基于包層各向異性FBG的光開關(guān)

陶子盛,黃勇林

(南京郵電大學光電工程學院,南京 210023)

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基于包層各向異性FBG的光開關(guān)

陶子盛,黃勇林

(南京郵電大學光電工程學院,南京 210023)

摘要:為降低電光開關(guān)的插入損耗及簡化其結(jié)構(gòu),提出了一種利用包層各向異性的FBG(光纖布拉格光柵)制作光開關(guān)的新思路,并用耦合模理論對其原理進行了分析;同時,提供了一種用摻鎂LiTaO3晶體作為光柵包層制作這種光開關(guān)的方法。仿真結(jié)果表明,電場改變106V/m時,消光比可達到約42.32 dB。該光開關(guān)具有較高的消光比,且相比于現(xiàn)有的FBG光開關(guān),具有更簡單的結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞:包層各向異性;光纖布拉格光柵;電光效應(yīng);光開關(guān)

0　引 言

FBG(光纖布拉格光柵)由于具有體積小、帶寬范圍大、波長選擇性好、附加損耗低、易于連接和抗電磁干擾能力強等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于光纖通信和光纖傳感領(lǐng)域,是一種十分重要的光無源器件。在光纖通信領(lǐng)域,為了適應(yīng)高速光通信的發(fā)展需求, FBG常被用于制作光纖激光器、光分插復(fù)用器和光開關(guān)等[1-3]。利用FBG的非線性效應(yīng)可以制作全光開關(guān),但此類光開關(guān)需要很高的光功率,且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本較高,使用不方便。本文設(shè)計的新型光開關(guān)具有結(jié)構(gòu)簡單、消光比高等特點。與前者的不同之處在于,該光開關(guān)所使用的FBG包層為各向異性介質(zhì),因此,選擇不同的包層介質(zhì),通過改變外界電場、磁場、溫度和應(yīng)力等手段均可以實現(xiàn)開關(guān)。

1　包層各向異性FBG光開關(guān)的原理

圖1所示為包層各向異性FBG的結(jié)構(gòu)圖及折射率分布圖。圖中,a為纖芯半徑,n0為纖芯折射率。定義x、y兩主軸方向的折射率分別為nx和ny, z方向上的折射率為nz,則包層折射率定義為nc=ni(i=x,y,z),式中,nx=ny≠nz,為便于表示,令nx=ny=nt。由于纖芯為各項同性介質(zhì),因此對于纖芯而言,有nx=ny=nz=n0。為了方便討論,定義kcl為兩個主軸方向上的折射率之比,即kcl=nz/nt。

圖1　包層各向異性FBG的結(jié)構(gòu)圖及折射率分布圖

由于包層和纖芯縱向電磁場分布滿足波動方程[4],故通過求解波動方程就可以得到包層各向異性FBG的理想正規(guī)模特征方程[5-6]

現(xiàn)要得到光柵主軸折射率之比kcl與反射率R之間的關(guān)系,結(jié)合式(1)和式(2)可知,必須先求得kcl與有效折射率neff之間的關(guān)系。利用二分法求解neff[7],進而得出kcl與反射譜之間的關(guān)系。

圖2為一種LiTaO3電光開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2　LiTaO3電光開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

式中,γ13和γ33均為LiTaO3晶體的電光系數(shù),在入射光波長為1 550 n m的情況下,兩者的值分別為7.5×10-12和30.3×10-12。由式(3)可知,當E3發(fā)生變化時,kcl也會發(fā)生變化,對應(yīng)的光柵反射譜峰值也將發(fā)生變化,從而實現(xiàn)光譜的開關(guān)效應(yīng)。

2　仿真及結(jié)果分析

為了得到光柵主軸折射率之比kcl與其反射譜之間的關(guān)系,現(xiàn)將FBG參數(shù)設(shè)置如下:n0=1.5,a= 3μm,Λ=500 nm,折射率調(diào)制深度為10-4,L= 1 cm,nt=1.478 1,入射光波波長為1 550 nm。利用Matlab軟件進行仿真。

圖3所示為光柵反射率與其主軸折射率之比kcl的關(guān)系圖。由圖中可以看出,當kcl從0.50變化到1.80時,光柵反射譜中心波長向長波長方向偏移;除了kcl=1.00外,kcl=0.50、0.75、1.25和1.80時對應(yīng)的光柵反射譜峰值大小接近。下面詳細討論kcl≈1.00時反射譜的變化情況,如圖4所示。觀察圖4可以得到以下結(jié)論:(1)在kcl≈1.00時,光柵反射譜峰值發(fā)生劇烈的變化,具體表現(xiàn)為:隨著kcl從0.950變化到1.026,光柵反射率從0.883 7快速降為0.001 2;(2)反射譜中心波長偏移量很小,可以忽略。

