光纤环对非平衡马赫曾德尔干涉仪型波长交错滤波器性能的改善

1、文章编号 :025322239(2002 0620702204曾德尔干涉仪型波长交错滤波器性能的改善3周 广 赵春柳 黄勇林 杨石泉 蒙红云 赵启大 董孝义(南开大学现代光学研究所 , 天津 300071摘要 : 波长交错滤波器是一种类似于梳状滤波器的无源光子器件 , 在密集波分复用系统中可以起到复用和解复 用器件的作用 。 如果将一光纤圈加入光纤熔锥型非平衡马赫 曾德尔干涉仪型波长交错滤波器系统中 , 它的滤波 性能将有所改善 。 改进后的梳状滤波器的透射率形态近似于方波 , 讨论了新系统的结构和参数选取 。 关键词 : 波长交错器 ; 复用和解复用 ; 干涉仪 ; 光纤环 ; 滤波器 中图

2、分类号 :TN253 文献标识码 :A 3国家自然科学基金 (69977006 资助课题 。 E 2mail :zgglobeisheyou. com 收稿日期 :2001207209; 收到修改稿日期 :20012102151 引 言由于密集波分复用 (DWDM 系统能够更有效地 利用掺铒光纤放大器提供的有限带宽资源 , 术的不断提高 , 越多 , , 这就对复用和解复用设 备提出了更高的要求。 随着信道间隔变窄 , 传统的介质膜滤波器件 1,2加工难度越来越大 ,100GHz 以及 更窄带宽的滤波器成品率很低。 而波长交错滤波器件 (Interleaver 3,4提供了有效的解决方案 ,

3、成为密集 波分复用系统中一个引人注目的研究热点。 波长交错滤波器的作用类似于梳状滤波器 , 它 可以将一组信道间隔较窄的复用光信号解复用为两 组信道间隔较宽的复用光信号 , 每组复用光信号的 信道间隔为原来的两倍 ; 反之 , 它也可以将两组信道 间隔较宽的复用光信号复用为一组信道间隔较窄的 复用光信号 , 它可以级联使用 , 也可以和其他的复用 和解复用器件联合使用 。大多数的波长交错滤波器是基于双光束干涉原 理 , 目前主要的类型有 :利用偏振光干涉的晶体双折 射型 , 迈克耳孙干涉仪与 GT 反射镜型 (GT 镜即 G ires 2T ournois Mirror , 是一种谐振腔结构

4、, 由两个间隔 很小的平行平面镜组成 组合 , 光纤熔锥型非平衡马赫 曾德尔干涉仪型。 其中光纤熔锥非平衡马赫 曾(小于 0. , 但是 采用多次熔锥的方法 , 形成多 5,6, 通过合理优化 , 可得到平顶带通的波长交错滤波器。 本文提出了另 一种改进方案 将光纤环加入光纤熔锥非平衡马 曾德尔干涉仪型波长交错滤波器 , 并分析了系统 中耦合器耦合比、 光纤环长度和损耗等因素对系统特 性的影响。 改进和优化后波长交错滤波器所具有的 梳状滤波器透射率形态近似于方波。2 结 构光纤熔锥非平衡马赫 曾德尔干涉仪型波长交 错滤波器的结构如图 1所示 。它由耦合器 1、 耦合 器 2、 光纤 F 1和光

5、纤 F 2构成 。 输入的信号光 P 0由 左面输入 , 经过耦合器 1被分为两束 , 再由耦合器 2汇合 , 然后输出 。Fig. 1Diagram of fused 2fiber nonsymmetrical Mach 2Z ehnderinterferometric interleaver在假定干涉仪两臂耦合器的耦合比均为 12的 理想情况下 , 由此构成的系统作为梳状滤波器信道 宽度和中心波长由L =20、 L =n +20第 22卷 第 6期2002年 6月 光 学 学 报 Vol. 22,No. 6J une , 2002决定 。 其中 , L =L 2-L 1, L 1和 L 2

