（电磁场与微波技术专业论文）偏振态对全光纤mzi对比度的影响.pdf

电子科技人。学硕十论文 摘要 皋丁jm z i 的全光纤滤波器已广泛用于d w d m 的复用解复用，近几年为 殳现5 0 g h z 或更窄间隔的密集波分系统而提卅的群组滤波器i n t e r l e a v e r ，更 为具有梳状波谱特性的m z t 滤波器提供了理想的应用空问。 传统m z i 器件由于光纤卜涉臂中偏振念极不稳定，容易受到环境温度、 压力、振动等影响，其干涉对比度一般较低，严重阻碍了其应用。 本文对影响偏振态的诸因素，包括光纤双折射、偏振模耦合、耦合器偏 振效应进行理论分析，考察它们对偏振念的不同影响。探讨了任意偏振态f m z l 的输出特性，着重从理论和实验两方面研究了干涉臂偏振态对m z i 输出 对比度的影响，以探索提高并稳定m z i 输出对比度的技术措施。 通过大量实验，最终通过两利，不同方式，有效改变了光纤干涉臂的偏振 态，获得了较为理想的实验结果。 另外，本文从数学角度分析了光源谱宽对检波法测量m z i 功率谱的影 响，推导了为保障测量精度光源应满足的谱宽要求，为实验中m z i 的制作提 供r 方向。 全文实验包括四个方面：输入偏振态对全光纤m z i 输出对比度的影响， 干涉臂偏振面旋转对输出对比度的影响，干涉臂对称受压对输出对比度的影 响，光源谱宽对m z i 输出功率谱测量的影响。 实验表明，通过横向施压方案可极大改善全光纤m z i 对干涉臂偏振态一 致性的依赖，从而降低了全光纤m z i 的制作难度。 关键词：m a c h z e h n d e r 干涉仪，l n l e r l e a v e r ，滤波器，偏振 第一章绪论 a b s t r a c t t h ea l l f i b e rf i l t e r sb a s eo i lm z i su s e dt o a p p l i e d a sm u x d e m u xi n d w d ms y s t e m i nt h el a s tf e w y e a r s an o v e l w a v e l e n g t hi n t e r l e v i n g f i l t e r ( i n t e r l e a v e r ) h a sb e e nb r o u g h tf o r w a r dt oa t t a i nt h es y s t e mw i t hc h a n n e ls p a c i n g n om o r et h a n5 0g h z i tt a k em z i si nt h ef o r e g r o u n df o ri t s s i n u s o i ds p e c t r a l r e s p o n s e w i t hai n s t a b l e p o l a r i z a t i o nm o d ei n t h ea r m s ，c l a s s i c a lm z i sh a sal o w c o n t r a s t ，a n di tw a se a s yi n f l u e n c e dw i t ht e m p e r a t u r e ，s t r e s s ，q u i v e r , e ta 1 i tt a k e ad i f f i c u l t yt ou s e i nt h i sp a p e r ，a u t h o ra n a l y z e st h er e s u l to f p o l a r i z a t i o nm o d e a l t e rb yf i b e r b i r e f f i n g e n c e ，p o l a r i z a t i o n m o d ec o u p l i n g ，p o l a r i z a t i o ns e n s i t i v i t yo fc o u p l e r ， w ed i s c u s st h ec h a r a c t e r i s t i co fo u t p u tp o w e rs p e c t r u mo fm z i s ，r e s e a r c ht h e i n f l u e n c eo fm z i o u t p u tc o n t r a s tc a u s e db yt h es t a t e so fp o l a r i z a t i o ni nt h ea r m s o fm z i sf r o mt h e a s p e c t o ft h e o r ya n de x p e r i m e n t a n db r i n g sf o r w a r dt h e t e c h n o l o g yt og e taf i n ea n ds t a b l es p e c t r u mo fm z