（光学专业论文）全光纤滤波器件与技术的研究.pdf

摘要 摘要 当今人类社会进入一个前所未有的信息爆炸时代 通信量成几何级数上升 网络快速扩张 逐步提出 智能化 可重构性 网络的要求 目前光纤通信产 业也迅猛发展 其城域网级别以下的网络扩容 基本使用波分复用 w d m 技 术 而滤波器特别是可调谐滤波器是w d m 系统中关键的器件之一 适合用于构 建 智能化 可重构性 的网络 因此 研究高可靠性而低成本的可调谐滤波 器件 对于光通信的实用化实际意义重大 本文首先从光滤波结构的角度分析了几种现行广泛使用的可调谐光滤波器 分别是f a b r y p c r o t 腔 m a c h z e h n d e r 干涉仪和光纤环结构 详细阐述了这几种 光滤波结构的原理 特点 并且对各自器件的性能参数进行了横向比较 分析了 它们的优 缺点以及讨论了它们的实际应用领域 接着从光通信实用化的角度来 展开讨论 除了考虑技术的因素以外 还要综合考虑成本 实际的应用环境以及 其他因素 经过详细的分析以后 本文指出了光纤环结构或许可以应用在粗波分 复用以及可调谐滤波上 值得研究 接下来本文对光纤环的各部分结构原理以及各种调谐滤波原理进行了理论 分析 指出了耦合系数k o 5 是形成滤波的关键因素 同时从理论模拟的角度 分析了定向耦合器不同偏振光相应的耦合系数k 的变化 光纤环路双折射以及 轴向转角的调节对滤波的影响 然后本文开展了光纤环的实验研究 在实验中 利用熔融拉锥机成功制作出 光纤环 并且成功实现了对光纤环滤波强度调谐的控制 在论文中详细介绍了相 应的光纤环的制备方法 光纤环光学特性的测量以及在强度调谐性方面的测量和 研究 相应分析了定向耦合器偏振特性相关k 值变化以及轴向转角的调节对滤 波强度产生的影响 最后本文讨论了进一步研究光纤环的可行性措施 关键词 可调谐光滤波 光纤环结构 琼斯矩阵 耦合理论 强度调谐 a b s 订a c t a b s t r a c t a 1 0 n gw i t hm ef l o u r i s hd e v e l o p m e n to fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n m et e c h n i q u eo f w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u n i p l e x i n g v d m i sw i d e l yu s e di nt h ee x p a n s i o no fm e n e t w o r k e s p e c i a l l yi nt h el e v e lo fm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k t h eo p t i c a lf i l t e ra n d t h et u n a b l eo p t i c a lm t e ra r eo n eo ft h ek e yc o m p o n e n t si nw d m s y s t e m i tm a k e s s e n s et ot h ea p p l i c a t i o no fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nt od ot h er e s e a r c ho nt h ef i e l do f m a n u f a c t u r i n gt h et u n a b l e 叩t i c a lm t e ro f h 培hr e l i a b i l i t ya 1 d1 0 wc o s t s e v e r a lt u n a b l eo p t i c a lf n t e r sm a i n l yu s e di nt h ea p p l i c a t i o na r ep r e s e n t e di nt h e b e g i n n i n go ft h e s i s t h e ya r es o r t e db yt h e i rs t m c m r ea n dc o m p a r e dw i t ht h e i r p r i n c i p l e p e r f b r m a n c ea n da p p l i c a t i o n t h ef i b e rl o o pc o n f i g u r a t i o ni sp o i n t e do u tt o b ev a l u a b l et os t u d m i ti ss t u d i e dd e e p l yo ft h ef i b e rl o o pc o n f i g u r a t i o ni nt h et h e s i s t h e o r yo ne a c h p a no ft h i sc o n f i g u r a t i o na n dt h ef i l t e r i n gp r i n c i p l ea r ea n a l y z e di