（物理电子学专业论文）基于马赫—曾德尔干涉仪型光纤奇偶交错滤波器的研究.pdf

摘要 中文摘要 随着宽可调谐激光光源、全波光纤和超宽带光放大器的出现，密集波分 复用日益成为光纤通信的主流技术，作为复用解复用器核心的光滤波技术备 受关注。信道数目的不断增加使得信道间隔不断减小，这对传统的滤波器提 出了严峻的挑战，而奇偶交错滤波器( i n t e r l e a v e r ) 技术的出现使许多传统滤波 器技术在密集波分复用的新应用中重新找到了自己的位雹。鉴于此，本论文 从实验和理论上对基于马赫一曾德尔( m a c h z e h n d e r ) 干涉仪的全光纤 i n t e r l e a v e r 进行了研究。 本文首先从最简单的光纤马赫一曾德尔干涉仪的结构和原理出发，对器 件的输出特性，色散特性，以及隔离度等参数进行了比较全面的分析和讨论。 在实验中，我们采用了小数重合法测量两干涉臂的的光程差。 为了改善滤波器的滤波特性，本文重点研究了一种傅里叶顶端平坦型的 全光纤i n t e r l e a v e r 。这种方案可使输出波形通带平坦，阻带加宽，输出稳定 性隔高度均得到提高，在理论上采用梯形波近似的方法，给出了参数优化结 果，并进行了实验研究。 接下来本文又分析了光纤反射式马赫一曾德尔干涉仪型、引入光纤环的 马赫一曾德尔干涉仪型和引入取样光纤光栅的马赫一曾德尔干涉仪型全光纤 i n t e r l e a v e r 的输出特性和结构参数对滤波特性的影响。 在文章的最后，结合实验对基于马赫一曾德尔干涉仪型的全光纤 i n t e r l e a v e r 的温度、应力等方面的稳定性进行了分析。 关键词：密集波分复用，马赫一曾德尔干涉仪，奇偶交错滤波器，光纤环 光纤光栅 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ek e yc o m p o n e n to f m u l t i p l e x e r d e m u l t i p l e x e r ，o p t i c a lf i l t e rt e c h n o l o g y h a sb e e nf u e l i n gg r e a ti n t e r e s tw i t ht h ee m e r g e n c eo f w i d er a n g et u n a b l el a s e r s o u r c e ，a l l w a v ef i b e la n dw i d eb a n do p t i c a la m p l i f i e r s ，w h i c hi sp r o m o t i n g d w d mt oal e a d i n ge d g eo f o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n w i t ht h ei n c r e a s i n go f t h en u m b e ro fc h a n n e l sa n dt h ed e c r e a s i n go ft h ew a v e l e n g t hs p a c i n gb e t w e e n c h a n n e t s t h et r a d i t i o n a lf i l t e rt e c h n o l o g i e sb e c o m et o od i 伍c u l ta n dc o s t l yt o i m p l e m e n t h o w e v e r , t h ea p p e a r a n c eo fi n t e r l e a v e r m a k e si t p o s s i b l e f o rt h e t r a d i t i o n a lf i l t e r st op e r f o r mt h e i rf u n c t i o n si nt h en e w a p p l i c a t i o n s i nt h i sp a p e r , t h ea l lo p t i c a lf i b e ri n t e r l e a v e rt e c h n o l o g yb a s e do nm a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r i ss t u d i e de x p e r i m e n t a l l ya n d t h e o r e t i c a l l y a tf i r s t t h et h e o r ya n ds t r u c t u r eo fs i m p l ya l lo p t i c a lf i b e rm a c h 。