基于雙通道M-Z干涉儀的FBG光開關(guān)研究

閆 光， 何 巍， 楊潤(rùn)濤， 祝連慶

(1.北京信息科技大學(xué)光電信息與儀器北京市工程研究中心 北京，100192)(2.北京信息科技大學(xué)光電測(cè)試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京，100192)

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基于雙通道M-Z干涉儀的FBG光開關(guān)研究

閆 光1,2， 何 巍1,2， 楊潤(rùn)濤1,2， 祝連慶1,2

(1.北京信息科技大學(xué)光電信息與儀器北京市工程研究中心 北京，100192)(2.北京信息科技大學(xué)光電測(cè)試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京，100192)

為降低電光開光的插入損耗并提高性能，提出了一種基于雙通道可調(diào)諧馬赫-曾德(M-Z)干涉儀制作的光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating，簡(jiǎn)稱FBG)光開關(guān)，通過(guò)改變干涉儀中的可調(diào)電動(dòng)光纖延遲線的延遲時(shí)間，實(shí)現(xiàn)濾波譜周期的可調(diào)諧。通過(guò)改變干涉儀其中一臂的延遲時(shí)間設(shè)定，該光開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)定波長(zhǎng)光波的開關(guān)功能。對(duì)光纖M-Z干涉濾波原理進(jìn)行了理論分析，使用C波段寬帶放大自發(fā)輻射光源對(duì)雙通道可調(diào)M-Z干涉儀的性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，其可實(shí)現(xiàn)大范圍及高精度的濾波調(diào)節(jié)功能。對(duì)基于雙通道可調(diào)諧馬赫-曾德干涉儀制作的FBG光開關(guān)，通過(guò)FBG開關(guān)性能檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，得到該光開關(guān)在波長(zhǎng)為1 550 nm處的輸出光譜，光開關(guān)的消光比達(dá)到25 dB。結(jié)果表明，該光開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍高精度濾波功能，具有高消光比、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和易于調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。

雙通道可調(diào)M-Z干涉儀； 光纖布拉格光柵； 光開關(guān)； 電動(dòng)光纖延遲線

引 言

光開關(guān)作為一種具有一個(gè)或多個(gè)可選擇的傳輸窗口,是對(duì)光傳輸線路或集成光路中的光信號(hào)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換或邏輯操作的器件，在光通信和光傳感等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。光開關(guān)可以對(duì)光傳輸線路或集成光路中的光信號(hào)進(jìn)行邏輯操作與物理轉(zhuǎn)換，在光纖通信系統(tǒng)、光纖傳感網(wǎng)絡(luò)和光器件測(cè)量等方面有廣泛的應(yīng)用[1-2]。光開關(guān)作為光通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心器件具有關(guān)鍵作用，例如：在波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)中，光開關(guān)可用于波長(zhǎng)適配、再生和時(shí)鐘提取；在光時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)中，光開關(guān)可用于解復(fù)用；在全光交換系統(tǒng)中，光開關(guān)是光交叉連接的關(guān)鍵器件，也是波長(zhǎng)變換的重要器件[3]。能實(shí)現(xiàn)光開關(guān)功能的全光開關(guān)器件主要包括：常規(guī)的光纖布拉格光柵全開關(guān)[4-5]、常規(guī)光纖長(zhǎng)周期光柵全開關(guān)[6]和非線性FBG全光開關(guān)[7-8]?；诜蔷€性光學(xué)原理的全光開關(guān)需要高功率光來(lái)驅(qū)動(dòng)開關(guān)，其功率不能低于信號(hào)光的功率，即毫瓦量級(jí)的開光功率，且受限于開光速率，限制了其應(yīng)用。光纖M-Z干涉儀型濾波器由全光纖組成，具有較低的插入損耗、梳狀和帶通濾波及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在光纖通信和光纖傳感中得到了廣泛的研究和應(yīng)用[9-10]。但是其具有消光比有限的缺點(diǎn)，限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。為了解決這一問(wèn)題，需要研究提高M(jìn)-Z干涉儀消光比的方法。文獻(xiàn)[11]提出在干涉儀的一端熔接上光纖全反鏡的方法，以此來(lái)大幅提高干涉儀的消光比，改善輸出光譜的特性。羅華棟等[12]提出將單通道M-Z干涉儀的一端熔接到FBG來(lái)代替光纖全反鏡，構(gòu)成單通道FBG光開關(guān)，并通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其具有良好的開光特性；但由于單通道M-Z消光比有限，限制了其開關(guān)性能。

筆者提出了一種基于可調(diào)節(jié)雙通道M-Z干涉儀的FBG光開關(guān)，通過(guò)改變干涉儀中的可調(diào)電動(dòng)光纖延遲線的延遲時(shí)間,實(shí)現(xiàn)濾波譜周期的可調(diào)諧。通過(guò)改變干涉儀其中一臂的延遲時(shí)間設(shè)定，該光開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)定波長(zhǎng)光波的開關(guān)功能。

