（电磁场与微波技术专业论文）基于高双折射光纤sagnac环的可调谐梳状滤波器研究.pdf

中文摘要 摘要：随着密集波分复用( d w d m ) 系统光信道数量的增加，与d w d m 技术有关的 各种光学滤波器技术成为当前光纤通信领域的研究热点。高双折射光纤s a g n a c 环 具有易于制作、性能稳定以及良好的梳状滤波特性等特点，近年来受到广泛关注。 本文在对基本高双折射光纤s a g n a c 环滤波特性进行深入理论研究的基础上， 应用数值分析方法对以高双折射光纤s a g n a c 环为基础的多种复杂结构滤波器的光 学特性进行了分析研究与结构设计。主要工作如下： 1 、首先根据j o n e s 矩阵理论对单段高双折射光纤s a g n a c 干涉仪的反射和透射 光谱特性进行了理论研究，讨论了高双折射光纤的长度和双折射、偏振控制器状 态、耦合器分光比及入射光偏振方向等对滤波器光谱特性的影响。 2 、讨论了多段高双折射光纤s a g n a c 干涉仪的滤波特性，理论推导了由多段高 双折射光纤构成的s a g n a c 干涉仪的传输函数，通过数值仿真分析和研究了不同器 件设计参数对滤波器光谱特性的影响。 3 、详细研究了由多个高双折射光纤s a g n a c 环所组成的级联型多波长滤波器的 光谱特性及设计方法。 4 、分析和设计了一种基于高双折射光纤s a g n a c 干涉仪的可调谐梳状滤波器， 这种滤波器通过调节压电陶瓷( p z t ) 实现对高双折射光纤相位的控制，最终实现对 基于高双折射光纤s a g n a c 干涉仪的梳状滤波器中心波长调谐的目的。 5 、对基于高双折射光纤s a g n a c 环的组合型大范围可调谐带通滤波器进行了分 析与研究。 研究结果表明，以高双折射光纤s a g n a c 环为基础的光学滤波器可以实现多种 光学滤波功能，具有丰富而广阔的研究内容。这种滤波器不仅可实现良好的多波 长梳状滤波和带通特性，还可以实现中心波长的大范围可调谐性，在光纤传感， 可调谐光纤激光器以及d w d m 系统等领域具有巨大的应用前景。 全文共计图6 5 幅，参考文献4 5 个。 关键词：高双折射光纤；s a g n a c 干涉仪；梳状滤波器；偏振无关 分类号：t n 2 5 3 a b s t r a c t a b s t r a c i ： w i t l lt h ei n c r e a s i n go fo p t i c a lc h a n n e l si nd 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 ( d w d m ) s y s t e m s ，v a r i o u so p t i c a lf i l t e r sr e l a t e dt od w d ma p p l i c a t i o n sb e c o m eah o t r e s e a r c ha r e ai no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n h i g hb i r e f r i n g e n c e ( h i b i ) f i b e rs a g n a c l o o p sa t t r a c t e dw i d e s p r e a da t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r sd u et ot h e i rs i m p l es t r u c t u r e ，s t a b l e p e r f o r m a n c ea n dp e r f e c tc o m bf i l t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c s i nt h i st h e s i s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fb a s i ch i b if i b e rs a g n a cl o o p sa r es t u d i e d t h e o r e t i c a l l y , b a s e do nw h i c h ，v a r i o u so p t i c a lf i l t e r sf o r m e db yh i b if i b e rs a g n a cl o o p s w i t hc o m p l e xs t r u c t u r e sw e r es t u d i e da n dd e s i g n e du s i n gn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d s t h em a j o rw o r k sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 、f i r s t ，t h ed e t a i l e dr e f