nd e t a i l k o 5i s m ek e yf a c t o rt of o r mt h en l t e la n dt h es i m u l a t i o ni sp r e s e n t e do nt h ef i l t e rt u n e db y t h ep a r a m e t e r ka n do i ta l s op r e s e n tw i t hm a n u f a c t u r e t h eo p t i c a ls p e c t m m t h ep a r 锄e t e ra n di n t e n s i t y m o d u l a t i o na b i l i t yo ft h ef i b e rl o o pc o n f i g u r a t i o ni nt h et l l e s i s a l lm er e s e a r c hw o r k i ss h o w e di nt h et h e s i s s o m es u g g e s t i o n st os t u d yt h ef i b e rl o o pc o n f i g u r a t i o nf u r t h e r a r er a i s e d i n t h ee n do f 山e t l l e s j s k e yw o r d t u n a b l eo p t i c a lm t e r f i b e rl o o pc o n f i g u r a t i o n m a t r i xo fj o n e s c o u p l e d m o d et h e o r y i n t e n s i t ym o d u l a t i o n 第一章前言 第一章前言 1 1 光纤通信发展概况 光通信其实是最近三十几年才发展起来的事情 虽然1 9 6 0 年激光器就已经 被研制出来 但是这还不足以将各种信息利用光传输到遥远的地方 这是因为 首先需要合适的光源 窄频带 强方向性等 其次需要合适的光传输媒体 低 损耗等 1 9 7 0 年 美国康宁玻璃公司 c o r n i n g g l a s sc o 的三名研究人员马瑞尔 卡普隆和凯克成功地将石英光纤的损耗大幅降低 拉制出在0 6 3 2 8 m 波长下 损耗为2 0 d b l i 的光纤 同年 前苏联和美国所研制的g a a l a s 双异质结半导 体激光器实现了室温连续工作 而且 此后针对半导体激光器长寿命问题 光纤 低损耗问题的研究有了重大的突破 光通信实用化的苗头随之萌生 因此 1 9 7 0 年是光通信发展史上一个重要的里程碑 二十世纪的七 八十年代是光纤通信大发展的年代 在这个时期 光纤通信 迅速由o 8 5um 波段转向1 3u 波段及更长波段 由多模光纤通信系统转向 单模光纤通信系统 通过理论分析和实践摸索 科学家预示光纤在较长波段的传 输可以达到更小的损耗值 经过科研以及工程技术人员的努力 1 9 7 6 年光纤通 信在1 3 u 波段实现了0 4 7 d b k m 的极低损耗传输 1 9 7 7 年又实现1 3p m 波段激光器的室温连续工作 同时因为石英光纤在1 3 lum 波段色度色散为零 促使1 3 1um 单模光纤通信系统迅速发展 1 9 7 9 年 1 5 5um 波段实现了 0 2 d b k m 的极低传输损耗 1 9 8 0 年 1 5 5um 波段激光器也实现了室温连续工 作 随后 通过对芯部和涂覆层的折射率的设计和调整 使低色散窗向1 5 5um 波段移动 由此推动光纤通信向l 5 5 m 波段发展 短短的三十几年里 各种速率的光纤通信系统如雨后春笋般在世界各地建立 起来 就其发展而言 大致经历了以下几个阶段 第一代光纤通信系统于2 0 世纪7 0 年代后期投入使用 工作波长为 8 5 0 n m 波长段的多模光纤系统 光纤的衰减为2 5 4 o d b 瓜m 系统传输比特率 在2 0 1 0 0 m b i s 之间 接着在2 0 世纪8 0 年代初 工作波长为x 1 3 1 0 n m 的多模光纤系统投入使用 光纤衰减为o 5 5 1 0 d b k m 传输速率达1 4 0 m b i 讹 全光纤滤波器件与技术的研究 中继距离为2 0 3 0 k m 第二代光纤通信系统于2 0 世纪8 0 年代中期投入使用 是工作波长为九 1 3 l o n m 波长段的单模光纤通信系统 光纤衰减为o 3 o 5 d b k m 最高传输速 率可达1 7 g b i t s 中继距离提高到5 0 k m 第三代光纤通信系统在2 0 世纪8 0 年代后期投入使用 是工作波长为 1 5 5 0 n m 波长段的单模光纤通信系统 光纤衰减为o 2 d b k m 传输速率 2 5 g b i t s 中继距离可超过1 0 0 k m 第四代光纤通信系统是采用光放大器来增加中继距离和采用波分复用和频 分复用技术来提供传输速率为特征 单信道速率可达2 5 g b i 以 另外因光纤放大 器的使用而让传输距离极大提高 达到2 0 0 0 k m 以上 第五代光纤通信系统是基于利用光纤的非线性压缩 抵消由于光纤色散产生 