,占据了绝对优势。但它也存在着不足之处:偏振相关、 温度稳定性差、色散度高。 图1 7 a w g 的基本结构图 3 声光滤波器 声光滤波器【3 l 】也是基于布拉格光栅原理,只是它的布拉格光栅由声波动态产生,声 波又由施加在压电晶体上的射频信号产生。这种滤波器工作的物理基础是基于光弹性效 应,即通过声光材料传输的声波或超声波信号产生随声波振幅周期性变化的应力,使材 料产生疏松或紧密的变化,相当于折射率产生周期性变化,从而形成一个光栅,当入射 光波满足布拉格条件时即会被反射,因而对光波具有选择性。此类滤波器的特点是:调 谐范围宽( 通常在1 0 0 n m 以上,有的甚至达到6 0 0 n m ) 、带宽窄、调谐快、串扰小、波 长稳定性好。其缺点也很显著,主要表现在滤波带宽大、功耗高、结构复杂。 1 3 3 模干涉滤波器 模干涉滤波器是基于集成光学装鼍中的导模之间的干涉1 3 2 1 。由于波导的色散特性, 这种干涉通常是频率相关的,我们可以利用这种相关性来实现滤波。比较常见的两种模 干涉滤波器分别是光直接耦合器和非对称y 分又结构。直接耦合器是种经典的光滤波 器,在光直接耦合器中发生频率相关的模耦合效应;非对称y - 分叉结构是运用集成光学一 工艺,在集成片上制作不对称的y 分叉波导。由于非对称y 结构的模分裂特性具有色 散特性,并且单模波导自身也具有色散特性,所以两个出口允许不同波长的光通过,进 而实现滤波。 第一章绪论 1 3 4 有源滤波器 此外还有有源滤波器【3 3 】,此类滤波器是利用光纤布里渊散射增益,即只对特定波长 信号进行较大的放大,而对其余波长的信号不放大。故可以视为一种有源滤波器,用于 高密集多信道通信系统的信道选择系统。 1 3 5 光滤波技术的发展方向 目前光滤波技术主要发展方向包括: ( 1 ) 信道间隔向两个方向发展:超密集波分复用和粗波分复用备有市场。 ( 2 ) 超平顶滤波特性。 ( 3 ) 对其它通道较强的抑制能力,陡峭的滚降特性,高隔离度。 ( 4 ) 可调谐滤波器,信道间隔和带宽动态可调。 1 4 基于高双折射光子晶体光纤( hi bip c f ) s a g n a g 干涉仪的光滤波器 以上几种滤波器在很多方面都有较为优秀的性能,但都存在着各种缺点,f p 滤波 器透射效率低,光纤布拉格光栅滤波器孔径很小,a w g 滤波器受偏振、温度影响较大、 同时与光纤的连接和耦合困难,等等。人们期待着有一种应用广泛、性能突出、稳定性 好的可调光滤波器。 本课题组已对高双折射光纤( h i b i r e f r i n g e n tf i b e r ,h b f ) s a g n a c 干涉仪做了大量 研究工作:1 用由起偏器和偏振控制器组成的实验装置验证h b fs a g n a c 干涉仪型滤波 器的偏振无关特性【3 4 】;2 用悬臂梁调谐方案实现了h b fs a g n a c 干涉仪型波长交错器的 信道中心波长的调谐;3 设计出基于三阶s o l e s a g n a c 干涉仪的新型波长交错器,干涉仪 由三段双折射光纤构成,各段长度比为2 :2 :1 ,实现了平顶特性的同时得到了高于3 0 d b 的边模抑制比【3 5 】。并且,在天津市自然基金重点项目的支持下已研制出一种基于高双折 射光纤s a g n a c 干涉仪的光滤波器,其结构如图1 8 所示。 h b f 2 图1 - 8 基于一阶h b fs a g n a c 干涉仪的波长交错器 第一章绪论 该滤波器由一个h b fs a g n a c 干涉仪和一个光纤环形器构成。前者用于产生所需的 干涉谱,而后者用于将波长交错器的入射光与反射光分离。h b fs a g n a e 干涉仪由一段 h b f ( 由粗线表示) ,一个3 d b 耦合器和两段普通单模光纤构成。