l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fh i b if i b e r s a g n a ci n t e r f e r o m e t e r sa r es t u d i e du s i n gj o n e sm a t r i xt h e o r y , a n dt h ee f f e c t so ft h e l e n g t ha n db i r e f r i n g e n c eo ft h eh i b if i b e r , t h es t a t eo fp o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r , c o u p l i n g r a t i o ，a n ds t a t e so fp o l a r i z a t i o no ft h ei n p u tf i e l d so nt h et r a n s m i s s i o ns p e c t r aa r e d i s c u s s e d 2 、t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es a g n a ci n t e r f e r o m e t e rc o m p o s e do fm u l t i - s e c t i o nh i b i f i b e r sa r es t u d i e dt h e o r e t i c a l l y t h et r a n s f e rf u n c t i o n so fm u l t i s e c t i o nh i b if i b e r s a g n a ci n t e r f e r o m e t e ra r ed e d u c e dt h e o r e t i c a l l y , a n dt h ee f f e c t so fv a r i o u sd e s i g n p a r a m e t e r so nt h eo u t p u ts p e c t r aw e r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d 3 、t h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dd e s i g nm e t h o do fm u l t i - w a v e l e n g t hf i l t e r s ， w h i c ha r ec o m p o s e do fan u m b e ro fc a s c a d e dh i g h b i r e f r i n g e n c ef i b e rs a g n a cl o o p s ，a r e s t u d i e di nd e t a i l 4 、at u n a b l ec o m bf i l t e rb a s e do nh i g h - b i r e f r i n g e n c ef i b e rs a g n a ci n t e r f e r o m e t e r s i sa n a l y z e da n dd e s i g n e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et u n a b i l i t yo fh i b if i b e rs a g n a c i n t e r f e r o m e t e rc a nb ea c h i e v e db yc o n t r o l l i n gt h el e n g t hb i r e f r i n g e n c eo ft h eh i b if i b e r e m p l o y i n gp z tt e c h n o l o g y 5 、t h ew i d e l yt u n a b l eb a n a s sf i l t e r sb a s e do nh i b if i b e rs a g n a cl o o p sa r e t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e da n dd i s c u s s e d t h er e s u l t so fa b o v er e s e a r c hs h o wt h a tm a n yf i l t e r i n gf u n c t i o n sc a nb ea c h i e v e d b yu s i n gh i b if i b e rs a g n a cr i n gb a s e df i l t e r s t h e s ef i l t e r sn o to n l yh a v ep e r f e c t m u l t