的脉冲展宽的新概念产生的光孤子 来实现光脉冲信号的保形传输 2 0 世纪9 0 年代后期试验上已经取得重大进展 如日本已经试验分别将1 0 g b i s 和 2 0 g b i s 的数据传输了2 5 0 0 k m 和1 0 0 0 k m 总的来说 由于光纤通信是利用光导纤维传输光信号来实现通信的 因此比 起其他通信方式 光纤通信有着明显的优越性 其主要优点有 损耗低 传输距离长 频带宽 信息容量大 体积小 重量轻 便于敷设 不受电磁感应感染 保密性好 串话少 玻璃材料资源丰富 耐高热 耐化学药品 二十世纪九十年代开始 人类社会进入一个前所未有的信息爆炸时代 网络 快速扩展 通信量成几何级数上升 大量的通信应用 如互联网浏览 视频电话 远程视频会议 高清晰度电视 交互式有线电视等大流量的数据及视频业务 都 要求网络追求更高的速度 更大的带宽以及容量 由此刺激了各种增加光通信系 统容量的新技术相继涌现 第 章前言 中国目前的光通信产业也已经进入高速发展的时代 随着上网人数的不断增 加 网络也不断扩容 但追求更高的带宽 更多的网络服务的需求增长依然旺 盛 黼 一 黼蠛 麟 封 桴赫 事镰 l 瓣 警辅 l 撼l 麟 铺 糠 骶幸赫 热譬 臣鲞麴囹 图1 o 中国网络用户曲线图 如上图是国内上网用户数量的变化走势图 可以看到在2 0 0 0 年以后用户数 量迅速增长 据最新的统计 中国上网人数现在已经超过九千万 中国拥有全球 第二的网民规模 中国将要开展的光纤到户 f t t h 的计划 是光通信产业进一 步发展的契机 随着网络进一步的拓展 以t d m 复用方式提高通信容量的方式 已经接近半导体技术极限 而w d m 技术是进一步扩容的关键所在 1 2 可调谐光滤波器 当今社会光通信产业发展迅猛 随着高输出功率窄谱宽光源工艺 高速光调 制技术 宽带光放大技术以及光波分复用 w d m 光时分复用 0 t d m 光孤子传输等技术的发展和成熟 光通信系统日趋完善 目前下一代网络的建设 主要着眼在两方面 一是追求高带宽 高速 大容量和长距离 铺垫发展未来的 光网络 二是面向眼前的光通讯实用化 让系统降低成本 灵活可靠 更充分的 考虑多变的使用环境 当前宽带城域网的建设正逐渐成为电信和网络建设的热点 城域网级别以下 的网络扩容 最主要是利用光波分复用技术 而可调谐的光滤波器是光波分复 雠 黼 黼 尊 全光纤滤波器件与技术的研究 用系统中关键器件之一 1 2 1 可调谐光滤波器概况 电子滤波器是从包含多个频率分量的电子信号中提取出所需要频率的信号 光滤波器也与此类似 它从多个光频信号中提取出指定的光频信号 光滤波器是 光通信系统中关键的器件之一 光频滤波根据其基理可分为干涉型 衍射型和吸收型三类 根据其调谐的能 力又可分为光频固定滤波器和可调谐滤波器 可调谐光滤波器是一种波长 或频 率 可选择器件 其功能是从许多不同频率的输入光信号中 选择性取出某一个 特定频率的光信号 常见的光滤波器有f a b r y p e r o t 滤波器 光栅滤波器 m i c h e l s o n 干涉滤 波器 介质薄膜干涉滤波器等等 这各种的滤波器都有相应特性 一般应根据实 际需要选择满足要求的器件 1 2 2f a b r y p e r o t f p 腔结构 f a b r y p e r o t 腔是由两面彼此平行的镜面构成 光束输入到腔内并且在两镜 面之间进行多次反射 到达界面同相则高效输出 如图1 1 光束以口角入射 到折射率为n 7 的介质中 在两平行镜面形成的腔中经过不断的反射和折射 透 射出光束巨 e z 毛 e 其相邻光束的相位差为 4 图1 1f a b r y p e r 口t 腔多光束干涉示意图 第一章前言 占 孥n c o s 口 l 其中 丑为光在真空中的波长 l 为f a b r y p e r o t 腔内介质折射率 为f a b r y p e r o t 腔体厚度 口 为腔内光束的反射角 l 上 图1 2f a b r y p e 工l a t 腔频率响应 当满足巧 2 m 7 r 的时候 光波就能形成稳定的峰值输出并且振荡为等间隔 的梳状波形 如图1 2 所示 由此而实现滤波功能 当m 值取定后 影响满足 相位条件的具有峰值透过率波长的因素为 n 和矿 因此调节这三个参 量就可以达到波长调谐的目的 应用以上原理的f a b r y p e r t 腔滤波器有很多 目前主要有微机驱动移角 f a b r y p e r o t 腔光滤波器 压电陶瓷型f a b r y p e r o t 腔光滤波器 电液晶 f a b r y p e r o t 腔光扛惠波器 m o e m s m i c r o 一0 p t o e 1 e c t r o m e c h a n i c a ls v s t e m 电控可调谐f a b r y p e r o t 腔光滤波器等等 基本都是在电控可调谐的方向上发 展及作研究 1 2 2 1 通过口 调谐的光滤波器 主要有微机驱动移角f a b r y p e r o t 腔光滤波器 1 这种f a b r y p e r o t 腔光滤波器的设计保持n 7 和 这两个参数不变 而 通过改变口 来实现可调谐功能 整个系统是架设在微机系统之上 其系统实现 的关键之一就是利用步进电机的微步功能去调节转角而实现调谐 