1 光開關(guān)組成及理論分析

雙通道可調(diào)光纖M-Z干涉儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。由普通單模光纖、兩個(gè)3 dB耦合器(C1，C2)、電動(dòng)光纖延遲線、偏振控制器和光隔離器組成。干涉儀由兩條干涉臂構(gòu)成，通常稱其中一條為參考臂，另一條為信號(hào)臂[13-16]。光場(chǎng)為E1的入射光從耦合器C1端口注入到M-Z干涉儀中，經(jīng)C1分光后在長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1和L2的光纖中傳輸。由于兩條干涉臂的光學(xué)長(zhǎng)度不等，兩束光傳輸?shù)今詈掀魈幘托纬闪艘欢ǖ南辔徊瞀う?，產(chǎn)生干涉并經(jīng)過(guò)耦合器C2端口輸出，形成光場(chǎng)為E3和E4的干涉光。干涉光是具有規(guī)律的梳狀透射譜，故又稱為M-Z干涉儀梳狀濾波器。

圖1 雙通道干涉儀結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of dual-pass M-Z interferometer

若輸入光場(chǎng)只有E1，經(jīng)過(guò)耦合器C1和C2后的光場(chǎng)E3和E4可由下式獲得

(1)

其中：η1和η2分別為耦合器C1和C2的耦合比，均為50%。

β 為傳輸常數(shù)，即

(2)

其中：n為基模的有效折射率；λ為輸入光在真空中的波長(zhǎng)。

當(dāng)組成干涉儀兩臂的光纖為同種材料的光纖時(shí)，得到干涉儀輸出端口的傳輸函數(shù)為

(3)

其中：Δφ=2nπΔL/λ，代表兩條干涉臂之間的傳輸相位差。

M-Z干涉儀輸出透射譜中相鄰兩峰值波長(zhǎng)間的波長(zhǎng)間隔Δλ為

(4)

其中：ΔL為M-Z干涉儀兩條干涉臂之間的臂長(zhǎng)差。

由式(4)可知，改變M-Z干涉儀兩臂的長(zhǎng)度差，可以改變其透射譜的周期，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)間隔的可調(diào)諧。由于光隔離器的隔離作用，只有電場(chǎng)E4能夠經(jīng)過(guò)光隔離器從耦合器C2的右側(cè)端口注入，進(jìn)行二次傳輸，相當(dāng)于兩個(gè)單通道M-Z干涉儀的級(jí)聯(lián)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行了兩次處理，使消光比得到了極大提高，構(gòu)成了雙通道M-Z干涉儀。偏振控制器用于調(diào)節(jié)干涉儀其中一臂的偏振態(tài)，使M-Z干涉儀獲得較高的消光比并提高其穩(wěn)定性。

干涉儀的兩臂延遲時(shí)間Δt與兩臂長(zhǎng)度差ΔL的關(guān)系為

(5)

通過(guò)調(diào)整雙通道干涉儀其中一臂的延遲時(shí)間t，使干涉儀兩臂間的延遲時(shí)間Δt改變，構(gòu)成一種雙通道光開關(guān)。如果FBG反射峰處于M-Z干涉儀干涉的相長(zhǎng)位置，就會(huì)得到FBG的反射光；反之，如果FBG反射峰處于M-Z干涉儀干涉的相消位置，F(xiàn)BG的反射光就會(huì)被抑制，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)FBG峰值反射光的開關(guān)作用。

2 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測(cè)試分析

2.1 雙通道可調(diào)M-Z干涉儀性能測(cè)試

雙通道可調(diào)M-Z干涉儀性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由寬帶ASE光源、雙通道可調(diào)M-Z干涉儀和光譜儀組成。其中：ASE光源帶寬范圍為1 525～1 568 nm，平坦度<2 dB，輸出功率為13 dBm；光譜儀為橫河公司的AQ6370D型光譜分析儀，光譜分辨率為20 pm。 如圖1所示，放大自發(fā)輻射光源 (amplified spontaneous emission，簡(jiǎn)稱ASE)光源接入雙通道可調(diào)M-Z干涉儀的輸入端E1，光譜分析儀與另一端E2連接用以輸出干涉光譜。測(cè)試中，調(diào)節(jié)光纖延遲線的延遲時(shí)間并記錄其輸出光譜圖。圖2為延時(shí)時(shí)間分別為254，255，256及257 ps時(shí)，干涉儀輸出的光譜。隨著干涉儀其中一臂的延遲時(shí)間不斷增加，相當(dāng)于兩臂長(zhǎng)度差不斷增大，輸出光譜相鄰峰值波長(zhǎng)間隔逐漸減小，由4.2 nm變?yōu)?.3 nm，而干涉儀的消光比也逐漸降低，由20 dB降低到13 dB，如表1所示。由于干涉儀使用的可調(diào)電動(dòng)光纖延遲線的調(diào)節(jié)范圍為0～330 ps，最小步進(jìn)間隔為0.05 ps，因此可以實(shí)現(xiàn)大范圍及高精度的濾波調(diào)節(jié)功能。