i - w a v e l e n g t hc o m bf i l t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c sb u ta l s oc a na c h i e v et e n a b il i t y , a n dc a n f i n dm a n yp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nt h ef i e l d so ff i b e rs e n s o r , t u n a b l ef i b e rl a s e r sa n d d w d ms y s t e m s k e y w o r d s ：h i 【g hb i r e f r i n g e n c ef i b e r ；s a g n a ci n t e r f e r o m e t e r ；c o m bf i l t e r ； p o l a r i z a t i o ni n d e p e n d e n c e c l a s s n o ：t n 2 5 3 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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： 雪彩霞 导师签名： 签字日期：年月日签字日期： 匆 日 ，1 r 细沙 月 少q 秦军年 3 r 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，也不包含为获得北京交通大学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。 学位论文作者签名： 签字日期：年 月日 6 2 致谢 本论文的工作是在我的导师陈根祥教授的悉心指导下完成的，陈根祥教授严 谨的治学态度和求实的科学精神将使我深受教诲，严于律己、仁厚谦和的生活态 度和执着的敬业精神更对我影响至深，这些都将为我今后的为人处事指引方向， 使我树立正确的科学观和人生观，踏实奋斗自己的人生。藉此论文完成之际，衷 心感谢两年来陈老师对我的关心和指导。 陈根祥教授、路慧敏博士悉心指导我们完成了实验室的科研工作，对我的科 研工作和论文的撰写都提出了许多的宝贵意见，在学习上和生活上都给予了我很 大的关心和帮助，在此向他们表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，路慧敏博士、董天龙学长以及付玉洁、陈骁 和闰夏等同学对我论文中的理论和实验研究工作给予了热情帮助，在此向他们表 达我的感激之情。 另外也感谢家人和朋友的积极支持与鼓励，他们的理解和支持使我能够在学 校专心完成我的学业。 1 引言 1 1课题研究背景与意义 1 9 7 0 年第一根低损耗光纤的问世，为光纤通信的实用化奠定了基础，光纤通 信在之后3 0 多年来有了长足的发展，在高速大容量信息传输方面展现出巨大的优 势和潜力，成为2 0 世纪人类所取得的最具革命性的技术成就之一【l 】。随着通信技 术的发展，通信业务将转向以高速i p 数据和多媒体为代表的宽带业务，这对光通 信网络的带宽和容量提出越来越高的要求。密集波分复用( d w d m ) 技术的成熟应 用极大的提高了光纤通信系统的容量，成为光纤传输网络增容的主要技术手段【2 1 。 随着人们对通信传输容量和传输速率要求的进一步提高，可调谐光纤激光器 日益展现它的优越性。在d w d m 系统中如果采用固定波长激光器，则每一个波长 都要求一个工作激光器和备用激光器，而采用可调谐光纤激光器，只需调谐到不 同波长位置就可以作为不同信道的光发射机，而且只需要一个可调谐光纤激光器 作为系统的备份光源，大大降低了系统的运营和备份成本。利用滤波机理实现可 调谐激光输出的可调谐光纤激光器是目前国内外研究的重要方向【3 】【4 】。光滤波器是 可调谐激光器的重要器件，将光滤波器加入到激光器光学谐振腔，通过滤波器对 输出波长的选频作用，可以实现不同波长的激光输出，为了满足激光器输出波长 的调谐控制，常常要求滤波器具有可调谐的特性，有时也会采用组合滤波器的形 式来扩大激光器的调谐范围。随着滤波技术的发展，可调谐光梳状滤波器已经成 为国内外滤波器研究的热点。 近年来人们已经提出了很多光学梳状滤波技术，其中主要包括m a c h z e h n d e r 干涉仪【5 1 【6 】、b r a g g 光纤光栅【7 】【8 】、f a b r y p e r o t 干涉仪【9 】【1 0 1 以及光纤s a g n a c 干涉仪【l l 】 等。随着光纤技术的发展，光纤环在光纤通信和光纤传感方面的作用越来越重要， 高双折射光纤s a g n a c 环具有结构简单、性能稳定以及良好的梳状滤波特性等特点， 近年来受到广泛关注。基于高双折射光纤s a g n a c 环的光滤波器设计灵活，根据不 同的设计方法可以得到丰富的滤波效果，可以应用在多种不同的通信系统中，因 此对高双折射光纤s a g n a c 环的研究具有重要的意义。