i s t h r o u g hag r e a tm a n yo f e x p e r i m e n t ，t w od i f f e r e n tw a yh a v eb e e ng e t i tc a ni n f l u e n c et h ep o l a r i z a t i o n m o d eo ft h ea r m so f m z i s ，a n dg e tt h er e s u l t se x p e c t e d 1 a s t l y ，t h e a u t h o r a n a l y z e st h e e f f e c to ft h eb a n d w i d t ho ft h es o u r c ei n m e a s u r eo fm z it r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c u s i n g d e m o d u l a t i o nm o d e t h e b a n d w i d t he n s u r et h ep r e c i s i o no fm e a s u r e i to f f e rt h ed i r e c t i o no f e x e c u t i n g m z iu s e di ne x p e r i m e n t i ti n c l u d ef o u ra s p e c ti ne x p e r i m e n t ：t h ee f f e c to f o u t p u tc o n t r a s tc a u s e db y i n p u tp o l a r i z a t i o nm o d ei na l l f i b e rm z i ；t h ee f f e c to f o u t p u tc o n t r a s tc a u s e db y t u r n i n g o fp o l a r i z a t i o n p l a n e ；v a r i e t y o fo u t p u tc o n t r a s tc a u s e d b y b a l a n c e p r e s s e da tt h ea r m s ；t h eo u t p u ts p e c t r u mo f m z ie f f e c tb ys o u r c eb a n d i ti n d i c a t e sb yt h ee x p e r i m e n tt h a ti tc a ni m p r o v et h ec a p a b i l i t yo ft h ea l l f i b e rm z i st h a td e p e n d so nt h ec o h e r e n c eo ft h ep o l a r i z a t i o nm o d ei nt h ea r m s ，i t m a k e si t e a s yt om a d eaa l lf i b e rm z l w i t hh i g hc h a r a c t e r i s t i c k e y w o r d s ：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 l t e r ，p o l a r i z a t i o n 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 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得电子科技大学或其它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谢意。 签名：盍! 式日期：刎年乙月衫日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位 论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盘鱼：3 导师签名：堇圆查 日期：卫印耷年2 月“日 电f 科技人学硕士论文 第一蠢绪论 自从】9 6 0 年第一台激光器出现以来，应用相 二光源激光作为载频的 光通信就很快发展起来。特别是2 0 世纪7 0 年代以来，随着低损耗的光导纤 维研制成功，光纤通信山起步逐渐走向成熟，系统月趋完善，在通信系统中 占据了越柬越重要的地位。 另一方面，各种通信新! 【l 务的飞速发展对光纤通信网的带宽和容量提 了越来越高的要求，各种新型器件和技术受到广泛的关汀，相关公司和科研 机构都投入人量人力物力，用于新器件的丌发，井努力使其完善和实用化。 11 集成光学器件与全光纤器件 常见光器件可分为薄膜光学器件、晶体光学器件、集成光学器件、全光 纤器件及混合型器件等几大类。