偏振无关的波长间隔可调的全光纤双折射滤波器 - 图文-

1、第32卷第2期2011年3月应 用 光 学Journal of Applied Opt ics Vol 32No.2M ar 2011文章编号:1002 2082(201102 0303 05偏振无关的波长间隔可调的全光纤双折射滤波器钟宇光,张祖兴,乔学增,陶向阳(江西师范大学物理与通信电子学院江西省光电子通信重点实验室,江西南昌330022摘 要:设计了一种新的便于调谐且波长间隔可调的全光纤双折射滤波器。该滤波器由一个偏振分束器(PBS、2段保偏光纤(PM Fs和4个二分之一波片(H WPs连接而成。计算并分析了它的理论结果,发现在合理调节环中4个二分之一波片的情况下,该滤波器除了可以获得有

2、很好的滤波光谱输出之外,还具有波长间隔可调的作用。这种滤波器在设计可灵活改变波长间隔的多波长光纤激光器及光纤系统等方面具有巨大的应用前景。关键词:偏振分束器;波长间隔可调;保偏光纤中图分类号:T N253 文献标志码:APolarization independent all fiber birefringent filter with adjustablewavelength spacingZH ON G Yu guang ,ZH AN G Zu x ing,QIAO Xue zeng,T AO Xiang yang(K ey Lab of P ho toelect ron and Comm

3、unications of Jiang xi Pro vince,Schoo l ofPhy sics &Co mmunication Electro nics,Jiang x i N or ma l U niver sity,N anchang 330022,ChinaAbstract:Fiber filter has important applications in fiber sensor and optical fiber comm unication sy stem.Especially,filter w ith all fiber structure and tunabl

4、e w avelength spacing is w orth study ing due to its unique characteristics.A po lar ization independent all fiber birefringent fil ter w ith adjustable wavelength spacing is pr opo sed.The apparatus consists of a polarization beam splitter (PBS,tw o sectio ns of polarization maintaining fiber (PMF,

5、and fo ur half w ave plates (H WPs.T he theoretical analysis show s that it operates as a polarizatio n independent multi w avelength filter w ith goo d channel iso lation and adjustable w avelength spacing by con trolling the four H WPs in the loop.T his filter is applicable for flex ible m ulti w

6、aveleng th fiber laser and other optical fiber system s.Key words:po larization beam splitter;adjustable w avelength spacing;polarizatio n maintaining fiber收稿日期:2010 03 28; 修回日期:2010 07 29引言随着光纤通信和光纤传感技术在现代社会的快速发展,光纤滤波器作为一种积极有效的滤波器件在光纤通信系统中的作用显得越来越重要,特别是在波分复用器和集成波分复用器的光通信系统中的应用尤为突出1 4。为了获得稳定的多波长输出,通

7、常要用到一些光学梳状滤波器,如主要应用于环形腔掺铒光纤激光器的法布里 珀罗(Fabry Perot滤波器5、光纤布拉格光栅6、偏振器件等。这些器件都有它的滤波特性,都可以实现对波长的选择作用。还有一种叫做Sag nac 干涉环形滤波器的器件,它是由一段保偏光纤(PMF和一个3dB 耦合器构成,具有梳状滤波特性,且有结构简单和调节方便的优点而得到很多学者的深应用光学 2011,32(2 钟宇光,等:偏振无关的波长间隔可调的全光纤双折射滤波器 入研究7 13。另外,一种类似Sagnac 环状滤波器结构的由一个偏振分束器(PBS 和一段保偏光纤连接而成的滤波器被设计出来,而且其滤波特性通过了实验验证