目前对基于高双折射光纤 s a g n a c 环光滤波器的研究正在发展当中，已经有很多关于高双折射光纤s a g n a c 环 光滤波器的报道，并且得到很有价值的结论和应用，但同时还存在一定的研究缺 陷，为了得出更为广泛的应用，对基于高双折射光纤s a g n a c 环的光梳状滤波器的 滤波特性还有待于更进一步的详细研究。 本文正是基于以上问题的分析，结合国家自然科学基金项目“大范围波长可 切换复合腔半导体激光器的研铝r j ( 6 0 7 7 7 0 1 3 ) 和北京自然科学基金项目“新型大范 围可调谐光纤激光器的研制( 4 0 8 2 0 2 3 ) ”，主要以高双折射光纤s a g n a c 干涉仪为研 究对象，对基于高双折射光纤s a g n a c 环的可调谐梳状滤波器及组合型大范围可调 谐带通滤波器进行了设计与研究。 1 2国内外研究现状 1 2 1光学滤波器的研究现状 光学滤波器是可调谐光纤激光器的重要器件，广泛应用于d w d m 系统中， 是其提高光通信容量的关键器件，因此，各种光学滤波器的研究已成为当前光纤 通信与光电子技术领域的一个重要研究热点。近年来在光纤通信和光纤传感领域 中涌现出很多种新型的光学滤波器，其中包括f a b r y - p e r o t 干涉滤波器、 m a c h - z e h n d e r 干涉滤波器、b r a g g 光纤光栅、介质薄膜干涉滤波器以及声光可调谐 滤波器等。 1 、f a b r y - p e r o t 干涉滤波器 高反射多层 二分之一波长问隔层 高反射多层 翳笏猫嚣野獬嚣警貉端嚣# 秽，蜮矽移群翠够一，2 够 辫僦獬嘲搿嬲# g 镕缀 f， ， 一* 1 m 。凡。，“j | |l j 。m j ：。 iv v v 八八 litit tt l|tlttl ltiltit 船呼? 。llll1 t。? 脚。茹 图1 1f a b r y - p e r o t 谐振腔滤波器 f i g 1 1f a b r y - p e r o tr e s o n a t o rf i l t e r f a b r y - p e r o t 谐振腔滤波裂1 2 j 是一种基于f a b r y - p e r o t 干涉仪的光学滤波器，它 由谐振腔及光纤组成，谐振腔是f a b r y p e r o t 谐振腔滤波器的核心器件，一般谐振 腔由两个高反射的多层平板组成，如图1 1 所示，入射光在谐振腔中来回反射，相 互叠加，当某一光波信号在谐振腔中往返产生的相位差为2 石的整数倍时，光信号 就会在谐振腔内形成驻波，输出光强达到最大，以此来达到滤波选频的目的。在 间隔层中的多次干涉使滤波器的输出特性形成多个相距a 2 间隔层带宽的狭窄波 长带宽的尖峰。因此f a b r y - p e r o t 谐振腔滤波器专门用作带通滤波器。 2 f a b 巧- p c r o t 谐振腔滤波器的优点是调谐范围宽，通带窄，与偏振无关，可以 集成在系统内，减小耦合损耗；缺点是价格很高，调谐速度较慢。 目前对f a b r y - p c r o t 干涉滤波器的研究主要包括微型电动机械系统f a b r y - p c r o t 滤波器、波导f a b r y - p c r o t 滤波器、光纤光栅f a b r y - p e r o t 滤波器、液晶f a b r y - p c r o t 滤波器以及光纤f a b r y - p 凹o t 滤波器等。 2 、m a c h z e h n d e r 干涉滤波器 将两个光纤耦合器的对接就构成最基本的m a c h - z e h n d e r 干涉仪，第一个耦合 器将入射光分成两束，若干涉仪两臂不相等，这两束光信号在第二个耦合器发生 干涉之前将获得不同的相移，经第二个耦合器相干叠加后输出，通过控制一条臂 中的光程，即通过一个相位调制器去控制该臂中光信号的相移，就可以得到最终 输出光信号的波长调谐的目的。 目前已经提出了几种m a c h - z e h n d e r 干涉仪构成的梳状滤波器，比如级联 m a t h z e h n d e r 干涉滤波器、单臂加入光纤环的m a c h z e h n d e r 干涉仪、双臂写入相 同取样光栅构成的m a c h - z e h n d e r 干涉滤波器等。这些m a c h z e h n d e r 干涉仪构成的 可调谐光滤波器具有制作成本低，对偏振不敏感，串音较低，峰值平坦，信道均 匀性好等特点，但是在实际制作过程中，温度微小的变化将会导致滤波特性的明 显改变，外界的振动也会影响光纤干涉臂的偏振态，而且臂长差也不能太大，所 以尽管m a c h z e h n d e r 干涉仪有很大的发展潜力，但对于5 0 g h z 甚至2 5 g h z 信道 问隔的交错复用，其性能还不能达到商用。 3 、介质薄膜干涉滤波器 釜 蜓 惫 嗵 蚺 馘+ 。，毽j 一如溺灞 黝焉话毫云| 豺k 一! _ j _ 一，：臻磊糍巍裁篡；秀绉 缓。m 瑟瑟：曩磊：，j 。