其中全光纤器件和集成光学器件都属于波导 型器件，它们各有所长，在光纤通信和光传感技术中占据了同等重要的地位， ，可以说是同步发展的。 集成光学器件具有体积小，偏振态稳定，便于光电集成，町批量生产和 精密加工的优点，因此在光通信终端中有大量应用。但是，当需要与光纤连 接时，集成波导与光纤之间会有较大的耦合损耗( 即附加损耗) ，这主要山f 面因素造成：( 1 ) 光纤与光波导端面的对位偏差：( 2 ) 光纤弓光波导模式失 配；( 3 ) 波导端面的菲涅耳反射。 虽然通过端面镀膜，改变端面形状和耦合连接方式等手段，集成波导和 光纤的耦合效率已大大提高，目前己能达到6 0 以上，但与全光纤器件0 1 d b 以下的连接损耗相比，其附加损耗仍不容忽视。因此，各利；全光纤器件的研 制受到了广泛的重视，并已经取得了长足的进步，形成了规模产业，包括定 向耦合器、星型耦合器、波长滤波器、波分复用器、频移器、调制器、偏振 器、光纤抽头、光”关、放大器和干涉仪等重要通信和传感用器件都有伞光 第一章绪沦 纤产品推出。 熔锥型光纤器件是全光纤器件中最具代表性的一种，同时它也是构成其 它全光纤器件的一种基础器件。经过了二十多年的不断发展和提高，熔融拉 锥1 二艺已经成为一门对光器件的开发举足轻重的技术一一熔融型全光纤器件 技术。熔融光纤器件的研究，开发，e 产已有相当大的规模，特别是在产业 化方面取得了可喜的成绩，全世界目前有超过2 0 家公司声称捌有大规模生产 的能力。到目前为止，它已可以生产各类混合器分路器，衰减器，宽带窄 带密集波分复用器，另外还有基于熔融光纤技术的光凋衰减器，声光”关， 全光纤i n t e r l e a v e r 利频移器等。随着进一步的深入研究，今后熔融器件在减 小器件体积，提高器件的集成度，提高器件可靠性和 ：艺稳定性，提高功率 能力等方面都会有更大的进步。 1 2 全光纤m z f 器件的研究动态 全光纤m z i ( m a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r ，马赫。曾德尔干涉仪) 是用途 广泛的一类熔融型光纤器件，在光纤通信和传感中都有大量应用。随着 i n t e r l e a v e r 的兴起，m z i 器件再次受到广泛关注。 m z i 属于干涉型器件，为获得高干涉对比度，相干的两路光应具有相同 的振幅和偏振态。具体到器件本身，就是要严格控制构成m z l 的耦合器的分 光比，以及使两条光纤干涉臂中的相干光在到达输出端耦台器时其偏振态完 全一致( 目前主要通过连续熔融拉伸两个耦合器来满足这一要求) 。 传统m z i 的波谱特性是j f 弦型的，难以满足现代通信对通带平坦度，信 道隔离度，波谱函数滚降特性等的严格要求。为了提高其性能，人们对m z i 的拓扑结构进行了深入研究，提出各种新型拓扑结构的m z i 器件“1 。 级联是目前研究和应用最多的一种拓扑结构。由于方波可展开为正弦波 的叠加，选择适当参数，级联的m z i 可构造出方波的傅：立叶级数的基波和谐 波项，得到理想的波谱特性。上述方案显然需要很高阶的级联，凶此，实际 电子科技人学硕士沦文 的m z i 器件都对该数学模型作了改进，有的还在干涉臂加入光纤环等谐振器 件，使器件仅通过两三级级联就能获得令人满意的波形。1 “ i t fo p t i c a lt e c h n o g o l i e s 、w a v e s p l i t t e r 等公司都有这类撼于m z l 级联的 波分复用器而世，如w a v e s p l i t t e r 公司推出的f 。ti n t e r l e a v e r 产品实际就是 种两级级联结构的m z i 器件，其解复用波道倒隔为5 0 g h z ，05 d b 带宽达到 了2 2 g t t z ，信道窜音( c h a n n e lc r o s s t a l k ) 为2 2 d b ( 土1 0 g h z ) ，最大可支持 8 0 个信道，器件插损2 d b ，插损一致度在4 - 0 5 d b 内，偏振相关损耗p d l ( p o l a r i z a l i o n d e p e n d e n tl o s s ) 小于0 3 d b 。山于加入温控装置并封装在种 绝热材料中，器件在o 6 5 的温度范围内具有很好的稳定性。o 级联方式虽然能获得很好的效果，但它需要连续拉制多个耦合器，每个 耦合器的分光比都不尽相同且需严格控制，两个耦合器之间的臂长差也有严 格的要求，其工艺难度可想而知。因此，研究者希望通过对单级m z i 加以改 进来获得类似的效粜，例如在干涉臂或输出端加光栅、谐振环，采用反射结 构等”。 另一方面，直接拉制出高精度的臂长差( 为获得准确的中心频率和指定 波道间隔) 几乎是不可能的，因此，一般都需要在拉制完成后对臂长差进行 微调，其方法不外乎改变其中一。臂的光纤长度和改变光纤折射率两种。无论 哪种方法，都会使两臂的偏振态不致，从而影响m z i 的输出特性，使单级 m z l 的干涉对比度降低。