z e h n d e r j n t e r f e r o m e t e ri si n t r o d u c e d a n dt h et r a n s m i s s i o np r o p e r t v c h r o m a t i c d e s p e r s i o n ， i s o l a t i o na n df a b r i c a t et e c h n i q u e sa r ea n a l y z e di nd e t a i l i ne x p e r i m e n t e x c e s s f r a c t i o nm e t h o dw a si n t r o d u c e di n t ot h em e a s u r e m e n to ft h e o p t i c a lp a t h d i 脏r e n c e t oi m p r o v et h et r a n s m i s s i o n p r o p e r t y , a a l l o p t i c a l f i b e rf o u r i e r f l a t t o p i n t e r l e a v e ri ss t u d i e d t h i sk i n do fi n t e r l e a v e rh a sf l a tp a s sb a n d b r o a dc u tb a n d h i g hs t a b i l i t y , a n dh i g hi s o l a t i o n t r a p e z i u m w a v ew a su t i l i z e dt o o p t i m i z e p a r a m e t e r so ft h ek i n do fi n t e r l e a v e r t h i sk i n do fi n t e r l e a v e ri s a l s os t u d i e d e x p e r i m e n t a l l y t h e nt h ea l l o p i c a lf i b e rr e f l e c t e dm a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t r i ci n t e r l e a v e r , m a c h * z e h n d e ri n t e r f e r o m e t r i ci n t e r l e a v e rw i t hf i b e r l o o p m a c h z e h n d e r j n t e r f e r o m e t r i ci n t e r l e a v e rw i t hs a m p l e df i b e rg r a t i n g sa r es t u d i e di nt h er e l a t i o n o f p a r a m e t e r sa n d t r a n s m i s s i o n p r o p e r t y i nt h el a s t p a r t 。t h es t a b i l i t y o fa l l o p t i c a l f i b e ri n t e r l e a v e rb a s e do n m a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e ri sa n a l y z e di nt e m p e r a t u r e s t r e s sa n dr e t o r t i o ne t c k e yw o r d s ：d w d m ，m a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r , i n t e r l e a v e r , f i b e rl o o p f i b e rg r a t i n g s 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，也不包含为获得基洼盘堂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i 身f 意。 学位论文作者签名：0 已乏毛 签字日期：如影钿z 月节日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基洼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印件和磁盘。 ( 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：g 乙磊 签字日期：五耐年，2 月玎日 导师签名( 句馏罕 签字日期：细；年f 。月卅日 绪论 绪论 在绪论部分，首先简单介绍了光通讯密集波分复用( d w d m ) 系统和其 中的滤波器技术，比较了各种滤波器技术的优缺点，并着重介绍了i n t e r l e a v e r ( 奇偶交错滤波器) 技术的特点和实现方法，最后讨论了本课题的主要工作 及其意义。 