秘菇荔i 磁燃戴缓翰i 戮荔缓 高折射率 低折射率 商折射率 低折射率 高折射率 图1 2 介质薄膜干涉滤波器 f i g 1 2d i e l e c t r i ct h i nf i l m i n t e r f e r e n c ef i l t e r 介质薄膜光滤波器利用多光束干涉原理制成的多层膜系，它由几十层甚至上 百层的不同折射率材料的介质膜按照设计要求组合起来，每层介质膜的厚度为 力4 ，高低折射率交替叠合，介质薄膜光滤波器结构如1 2 所示，当光入射到高折 射率层时，反射光没有相移；当光入射到低折射率层时，反射光有乃的相移，在 3 滤波器的前端面，当经低折射率层反射的光与经高折射率层反射的光同相时，干 涉加强，可获得高的反射率；反之干涉减弱，获得高的透射率。据此可以使之对 一定的波长范围成通带，对另外波长范围成阻带，从而形成所要求的滤波特性。 这种滤波器的优点是信道数灵活，波长间隔可以不均匀，插入损耗小，带宽 较宽，温度特性较好。它的缺点是镀膜工艺比较复杂，整个器件的损耗和成本都 与复用的信道数成正比，装配时间较长。 4 、b r a g g 光纤光栅 ，五，五，五 - - - 卜 五 卜- - - 一 a ，五，以 - - - - 图1 3 光纤光栅结构 f i g 1 3f i b e rb r a g gg r a t i n gs t r u c t u r e 光纤光栅是一种光纤折射率受到周期调制的光纤器件，可以根据其模式的耦 合特点分为两大类：一类是b r a g g 光纤光栅，又称短周期光栅，其特点是传输方 向相反模式之间发生耦合；另一类是长周期光栅，它的特点是传输方向相同的模 式之间发生耦合。 b r a g g 光纤光栅作为高反射的窄带滤波器，能够反射某个中心波长的光束同时 传输其余的光。光栅反射的峰值波长称为光栅的b r a g g 波长，满足以= 2 n 纱人，其 中为光纤基模在b r a g g 波长上的有效折射率，人为光栅周期。 光纤光栅中心波长的灵敏性由光纤弹性、弹光和热光及加载的应力特性决定， 中心波长的变化量可以由下式决定，其中l 为光纤光栅的长度，t 为温度。 2 = 2 ( a 塑+ 以一0 a ) 越+ 2 ( 人鱼+ 以坠) r 弛弛。a l a ? 1 由上式看出，a l = 0 时可以通过温度变化实现光纤光栅的波长调谐，如果是 a t = 0 ，则可以通过机械装置来调谐光纤光栅，也可以实现光纤光栅的波长调谐。 b r a g g 光纤光栅具有平坦，狭窄的光谱特征，插入损耗小，信道间串扰低等 优点，但是要实现商业化的可调谐b r a g g 光纤光栅滤波器，必须考虑减小它的色 散效应、温度漂移和机械驱动装置等问题。 1 2 2 光纤s a g n a c 干涉仪的研究现状 随着光纤技术的发展，光纤环在光纤通信和光纤传感技术领域的作用越来越 4 重要。光纤s a g n a c 干涉仪从一提出就得到非常广泛的应用，它最早是用来制作光 纤陀螺，光纤陀螺【1 3 】【1 4 】是s a g n a e 干涉原理制成的一种新型的光纤旋转传感器，它 与传统的机械陀螺相比结构简单，动态范围宽，可靠性高，耗电量小，而且由于 它没有运动部件，不存在磨损，所以启动速度很快而且寿命很长。近几年来光纤 陀螺的发展，可将旋转传感器灵敏度提高好几个数量级，充分显示了光纤陀螺的 开发潜力。光纤陀螺在相位调制传感方式上具有极高的灵敏性和高机械难度的实 用性，使它已经成为航天航空航海等许多领域中最具发展前景的惯性器件。 光纤s a g n a c 干涉仪另一个重要应用就是制作光纤滤波器，在s a g n a c 环中加入 不同的光纤结构就构成不同类型的滤波器，大概可以分为以下几种类型： l 、光纤光栅s a g n a c 干涉仪 1 5 - 2 0 j 这种结构就是将光纤光栅加入到s a g n a e 环内，利用光纤光栅的特性在s a g n a e 环内引入相位差，使环内沿顺时针和逆时针方向传播的两束相干光，经环路传播 后返回耦合器，在耦合器中产生干涉后相干输出，由此实现对光波信号的滤波的 作用。将光纤光栅加在s a g n a c 环中构成一种新颖的全光纤滤波器件，这种结构的 概念最初是h i l l 等人提出的，但他却没有进行较为深入的理论分析和实验研究。 华中理工大学的舒学文等人首先建立了光纤光栅s a g n a e 干涉仪的理论模型，根据 理论分析了将均匀b r a g g 光栅和线性啁啾光栅分别加入到s a g n a c 干涉仪时的透射 光谱特性，并得到了均匀光纤光栅s a g n a c 干涉仪的输出响应的解析解，设计出了 均匀光纤光栅s a g n a c 干涉型梳状滤波器。在此后中国科技大学的钱景仁教授也对 光纤光栅s a g n a c 干涉仪的传输光谱进行了理论分析和实验验证，并在此基础上提 出了采用非对称光纤光栅s a g n a c 干涉仪实现光栅带阻特性向带通特性转换的方 法，其带通特性与原光栅的带阻特性互补，由此设计出包络带通滤波器。目前也 有许多采用s i n c 函数取样b r a g g 光纤光栅，啁啾取样b r a g g 光纤光栅等制作光纤 梳状滤波器的方案提出，但是由于涉及到复杂的光栅设计和加工工艺，实现起来 比较困难。均匀光纤光栅s a g n a e 干涉型梳状滤波器的带宽和通带透射率由光栅的 反射带宽和反射率决定，若想要滤波器同时满足大的带宽和透过率，对光纤光栅 来说则需要很大的折射率调制范围，这对现有的光纤光栅制作工艺技术来说是很 难得以实现的。 