使用保偏光纤及保偏光纤耦合器能够解决这一问题， 但复杂的工艺、昂贵的价格以及较大的附加损耗有违使用全光纤器件的初衷。 因此，本文借鉴光纤偏振控制器的设计方法，尝试利用光纤的应力双折 射效应和偏振模耦合原理，通过旋转和挤压光纤等方法来减小偏振态的影响。 1 3 本文主要内容 本文介绍了马赫一曾德尔干涉仪的原理，推导了为获得特定于涉对比度， 耦合器的分光比应满足的条件。详细分析了光纤双折刺效应、偏振模耦合和 第一章绪论 耦合器的偏振效应对m z i 输出功率谱的影响。 为了减小偏振态对单级m z i _ t 涉对比度的影响，在实验中设计了简单的 旋转和挤压机构，刈旋转和应力形变下干涉对比度的变化进行了实验研究， 提出一种工艺较为简单廉价的方案，有效改善了单模光纤m z i 剥比度对干涉 臂内光波偏振一致性的依赖。 最后，文章分析了光源谱宽对使用波长扫描加光探测器方式测量m z i 输出功率谱的影响，并进行了实验验证。 4 电子科技人学硕十论文 第二章m z 干涉仪原理及应用 本章介绍了m z i 的原理和制作方法，推导r 为获得2 0 d b 以卜干涉对比 度，构成m z l 的祸合器应满足的分光比范围，并用m a t h c a d 绘制出这范 围。 对m z i 的应用本章也作了较详细的介绍，并荤点介绍了m z i 器件良波 分复用技术中的应用。 21 m z 干涉仪原理 马赫曾德干涉仪( m z i ) 的典型结构虫图21 所示，它是由两个2 2 耦合器c 1 、c 2 级联而成，上卜两臂几何长度相差a 【。 剧2r 1m z r 涉仪原理 假设所用的两根光纤是相同的理想光纤( 介质及其边界轴对称且轴向不 变) ，其传播常数为1 3 ，耦合器c l 、c 2 输出分光比分别为圆。( a ) 、啦2 ( a ) 。若 光束从端口l 进入器件，则耦合器c l 的输出电场振幅岛，岛满足： 1 5 e ：j 2 = q i2 似)，a 为工作波长。 不考虑耦合器偏振效应，定向耦合器的传输矩阵：勾：1 由几何长度差4 所导致的干涉仪上下两臂相位差为 5 ( 2 1 ) 亭盯事鬲 第一草m z 干涉仪原理及、v 川 函：兰堑：t ( 2 - 2 2 - 2 ) 函= 二二= 足上 ( 儿 z 7 c 胛r 其巾k = _ 生，为光纤有效折射率。 从j f i j 曲臂的传输斑眸口j 与为： m 。= m 。，e x p ( j ) = 。9 孑7 e x p ( j b ) ( 2 3 ) 其中一魈，为长度引起的相移。由于只关心两输出端口的场振幅 长度，引起的公共相移因子可略去。 于是m z i 的输出场为： = m t ， 其中m = m ( 2 - m dm 一 e 3 “一 o i 。c ! e 3 “j 一1 一而丽k “巾。 当光功率仅由端口1 输入时，耦合器c 2 的归一化输出功率为 p ，= fe ，l 2 = 1 + 口12 a22 2 口】口2c o s ( k a l ) a p 。= je 。f2 = 一 ( 1 + 口i2 ) ( 1 + 甜22 ) 2 + a 22 + 2 a l 口2c o s ( k a l ) ( 1 + 口l2 ) ( 1 + d22 ) ( 2 - 6 a ) ( 2 6 b ) 若波长 = 。时，膏= 2 n 丌，( n = 0 ，i ，2 ，- ) ，b 口c o s ( 丘) = i 则输出端3 功率取得极小值 只 ： ! ! 二兰l 竺! ! ：( 2 7 a ) 。3 哪一( 1 + 口12 ) ( 1 + d22 ) “7 同时输出端4 功率取得极大值 p + ： ! ! ! ：竺! ! ：( 2 - 7 b ) 1 “”“( 1 + c t i - ) ( 1 + 口22 ) 6 )52( _ll d ” p 州 一 +w d ，一 口 电子科技火宁帧十论又 若波氏2 = 。日j ，k l = ( 2 n + 1 ) 7 c ，( n = 0 ，l ，2 ，) ，即c o s ( k al ) = 1 ， 则输m 端3 功率取得极大值 凡：坠兰型二 ( 2 8 a ) 屯、一再孑而 “ 同时输出端4 功率耿得极大值 n = 竖：生 ( 2 - 8 b ) 。 ( 1 + 口2 ) ( 1 + “，2 ) 若a 、2 ：分别对应同。输出端上相邻两个极大和极小值，即 t ( 卜t ( 五：) l = z n ”彬百1 一古| = 壶 c z _ 9 ) 将频率，= c 以( 其中，c 为光速) 代入上式，有 厂= i ，1尼= c ( 2 n 。y a ) 即，对于固定的臂长差，同一输出臂的极大值和极小值是以等频率 间隔交替出现的。 在光通信中，习惯以波长间隔来描述信道，为此，可将k ( ) 按泰勒级数 展丌，有 卉( 儿) 一膏( 。) + ( d , d 2 )l ，( 丑，一- ) + 若a l ，忽略高阶项，即有 五i 五一 zi 2 j j j 弋蒜 其中嘉= 丢 孥愕鲁一孚 通常色散d 行。d 2 很小而可忽略不计，有： 12 五。二! 生一 ( 2 10 ) 2 n 。q l 即i l j 近似认为，极大值和极小值是等波长间隔的。 