6、分别为光纤 F 1和 F 2引入的等效光程 , 0为滤波器的中心波长 , 为梳状滤波器的信道宽度 , n 为整数 , 而且很大 。 改进后的结构如图 2所示 , 它与原来的非平衡 马赫 曾德尔干涉仪型波长交错滤波器的区别在于 在干涉仪的一臂中加入了由耦合器 2和光纤 F 1组 成的光纤环 , 产生类似于多光束干涉的效果 , 使得干 涉仪的两臂相位差有了新的变化 。Fig. 2The structure of an interleaver with a fiber loop对于改进后的系统 , :L =20, L =(n +12 0, L =2L +02. (1其中 , L =L 4-L 2-L

7、 3, L 23F 2、 F 3 和 F 4长 , L 为光纤 F 1引入 的等效光程 , n 为整数 , 而且很大 。 类似于改进前的 结构 , 第一个式子和第二个式子决定了梳状滤波器 的信道宽度和中心波长。 第三个式子是光纤环长度 和臂长差的匹配条件 , 它保证了梳状滤波器滤波特 性曲线的形状。对于系统的分析基于耦合器的散射矩阵 7, 对 于图中每一个耦合器 , 它们的输入和输出都满足关 系 :E 3E = cos (kz -isin (kz -isin (kz cos (kz E 1E ,其中 k 为耦合器的耦合系数 , z 为耦合器的有效耦合长度 , E 为复数 , 它的模表示光信号的

8、强度 , 它的 幅角表示光信号的相位 , E 1和 E 2描述耦合器 1和 2的输 入 , E 3和 E 4描 述 耦 合 器 3和 4的 输 出 , i =-1。 如果忽略光纤的损耗 , 光信号在单模光纤中传输满足E L =E 0exp -,其中 L 为光纤的等效光程 , 为光信号的波长。 为了简化 , 可定义 K i =cos 2(k i z i (i =1,2,3 为耦合器 的耦合比 。 如果在系统中 , 耦合器 1和耦合器 3均为 3dB 耦合器 , 即 K 1=K 3=12。这时 , 出射光功率P 和入射光功率 P 0的比为 :P 0=-i (4L +2-i (-4L +22(e-K

9、 2, (2其中 , K =K 2为耦合器 2的耦合比 。 这时 , 干涉仪的 两臂所引入的相位差为 :=argei (2L -2e -1-K, (3其中 arg 为复数取幅角的运算 。图 3为 K =34时 , T =P P 0和 随着信号 光波长 变化的曲线。 中心波长 0为 1550nm , L 6mm ,L 3mm , 梳状滤波器的信道宽度 为 0. 8nm (对应信道宽度 100GHz , n 取 1937。 可以看到 , 相位差 在 0+m(m 为整数 处近似为 2m , 在 0+(1处近似为 (2m +1 , 使 ; 相位差在其T 产生陡峭边 Fig. 3Plot of tran

10、smission T and phasedifference vs wavelength 在设计系统时 , 是已知滤波器中心波长 0和信 道宽度 , 而确定光纤圈 F 1引入的等效光程 L 和 两臂等效光程差 L 的过程 。这个过程依据条件式 , 下面是一组例子 :015500. 4 506. 0054712. 0117387415500. 81003. 003126. 00703193715501. 62001. 501173. 003129683 耦合比的影响决定和影响波长交错滤波器性能的因素很多 ,对于传统的波长交错滤波器 , 由干涉仪两臂耦合器 耦合比和臂长差的变化所引起的影响已有所论