绪论1d w d m 光通信系统中的滤波器技术 随着网络化时代的到来，人们对信息的需求与同俱增。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 通讯设施，在光通信领域产生了各种复用技术例如光空分复用( s d m ) 、 光时分复用( o t d m ) 、光波分复用( w d m ) 、光码分复用( o c d m ) 、偏振 复用、副载波复用、相干复用等，但目前只有波分复用( w d m ) 方式进入大 规模商用阶段，而其它方式尚处于试验研究阶段。 光波分复用技术是指在一根光纤内同时传播多个波长的光信号，通过减 小信道间隔，增加信道数目的方式，使通信系统的容量成倍增长。早期的 w d m 技术是指将两个光通信波段1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 r a n 分开，使通信容量增加 一倍。随着1 5 5 0 n m 窗口e d f a 的商用化，w d m 系统的应用进入了一个新 时期。人们在1 5 5 0 n m 窗口传送多路光载波信号。由于这些w d m 系统的相 邻波长f n j 隔比较窄( 一般在o 8 n m ) ，且工作在一个窗口内共享e d f a 光放大 器，为了区别于传统的w d m 系统，人们称这种波长间隔更紧密的w d m 系 统为密集波分复用( d w d m ) 系统【2 。所谓密集，是指相邻波长间隔而言。 过去w d m 系统是几十n l n 的波长间隔，现在的波长间隔只有o 8 n m ，甚至小 于o 8 n m 。目前商用的d w d m 频率间隔为1 0 0 g 赫兹或5 0 g 赫兹，密集波分 复用技术其实是波分复用的一种具体表现形式。图绪论一1 是密集波分复用 系统的示意图。由于e d f a 具有一个较宽的增益谱，使密集波分复用得以实 现，人们一直在追求更窄的频率间隔和更多的复用频道，以利用这一段增益 谱。实现密集波分复用的核心器件是复用器解复用器( m u x 仍m u x ) ，其实 质主要是一个光学波段的滤波器，将不同波长的信号光在频率域和空间域分 离开；或者逆向应用，实现合波功能。因为d w d m 的频带间距很小( 1 0 0 g h z 或者更低) ，所以需要窄带( n a r r o w b a n d ) 、顶端平坦( f l a t t o p ) 、陡沿 ( s t e e p s k i r t ) 的滤波器才能胜任这种复用解复用的任务。它的实现方法主要 有：多腔介质薄膜滤波器( m u l t i c a v i t yd i e l e c t r i ct h i nf i l mf i l t e r s ) ；阵列波导 光栅( a r r a y w a v e g u i d eg r a t i n g ) 光纤布拉格光栅( f i b e r b r a g gg r a t i n g ) ；全 绪论 圈绪论一1d w d m 系统示意幽 光纤熔融拉锥耦台器( a l lf i b e r f u s e d b i c o n i c a l t a p e r c o u p l e r ) 等。其巾光学 镀膜式的波分复用解复用器目f j i 仍是最成熟的技术，其构架大致如图绪论一2 所示： 三骂h _ i t t 曲i a l e xh h o j ) l 唧i - l r e x h y 啊( 蜡仉) 图绪论- 2 光学镀膜式d w d m 波分复用，解复用器 绪论 其中的关键元件之一是光学镀膜式滤镜。要制作符合d w d m 要求的滤镜， 镀膜的层数必须高达1 0 0 多层，每层的厚度约1 4 波长，采用三个共振腔的 结构来达到平顶与陡沿的要求，每层的厚度必须非常准确。而且信道间隔每 压窄一半，就要镀上百层薄膜，容易造成局部薄膜厚度与密度波动产生的缺 陷增加，成品率下降价格上升，所以做到1 0 0 g h z 以下很困难。 阵列波导光栅( a w g ) 属于集成光学器件【3 j ，具有一切平面波导技术的 潜在优点，诸如适于批量生产、重复性好、尺寸小，并且能够实现5 0 g h z 以 下的超窄信道间隔，但是制作成本太高、插入损耗偏大( 1 5 d b 以上) 。 光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 是在光纤纤芯中直接用紫外激光 感应出周期性的折射系数光栅，通过布拉格衍射可以在较窄的谱线上产生很 强的光反射。不过因为是在一维光纤中的反射式滤波器，所以反射光同入射 光无法简单地分丌，必须使用旋光器或是使用光纤干涉仪的结构，否则会有 很大的光损耗。 绪论2i n t e r l e a v e r 在d w d m 系统中的应用 为了实现5 0 g h z 间隔的d w d m 系统，同时避免器件技术过分复杂和太 高的成本。