7 第二章m z 干涉仪原理及应f | = | j ( a ) d 二= 2 一i p 3 ( 九j p 4 ( 九) 九( m 1 ( b ) a j2 2 ，a ：2 = 07 图2 - 2 m z i 的输出波谱特性 图2 - 2 为p 1 2 1 ，p 2 = 0 ，”矿1 4 6 5 ，= 1 0 2 m m 时的输出波嘴特性。 由式( 2 - 6 ) 知，p 3 的功率谱线以( 1 + 旺，2 2 2 ) e ( 1 + ! ) ( 1 + d 。：) 为中，b 卜下起伏，p 4 的功率谱线则以( 0 c 2 + ，2 ) ( 1 + d 。) ( 1 + 0 l ：2 ) 为巾心上f 起伏， 只有当q 一。= l 或o 【z 2 = l 时，乃，j d 。的功率谱线中心才会重合，等于p 2 。 功率谱曲线上相邻波峰波谷的功率比即为干涉对比度，在通信系统中， 若波峰、波谷对应波长刚好为两个不同信道的中心波长，该比值即为信道隔 离度。出式( 27 ) 、( 2 - 8 ) ，有 案划k j 等，薏= 2 0 l o g 旧o q 鸣+ a = f ( 2 - 1 1 ) 营 冀 翟 是 _ ( a ) l 一07 ，0 8 5 ，1o ，12 ，15 时 ( b ) o i2 = 上，1 0 ，上，上制 0708 5 12l5 端u3 的十涉对比度 端u4 的十涉对比度 i 型2 - - 3 分光比对十涉对比度的影响 8 电子科技人学顶二【论文 图23 为十涉对比度与分光比的对应关系。由式( 2 - j 1 ) 可知，吼、旺! 划干涉对比度的影响是完全对等的，若c ! 取固定值，则a ，与干二涉对比度有与 图2 3 栩同的对应关系。 容易推导出，要使端【i3 和端口4 的 干涉对比度同时大t2 0 d b ，耦合器c 1 、c 2 的分光比应挎制在式( 2 12 ) 所捕述区域 内，如图24 所示。当其中一 耦合器的 分此比大于1 5 或小于0 6 7 时，无论如何 调整另一只耦合器的分光比，端 j3 和端 v 1 4 的消光比都：，i 卜可能同时达到2 0 d b 以 卜。 f 志细! 孚r 啊细! 了l 1 9 2 , r “1 2 - _ ，一1 1 孑2 ， 值产 图2 - 4 输出十涉对比度人于2 0 d b 时，“一n ：心满足的变化范闱 m z i 器件既可以是全光纤的，也可由集成光波导构成，甚至可以山离散 的透镜和反射镜构成。“”“” 集成波导m z i 器件目前大多是在硅基片 = 使用蒸发、光刻或离子交换技 术形成介质波导而制得。由于集成波导耦合器分光比易控制，且波导偏振态 稳定，一般器件隔离度较高( 2 0 4 5 d b ) 。另一方面，利用集成波导的热光 效应或电光效应改变m z i 臂氏差，还可以实现可调滤波，同时也可进行批量 生产。其缺点是输入、输出光纤连接的附加损耗较大，稳定性差。 令光纤m z i 的光纤自身损耗极低，且与光纤系统兼容，不会带来附加损 耗，加之工艺简单、成本低，适于批量生产等优越性而成为研究的热点。但 山于光纤中偏振态极不稳定，单级m z i 构成的滤波器隔离度较低，一般小j 二 2 0 d b ，同时，干涉臂臂长差难以精确控制，这些因数极大限制了伞光纤m z i 的进一步应用。1 9 丁 图2 7 输出功率和相位随温度的变化 ( 实线；l = 2 0 8 m 点线：l = 2 0 8 0um ，虚线：= j 0 4 0pm ) m z i 滤波器对外界扰动的灵敏性使设计可调谐的波分复用器成为可能。 5 j - 一方面，由于器件制作过程很难精确控制臂长差，通常在器件制作完成后 需对略加调整。采用紫外激光照射局部干涉臂，永久性地改变局部光纤 的折射率，可很好地修正7 l 。另外，也可以将其中一支干涉臂绕在压电陶 瓷( p z t ) 上，利用p z t 的伸缩特性改变臂长差，方便地对中心波长、复用| b j 隔进行微调，通过负反馈电路调节控制电压还能使m z i 具有较高的温度稳定 性。”另外，聚合物压电效应”和半导体帕尔贴效应也可用于相位调制。 2 3m z 干涉仪的应用 由于m z i 的输出波谱随变化，原则上，无论何种物理量，只要能 改变光纤中光波相位，都可用基于m z i 的传感器加以测量。同时，山于干涉 型光纤传感器具有极高的灵敏度，并可工作在高温、潮湿、强电磁干扰等恶 劣环境中，从而使m z 干涉仪在传感和测量领域得到广泛的应用，基于m z t 的光纤水听器、磁场计、电流计、结构感应计、测距仪等都有大量报道。”1 1 2 电子科技大学硕士论文 使用m z i 对距离或位移进行测量，就是将距离或位移反映为干涉臂的光 程差，然后对干涉条纹计数，通过条纹细分或相位估计技术，测量精度可达 兄1 0 五1 0 0 。 由全光纤m z 干涉仪构成的任意反射面速度干涉系统( v r s a r ) ，具有对 光源相干长度要求低、系统调整方便、空间相干性好的优点，是一种先进的 速度干涉仪，已用于实际测量中。” 光纤干涉仪的灵敏度与传感光纤的长度成正比。在一般的全光纤m z i 传感器中，干涉臂越长，输出功率谱受外界环境的影响也越大，其结果是加 剧光纤干涉仪传感信号由于相位漂移和光波偏振态变化引起的衰落。