全光纤滤波器件与技术的研究 l 瓣l 薹 一 鬻黧燮瀑 l 番溅曦戮 图1 3 调入射角鄯件 系统的调谐部件如图1 3 把石英固体腔f a b r y p e r o t 标准具粘连在定位转 盘上面 转盘轴心穿过标准具 转盘以步进电机控制 由此 步进电机的微步越 细 调谐的精度就越高 此光滤波器在波长15 3 5 l5 6 1 衄范围内实现了3 2 通道0 8n m 间隔 d w d m 系统精确滤波 该系统波长定位精度达到o 1n m 温度稳定性高 但由 于使用机械的调谐方式 其调谐速度只达到毫秒级 1 2 2 2 通过 调谐的光滤波器 图1 4 凇瓣蝴叩嚣o 光滤装嚣 第一章前言 主要有压电陶瓷型f a b r y p e r o t 腔光滤波器 埽口m o e m s 电控可调谐 f a b r y p e r o t 腔光滤波 3 这些光滤波器均为保持f a b r y p e r o t 腔的 n 和口7 这两个参数不变 而通过电压改变腔的厚度 1 z 来实现调谐 如图l 4 压电陶瓷型光滤波器内两根光纤的端面镀膜 对准固定形成 f a b r y p e r o t 腔 利用压电陶瓷的压电效应 通过改变外加电压来改变压电陶瓷 的长度 从而使腔长 发生变化 即可改变筛选的通光波长 由此实现电控光 滤波 其可调谐其调谐范围可达5 0 0r n n 但调谐速度较慢 为毫秒级 图1 5 近年来新兴发展起来的则要数m o e m s 型的电控光滤波器 m o e m s 器件拥有 小型化 高可靠性 易于集成等的优点而得到了广泛发展 如图1 5 是此滤波器 件中的一个微小单元 底部方体上面四个角上是四个垫盘 通过悬臂支撑起中间 的可变形薄膜 底部形成反射镜 底部和薄膜之间是一层薄薄的空气隙 由此形 成f a b r y p e r o t 腔体 当外加电压于薄膜和底层之上 静电力就会令薄膜跟底 层相互吸引而靠近 最近报道的m o e m s 光滤波已经可以在自由谱域约6 2 0n m 的情况下 利用 3 2v 的电压小于0 2m a 的电流实现大于1 4 0n m 的调谐 全光纤滤波器件与技术的研究 1 2 2 3 通过n 调谐的光滤波器 主要介绍电液晶f a b r y p e r o t 腔光滤波器 1 和内置l i n b 0 波导 f a b r y p e r o t 腔光滤波器 这类光滤波器就在f a b r y p e r o t 腔中充满可改变折射率的介质 保持腔的 参数 和口 不变而通过电压改变腔内介质n 从而实现调谐 电液晶光滤波器通过两个电极往液晶上施加电压 导致液晶的空间取向模式 发生改变 由此改变f a b r y p e r o t 腔内的折射率 实现滤波调谐 其调谐范围 可达3 0n m 精度可达o 2 0 3n n l 调谐速度较快 可达微秒级 但是其传输 损耗比较大 其偏振相关性比较强 需要用其他方法来辅助 内置l i n b 0 波导f a b r y p e r o t 腔光滤波器是在谐振腔内插入带电极的 l i n b o 晶体波导 利用l i n b 0 3 晶体的线性电一光效应引起折射率变化来实现光 调谐 这种光滤波器拥有较高的精细度 大于3 0 0 调谐速度低于1 0n s 自 由频域在1 7 0n i n 时可达到3d b 带宽为o 5n m 1 2 3l i a c h z e h n d e r 干涉型结构 m a c h z e h n d e r 干涉型结构 m z i 包括三个部分 首先是用作对输入信号进 行分路的3 d b 耦合器 然后是两路波导 其中一路之上设有相位延迟控制器 用来控制在两臂间产生与波长有关的相移 最后是在输出端将信号复合的3 d b 耦合器 相位延迟控制 图1 6 熏a 如堙e 嘲鹾 于磷型结构 与 乌 m z i 通过第一个3 d b 耦合器对输入光进行分束 然后在其中一路上通过相 第一章前言 位延迟控制器引入一个相移 随后与另外一路传导的信号在第二个3 d b 耦合器 中发生干涉 最后干涉后的信号分别在两个输出端输出 假设光只从一个输入口 输入 则两个输出口的光强为 3 s i n 2 t 出 2 i e i l 2 4 c o s 2 尬f 2 吲2 其中 和 分别是输出的光强 t 为波矢 f 为两臂之间的长度差 日为初始输入的光波振幅 明显从任意输出口输出的光强都具有梳状滤波特 啦虬为仞j 当等2 警铆 日为正整数 i 输出对应的峰值频率为 v 皇粤 取定q 值 则通过改变n 和 f 这两个参量就可以达到光调谐的 n f 目的 实际上有很多方法可以改变这两个参量 譬如用热光效应 声光效应 电光 效应或压电陶瓷等等 而且通常这两个参量较难独立改变 通常同时都有各自的 变化 图1 7 热光效应光滤被器 l x a 翌 q l a i 和m l a n k e r 等人在1 9 9 8 年报道在硅基底上利用非对称2 2m z i 制作出热光滤波器件 利用热光效应 改变n 从而实现光调谐 开关时 间达1 5 0 2 2 0 肿 在波长间隔ln m 的情况下用9 5m w 即可实现1n 的调 谐 可在1 5 4 8 1 5 5 2n l 实现全波段选波 插入损坏约1 1d b 消光比约2 0d b 也有报道使用电光效应来作为调谐的 主要可以提高调谐速度 达到几十n