2 、 高双折射光纤s a g n a c 干涉仪【z 1 。2 副 若将上述设计中的光纤光栅改为高双折射光纤，就构成另一种s a g n a c 干涉型 滤波器，此类滤波器在结构上要比光纤光栅s a g n a c 干涉仪简单很多而且很容易实 现。高双折射光纤s a g n a c 干涉仪的滤波器具有良好的梳状滤波特性，而且具有入 射光偏振状态无关特性，这对于在光通信中对随机偏振态的光信号的调制具有非 常重要的意义，因此对这种高双折射光纤s a g n a c 干涉型滤波器的研究已经成为国 5 内外梳状滤波器研究的重点。美国k a n s a s 大学的r i c h a r doc l a u s 等人经过理论研 究，计算出了单段高双折射光纤s a g n a c 干涉仪输出光谱的解析解，并在此基础上 设计出了偏振无关的全光纤波分复用器，为以后对高双折射光纤s a g n a c 滤波器的 研究奠定了基础。 近年来对多段高双折射光纤s a g n a c 滤波器也有很多报道。在国外有人报道了 一种通道间隔可调的两段高双折射光纤的s a g n a c 干涉仪。在国内最早进行这方面 研究的主要是南开大学的现代光学研究所，他们报道了一系列关于单段或多段高 双折射光纤s a g n a c 干涉仪的滤波特性和实验结果。此类滤波器具有高的边模抑制 比，入射光偏振无关，反射和透射光谱易于调节等特点，被广泛应用于光纤通信 和光纤激光器等领域。合理调整高双折射光纤s a g n a c 干涉仪中器件参数，可以灵 活改变输出的反射和透射光谱，这一特性可以用来对e d f a 的增益谱进行平坦化。 3 、 光纤环谐振腔s a g n a c 环滤波器l z 邺2 j 这种结构是将光纤环型谐振腔放入s a g n a c 环内，构成另一种光纤环形腔滤波 器，此类滤波器滤波特性的调制也比较方便，类似于f a b r y - p e r o t 干涉仪的滤波特 性，结构简单，调制方便，具有较高的分辨能力，已经被广泛应用于光纤激光器 和光纤传感技术以及光纤测量技术等方面。在国外很早就人从事这方面的工作， r j m e a t s 等人对掺铒光纤环形腔的光谱特性进行研究，揭示了掺铒光纤的增益作 用可以补偿环形腔的损耗，最终使环形腔处于高精度状态。y h c h e w 和t j e n g t h i a n gt j h u n g 等人设计两个定向耦合器和掺铒光纤做成简单的环形腔，在s a g n a c 环内形成一个谐振腔，通过调节环内耦合器的耦合比可以在一定的范围内改变有 源光纤环形腔的精细度，由此来达到控制滤波器工作状态的目的。目前这种光纤 s a g n a c 环型谐振腔也已经在光纤激光器和光纤放大器以及光纤色散补偿等方面。 1 3论文主要工作及结构 本文以当前多波长光梳状滤波技术为背景，结合国内外当前的研究现状，主 要以高双折射光纤s a g n a c 干涉仪为研究对象，对单段和多段高双折射光纤s a g n a c 干涉仪以及基于高双折射光纤s a g n a c 干涉仪的可调谐光梳状滤波器进行了理论分 析与研究。本文的研究内容主要分为以下几个部分： l 、 首先在深入分析了国内外对光梳状滤波器的应用和研究现状的基础上， 全面详细的分析了高双折射光纤s a g n a c 干涉仪的研究现状和发展前景。作为一种 多波长梳状光滤波器，高双折射光纤s a g n a c 干涉仪具有入射光偏振无光、反射透 射光易于调节、结构简单、性能稳定等优点，明确了对基于高双折射光纤s a g n a c 干涉型可调谐滤波器研究的意义。 6 2 、 利用j o n e s 矩阵理论对基本的单段高双折射光纤s a g n a c 干涉仪的传输函 数作了深入的理论推导，得出单段高双折射光纤s a g n a e 干涉仪反射和透射函数的 详细解析解，通过数值仿真分析它的反射和透射光谱特性，讨论分析光纤耦合器、 偏振控制器、高双折射光纤长度及折射率差对高双折射光纤s a g n a c 干涉仪反射和 透射滤波特性的影响。 3 、在对单段高双折射光纤s a g n a e 干涉仪的理论研究的基础上，对两类不同 结构的多段高双折射光纤s a g n a c 干涉仪的传输函数进行理论分析，对二阶、三阶 的h b fs o l c - s a g n a c 干涉仪和l y o t s a g n a e 干涉仪传输函数进行详细推导和数值仿 真，并对它们的输出光谱特性进行理论分析，比较其结构的优越性。 4 、通过分析耦合器、偏振控制器及高双折射光纤参数对滤波器输出特性的影 响，研究高双折射光纤相位调谐技术，设计一种基于高双折射光纤s a g n a c 干涉仪 的可调谐滤波器，通过电压对p z t 管膨胀位移控制来对高双折射光纤的光波相位 进行调谐，最终实现基于高双折射光纤s a g n a c 干涉仪的可调谐梳状滤波器的波长 调谐目的。 5 、设计两种由高双折射光纤s a g n a c 环滤波器构成的组合型滤波器，通过在较 小范围内对每个可调谐的高双折射光纤s a g n a c 环滤波器中心波长的调谐，实现基 于高双折射光纤s a g n a e 环的组合型大范围可调谐带通滤波器的波长调谐目的。 