前者可 以通过各种检测方式加以消除，后者则需通过保偏光纤技术或消偏振衰落和 偏振控制技术加以改善。分集检测、偏振调制等技术先后被用于消偏振衰落， 并成为m z i 应用研究的重要课题。”。”1 。 在光通信中，利用电光效应( 如p o c k e l 效应) 或热光效应等对m z l 干 涉臂的相移差进行调制，可方便的获得电光调制器或热光调制器。“3 。删另外， 利用压电效应也可以实现宽带射频调制。” 另一方面，通过控制干涉臂的相移差，可使特定波长的光波有选择地从 m z i 两个输出端的其中一个输出，从而构成光开关或波长路由器o ”“圳。在 m z i 两臂加入非线性移相器。如半导体光放大器( s o a ) ，如图2 - 8 。输入 耦合器采用不等分耦合器，耦合比为x ( 卜曲，使干涉仪两臂的分配功率不 等，从而引起非线性相移差异加。它与线性相移差a 吮一起，决定了输出 功率。选择适当的a 办。和aa ，可使两个端口的输入信号( 采用入口分时协 议的同波长信号) 绝大部分都传送到其中一个输出端口。通过这种方法，合成 器损耗仅0 7 d b ，避免了无源光学合成器固有的3 d b 损耗。“”类似的，利用 x j ( 1 x 】脶合蔷罄瞄d j ，0 j l 冕 器 a j n l t e f 一乡匠飞幸 毫同畛 图2 - 8 m z i 合路器图2 - 9 m z ) 波长变换器 第二章m z 干涉仪原理及应用 r o l l i 非线性移相器，也可以用m z i 构成波长变换器，如图2 9 。“” 利用m z i 的梳状波谱特性，可由普通的l d 光源获得一组等发射功率、 等信道问隔、等带宽且带宽可调、通道数可调的理想多通道d w d m 光源。 整个组件仅用光纤熔接工艺即可完成，因此具有制作方法简单、成本低等特 点。4 2 1 m z i 的梳状波谱特性同时也使它成为制作滤波器和波分复用器的理想器 件，这也是它在光通信中最常见、最重要的应用之一。 2 4 波分复用与i n t e r e a v e r 光纤信道具有极宽的带宽，为充分利用信道容量，目前最有效直接的方 法首推光波分复用技术。它只需在信道中加入复用解复用( m u x d e m u x ) 器 件，就可使信道容量成倍甚至几十倍增加，而不必更新终端设备，同时还有 兼容不同信号调制制式等优点。在光波分复用系统中，高质量的复用解复用 器是关键技术之一，它要求中心波长稳定性高、通带平坦、对其他通道的高 抑制能力，陡峭的滚降特性等。 目前波分复用器的形式有许多种类，如有源的和无源的，波长选择和非 波长选择的( 如偏振选择等) ，其中最简单和常见的形式是无源光波分复用器， 包括角度色散器件、阵列波导光栅( a w g ) 、光纤光栅( f b g ) 和各种干涉 型滤波器件。光栅滤波器技术较为成熟，是目前使用较多的一种。但是，这 种滤波器复用解复用波长间隔较大，插入损耗也较大。另一种使用较多的器 件是角度色散器件，它利用棱镜或光栅的角度色散特性将不同波长的光投射 到安放在不同位置的光纤端面上去。其优点是结构紧凑，并可应用于数量很 大的多路信道，但是由于单模光纤芯径很细，所以不易获得足够的波长带宽， 附加损耗也很大( 一般在4 d b 以上) ，且价格昂贵。 光纤型复用解复用器一直倍受关注。这类滤波器具有结构简单，中心波 长和波长间隔较易调节等特点。其中熔锥型全光纤波分复用器利用两种不同 波长的光波在两根光纤的熔锥中传播时具有不同的传播常数口，当和 熔锥耦合区长度的乘积正好等于兀即可实现波长分离。这种熔锥型波分复用 1 4 电子科技大学硕士论文 器的优点是附加损耗小( 0 5 d b 以下) ，缺点是分离波长间隔不能很窄。目前 不少商用1 3 1 0 n m 1 5 5 0 n m 波分复用器就采用这种类型。虽然超长熔锥区的这 类器件的波长复用间隔可以做得稍窄，但此时光纤熔锥的腰区直径非常细， 使得本来就很脆弱的熔锥区更易折断；另一方面，由于腰区太细，抗振性也 非常差，使得复用波长很不稳定而很难实际应用。 m z i 具有梳状波谱特性，通过将波长间隔成2 “倍的m z i 级联，即可方 便的构成复用解复用器，“如图2 1 0 所示。另外，使用多干涉臂m z i 也可 直接实现多路复用解复用器”“，如图2 1 l 。 由于利用了光的相位干涉，m z i 器件可提供非常窄的频率间隔( 1 9 8 8 年， i n o u e 等人曾采用集成光波导m z 干涉仪制成了带宽为5 g h z ，即复用波长间 隔0 0 4 n m 的频分复用器) ，完全可以满足密集型波分复用的要求。事实上， 采用光纤m z 干涉仪作为波分复用器时，其复用波长的间隔仅仅取决于两条 干涉臂之间的长度差，即复用波长间隔可以做到任意小。 事实上，当复用间隔很小时，使用传统复用解复用器件将十分困难。 i 图2 - 1 0 m z i 级联8 波分复用器 、厂 - 些! 