j 的 全光纤滤波器件与技术的研究 级别 目前m z i 结构的发展趋势是向级联方向 发展 早在1 9 9 6 年国外就已经报 道过利用3 个电光可调谐非平衡m z i 在铌酸锂基底上级联组成高速可调窄带光滤 波器 其滤波器设计为8 信道滤波 信道频率相差4 7 g h z o 3 8n m 转换开 关时间为5 0 n s 插入损坏为1 9 d b 串扰少于2 2 d b 国内近年也有进行m z i 级联相关研究 3 2 如在2 0 0 1 年有报道对多级级联 非平衡m z i 干涉仪型密集波分复用 解复用器进行模拟研究 在光谱特性 信 道谱宽和隔离度上做了计算分析 并针对3 2 路 1 0 0g h z 通道间隔的d w d m 应用 设计和模拟计算出5 级串联m z i 结构的光谱特性 另外在2 0 0 3 年亦有报道对多个3 d b 耦合器级联组成m z i 的滤波特性作研 究 模拟出更佳的结果 总结出光纤干涉臂长度差 f 按顺序取一系列特定 值时 将得到性能良好的梳状滤波出射图谱的结论 并且当干涉臂的级联个数为 奇数时 干涉峰的边模抑制比随干涉臂数目的增多而变大 总的来说 虽然级联以后滤波器的梳状滤波性能将大大提高 但是就目前的 技术而言 由于受检测和控制工艺所限 级联制作光滤波器未能实现大规模的生 产 另外 m z i 在作为调制器方面也得到了长足发展 大量应用在光通讯领域 1 2 4 光纤环结构 光纤环的结构较为简单 主要用一光纤环路把定向耦合器的一端出口连接而 成 第一章前言 图1 8 黼环绪掬 如图1 8 经过定向耦合器以后 耦合波比直通波慢了庀 2 相位 假设只 在光纤环的l 口输入信号 同时定向耦合器的耦合率是5 0 则最后从2 口干 涉输出的两束光相差石相位而相消 由能量守恒可得光必然从1 口输出 由此 对不同波长的光产生梳状滤波作用 早在1 9 8 8 年 d a v i db m o r t i o r e 就对此结构做了研究 具体分析了其 中的耦合特性 双折射对反射波长相应的影响 同时指出此结构可在反射器 7 滤波上面的得到利用 结构的反射性能良好 对特定波长可以达到9 9 以上的反 射率 滤波功能相对较为粗糙 只实现对o 1 肋l 级别的特定波长进行选择 国内在1 9 9 7 年有报道利用光纤波片对此结构传输特性影响作研究的 他 们利用单模光纤应力双折射效应 在光纤环中引入光纤波片 通过改变光纤波片 主轴方向 实现光纤环透过率和反射率的实时调节 另外在2 0 0 0 年也有报道制 作出此结构的熔锥型光纤反射器 已经制作出6 0 0 1 6 0 0n m 波段的反射器 反射 率可达9 9 以上 光纤环的滤波功能虽然比较粗 但是其工艺简单 利于生产 所以它在粗波 分复用功能上应该会有巨大的应用空间 全光纤滤波器件与技术魄研究 1 3 粗波分复用 c 叨m 粗波分复用 c w d m c o a r s ew a v e l e n g t hd i v i s i nm u l t i p l e x i n g 技术是 从密集波分复用 d w d m d 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 i n g 技术演变 而来的 两者对比起来 密集波分复用的波长间隔要小得多 一般采用o 4 n m 0 8n m 或者是1 6 n m 的波长间隔 波分复用系统工作带宽一般在1 5 3 0 1 6 2 5 l m 仅 9 5 n m 基本集中在c b a n d 1 5 3 0 1 5 8 0 n i n 和l b a n d 1 5 8 0 1 6 1 0 粗波分 复用系统的结构基本与密集波分复用系统相类似 但传输距离较短 无需采用光 放大器 粗波分复用系统的波长间隔一般是2 0 n l 或者更大 工作波段比较宽 一般在1 2 0 0 1 7 0 0 n l n 如果从纯技术角度而言 c w d m 与d w d m 相比有着明显的弱势 其传输距离 咀及通道数都远低于d w d m 但是应用在城域网扩容的领域上 考虑成本的因素 c w d m 则更具有实际应用的意义 相对d w d m 而言 c w d m 最大的特点即是对波分复用设备系统要求不高 c w d m 无须选择成本昂贵的密集波分解复用器和e d f a 只须采用便宜得多的多 通道激光收 发器作为中继 因而成本大大下降 因此 c w d m 对于城域网的扩容 更为适用 1 4 研究本课题的目的 以上介绍的几种结构在当今光通讯光滤波功能上都有着广泛的应用 f p 腔 是最早期就开发利用的滤器器件 并且由于m o e i s 器件的发展使其在集成以及可 调滤波性能上面又进一步得到了发展 m z i 结构由于容易受到温度等其他环境因 素的影响 并没有在滤波功能上得到多大发展 反而在调制功能 2 上面得到 了应用 m z i 的级联虽然可以更优良的滤波性能 但是限于当前的监测 控制技 术 使其难以在生产上得到突破而大量制作 光纤环的结构以及制作都比较简单 但是其滤波间隔不太精细 同时双折射以及调谐滤波方面的问题也有待解决应 用 总结以上滤波性能如下表 1 2 一 第一章前言 表l l 三种滤波结构的参数对比 f a b r v p e r o tm a c h z e h n d e r光纤环 调谐方法 