圖3　不同kcl對應(yīng)的光柵反射譜圖

圖4　kcl≈1.00時光柵的反射譜圖

利用上述兩點結(jié)論來制作電光開關(guān)。將包層材料設(shè)置為Li TaO3晶體。首先要求得kcl與電場的關(guān)系。圖5給出了LiTaO3晶體的kcl隨電場E3的變化情況?？梢钥闯?當E3由1×107V/m變化至9× 107V/m時,kcl呈線性遞減趨勢,幅度為電場每增加107V/m,kcl約減小5×10-4。由于在kcl=1.00附近光柵反射譜峰值隨著kcl的增大而減小,而kcl與E3成反比,因此可以得出在一定范圍內(nèi),反射譜峰值與E3成正比的結(jié)論。

圖5　E3與LiTaO3晶體的kcl的關(guān)系

將光柵的各項參數(shù)修改如下:n0=2.12,a= 3μm,Λ=350 nm,折射率調(diào)制深度為1.5×10-4, L=1 cm,入射光波長為1 550 nm。經(jīng)過計算得到在Li TaO3晶體兩個主軸方向的折射率nt0和nz0分別為2.113 8和2.116 2[8]。沿z軸方向?qū)鈻攀┘与妶鯡3,圖6所示為E3從2.33×107V/m減小至2.03×107V/m時光柵反射譜的變化情況。

圖6　反射譜隨電場強度E3的變化情況

觀察圖6中的反射主級大峰可知,當E3從2.33×107V/m減小至2.03×107V/m時,主級大峰值反射率從0.990 2變?yōu)?.058×10-6。若擴大電場的取值范圍,可以得到反射譜的變化趨勢如下:主級大峰逐漸減小至消失,接著次級大峰開始減小,按照此規(guī)律直至反射譜基本消失。需要注意的一點是,隨著E3的增大,反射譜中心波長將減小,二者呈反比關(guān)系,比值約為0.12 n m/(107V/m)。為了減小波長的漂移,犧牲反射率最高和最低的數(shù)據(jù),將E3分別取為2.26×107和2.16×107V/m,對應(yīng)的反射譜圖如圖7所示,此圖即為該電光開關(guān)的通斷反射譜。

由圖7可知:(1)該開關(guān)的帶寬約為0.05 nm; (2)反射譜最大和最小值分別為0.984 7和5.775× 10-5,通過計算可得到消光比為42.32 dB;(3)由于電場變化量為106V/m,通過計算可以得到反射譜中心波長的漂移量約為0.012 nm,可以忽略不計。

圖7　Li TaO3作為光柵包層的電光開關(guān)反射譜

3　結(jié)束語

本文闡述了基于包層各向異性FBG光開關(guān)的原理,并利用摻鎂Li TaO3晶體作為光柵包層介質(zhì),設(shè)計了一種電光開關(guān)。該電光開關(guān)在電場強度變化僅為106V/m的情況下,就可實現(xiàn)約為42.32 dB的消光比,可見該電光開關(guān)具有較好的性能。此外,與普通電光開關(guān)相比,該電光開關(guān)可以直接寫入到需要的光路中,而不需要切斷光纖,導致引入多余的插入損耗。鑒于現(xiàn)今FBG生產(chǎn)技術(shù)已趨于成熟,以及該電光開關(guān)簡單的結(jié)構(gòu),在克服如何制作包層各向異性FBG的難題后,該光開關(guān)較于其他光開關(guān)將具有更低廉的成本,未來有望應(yīng)用于各種光網(wǎng)絡(luò)中。

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光電器件研究與應(yīng)用

Optical Switches Based on FBG with Anisotropic Cladding

TAO Zi-sheng,HUANG Yong-lin (School of Optoelectronic Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210023,China)

Abstract:In order to reduce the insertion losses of electro-optic switches and simplify their structures,a new idea of fabricating optical switches based on Fiber Bragg Grating(FBG)with anisotropic cladding is presented,and its principle is analyzed by using the coupled-mode theory.At the same time,a method of manufacturing this kind of optical switches is provided by using Mg-doped LiTaO3crystal as the grating cladding.Simulation results show that when electric field changes by 106V/m,the extinction ratio rise to about 42.32 dB and compared with the existing FBG optical switches,these switches have higher extinction ratio and are even simpler in structure.

Key words:anisotropic cladding;FBG;electro-optical effect;optical switch

中圖分類號:TN256

文獻標志碼:A

文章編號:1005-8788(2016)01-0035-03

收稿日期:2015-07-20

基金項目:國家自然科學基金資助項目(61275067);南京郵電大學孵化和培育國家級項目資助課題(NY 213150)

作者簡介:陶子盛(1990-),男,江蘇無錫人。碩士研究生,研究方向為光纖通信與光波技術(shù)。

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.011

光電器件研究與應(yīng)用