谊长间隔4 k l 5 入i 入t 入2 ) 、6 x d h b khkh 图2 - 1 i 3 干涉臂m z i 波分复用器图2 1 2 i n t e r l e a v e r 用于8 波分复用系统 1 5 第二章m z 干涉仪原理及应用 为了实现5 0 g h z 频率间隔( 在1 5 5 um 波段对应0 4 n m 波长间隔) 的波分复 用系统，同时避免器件技术的过分复杂和过高成本，2 0 0 0 年3 月的o f c 展览 上，多家公司纷纷提出一种群组滤波器，c h r o u m 公司称之为s 1 i c e r ， w a v e s p i t t e r ，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 ( 般译为波长交 错滤波器或波长交错复用器) 。如图2 - 1 2 ，它将等波长间隔的信道 t = 九+ i a ( i = 0 ，l ，2 ，3 ，) 奇偶交错分为九= o + 1 1 1 2 ( m = 2i - - l ，f = 1 ，2 ，3 ，) 和九= 凡+ n a ( n = 2i ，f = 0 ，l ，2 ，3 ，) 两路，从而使每路 输出波长间隔增加到原来的两倍，大大减小了后续滤波器的设计制作难度， 降低了整个系统的成本。同时，使用i n t e r l e a v e r 技术，还有利于多通道系 统( 如3 2 通道以上) 获得均匀的通道插损。 m z i 具有梳状波谱特性，因而是实现i n t e r l e a v e r 的理想器件。但是， 单级m z i 的输出功率谱函数为正弦波型，如图2 - 1 3 ( a ) ，其通带宽度及上升 下降沿都很不理想，矩形系数还远远满足不了多通道选择的要求。为此人们 进行了大量研究，提出了一些新型的网络结构，如通过多级级联、反射、插 入光纤光栅或谐振环等手段，使波谱特性有了极大改善。 ( a ) 单级理想m z i 的波谱特性( i - a 。= 1 ) 归比瓤事 点垅r o 5 。赛城，- n7 意捌蛾r o ( b ) 三级m z i 级联加谐振环的输出波谱 图2 一1 3 级联对m z i 输出波谱特性的改善 采用级联结构改善波谱特性有两种方式，一是使级联各m z i 臂长差取特 定分布，而构成m z i 的耦合器应有足够带宽“；二是使用固定臂长差的m z i 级联，而使构成m z i 的各耦合器腰区长度取特定分布“”。 图2 1 4 为多个3 d b 耦合器级联构成的m z i 型i n t e r l e a v e r ，各耦合器 1 6 一 一 一 一 雷章 电子科技大学硕士论文 耦合长度按二项分布，同时在参考臂中引入环形谐振腔。当谐振频率为滤波 器频域周期的一半，谐振点位于石4 ，耦合系数取0 8 o 9 时，只通 过三级m z i 级联，就获得了如图2 1 3 ( b ) 的较理想的滤波特性。“3 图2 - 1 4 级联对m z i 输出波谱特性的改善 p l p l m z i 级联虽然可以取得很好的效果，但由于需要精确控制耦合器分光比 和臂长差( 或耦合腰区长度) ，同时为保证偏振一致性，各耦合器应出两根光 纤无接续连续拉制而成，因此工艺难度相当高，目前只有即少数公司能提供 此类产品。相对而言，通过改进单级m z i 来提高输出波谱的矩形系数似乎更 具实用价值，例如在耦合臂插入光纤光栅“、谐振环“”等，不过这些结构的 隔离度一般不可能作得很高，一般在2 0 d b 以内。 由于波长复用器对隔离度的要求较低，普通单级m z i 也是可以直接胜任 的。当普通单级m z i 用作波长分路器时，可以简单地在输出端串入光纤光栅 滤波器，即可有效提高信道隔离度，满足系统的要求。不过，当系统信道较 多时，上述方法构成的波分器由于需插入大量不同滤波长度的光纤光栅而显 得过于复杂。使用如图2 一1 5 的反射结构可有效提高单级m z i 的隔离度，但 由于其中一个反射输出端为输入端，不能直接用于输出，该结构一般只用作 梳状滤波器。当用作复用解复用器时，需在输入端串接环形器。“1 不管采用何种结构，提高单级m z i 的对比度都至关重要。如前所述， 图2 - 1 5 不同反射结构的g z i 1 7 ( b ) 第二苹m z 干涉仪原理及应用 m z i 的对比度取决于耦合器的分光比和两条干涉臂中的相干光在进入输出端 耦合器时其偏振态的致性。在当前工艺条件下，单级耦合器的分光比很容 易作到很高精度，而为保证偏振一致性，采用无接续连续熔融拉锥几乎是目 前唯一的办法。( 采用保偏光纤“7 1 和保偏光纤耦合器“”由于工艺难度高，价 格昂贵，与普通单模光纤系统不兼容而难以实用化。) 但是，实际制作中很难避免光纤弯曲，光纤本身的畸变等使偏振态发生 不可预知的变化的因数，特别是为了调整中心波长和波长间隔而使用p z t 等 改变臂长差，插入其它器件改善波谱特性时，两臂的偏振态更可能出现较大 的差异，严重影响m z 器件的干涉对比度。 因此，设计某种机构调整干涉臂的偏振态，使两干涉臂输出偏振一致性 得到改善，对于提高m z 器件干涉对比度，减小制作工艺难度具有重要意义。 