7 2 高双折射光纤s a g n a c 干涉仪基本理论 高双折射光纤s a g n a c 干涉仪具有窄线宽、入射光偏振无关、反射及透射光谱 易于调节、滤波性能稳定等优点，因此被广泛应用于光纤激光器、光纤传感技术 等领域，成为d w d m 系统的重要器件。本章将根据j o n e s 矩阵理论，对基本的单 段高双折射光纤s a g n a c 干涉仪的传输函数进行详细的理论推导，得出单段高双折 射光纤s a g n a c 干涉仪反射和透射函数的具体解析解，通过数值仿真分析讨论光纤 耦合器、偏振控制器、高双折射光纤长度及折射率差对高双折射光纤s a g n a c 干涉 仪反射和透射滤波特性的影响。 2 1 光纤s a g n a c 干涉仪基本结构 s a g n a c 效应是由法国物理学家g s a 朗a c 在1 9 1 3 年首次提出并得到实验证明 的，并且在此基础上设计出了s a g n a c 干涉仪【3 3 】。最初s a g n a c 干涉仪是由一个分光 束器和三个反射镜构成闭合回路，形成两束反向传输的相干光，相干叠加后经反 射镜反射输出。随着光纤技术的发展以及光器件的出现，科学家们将光纤器件运 用到s a g n a c 干涉仪中，制成了光纤s a g n a e 干涉仪。光纤s a g n a c 干涉仪的基本结 构如图2 1 所示： + 一 耦合器 反射光 图2 1 全光纤s a g n a c 干涉仪 f i g 2 1a l l f i b e rs a g n a ci n t e r f e r o m e t e r 光纤耦合器的两个输出端1 2 1 连接在一起形成闭环，入射光从s a g n a c 干涉仪的 一个端口输入，经过耦合器后分成两束相干光，分别沿顺时针和逆时针方向传输， 它们经过坏路的传播后返回耦合器，相干叠加后再从耦合器输入侧的两个端口分 别输出，反向传输两束光的相位差决定了反射光和透射光的强度。 2 2 高双折射光纤s a g n a c 干涉仪基本元件的j o n e s 矩阵 j o n e s 矩阵理论是1 9 4 1 年r c l a r kj o n e s 发明的一种用于描述光的偏振态以及 光波经过光学器件后偏振态变化的数学方法【3 4 1 。根据这种数学方法，任何一种偏 振态都可以表示为一个2 元素的j o n e s 列向量，而任何一种光学器件对光偏振态的 改变则可以用一个2 x 2 的j o n e s 矩阵来表示。对于一个由多个光学元件构成的传 输系统，首先可以看作是多个光学元件的级联，整个传输系统的j o n e s 矩阵则可以 由各个光学元件的j o n e s 矩阵依次线性相乘得到。j o n e s 矩阵理论是唯一可以处理 瞬间电场的数学方法，这种方法目前多用于相干光源的信号传输。 2 2 1偏振光的j o n e s 矩阵分析 所谓偏振光，就是指光矢量的方向和大小有规则变化的光。由麦克斯韦电磁 理论可知光波也是一种电磁波，光波的传输可以用光的电场变化来表示。在空间 直角坐标系中，对于一束沿z 轴正方向传播的任意一种偏振光e 来说，都可以表 示为光矢量分别沿x 轴和y 轴的两个线偏振光的叠加，其电场在x 轴和y 轴上的 分量均是电场的瞬时标量形式【3 5 】： e ，= e oc o s0c o s ( c o t 一舷) e ，= e os i n 秒c o s ( c o t 一乜+ a c p ) ( 2 1 a ) ( 2 1 b ) 其中口是电场与x 轴的夹角，妒是电场x 轴与y 轴分量之间的相位差，不同的口和 a c p 可以确定不同的偏振态。 光场e 沿z 轴正方向传播时其场分布形式不变，所以在研究光波传播时，通 常会忽略电场分量中的时间相位因子，将电场的两个分量写成一个列向量的形式， 就构成了光场的j o n e s 矢量矩阵： e = 鼢暖拳却， 仁2 ， 一般情况下我们更关，t l , 矢量幅度和相位的相对变化，因此还可以忽略共同的相位 因子，对j o n e s 矩阵进一步归一化。除了个别特例外，j o n e s 矢量仅用于表示完全 偏振光的偏振态。 2 2 2相关光学器件的j o n e s 矩阵表示 9 在j o n e s 矩阵光学中，r c l a r kj o n e s 认为任何一种光学器件对光偏振态的改 变都可以用一个2 2 的j o n e s 矩阵来表示。当入射光经过光学器件后，透射光或 反射光的偏振态将发生改变，入射光与出射光的关系用j o n e s 矩阵形式来表示： = 眨烈盼侄) 亿3 ， 其中_ ，是一个2 x 2 的矩阵，也就是这种光学器件的j o n e s 矩阵，用来描述它对光 的偏振态的变换作用。在不考虑光学器件的非线性效应和法拉第旋转效应时，光 学器件j o n e s 矩阵中的元素只跟器件本身的参数有关。 l 、偏振旋转器的j o n e s 矩阵 偏振旋转器是改变输入光偏振状态的重要器件，我们常用的偏振控制器就是 一种偏振旋转器件。 sji 。 