8、14。它们都是很好的具有偏振多样化的滤波器,应用到多波长光纤激光器中都获得了很好的效果。本文中报道一种主要基于偏振分束器和两段不同长度保偏光纤连接而成的与偏振无关的双折射光纤滤波器。输入的信号光不管其是什么样的初始偏振态,经偏振分束器后便分成了偏振方向相互垂直的两路偏振光,我们把它们分别称为x 偏振光和y 偏振光。进入环腔内,光的偏振态将受到4个波片的调节。因为保偏光纤的快慢轴连接进去后便固定了,所以不能通过转动截面来改变入射光的偏振方向与保偏光纤快慢轴的夹角,但可以通过调节波片来改变入射光的偏振状态,从而达到可调的目的。该滤波器与基于一个偏振分束器、一段高双折射光纤和一个偏振控制器连接而成的

9、偏振多样化滤波器的原理一样,信号光由输入端输入,经偏振分束器分成顺时针和逆时针传输的两路光,中间经过对光的偏振调节控制后重新回到偏振分束器干涉输出。本文数值模拟表明,通过对滤波器中二分之一波片部分的合理调节可以获得具有的波长间隔可调的理想滤波输出光谱,而且最大透射率可达100%。1滤波器结构与计算 图1 滤波器结构图Fig.1 Structure of the f ilter文中设计的滤波器结构如图1所示,它是由1个偏振分束器、4个半波片和2段保偏光纤连接而成。图2是它的工作原理图。为了方便讨论光传输的整个过程,可以假设光经偏振分束器后分成图2 滤波器的原理图Fig.2 Schematics

10、of the filter的顺时针、逆时针传输的两路光的偏振方向分别落在y 轴和x 轴上,而两段保偏光纤的快轴都和y 轴对齐。若线偏振光在进入保偏光纤时,其偏振方向与光纤的快轴成 ,那么进入光纤后该偏振光将被分成两个不同偏振方向的偏振光,它们的偏振方向分别平行于保偏光纤的快轴和慢轴。同时,两个不同偏振方向的偏振光在穿过保偏光纤时会产生一个相位差 =2 nL / ,其中 n 是保偏光纤的双折射率,L 是保偏光纤的长度, 是真空中的波长。有了上述条件,当光回到偏振分束器时便可以产生干涉输出。图3 偏振调节过程说明图Fig.3 Illustration of polarization adjustm

11、ent在该滤波器结构中,采用4个二分之一波片对腔内光的偏振实行调节,改变偏振方向。图3是偏振调节过程说明图,如图3(b中,在进入保偏光纤(PMF1时,光的偏振方向与保偏光纤快轴所成角度是 1,进入(PMF2时,光偏振方向与保偏光纤快轴所成角度是 2,则传输的整个过程可以用304应用光学 2011,32(2 钟宇光,等:偏振无关的波长间隔可调的全光纤双折射滤波器顺、逆时针各部分琼斯矩阵乘积之和来计算:T=1000R(- 1exp(i 1/2exp(-i 1/2R( 1R(- 2exp(i 2/2exp(-i 2/2R( 21000+0001R( 2exp(i 2/2exp(-i 2/2R(- 2

12、R( 1exp(i 1/2ex p(-i 1/2R(- 10001(1输出光场与输入光场的变化关系可由E出= T*E入表示,传输光功率比是:T出=|E出|2/|E入|2。由此可求出该滤波器的传输功率比随 1和 2的变化关系,经数学运算得到该滤波器的输出方程:T出=12+12cos(2 1-2 2cos(2 1cos(2 2+12cos(2 1-2 2sin(2 1sin(2 2cos(2 nL1cos(2 nL2-12sin(2 1sin(2 2cos(2 nL1cos(2 nL2 +12sin(2 1-2 2sin(2 1co s(2 2cos(2 nL1-12sin(2 1-2 2co s

13、(2 1sin(2 2cos(2 nL2(2式中:L1是保偏光纤(PM F1的长度;L2是保偏光纤(PM F2的长度。此方程的右边前两项是决定该滤波器的最大透过特性。后面的4项随着角度 1和 2的改变将会有不同的滤波特性出现。本文采用的两段保偏光纤的长度分别为L1=12m和L2=24m。双折射率是 n=4.8 10-4。图4是滤波器工作在相应光纤长度下的透射光谱。图4 不同光纤长度下的滤波Fig.4 Transmission spectra of different PMFs lengths2 结果与讨论由该滤波器的输出方程(2明显可知,如图3(b所示,当入射偏振角处在 1=4, 2=4时,该