调口 调 调 调n f 机械 压电 m o e m 液晶 l i n b o 热光电光纯级联 马达陶瓷级联 调谐时间 5 1 0 2 0 05 0 约册 m1 s s 地 1 0 订5 似 l s 级别 调谐范围3 05 0 01 4 03 01 7 0 4 3 约几百 n h n mn mn mn mn mn n 信道间隔 0 8 1o 5o 2 0 5l0 40 4o 1 n z l n n m o 3 n mn m l mn m砌 n m 工艺难易一般一般 较难 较难较难较难较难很难 较易 度 当前形势下 研究可靠性高 结构简单并且成本低的光滤波器 对于光网络 扩容实用化意义重大 光纤环结构本身就有插损小 成本低 与光纤兼容性好这些特点 对比其他 两种结构 光纤环的滤波精度一般 但是对于粗波分复用的情况 光纤环的信道 间隔也足够使用了 而且它更容易制作而适合规模生产 考虑其滤波性能 很有 潜力去造就一种新的滤波器件 本论文就光纤环结构进行研究 将在接下来的第二章对光纤环的结构以及其 滤波理论进行分析 然后在第三章利用理论指导进行实验研究 探讨光纤环的性 质和作为滤波器件的可行性 最后在第四章对光纤环结构的理论以及实验研究进 行总结 并且探讨进一步研究的措施与方向 全光纤滤波器件与技术的研究 第二章光纤环滤波结构的相关理论分析 光纤环结构简单 主要包括定向耦合器和连接定向耦合器一端两个出口的光 纤环路 以下我们将分别阐述这两部分的结构和光传输原理 分析整个器件的滤 波机理 并且讨论影响滤波的几个因素和影响的效果 对于定向耦合器 我们利用两个相靠近的光波导去模拟耦合区 通过光耦合 理论来计算其中的光能量的传输 并且分析了定向耦合器偏振特性对整个器件滤 波的影响 对于光纤环路 我们主要用琼斯矩阵的方法做运算 分析了双折射引 起的相位差和轴向转角变化所引起的滤波影响 z 1 定向耦合器的耦合理论计算 如图2 1 定向耦合器 一般通过熔融拉锥法制造 就是把两根 或者两根以 上 除去涂覆层的光纤以一定方式靠拢 在高温熔融下同时沿轴线向两侧拉伸 最终在加热区形成双锥形式的特殊波导结构 从而实现光耦合 入射光通过耦合 区的时候发生功率传输再分配 一部分光从 直通臂 传输 另一部分光则通过 耦合臂 传入另一光路 a 簟謦 稳瓣 如果是单模光纤 传输的是两个正交的基模 h e 信号 当传导模进入熔 锥区 随着纤芯不断缩小 v 值逐渐减小 有越来越多的光功率渗出光纤包层 在输出端 随着纤芯逐渐变粗 v 值重新增大 光功率以特定比例重新分配到两 根光纤中继续传输 苎三童些堑堑望垫竺塑竺塑差翌笙坌堑 髓黛矗两渡露藿瓣孝零辫酗穗镧掰瓣攀壤晦黪帮潮 利用一个近似模型进来计算 如图2 2 这是两个相距很近的波导的折射 率相对于x 的分布 总的折射率可以表示为 n2 n 一 n 一n n 1 每个波导在没有另一波导存在时候的电磁场表示为 雷 言 懈一鼠 2 疗 膏 e 一且2 其中v l 2 分别表示两个波导的情况 这些场都满足m a x w e l l 方程 v 疗 一讽 z 厅 一燃 h 强 3 v 豆 一0 瓯 乏 豆 f 扛私 霄 o 这里v 取l 或2 i 是z 方向的单位矢量 v 是v 算符的横向部分 当两个波导互相接近 总的场可以近似用两个波导未受微扰场的叠加来表 示 两个波导会互相影响 场的幅度会随着距离而变化 所以总的场量是 豆 a l z 雷l a 2 z 豆2 露 a l z 霄l a 2 z 曰2 这只是近似表示 因为还没有加上高次小项 总的电磁场量也满足m a x w e l l 方程 4 会光纤滤波器件与技术的研究 v h 童牌 n2 e v e 一l 盘 日 把 4 代入 5 得 印 姆一碱 旭 訾 1 蝎 一慨旭巨 a 2 v f 咀一缇 i 讽 十等 弘鼢一慨以 豆 州v 蝎一谄 i 巨 等 i 丘 f 掣 a 1 詹 a 2 v f 蝎一讽 i 嘱 警 2 蝎 a 2 也 以 1 和 3 代入化简得 5 6 等 疗卜 n 一n a l 豆 警 枷z f 州n 一砒豆z 一 7 警 取豆 警 豆 o d z口z 取 7 的上式和豆i 做标积 取 7 的下式和厅i 做标积 两者相减 上 标表示角频率翻和传播常数用负值代替 然后在无限大横截面上积分 得 等瞬啦旭 一即 洳1 型鲁 豆i 厅 一厅i 豆 8 一f 饼o n 一n a 豆i 豆l f c t n 一n a 2 豆i 豆2 d 曲 o 上式中n 一n 只在第二波导区内不为零 但此时第一波导的场十分弱 故 此项为二级小量 忽略 从数量级看 豆i 疗 是零级 n 一n 豆i 豆 一 级小量 竺是一级小量 最终保留一级小量 整理得 华 f c l 知 届硼z 疵 9 第二章光纤环滤波结构的相关理论分析 同理 7 的上下式分别点乘宣和霄i 可得 华 i c 2 即州m k z 这里 午一 巷斋等蠹 1 0 1 2 所得的耦合波方程 9 和 1 0 虽然是在忽略二级小量条件下的近似 只 涉及两个模式的耦合 但是却是一个很好的近似 后面将会证明 只有在相位传 播常数相等之间的模式才能够有效地交换能量 如果令 8 a p 一毗 v 1 2 1 3 则 9 和 1 0 可以化为 孕 一沮 l f c l d 2 d z 鲁一一 瑚 口 1 4 1 5 1 1 和 1 2 所得的耦合系数c 1 