滤波器的一束入射光 首先经过环形器,接着由3 d b 耦合器分成两束后分别进入h b f ,沿着光纤相向传输一 周后,再回到3 d b 耦合器相干输出,这样就实现了滤波。偏振控制器p c 用于调整h b f 的输入光与其快轴间的夹角。它具有高邻道隔离度( 5 0d b ) 、极低色散( 整个c 波段 范围色度色散lp s n m ) 、偏振无关特性等优点。但在温度稳定性及信道间隔调谐两 方面仍存在不足。 。 本文旨在克服现有技术的不足,提出用高双折射光子晶体光纤( h i b i r e f r i n g e n t p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ,h i b ip c f ) 替换高双折射光纤,构造基于h i b ip c fs a g n a c 干 涉仪的光滤波器。滤波器的一束入射光经过3 d b 耦合器分成两路后分别进入h i b ip c f , 利用光子晶体光纤呈现的高双折射效应,使分别沿h i b ip c f 快轴和慢轴传输的两路信 号产生相位差,沿光纤相向传输一周后,再回到3 d b 耦合器,产生干涉。同时,基于光 子晶体光纤双折射可调的特性,通过对h i b ip c f 施加侧向压力改变p c f 模式双折射的 方法来改变两路光的相位差,从而实现对信道间隔的调谐。 基于h i b ip c fs a g n a c 干涉仪的滤波器较普通双折射光纤构成的滤波器具有以下两 方面优点: ( 1 ) 温度稳定性良好,波长漂移仅为7 7 9 p m 。c ,提高了两个数量级; ( 2 ) 理论上可实现任意信道间隔调谐。 用光子晶体光纤制作滤波器是近年来得到人们重视的一个研究方向,是一种带宽 窄、透射( 反射) 率高、稳定性好、极具应用前景的高质量滤波器。 1 5 本论文的主要研究内容及创新点 一 ,一一_ _ 本文结合天津市自然基金重点项目“基于高双折射光纤环镜的波长交错器” ( 0 4 3 8 0 0 9 11 ) 和教育部基金重点项目“光子晶体光纤s a g n a c 干涉仪的理论与应用研究” ( 2 0 6 0 0 6 ) ,利用全矢量有限元法从理论上分析了高双折射光子晶体光纤特性,提出了 一种基于光子晶体光纤双折射效应的s a g n a c 干涉仪型光滤波器。 全文分为四章,主要内容包括: 第一章,简要分析了光纤通信和波分复用系统的发展概况,并介绍了光滤波器在 w d m 系统中的应用及其研究现状,进而提出了一种设计可调谐光滤波器的新思路。 。 第二章,概述了目前常见的一些光子晶体光纤数值分析方法,并详细介绍了本文中 采用的光子晶体光纤数值分析方法有限单元法。 第三章,采用全矢量有限单元法对所提出的纤芯附近引入两个大圆空气孔的压缩栅 格结构高双折射光子晶体光纤的特性进行理论分析及数值模拟。 第四章,以j o n e s 矩阵理论为基本理论,对高双折射光纤s a g n a c q z 涉仪模型进行了理 论推导;并以高双折射光纤s a g n a c t 涉仪为基本单元,结合所提出的高双折射光子晶体 光纤,构建了基于高双折射光子晶体光纤s a g n a c 干涉仪的光滤波器,对其进行了理论分 第一章绪论 析和实验研究。 最后,对光滤波器作了总结和展望。 本文的主要创新点包括: 1 首次设计出一种纤芯附近引入两个大圆空气孔的压缩栅格结构高双折射光子晶体光 纤,其特点是1 ) 在1 5 5 0 n m 处可以获得5 o 1 0 弓的相双折射,在长波长处群双折射 为0
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