14、滤波器的输出方程可化简为:T出=12+12cos2 n(L1+L2,其滤波波长间隔是在光纤总长等于这两段(PM F相加L1+L2下的长度间隔。把 2设定为: 2=4,调整 1,当 1=2时,传输方程变为:T出=12+12cos(2 nL2,此时保偏光纤的有效长度为L2,而L2=24m,比在 1和 2都为4时的有效光纤长度(L1+L2=36m少了12m。简单地说,就是光纤只有一段是有效工作的,由波长间隔公式 = 2/( nL可知,光纤有效长度变小,透射谱中所得到的滤波波长间隔也就会变大。所以, 1=2这种情况比 1=4时的滤波密度要小,波长间隔变大。若增大 1到 1=34,这时得到的滤波波长间隔

15、将由|L1-L2|决定,因为代入数据(2式变为:T出=12+12cos(2 n|L1-L2|,式中光纤的长度明显变得更短了,只有|L1-L2|=12m,因而得到的输出谱的波长间隔会更大。305应用光学 2011,32(2 钟宇光,等:偏振无关的波长间隔可调的全光纤双折射滤波器 总之,上述相应条件下的透射谱说明了该滤波器具有光谱间隔可改变的效果,如图5所示。而图6说明的是,在上述各种情况下的波长间隔值的比较。它们的大小关系和相应光纤的长度比值一样,对应值分别为0.14nm,0.21nm ,0.42nm。 在上述情况下,保持入射偏振角 2=4不变,而通过调节波片改变入射偏振角 1,当 1分别为 4

16、, 6, 8,12时,它的滤波特性如图7所示。这时的输出光谱中, 1在6, 8和 12位置上的滤波光谱消光比逐渐变小,输出是0dB18dB 。同样,反过来先确定角 1,按上面相同的取角方法对 2进行取值亦可以得到相同的结果。3 结论文中分析了一种与偏振无关的波长间隔可调的多波长全光纤双折射滤波器。它是由一个偏振分束器(PBS、两段不同长度的保偏光纤和4个二分之一波片连接而成。在合理调节波片的情况图7 不同角度下的光谱消光Fig.7 Transmission spectra with different extinction ratios下,理论上得到了理想的(如图5所示波长间隔可调的输出光谱。

17、在这3种入射偏振角下的波长间隔大小关系,而且输出光谱完美。相应的最大波长间隔和最小波长间隔分别是: max = 2/( nL 1- nL 2和 min = 2/( nL 1+ nL 2。这种与偏振无关的滤波器可以应用于波分复用光纤通信系统和可调谐多波长光纤激光器等。参考文献:1 L IBAT IQ U E N J C,JAI N R K.A br oadly tunablew aveleng th select able WD M source using a fiber Sa g nac lo op filt erJ.IEEE P ho tonics T echnolog y L et te

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19、 doped fiber laser J .LaserPhysics L etters,2005,2(11:535 537.4 H A RU N S W,EM A M I S D,R AH M A N F A ,et a l.M ultiw aveleng th Br illo uin/Erbium Ytter bium fiber laser J .L aser P hysics L et ters,2007,4(8:601 603.5 ST O N E J,ST U L Z L W,SA L EH A A M.T hr eemir ro r fiber F abr y P ero t fi

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21、的全光纤双折射滤波器7 FA N G X,CL A U S R O.Po lar izat ion independentall fiber w aveleng th div ision multiplex er based on aSagnac interfer ometerJ.O ptics Letter s,1995,20(20:2146 2148.8 H A RU N S W,R AH M A N F A,DI M YA T I K,eta l.A n efficient multiw aveleng th light so ur ce basedo n ASE slicingJ.La

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