和c 一般情况下是复数 介质无耗 时 折射率h 雌 和鸭都是实数 我们可以用复数共轭可而不用e i 由 1 4 和 1 5 可得 姜 h 卜k h 2r e f c 叩 1 6 只要屈和厦是实数 上式左边代表两个波导携带的总功率对z 的导 堕姑 碍 玩 一 一 研一 町 一 一 一 啦 c 全光纤滤波器件与技术的研究 数 功率守恒则应有此导数为零 因为 0 和n o 可以任意选择 所以推 芸譬二罐篡二 州加牡晰婀e 蛳 居舯 蛐可叶他 其中筇 雨 1 9 如果耦合系数是实数 那么 卢也是实数 简单地令 o o 由 1 8 可得 q z 吼 0 c o s 够 1 2 0 2 z 缸l o s i n 屈 p 一啦 由上式可以看出 在n o o 条件下 耦合臂的能量可以通过嗽来调 整 并且耦合臂的耦合波比直通臂的波有石 2 的相位延迟 第二章光纤环滤波结构的相关理论分析 2 2 琼斯矩阵 在光纤中光的传输用琼斯矩阵进行运算 如图2 3 假设一个波 其波平 面偏角口 如图2 3 a 把正交分量e f 投射到双折射的介质的快轴和慢轴上 分 别为g 轴和d 轴 有 e e zs i n 口 e yc 8 臼 2 1 e e c o s 口一e s i n p 光波在快慢轴以不同速率传输 假设d 光相对相位为o 则经过传输以后 得到 e t p 埘 e e 瓦 2 2 其中妒是e 光相对 光的相位超前 t 和瓦是场量振幅衰减系数 警 斡 t j7 y l y o 9 l 蜘r 弋 h f 7 9 漆 7 自f 妇一 0 刁w 一 箩翻 g m t i 圈2 3 骧船矩障幕鳖豹诤算 最终重新将场量投射到工和 轴上 如图2 3 b 得 ec o s 口 e s i n 口 e e c o s 口一es i n 臼 将 2 1 代入 2 2 再代入 2 3 化简得 2 3 全光纤滤波器件与技术的研究 e t p 埘s i n 2 目 瓦c s 2 们e 一 t e 舻s i n 口c s 口一l s i n 臼c s 咿 e y 2 4 e t p 埘s i n 口c o s 口一瓦s i n 口c o s 口 t 已埘c o s 2 口 lc o s 2 口 e 如果写成 阱 对比 2 4 可以得到琼斯矩阵元素为 歹 t p 弦s i n2 8 瓦c o s 2 8 巧 t e 伸一l s i n 目c o s 口 州 e 已仲c o s2 口 瓦s i n 2 p z 3 滤波原理 2 5 2 6 2 7 2 8 光纤环具有梳状滤波的特性 我们对光纤环进行数值模拟计算 主要是分定 向耦合器和光环路两部分进行考虑 如图2 4 所示 图2 4 熬缚莓f 示意圈 对于定向耦合器 利用以上耦合理论得到的结论 换成矩阵形式 使用 第二章光纤环滤波结构的相荚理论分析 c 一 广2 j 2 釜三 e 一幢来表示 其中 是定向耦合器的损耗 系数 而 是场量的耦合系数 下标n 可以取芹或者y 分别代表两种 正交的偏振分量 为相位常数 z 是耦合区长度 对于环路 则利用琼斯矩阵 i i 的方法来计算 2 3 1 理想状态下的滤波状况 忽略耦合器的偏振特性以及损耗 忽略光环路的损耗 双折射以及实际的扭 转 在理想的状况下进行模拟计算 此时 0 并且不同偏振分量琼斯矩阵系 数配简并成k 由此 定向耦合器的传输矩阵为 r 篆三一 e 谁 图2 5 滟秤环骢羲德楱掇计葬 一嚣 如图2 5 假设光由l 口注入 则注入光有一部分进入直通臂3 且如图以 顺时针方向传输 注入光的另外一部分耦合入耦合臂4 且如图以逆时针方向传 输 它相对于注入光有石 2 的相位延迟 全光纤滤波器件与技术的研究 酬 斟e 一啦 当光沿闭环传输完 重新进入耦合器 鼢鼢 2 9 3 0 y 掣二尸i e 一社 脍 紫耸旧e 蛳e 州 第二章光纤环滤波结构的相关理论分析 折射的缘故 不能达到1 0 0 的反射 令k 相对波长成三角函数关系变化 由模拟可以得到2 臂出口有梳状滤波 的图形 竺 墅 墨 望 型 竺 e 1 图2 6 光纤环透射模拟圈 2 3 2 准理想状态下的滤波状况 实际来说 定向耦合器拥有损耗 另外由于其耦合区的实际波导的不对称性 耦合器会有偏振特性 同样 光环路也会有损耗 双折射以及实际的扭转 首先模拟定向耦合器的情况 考虑无损的状态 引入耦合器的偏振特性 耦 一对x 旆n 由瞄r 冀小哪 o k r j k 2 e 一征表示 而光纤环路则忽略双折射以及实际的扭曲 1 雎 2 1 一置 2l 在这种条件下来做模拟计算 设光纤环所在的平面为x 方向 而垂直于光纤环平面为r 方向 x 方 向的光在经过环区的时候 除了经过庐相位的传输 还相对y 轴方向进行了 全光纤滤波器件与技术的研究 i i 凳 2 7 已z 一 t 一 一 c s e l 层 7 j1 1 2 k 2 足 一k 2 17 2 j l o j j r 2 二二 孑 一z t 一 一 c k1 2 巧2 胚 啮2 l 2 j l o j 占l 一2 足 一k 2 17 2 e l p 一2 伫p 一埘 3 8 e l 2 j k 一k y 2 1 7 2 e b2 值e 一 3 9 则可以求出ie ei 巨zh e 2 4 0 4 五 一k 吒 4 足 一足 e 0 同理求得le l 旧1 2 悭 型竺 4 1 1 2 k 2 e 0 1 2 