在2 0 0 0 年3 月的o f c 展览会上，多家公司都提出了一种群组滤 波器的方案，c h r o u m 公司称之为s l i c e r , w a v e s p l i t t e r 和j d su n i p h a s e 等公司 称之为i n t e r l e a v e r ”。 图绪论3i n t e r l e a v e r 工作示意图 i n t e r l e a v e r 的工作方式如图绪论3 所示，通过两个分别频率问隔为目标 频率间隔两倍的普通复用解复用器的组合使用，一个专门配合偶数的频道 数，一个专门配合奇数频道数。再配合一个可以将信号按奇偶分开的 i n t e r l e a v e r ，就可以实现5 0 g h z 的频率间隔。 在d w d m 系统中，如果间隔特别小的话( 例如小于5 0 g h z ) ，普通的滤 波技术一般不能够在保证很好的信道间隔的情况下滤出这样密集的信号。 i n t e r l e a v e r 技术最初是针对这一问题而出现的。这种器件的基本工作原理是 两束光的干涉，通过合适的干涉参数设计可以使i n t e r l e a v e r 的透射谱成为类 3 绪论 似梳状波的形状。实现i n t e r l e a v e r 的技术包括熔融拉锥的干涉仪、法布里一 珀罗标准具、双折射晶体等。最简单的办法就是通过熔融拉锥工艺制作的 m z 干涉仪型的i n t e r l e a v e r 。在这种设计中，通过精确控制两个3 d b 耦合器 中的两段不等长的光纤的长度差就可实现所需要的频率间隔。同时由于是全 光纤器件又具有插损小一致性好等优点。i t f 公司推出的i n t e r l e a v e r 就是采 用这种办法制作的。我们也采用这种方法来实现。 可以说i n t e r l e a v e r 的出现使许多传统滤波器技术在d w d m 系统的应用 中重新找到了自己的位置，使许多已经十分成熟的滤波器技术能够继续发挥 自己的作用，大大地降低了整个系统的成本。 绪论3本课题的主要工作 综合上面的讨论，结合本实验室的条件，本课题的研究任务主要围绕着 基于m z 干涉仪型全光纤n t e r l e a v e r 的研究。 首先，从理论上分析了基于m z 干涉仪型全光纤i n t e r l e a v e r 的工作原理， 得到了波长州隔、隔离度等指标与器件参数的关系；然后针对i n t e r l e a v e r 制 作过程中的关键：两干涉臂长差的精确测量和控制提出了相应的解决方案。 实验中制作了这种i n t e r l e a v e r ，并得到了较好的结果。 针对实验中发现的基于m z 干涉仪型全光纤i n t e r l e a v e r 隔离度较差的缺 点，重点研究了一种傅早叶顶端加宽型的全光纤i n t e r l e a v e r 。提出了采用梯 形波近似的优化方法，利用傅早叶级数展开的方法给出了参数优化结果。该 方案能使输出光谱达到一种顶端加宽的效果，从而大大提高了器件的隔离度 和整体性能。并在实验中得到了验证。 接下来研究了光纤反射式马赫曾德尔干涉仪型、引入光纤环的光纤马 赫一曾德尔干涉仪型和引入取样光纤光栅的光纤马赫一曾德尔干涉仪型 i n t e r l e a v e r 的输出特性和结构参数对滤波特性的影响。 最后分析了外界环境例如温度、压力、扭转等对器件性能的影响，并针 对温度提出了相应的解决方案。实验中也取得了不错的效果。 第一章m z 干涉仪型全光纤i n t e r | e a v e r 的研究 第一章m z 干涉仪型全光纤i n t e r l e a v e r 的研究 采用单模光纤制作的m z 干涉仪是随着光纤熔锥技术的日益成熟，光纤 耦合器的性能更加稳定而出现的。耦合器的性能对光纤型m z 干涉仪的输出 特性有着重要的影响。本章首先介绍了光纤耦台器的基本原理和制作工艺。 接下来分析了m z 干涉仪型i n t e r l e a v e r 的基本原理。由于m z 干涉仪型 i n t e r l e a v e r 的波分复用间隔只取决于两干涉臂的光程差，理论上可以做到任 意小。制作此器件的关键就在于精确的控制两干涉臂的光程差。本章在后半 部分提出了精确测量和控制m z 干涉仪型i n t e r l e a v e r 的两干涉臂长差的方 案。最后给出并讨论了实验结果。 1 1 光纤耦合器的基本原理和制作工艺 光纤耦合器的耦合机理，许多人从不同角度进行了分析研究，提出了不 同的近似模型【5j 【”。主要有两种，一种是适合于磨抛型和腐蚀型的弱耦合理论 ( 瞬逝场耦合理论) ，另一种是适合于熔锥型的强耦合理论( 模激励理论) 。 因为我们采用熔锥型耦合器，所以本节着重于后者的分析。 熔锥型器件种拉锥的效果是使两光纤纤芯靠近，使传播场向外扩散，以 便在相当短的锥体颈部区域出现有效的功率耦合。从严格的数学分析角度看， 这种场需要在纤芯、包层及填充媒质所构成的区域内求解矢量波动方程，这 是很繁琐的。为了简化分析，通常的办法是忽略纤芯的影响。进行这种简化 的基础是：在耦合器中最有效耦合部分内的模式是包层模。传播场脱离纤芯， 这时场是在包层和外部媒质( 空气和其他合适的材料) 所形成的新波导中传 播。