圖2 不同延遲時(shí)間的雙通道可調(diào)M-Z干涉儀輸出光譜Fig.2 The output spectrum of dual-pass tunable M-Z interferometer at different delay time

Tab.1 The change of the output spectrum under different delay time

序號(hào)延遲時(shí)間/ps波長(zhǎng)間隔/nm消光比/dB12544.22022553.61632562.91342572.311

2.2 雙通道可調(diào)M-Z干涉儀光開關(guān)性能測(cè)試

基于雙通道M-Z干涉儀的FBG光開關(guān)性能測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。寬帶光源的入射光經(jīng)光環(huán)形器1端口注入，從光環(huán)形器2端口入射到光纖光柵，經(jīng)過(guò)FBG選頻作用后，特定波長(zhǎng)的光被反射回到光環(huán)形器端口2，并經(jīng)由光環(huán)形器的端口3入射到由雙通道M-Z干涉儀組成的FBG光開關(guān)。通過(guò)調(diào)整電動(dòng)光纖延遲線的延遲時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)FBG峰值反射光的開關(guān)控制。

為保證施加拉力大小的穩(wěn)定性，需將FBG放置在等強(qiáng)度梁上。當(dāng)?shù)葟?qiáng)度梁未施加拉力時(shí)，F(xiàn)BG的反射峰值波長(zhǎng)為1 549.57 nm，如圖4所示。當(dāng)電動(dòng)延遲線的延遲時(shí)間為0 ps時(shí)，M-Z干涉儀沒有干涉譜，F(xiàn)BG開關(guān)處于打開的狀態(tài)。經(jīng)過(guò)FBG后的反射峰值波長(zhǎng)功率為-24.86 dBm。調(diào)節(jié)電動(dòng)延遲線的延遲時(shí)間為256 ps時(shí)，F(xiàn)BG的反射峰值波長(zhǎng)處于M-Z干涉儀輸出干涉譜的波谷位置，則FBG開關(guān)處于關(guān)閉的狀態(tài)，此時(shí)的FBG反射峰值波長(zhǎng)功率為-50.18 dBm。光開關(guān)對(duì)FBG的反射波長(zhǎng)抑制為25 dB，實(shí)現(xiàn)了對(duì)FBG峰值反射光的開關(guān)控制。

圖3 FBG開關(guān)性能檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Schematic diagram of FBG switch performance testing system

通過(guò)等強(qiáng)度梁對(duì)FBG施加拉應(yīng)力，使其波長(zhǎng)漂移至1 550.10 nm，如圖5所示。當(dāng)電動(dòng)延遲線處于0 ps時(shí)，M-Z干涉儀沒有干涉譜，F(xiàn)BG開關(guān)處于打開的狀態(tài)。經(jīng)過(guò)FBG后的反射峰值波長(zhǎng)功率為-25.09 dBm。調(diào)節(jié)電動(dòng)延遲線的延遲時(shí)間為256 ps時(shí)，F(xiàn)BG的反射峰值波長(zhǎng)恰好處于M-Z干涉儀輸出干涉譜的波谷位置，F(xiàn)BG開關(guān)處于關(guān)閉的狀態(tài)，此時(shí)的FBG反射峰值波長(zhǎng)功率為-50.11 dBm。光開關(guān)對(duì)FBG的反射波長(zhǎng)抑制為25 dB，實(shí)現(xiàn)了對(duì)FBG峰值反射光的開關(guān)控制。

圖4 未施加拉力前FBG開關(guān)光譜對(duì)比圖Fig.4 The contrast spectral diagram of FBG switch when no tension applied

3 結(jié)束語(yǔ)

分析了全光纖M-Z干涉儀的濾波原理，設(shè)計(jì)了基于電動(dòng)光纖延遲線的雙通道可調(diào)M-Z干涉儀FBG光開關(guān)，使用C波段寬帶ASE光源與不同峰值波長(zhǎng)的FBG對(duì)用雙通道可調(diào)M-Z干涉儀構(gòu)成的FBG光開關(guān)進(jìn)行了性能測(cè)試。通過(guò)采集到的該光開關(guān)在波長(zhǎng)1 550 nm處的輸出光譜，表明該結(jié)構(gòu)的雙通道M-Z干涉儀光開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)FBG反射峰值波長(zhǎng)的打開與關(guān)斷控制，光開關(guān)的消光比達(dá)到25 dB，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍高精度濾波功能，具有高消光比、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和易于調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.04.030

教育部長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(IRT1212)； 北京市重大科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(Z151100003615010)；北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(KM201611232005)

2016-04-10；

2016-06-01

TP212.1

閆光，男，1979年8月生,博士、講師。主要研究方向?yàn)楣饫w傳感技術(shù)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等。曾發(fā)表《含口蓋復(fù)合材料圓柱殼軸壓屈曲性能分析》(《吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版》2015年第45卷第1期)等論文。

E-mail: YanGuang79@bistu.edu.cn