置 2 e 0 由 4 0 和 4 1 式可以看出 影响出射光的主要因素是q 和足 假 设耦合率e n 工y 相对波长五成三角函数关系且同频率变化 我们设 e c s 2 去 但两种偏振光响应的耦合系数变化的相位有所不同 令两种偏 振光的耦合率经历由 到要的相位差异 以石 3 2 的相位差为步长 考察2 口的输出光情况 模拟计算可以得到以下一系列的图 这里假设日 巨 l 即巨以4 5 度入射 且e 巨 2 局 2 i 第二章光纤环滤波结构的相关理论分析 a 相差0 c 相差2 石 3 2 b 相差石 3 2 相差抑 3 2 盎 1 啪 瑚x 舯0 啪 嚣 咖 1 瑚 哪 栅 j 等 e 相差4 石 3 2 f 相差5 万 3 2 2 5 n m n岬 抖 n 全光纤滤波器件与技术的研究 g 相差6 万 3 2 i 相差8 万 3 2 k 相差l 吮 3 2 l n s 旦坚辈 坐 o i p 相差7 万 3 2 j m f j 相差9 万 3 2 肌p 1 相差1 1 石 3 2 第二章光纤环滤波结构的相关理论分析 m 相差1 2 万 3 2 m 1 o 相差1 4 万 3 2 龇1 一 n 相差1 3 万 3 2 弛 l 1 0 p 相差1 5 万 3 2 q 相差1 6 石 3 2 图2 7 两种偏振光耦合率波长响应相差模拟系列图 由图2 7 a 一 q 的一系列变化可以看出 当相对于x 偏振或y 偏振 的耦合率 不同的时候 将使滤波的峰值以及滤波的深度有所不同 可以看到 全光纤滤波器件与技术的研究 当相位相差芸石的时候 2 口的透射滤波效果十分彻底 另外 当相差 z 譬 三协的时候 梳状滤波条纹消失 如果相对于一个特定波长来监控透射光强 当经历竺相位变化 深度滤波 4 会变成完全不滤波的同时 监控到的光强振幅会越来越窄而收缩成一点 然后当 滤波重新发生逐渐放大的时候 监控到的透射光强振幅会相应放大 这可以在实 验中观察到这种的现象 另一方面 把定向耦合器的状况理想化 即不考虑其偏振特性 考虑环双折 射以及实际的扭转 依然忽略一切损耗来做模拟计算 定向耦合器的传输耦合矩阵用 r 二尸 e 一啦来表示 光纤环的双折射情况用巴 埘 e 啦来表示 光纤环路的轴向扭曲用 墨牛惋 到达3 4 口之后 分成x 和y 两个偏振方向的分量 毛 b c o s 口 日 日c o s 口 e e s i n 口 其中d 是光场矢量跟坐标轴x 的夹角 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 一 至三兰垄墅堑望垫笙塑塑塑茎堡堡坌堑 进入光环的传输 我们把遇到的双折射产生的相差定义为矿 同时把经历的 光纤环路轴向的旋转角度定为 嘲 啦却 c o s 2 口 s i n 2 口 p 埘 c o s 口s i n 口 已伸一1 c o s 2 口 s i n2 口 p 埘 c o s 口s i n 口 1 一p 坤 然后重新进入定向耦合器 有 幽 譬 j k n k 酬 2 答二 c o s 目s i n s i n 2 口 已一幢 p 一睦 e 一恤 e 一位 p 忸 e p 一徊 一 c o s 2 目 s i n 2 口 p 埘 c o s 口 c o s 口s i n 日 1 一已埘 巨 2 s i n 2 口 c o s 2 口 已埘 s i n g k 1 7 2 1 一k 1 彪 e e 2 y 一2 s i n 2 口 c o s 2 口 p 埘 s i n 口 置 e 已一妒 卜c o s 秒s i n 移 1 一p 挣 c o s 口 s i n2 口 c o s 2 毋 f s i n 口 巨e 一啦 e 一啦 z n 4 7 4 8 4 9 5 0 5 1 5 2 2 十l 1 5 3 s i n 刎 互 一妒 5 4 以下是用计算机模拟计算的示意图 这里初始条件假设入射偏角口 署 双 一2 9 1 j 一 旧一 1 ij 口 秽 s o s c咿 口 n l 忸 p 1 llllj 日 一 r l 1 l l j 舻 一 p 埘 日 矿 良 m 夙 韬 咖 1 i一 毛墨 一 l 1 j 口 的 刍口 口 n e 舻 o p 1 0 l l j 口m 口 s s o c 口 p 兰 咖 r l i 1 j f 幺 l 1 j r y 毛毛 一 l l j 勺弦 q p a f 玑 r t l r 毛日 l i 1 j y 墨日 r l jllllj 2 全光纤滤波器件与技术的研究 折射相位差庐 石 耦合比系数跟波长的关系用k c s 2 去 来模拟 利用 口以石 3 2 为步长作变化来观测2 口的透射能量的变化 口 i 2 e l 1 2 1 l f a 口 0 c p 2 石 3 2 e 占 4 疗 3 2 b 口 石 3 2 2 1 0 d 目 3 厅 3 2 f 口 5 万 3 2 第二章光纤环滤波结构的相关理论分析 g 臼 6 石 3 2 日1 i 2 十e 槲1 2 o 川p h 口 7 庀 3 2 i 口 8 石 3 2 图2 8 厅相位作用在全波段的轴向旋转角口变化系列图 从以上图2 8 的 a 一 i 显示的光纤环2 口输出光强能量 我们可以看出 口 羞的时候是不滤波的 而口 o 的时候滤波最好 就趋势而言 随着口从 到三变化 滤波的强度逐渐减弱 直到最后不滤波