相对而言，光纤纤芯的尺寸因拉锥而减小到可以忽略的程度。无芯近似 处理即使对于任意切面的耦合器也可以得到简单的结果。 由耦合模理论得到的耦合系数可以表示为： l ，( 2 ) 2 u 2 k o ( 彤酬，)，111 、 。一i 啄而f 一 “一 u = r ( k 2 h 。2 。一卢2 ) v 2 w = ，( 卢2 一k2 2 ) ”2 ：眨一”。2 | 】2 n 三 ( 卜卜2 ) y = k r n 。 2 y 2 【k = 2 u a 式中，r 是光纤半径，d 是两光纤中心的间距，i l c o 和m 】分别是纤芯和包层的 第一章m z 干涉仪型全光纤i n t e r l e a v e r 的研究 折射率，u 和w 是光纤的纤芯和包层参量，v 是孤立光纤的光纤参量， 及k l 是零阶和一阶修正贝塞尔函数。 当两根光纤相同时，耦合器的功率转换关系可以表示为： 咏却= c o s ，2 ( c z ) ( i - i - 3 ) 【p a z ) = s i n 2 ( ) 图1 - 1 是耦合器的耦合 比率随拉锥长度的关系示 意图。其中，a ，b 分别对 应1 5 5 0 n m 和1 3 1 0 n m 波段的 3 d b 耦合点，在位置e 时， 耦合器可以作为w d m 耦合 器，随着拉锥长度的增加， 耦合比对波长也越来越敏 感。在光纤耦合技术发展的 初期【7 】其制作工艺是采用 剀1 - l 耦合比率随拉锥眨度的对应关系 的蚀刻法，即将即将两根裸光纤拧绞在一起，浸入氢氟酸中，腐蚀掉光纤四 周的涂覆层和包层，从而使光纤纤芯相接触，实现光纤问的祸合。但是这种 方法不仅不耐用，而且器件对环境温度变化很敏感。随后，b e r g h 等人发明了 光纤研磨法，是将每根光纤预先埋入弧形槽中，然后对光纤侧面进行研磨抛光， 同时监测光通量，研磨结束后加上匹配液，再将两根光纤拼接，做成耦合器。 这种方法实用性有所提高，但是制作困难，成品率低，稳定性也不理想。从 8 0 年代初，人们开始用熔融拉锥法制作单模光纤耦合器，这种方法可以用计 算机精确控制各种过程参量，并随时监控输出端口的光功率变化，控制方法简 单灵活，制作成本低廉，器件的附加损耗极低、方向性好，稳定性高。 1 2 m z 干涉仪型全光纤i n t e r l e a v e r 的工作原理 m z 干涉仪和迈克尔逊干涉仪都是双光束干涉仪。其基本原理如图卜2 所示。由激光器发出的相干光，分别送入两根长度基本相同的单模光纤中， l 1 图1 - 2m z 干涉仪型光纤i n t e r l e a v e r 原理图 - 6 - 第一章m - z 干涉仪型全光纤i n t e r l e a v e r 的研究 从两光纤输出的激光束叠加后将产生干涉效应。分光和和光是由两个3 d b 耦 合器构成。我们所用的两根光纤是相同的，其传播常数为卢，耦合器1 的分 光比为2 q ) ，耦合器2 的分光比为口：2 a ) 。光束从臂1 进入器件，则耦合 器1 的输出振幅b l ，b 2 满足f 8 】： 鼢锄2 ) 若两耦合器间的两干涉臂长差为工 幅c 3 ，c 4 可以表示为： c 3 ：业娑叁罂娅 、，1 + 口2 ( 卜2 1 ) 由耦合模方程，耦合器2 的输出振 ( 卜2 - 2 ) 。：鱼号垒等螋( 1 - 2 _ 3 ) 、1 + 0 2 式中妒( a ) = 卢( a ) 址为两干涉臂的位相差，卢= 2 ，n 为光纤有效折射 率，则耦合器2 输出臂的功率为： 酬c 3 1 22 专湍 ( 1 _ z - 4 ) 只= l c t i 2 = ! ! j ；詈静 c 一z s ， 由上式知，干涉仪中前置和后置耦合器的作用是完全等效的，整个器件 波长性能由a 。，a ：，妒三个参数的波长特性共同决定。由于耦合器固有的宽 带宽，所以先考虑两干涉臂的波长效应。 假定a ，a ，为常数，当波长为 时，若s i n ( a ，) = 一1 ，即相应于 3 ( z 。) l = 2 ，n = 0 , 1 2 则臂3 的输出功率为峰值 = 黼 ( 卜2 6 ) ( 卜2 7 ) 而波长为t 时，若同样s i n ( 丸) = 一1 ，相应于 3 ( x 2 ) = 2 ( + 1 ) 丌，n = 0 , 1 2 ( 卜2 8 ) 臂3 的输出功率为另一峰值，同上式。 则波分复用间隔a = i a ：一a 。，由卢( 九) 一卢“) = 2 7 左所决定，将其按泰勒 第一章m - z 干涉仪型全光纤i n t e r l e a v e r 的研究 级数展开，得到； 卢瓴z ) = 卢魄) + ( ) - q ：_ ) h ( 1 - 2 - 9 ) 故有： 址嘲 2 删 其中哆么可以从特征方程解出口后再进行数值微分获得，也可以由下面的 公式做出近1 以的腻因为有2 z dt - 2 d 翮- ) 、= 百2 z c 丽d n 一等，若色散 变化很小而略去不计且弱导条件成立，则有： ， 2 = o 对己 ( 卜2 - 1 1 ) 亦即干涉波分耦合器的复用间隔直接与两干涉臂的长度差成反比。