1 8 电子科技人学硕十论文 第三章偏振态对全光纤m z i 对比度的影响 本章简要介绍，光波偏振态的数学描述方法，分析了光纤双折劓、偏振 模耦合和耦合器偏振效应对光波偏振态的影响，最后论证了为获得最大干涉 划比度，从m z i 两臂分别到达输出端祸合器的两路光应满足的偏振态关系。 3 1 光的偏振态的数学描述 仟何光波部可以看作是两个同频率振动方向互相垂直的线偏振光的合 成波，即 e = e 。十e = ( e ；，+ e 、4 i 。扣川= ( 臼，已一i 。+ 吼p 诺，j 。) 一州( 3 - 1 ) 其中a x ，q ，文，巧分别为x ，y 向的电场振幅和初相。随着时间变化， 合成电矢量末端将按特定轨迹周期性移动，即表现出特定偏振态。 为确定描述任偏振态，可采用下列不同的数学方法。 3 1 1 用振幅比和相位差表示 两个同频率振动方向互相垂直的线偏振光的实表达式为 b 2 a x c o s ( o ) + d x ) ，e y = 口y c o s ( o ) t + d y ) ( 3 - 2 ) 式中以，a y 为振幅，瓦，圆为初相。设振幅比为t g “( o 癌兀2 ) ，相 位差为函即 t g c r = d ，吼，占= 万，一万；( 0 占 2 丁c )( 3 3 ) 合成光矢量末端的轨迹方程为 g + 呈一2 堡唧s j = s j f i2 j( 3 - 4 ) a 。一a ，a r 打1 上式为椭圆方程。光矢量的末端旋转方向取决于占的取值，如图3 一l ， 当o 万 时，与领先于e ，为左旋椭圆偏振波；当兀 d ( 2 时，、，滞后于 1 9 囫图囵 丌 6 3 尢2 6 = 3 z 2 3 7 1 2 6 2 7 z 剧3 - 】光的偏振态随6 墩值的演变 反，为右旋椭圆偏振波；当j = 2 或3 7 t 2 且有吼= q 时，则为圆偏振光。 当6 = o 或丌时，它蜕化为线偏振光。可见，振幅比t g 和相位差万可以 决定椭圆的形状利旋向，从而确定光的偏振状态。 3 ，1 2 用长轴的方位和椭圆度表示 如图3 - 2 ，取椭圆的长、短轴方向 为座标轴 轴、7 7 轴，f 轴与x 轴的夹 角为y ( o 妒n ) ，有 t 9 2 矿= t 9 2 a c o s 占 2 2 a x q ，c o s6 ( a x 2 - 仉2 ) 两坐标系满足如下关系： f e 。= e fc o s ! f e s i n p ” 【f 。= e fs i n p + e c o s ! u 2 0 图3 - 2 偏振卷的数学描述 ( 35 ) ( 3 - 6 a ) ( ：j 一6 b )黧裟 豳 玑“n “ & kp 弘 茹 臼 甜 少h 有 量姗 式 | 1 q 钆 ”彰孑l一： 扩 十 心 入幺虿， 代 乓 电于科技人学硕十论文 长短轴半径c 记和的比值称为椭圆度，表示为 t g z = f i i 毗( 一冗4 z 丌4 ) ( 3 - 7 ) 上式在e j 初相领先于e 时取正号，反之取负号，即当o z n 4 时为 右旋椭剧极化波，当一, r 4 z o 时为左旋椭圆极化波，x = o 则表示线极化。 z 也被称为旋向参数。 利用椭圆f ：之轴的方位孵口椭圆度l g z 也能唯一描述光的偏振状态。 容易捧导出： 口n ! + 让= m ：+ 仉： s ln 2 z = s ln 2 g s in 占 31 3 邦加球表示法 l9 5 2 年，斯托克斯( s t o c k s ) 引 入一纽参量s ，s ，s ：，s 。( 斯托克斯参 量) 束描述任意偏振态。在( ，n ) 坐标系中，斯托克斯参量可表示为： 。o = 目r + 日，一 ( 3 - l0 a ) 5 j = s oc o s 2 z - c o s 2 y ( 3 10 b ) s 2 = 5 0c o s 2 zs i n 2 y ( 3 1 0 c ) 屯= 5 0s i n 2 x ( 3 10 d ) ( 3 - 8 ) ( 3 9 ) 厂 蠹 f ，一一i 懈 篓兰1 一 必 ) x 图3 - 3 偏振态的邦力球表示 y 其中s ”2 = s ，2 + s z 2 + s ：，2 ，它正比于波的强度。s 。s ：，s 。即对应于半径为s 。 的球面上一点的笛卡儿坐标，该球称为邦加( p o i n c a r e ) 球。2 y 表示0 p 与 赤道平面的央角，2 扩表示p 点在赤道丽上的投影与x 轴的夹角，赤道上的 点对应于线偏振光，x 轴与赤道的交点a ( 2 z = 0 ，2 二= 0 ) 表示x 轴方向振 动的线偏振光，另一交点( 2 z = 0 ，2y = ) 表示y 轴方向振动的线偏振光。 上半球的点对应于右旋椭圆偏振光，f 半球的点对应于左旋椭圆偏振光，越 近两极，椭圆度越接近l ，两极( z 轴于球面的交点) 对应于圆偏振光。 2 1 第二章偏振态对全光纤m z i 对比度的影响 314 邦加球的平面表示法一史密斯圆图 由丁邦加球的三维作图不太方 便，所以经常采用它住x o v 面上的投 影米等效邦加球，这平面图叫做史 密斯圆图，如图3 - 4 所示。史密斯圆 图是邦加球从上往卜看的投影图，圆 周上的点为线偏振光，其中a 点表示 沿