f 、 、， 、 ， 、 z 、 ，气龟二、 、 一 ，、 ， 、 ，、 、 ，、 、 图2 2 方位角度为口的高双折射光纤 f i g 2 2h i g h - b i r e f r i n g e n c ef i b e rw i t ha z i m u t ha n g l eo f0 如图2 2 所示，当一束单色偏振光入射到偏振旋转器后，光场在偏振状态不变的情 况下偏振方向逆时针旋转了p ，偏振旋转器前后光学元件的坐标系不同，这里我们 设入射光的两个偏振态由j o n e s 矩阵矢量描述： ，e ，、 肚【云j 仁4 ) 其中e x 和e 。是在固定的实验坐标轴下x 轴和y 轴上的光场矢量分量，偏振旋转后 的坐标系分解为f 轴和s 轴，在这里x 轴和f 轴的夹角为秒，入射光场在经过偏振 旋转器后，两个偏振分量分别沿f 轴和s 轴向前传播。我们可以将光场分解为在f 轴和s 轴上的线性组合，通过一个坐标变换来实现： l o ( 乏) = l c o s s 洫8 ps i n s 8 臼八 ( 髟e x = 尺c 秒，( 象) c 2 5 ， 所以偏振旋转器的j o n e s 矩阵就是尺( 秒) ，也称坐标旋转矩阵： 即，篓0 黝 亿6 ， 2 、单模光纤2 2 耦合器的j o n e s 矩阵 光纤耦合器是一种定向耦合器，在实验中使用较多的是2 2 光纤耦合器，其 结构如图2 3 所示，它的功能是将入射光场分成相干的两部分，光从输入端口入射， 直接耦合进两个输出端口，这样的耦合器可以起到光分束器的作用，其分光比依 赖于耦合器的交叉功率耦合比七。单模光纤2 x 2 耦合器具有相同的纤芯，属于对 称耦合器，它的直通臂和交叉臂的功率耦合具有对称性和互补性。 图2 3 单模光纤2 2 耦合器 f i g 2 3s i n g l e - m o d ef i b e r2 x 2c o u p l e r 根据耦合模理论可以得出对称耦合器的j o n e s 矩阵形式： ( 再忑i 瓜、 小【，4 i 意j q - ) 其中k 是耦合器的交叉功率耦合比，传输矩阵以的行列式为l ，这对应的是无损耗 的耦合器。普通单模光纤耦合器一般不具有保偏作用，但是在单模光纤较短的情 况下，可以忽略单模光纤耦合器对光波偏振态的影响。 3 、高双折射光纤的j o n e s 矩阵 光纤在加工制作或使用过程中，由于内部应力分布不均匀就会产生双折射现 象，双折射现象是指光波的波失k 与光场的偏振方向有关的现象。为了避免随机 双折射改变光纤中光的偏振方向，在应用中通常是在光纤中人为地引入高双折射， 以降低随机双折射对光偏振方向的影响，这种光纤被称为高双折射光纤。 考虑理想情况下高双折射光纤是没有扭转和弯曲的。假定光纤是线性双折射 的，也就是说光纤具有两个折射率主轴，在不考虑非线性效应时，线性偏振光沿 着两个主轴传播时能保持其偏振态不变。 我们将高双折射光纤的两个传输主轴分别称为快轴( f 轴) 和慢轴( s 轴) ，光波在 高双折射光纤中传播时，光场分解为快轴和慢轴上的两个分量，在这两个分量上 的偏振方向始终沿着快轴和慢轴，但光波的传播速度是不一样的，也就是说在高 双折射光纤中，不同偏振态的光在传播相同的距离所获得的相位延迟不同。理想 情况下高双折射光纤的传输特性可以用j o n e s 矩阵形式表示： ，= e j2力slt-0to- j 2 m i j l 2 ) ( 2 8 ) 其中。和毽分别表示高双折射光纤快轴和慢轴上的等效折射率，三为高双折射光 纤的长度，允是入射光的波长。，l = i 一i 表示高双折射光纤快慢轴之间的等效 折射率差，缈= 酬名为光的不同偏振态在快慢轴上传播相同距离产生的相位差， 令口= 万( 以，+ 他) 允， 则，有可以表示为： ，= p 一，口( 三一7 p0 伊 c 2 9 ， 我们在研究高双折射光纤时，只考虑光纤长度和折射率差对传输系统的影响，而 上式中的共同相位因子e - t + a 对系统特性没有影响，因此可以忽略，这样高双折射光 纤的j o n e s 矩阵就可以变得更为简单： ，= f 二 亿 对于高双折射光纤，习惯上用拍长来表征它的模双折射，拍长定义为： k = 凡曲( 2 1 1 ) 其中厶= 1 5 5 0 n m ，拍长有明确的物理意义，即两个线偏振光合成的光经过一个拍 长后，偏振态将出现周期性的重复。一般高双折射光纤的拍长为l m m 1 0 m m 。 2 3高双折射光纤s a g n a c 干涉仪的j o n e s 矩阵理论 基本的高双折射光纤s a g n a c 干涉仪结构如图2 4 所示，它由一个低损耗耦合 器、一个偏振控制器和一段高双折射光纤经由普通单模光纤连接组成。 入射光从端口l 进入，通过耦合器后被分成两束，将其中沿顺时针方向传播 的光称为正向波，沿逆时针方向传播的光称为反向波，两束光沿相反路径通过坏 路，返回耦合器后相干输出，从端口1 输出的光称为反射光，从端口2 处出射的 光称为透射光p 6 j 。 高 双 折 射 光 纤 图2 4 单段高双折射光纤s a g n a c 干涉仪 f i g 2 4s i n g l e s e c t i o nh i g h - b i r e f d n g e n c ef i b e rs a g n a ci n t e r f e r o m e t e r 忽略光纤损