比如 零级干涉时( n = 0 ，a = 1 5 ，f l = 1 5 脚) ，a l = o 2 6 打n ，而n = 2 0 0 0 ，则缸= 2 r n m ， 复用间隔达到0 8 n r o ，所以整个器件的复用间隔依赖于于涉臂长度差。 w 址i r 时h i m 】 图1 - 3 端口3 、4 的输出特性 当波长位于 和九之间时，：h - s i n ( a ，) = 1 ，则臂3 的输出功率为谷值 。5 黼 则器件的波长隔离度由下式决定： 只。只。= 2 0 1 0 9 ( a ：+ 吒) 0 ：一a ，) 】 ( 1 - 2 一1 2 ) ( 卜2 1 3 ) 第一章m - z 干涉仪型全光纤i n t e r l e a v e r 的研究 如果要求波长隔离度大于2 0 d b ，那么两个耦合器功率分光比需在 ( 4 0 6 0 ) ( 6 0 4 0 ) 之间，即当耦合器l 的分光比为1 时，耦合器2 的分光比要求为( 4 0 6 0 ) 口：2 ( 6 0 4 0 ) 。端口3 、4 的输出特性如图卜3 所示。其波分复用间隔为0 8 n m 。 1 3m 。z 干涉仪型全光纤i n t e r l e a v e r 两臂光程差的精确测量 由于整个器件的复用间隔依赖于两干涉臂的长度差，如何精确地测量和 控制两干涉臂的光程差，成为决定器件整体性能的关键问题。我们在实验中 将小数重合法一 应用到光纤干涉仪中，利用干涉仪的光程差的温度系数来测 定光程差的小数部分，并且考虑到光纤的色散，进一步利用逐步逼近法对干 涉仪中两臂的光程差进行了精确的修j 下。在光程差为1 - 1 0 m m 的范围内，测 量误差不超过0 4 2 m ，为这种波分复用器件特性及光纤特性的研究提供了一 种简单、准确的测量方法。 1 3 1 光纤m z 干涉仪的温度特性 光纤具有热胀冷缩的性质，其折射率也会随温度而改变。设光纤的热膨 胀系数为g ，折射率的温度系数为d n d t , 当温度改变卯时，光程差的变化融 可表示为1 抛= 】，占7 ( 卜3 一1 ) 式中，y = ( ! 孥+ ”g ) 址，代表光程差的温度系数，。是光波在光纤中传播 础 的有效折射率。 1 3 2 干涉仪两臂光程差的绝对测量 ( 1 ) 小数重合法在光纤干涉仪中的应用 对于两种不同波长的入射光a 和a2 ，在忽略光纤色散的情况下，有下 列等式： = ( 】+ 1 ) a 1 = ( 2 + s2 ) 丸2 ( 1 3 2 ) 其中，n l 和n 2 为暂时未知的整数，。和：为纯小数。 假设是连续变化的，则。和。的对比关系会每隔的d 重复出现一次， 并满足： d a = k ；t ，= ( k + 1 ) a z 由此可得： 拈丧 ( 1 3 3 ) ( 1 - 3 4 ) 第一章m - z 干涉仪型全光纤i n t e r l e a v e r 的研究 抛：型2 _ a 1 一i t 2 ( 1 3 5 ) 这说明，只要预先能以d a 的精度确定的变化范围，亦即能确定满足下式的 整数j ： ( ，+ 1 ) a a j 。d a ( 1 3 - 6 ) 就可以通过测量小数部分和。来确定整数部分n l 和n 2 ，并最终精确定出 的值。这就是小数重合法的基本原理。它原来是在柯氏干涉仪中为测量块 规的绝对长度发展起来的【9 】。为将它运用到光纤干涉仪中，还必须解决以下 两个问题： a 小数部分的测定 我们利用精密温度控制仪和已经测得的温度系数y 来测定小数部分。我 们先用波长a 】入射，调节温度，使从端口5 出射的光强达到极大，于是确 定= o ；然后改用波长a2 的激光入射，对温度进行小范围调节，在保证的 变化不超过半个波长的情况下，将出射光强调至最大，根据温度的改变量和 温度系数，按式( 1 3 一1 ) 求出的改变量硒，则小数s 产竺。 b 光纤色散的修正 1 当考虑到光纤的色散时，两干涉臂的光程差相对于不同入射波长略有不 同，并满足： a l = ( n 。+ 1 ) 2 = a 2 ( n 2 + 2 ) ( 1 3 7 b ) q = 2 一】= i d n ( a 2 一 ) a l ( 1 3 8 ) 其中，址为干涉仪两臂的几何长度差；对于普通光纤，色散系数嘉只与光 纤本身的特性有关，对于常规单模光纤，当入射光波长在1 5 5 肌附近时， 有i d n - - 3 8 7 1 0 。6 n m i i 。所以，在考虑到光纤的色散特性时，同样可以应用 6 , 小数重合法对和：进行测量，只要根据式( 卜3 8 ) 引入适当修正町即可。 ( 2 )误差分析 由( 1 - 3 - 7 a ) 、( 卜3 - 7 b ) 和( 卜3 8 ) 式，可以求得： 卟小( + 沪击叼 ( 1 3 9 ) 其中，a = 孚 ，n = n 1 + n 2 ，= 。+ s ：；则的不确定度可以表示为 尢+ 。 1 0 第一章m z 干涉仪型全光纤i n t e r e a v e r 的研究 其中 ：厩百两雨 俩萼 “。= ( 址) 2 “。2 + ( ”) 2 “。2 ( 1 3 一l o b ) 在( 1 - 3 - 1 0 a ) 式中，与“。相比，百睾i 的误差可以忽略不计。