11、述 。3076期 周 广等 : 光纤环对非平衡马赫 曾德尔干涉仪型波长交错滤波器性能的改善 可以预见到 , 对于加入了光纤环的波长交错滤波器 , 其它新增参量的变化对其性能有着巨大的影响 。 耦 合器 2的耦合比 K 决定了梳状滤波器的形状 , 图 4描述了 K 取不同值的情况。图 4是滤波器透过率曲线 T 和两臂相位差 随光 信 号 波 长 的 变 化 曲 线 。 中 心 波 长 0为 1550nm , L 约为 10mm ,L 约为 5mm , 信道宽度 为 0. 48nm 。 曲线的颜色由浅到深分别对应耦合 器 2的耦合比 K 为 14、 12、 34和 78, 虚线对应于 一般的非平衡

12、马赫 曾德尔干涉仪型波长交错滤波 器 。 可见 , 耦合比 K 越小滤波器的平顶和低谷越不 平坦 , 边缘越来越陡峭 ; 耦合比 K 越大滤波器的平 顶和低谷越平坦 , 而边缘的陡峭度越小。 当耦合比 K 趋近于 0和 1时 , 曾德尔干涉仪型波长交错滤波器的曲线。 在实际应 用的设计中 , 对于一定的信道隔离度 , 可以选取较小 的耦合比 K , 使滤波器的边缘较陡峭。Fig. 4(a Plot of transmission T vs wavelength for differentcouple ratio K ; (b Plot of phase difference vs wavele

13、ngth for different couple ratio K4 光纤环长度和损耗的影响波长交错滤波器的性能对光纤环的长度变化很 敏感 , 因此系统对光纤环的长度有严格的要求 。在假设两主干涉臂等效光程差 L 保持不变的情况下 , 当光纤环的长度产生微小变化时 , 破坏了条件式 (1 中的比配要求 , 使滤波器的信道隔离度降低 , 中 心波长漂离 。图 5是滤波器透过率曲线 T 随光信号波长 的变化曲线。耦合器 2的耦合比 K 为 12, 中心波长 0为 1550nm , L 约为 10mm , L 约为 5mm , 信道宽度 为 0. 48nm 。当 L 不变时 , 曲线的 颜色由浅到深

14、分别对应于光纤圈 F 1引入的等效光 程 L 增加 100nm ,200nm 和 400nm 的情况 , 虚线 对应于 L 没有漂移的情况。图 5中中心波长的漂 移使条件式 (1 中匹配条件 L =2L +02遭到破 坏 , 于是不光曲线形状变坏 , 而且曲线整体有了漂离 , 最终导致滤波器的信道隔离度降低中心波长漂 离 。 所 以 要 得 到 较 好 的 效 果 , L 的 漂 移 应 小 于 100nm , 即 L Fig. 5Plot of transmission T vs wavelength fordifferent shift of the fiber loopFig. 6Plo

15、t of transmission T vs wavelength fordifferent loss of the fiber loop光纤环的损耗也会影响到曲线的形状 。 图 6是 滤波器透过率曲线 T 随光信号波长 的变化曲线 。 其中 , 耦合器 2的耦合比 K 为 12, 中心波长 0为 1550nm , L 约为 10mm , L 约为 5mm , 信道宽度为 0. 48nm 。曲线的颜色由深到浅分别对应于 光纤圈 F 1的损耗为 0、 10%、 40%和 70%的情况 , 虚线是损耗为 100%所对应的情况 。可见光纤圈的407 光 学 学 报 22卷 损耗应小于 10%。结论

16、本文对加入光纤圈后的非平衡马赫 曾德尔 干涉仪型波长交错滤波器进行了讨论 。 改进后的光 纤熔锥非平衡马赫 曾德尔干涉仪型波长交错滤波 器具有更好的滤波效果 。 当合理地配制好系统各个 参数后 , 可以得到具有平顶和低谷的梳状滤波器 。 梳状滤波器单个信道的透过带宽可以较宽 , 这样就 降低了对入射信号的要求 ; 但是 , 同时系统要求更加 严格的制作和封装工艺 , 以满足各参数的需要 。参 考文献1Minowa J , Fujii Y. Dielectric multilayer thin 2film filtersfor WDM transmission systems. J . L ig

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