小数部分的 精度由温度系数的测量精度和入射光波长共同决定，并有： “= 4 】+ “2 ( 卜3 1 1 ) 当“。， 兄成立时，我们可以由式( 1 3 7 a ) 进一步提高精度，最后的测量 不确定度可以表示为： 赝卜。2 + 斛2 er o r df nd o nh 1 n + 1 ， l 0 1 | ， + l | 一 、 1 ； _ 0 卜 _ 一jl 图1 - 4 a ( 1 3 1 2 ) q | j| n ， | 1 | ，ij l |l i k i n d l 一 。 上 上 图1 - 4 b 可见，测量的最终结果与光纤色散无关，并且，在0 1 1 0 r a m 的测量范围内， 绝对误差不大于0 1 帅。测量的逐步近似过程入图1 - 4 所示。 在实验中，丸为1 5 7 4 2 a m ，来自分布反馈( d f b ) 激光器，其波长不 确定度为n 0 5 n m ；a 2 为1 5 2 3 1 肼h e n i 激光，其相对误差f 刭不超过 1 0 ；对于我们所用的温控系统，精度可达0 0 0 5 0 c 。因此小数e 的不确定度 不超过0 0 4 在( 卜3 1 0 a ) 式中忽略了柳，因为是整数，柳= o 。由( 卜3 1 2 ) 第一章m z 干涉仪型全光纤i n t e r l e a v e r 的研究 式可知，在1 - l o m m 的测量范围内，测量的绝对误差不超过0 1 脚。 l - 3 3 实验与结果 ( 1 ) 温度系数的测薰 我们使用s r 2 5 3 型智能温 度控制仪和波长为1 5 7 4 2 0 肼 的d f b 半导体激光器对两之不 同的m z 干涉仪m z l ，m z 2 的温度系数进行了测量，得到器 件的温度特性衄线如图1 5 所 示。由于温度沿光纤分布不均 匀，因此，测得结果与理论计算 值有所不同。 ( 2 ) 光程差的绝对测量 在实验中，我们利用 波长为1 5 7 4 2 0 , u m 与 1 5 2 3 0 7 1 帅( 相对误差 为1 0 - 6 ) 的激光作为入射 光丑l 和a2 。以对m z l 的测量为例，首先利用 e d f a 入射( 其波长为 1 5 5 0 o n 3 d b 带宽约为 7 r i m ) 对进行粗测，在 端口5 测得的输出波形 t t m 渔r 埘u r 猷c 幽1 5m z 干涉仪的温度相应曲线 图1 6m z 干涉仪光程差的测量装置示意图 如图1 - 7 所示。并初步确定在5 6 0 0 5 6 4 0 p m 之间，其不确定范围小于由 式( 1 3 5 ) 确定的d a = 4 6 9 2 1 t m ，满足进一步精确测量的需要。 w a v e l e n g t h f m 】 图l 一7 m z 干涉仪功率输出曲线 接下来我们利用温度 控制仪和已经测量得到的 温度系数，按前述方法对小 数部分进行测量。首先用 a = 1 5 7 4 2 0 # m 的d f b 激 光入射。调节温度，使出射 光功率达到极大再改用 旯2 - - 1 5 2 3 0 7 1 姗的h e ： n e 激光入射，对温度进行 珊 m 佃 佃 鲥 一毫一tfad，暑8 第一章m - z 干涉仪型全光纤i n t e r l e a v e r 的研究 小范围调节，即在保证的变化不超过半个波长的情况下，将出射光强调至 最大由温度系数和t 2 t 1 求出a 的改变量和s ：。并得到一组与：符合较好的 值。测量结果及关键参数的误差见表1 1 和表1 2 。 表1 - 1相关参数的误差 r e l a t i v ea c c u r a c y a c c u r a c y h e ：n el a s e r1 5 2 3 0 7 1um 1 0 石 d f bl a s e r1 5 7 4 2 0ui n 1 0 5 s r 2 5 3p i d0 5 0 。c 0 0 0 1 。c ( p r e c i s i o no fd i s p l a y ) 0 0 0 5 。cf t e m p e r a t u r es t a b i l i t y ) 表1 - 2测量结果及误差 允( “1 7 1 )( i n )，( ur n p c ) i d e i i d a l ( “m ) m z l】5 2 3 0 7 15 6 l o2 51 0 2 3o o l 90 0 2 9 1 5 7 4 2 05 6 0 9 4 90 0 1 700 6 2 且( p m )a “j m )y ( p r n 。c ) f d e f f 如f ( h m ) m ，z 21 5 2 3 0 7 13 3 6 74 00 ，9 0 7o 0 1 20 0 1 8 1 5 7 4 2 03 3 6 6 9 5o 0 1 l00 2 7 通过对光程差的测量，我们发现， 光纤的色散特性和器件的温度稳定性。 论。 影响器件波分复用精度的主要因素是 有关这方面问题，将在后面的部分讨 1 4 m z 干涉仪型全光纤i n t e r l e a v e r 的制作 耦合器1 为平面型3 x 3 定向祸合器，耦合器2 为2 x 2 定向耦和器。耦合 器2 是按照常规的熔融拉锥方 。o r 鬻；嚣捌柑舭进j 穗 3 毪 二行光功率监测，一：o l = c 2 、一 使其分光比为1 ：1 。但是耦合 器1 就无法按照上述制作2 x 2 耦合! 图l _ 8 全光纤m z 干涉仪的制作 e 。 这是因为c l 在熔融拉伸过程中其输出光是相干信号，已能通过c 2 一起进行 干涉，即从2 ，3 端e l 监测到的功率是无法确定耦合器1 的分光比的。所以在 实际制作中，c l 是一个3 x 3 的耦台器。从图1 - 8 中的a 端口注入监测光功率， 第一章m z 干涉仪型全光纤i n t e r l e a v e r 的研究 在b ，c 和1 端口同时监测输出光功率。熔融拉伸c 1 ，使得1 端口的输出光 功率由未熔拉时的满功率到零，并可监测到b ，c 端口的光输出光功率相等， 均近似等于总功率的5 0 t ”】。在这样的熔拉过程中，监测光功率没有通过耦 合器2 参与干涉。由于c 1 是平面型的3 x 3 耦合器，经实践证明，制作好的 c ，在1 端注入光功率时可得a 端的输出功率为零，2 和3 端的输出功率相等， 都近似等于注入功率的5 0 ( 忽略损耗) 。这样去掉a ，b ，c 三端的光纤， c l 就成了一个1 ，2 7 ，3 三个端口的耦合器，并与c 2 一起构成m a c h z e h n d e r 干涉仪。 在实际制作中两干涉臂之间的长度差l 的控制方法如图1 9 。在一块平 面基板上粘上一块圆形薄片，薄片的边缘刻有3 6 0 度的刻度。把已经做好的 耦合器2 平粘在平面基板上，把两条输出光纤臂精密平行地沿着圆形薄片的 边缘绕一角度0 ，当光纤的涂敷层直径为2 5 0u m 时，容易得出0 和的关 系为 0 ：丝址 5 0 0 _ 7 r 这样就能比较精确的得到两于涉臂的长 度差删。除此之外， 人们还提出过利用光纤的光敏特性进行 长度的微调节，但是这个过程太烦琐，需 要退火、载氢等无法监控的步骤。 上述制作方法需要一定的仪器和技 术。我们采用了一种更简便的方法获得 m a c h z e h n d e r 干涉仪。用两个现成的 3 d b 耦合器，其两臂都用光纤切割刀切 好，同时保证长度差为所需要的，然后 图1 9 氏度控制方法 再用光纤熔接机熔接。这样做需要注意两点：一是熔接时要保证两根光纤不 能有任何扭曲，以免引起光纤中双折射率的改变。二是必须严格保证干涉仪 两干涉臂的长度差。为了髓精确保证干涉仪两干涉臂的长度差，我们采用了 逐步逼近的方法。具体步骤如下： 1 、采用如图1 9 所示的长度控制方法控制第一次切割时两臂长差，并 熔接。 2 、对第一次熔接的m z 干涉仪进行测量( 采用上一节介绍的小数重合 法) 。 3 、第二次切割，并接入光纤补偿段，这是对第一次切割的偏差进行补偿； 再次熔接后的偏差可以控制在1 0 “m 以内。 一 第一章m z 干涉仪型全光纤i n t e r l e a v e r 的研究 4 、用单色光输入( 采用i t u t 规定波长的d f b _ l d 激光器) ，利用微调 节装置来对准信道。 1 5 实验结果及分析 我们首先采用上述方法制作一全光纤m z 干涉仪，然后用e d f a 作宽 带光源，测得其输出光谱如图1 1 1 。发现隔离度较差，考虑其原因可能是： 两束光的光强不一致；光纤几何形状不对称引起的双折射效应；扭曲引起的 光偏振态的改变，从而减小了隔离度。要提高器件的隔离度，在焊接时要保 证两次焊接的情况必须一致，而且焊接的两根光纤要尽量没有弯曲、扭曲等 情况。但最根本的原因，我们分祈是因为光源的相干性不好。 我们实验了器件的波长间隔的可调谐性。用压电陶瓷调节长度差， 1 5 7 4 n m 的d f b 激光器作光源，所测得的曲线。效果较好，如图1 一1 2 所示， 隔离度有所改善，大约1 8 d b 左右。说明e d f a 作为宽带光源，其相干性要 蒡一出。 5 两t e 7 1 11 5 柚1 婶1 5 3 4 5 蓝5 ”n1 u ? 码劓 w a v e l e n g t ho m o 蚓1 1 0e d f a 的白发辐射谱 a 5 两1 5 3 01 5 3 21 5 3 41 5 3 61 s 那1 5 4 0 1 甜2 w a v e l e n g t h 图l - l le d f a 入射时光纤m - z 干涉仪的输 v 岫c 图1 1 2 光纤m - z 干涉仪两臂长度差变化时光强的变化 由于商用器件的隔离度指标为2 5 d b 以上，所以简单的光纤m z 干涉仪 结构的i n t e r l e a v e r 不足以达到此项要求。我们提出了种傅立叶顶端加宽型 i n t e r l e a v e r 的方案，该方案能使输出光谱达到一种顶端加宽的效果，从而大 15 加 ” 毒c口屯ul口三卫世 第一章m z 干涉仪型全光纤i n t e r l e a v e r 的研究 大提高了器件的隔离度和整体性能。下面将着重介绍。 第二章傅早叶顶端加宽型光纤i n t c r l * a v e r 的研究 第二章傅里叶顶端加宽型光纤i n t e r l e a v e r 的研究 由于简单的光纤m z 干