基于相移光柵的Sagnac環(huán)濾波器的光譜特性分析

王 露, 武向農(nóng), 周 明

(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海 200234)

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基于相移光柵的Sagnac環(huán)濾波器的光譜特性分析

王 露, 武向農(nóng), 周 明

(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海 200234)

提出了一種基于相移光柵的Sagnac環(huán)濾波器的設(shè)計(jì).利用Jones矩陣法,建立了該濾波器的理論模型,推導(dǎo)出了傳輸譜的表達(dá)式,并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值仿真和分析.重點(diǎn)討論了相移光柵的參量、光纖環(huán)臂差對(duì)傳輸光譜的影響.通過(guò)數(shù)值模擬,得到了具有雙帶通的梳狀濾波特性的傳輸光譜,可應(yīng)用于光纖光柵傳感和通信系統(tǒng).

光纖; Sagnac環(huán); 相移光纖光柵; 傳輸矩陣; 濾波器

0 引 言

隨著信息傳輸速度日益加快,光纖通信在高速大容量、高帶寬信息傳輸方面巨大的優(yōu)勢(shì)和潛力得到了廣泛的重視和應(yīng)用.在光纖通信DWDM系統(tǒng)中,對(duì)不同通道進(jìn)行調(diào)諧和濾波的各種梳狀濾波器[1-2]成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一.其中,基于光纖Sagnac環(huán)的梳狀濾波器[3-8]具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、插入損耗低、通帶間隔易于調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn),受到了廣泛關(guān)注.目前,國(guó)內(nèi)對(duì)于基于光纖光柵的Sagnac環(huán)濾波器的研究主要集中在:1)基于對(duì)稱啁啾光纖光柵的Sagnac環(huán)濾波器,以實(shí)現(xiàn)通帶間隔相等、工作帶寬大的光濾波器[8],通帶間隔分別為0.4、0.2 nm,對(duì)應(yīng)的通帶數(shù)分別為10個(gè)和20個(gè),工作帶寬約為4 nm,但信道的隔離度小;2)基于光纖光柵Sagnac環(huán)的級(jí)聯(lián)型梳狀濾波器,實(shí)現(xiàn)了通道間隔為0.8 nm,半峰全寬為0.1 nm的梳狀譜,進(jìn)一步提高了濾波器的信道隔離度[9],這些方案各有不同的應(yīng)用場(chǎng)合.

為了探討更多結(jié)構(gòu)的梳狀濾波器,本文作者提出了基于相移光纖光柵的Sagnac環(huán)濾波器.主要利用Jones矩陣?yán)碚搶?duì)該類型的濾波器進(jìn)行了理論分析和研究,并在Matlab上進(jìn)行了相關(guān)的仿真,重點(diǎn)研究了光纖Sagnac環(huán)臂差ΔL、相移量φ、相移量φ的位置、相移量φ的數(shù)目等參數(shù)對(duì)傳輸光譜的影響,通過(guò)數(shù)值模擬,得到了具有雙帶通的梳狀濾波特性的傳輸光譜.

1 理論分析

傳輸矩陣方法在分析相移長(zhǎng)周期光纖光柵[10]、取樣光纖光柵光譜、模板設(shè)計(jì)等方面有重要的應(yīng)用價(jià)值.利用傳輸矩陣法可以簡(jiǎn)單直觀地分析光纖光柵光譜特性.當(dāng)光纖光柵具有均勻周期時(shí),通過(guò)推導(dǎo)耦合模方程可以得到解析式解.但當(dāng)光柵的折射率為非均勻周期分布時(shí),利用耦合模方程則需要多次迭代,使分析過(guò)程變得繁瑣,為此后來(lái)就有人提出了矩陣分析方法.它可以將一個(gè)非均勻的光纖光柵[11]認(rèn)為是由一系列小均勻周期的光纖光柵級(jí)聯(lián)而成,這樣只要將每一小段均勻周期的光纖光柵的傳輸矩陣相乘,就可以由光纖光柵輸入的光波場(chǎng)推算出光纖光柵輸出的光波場(chǎng).

基于相移光纖光柵的Sagnac環(huán)濾波器由一個(gè)3 dB耦合器、一段相移光纖光柵(PSFBG)和兩段單模光纖構(gòu)成,如圖1所示.濾波器的輸入端為端口1,輸出端為端口2,相移光纖光柵連接在2×2耦合器的另外兩端,兩段普通單模光纖的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1和L2,其長(zhǎng)度差記為ΔL=L1-L2.

圖1 基于相移光纖光柵的Sagnac環(huán)微波光子濾波器原理圖

利用傳輸矩陣法,可以得到整個(gè)相移光柵的傳輸關(guān)系為

(1)

為了便于分析,將式(1)改寫為

(2)

設(shè)3 dB光纖耦合器的功率耦合系數(shù)為K,則它的傳輸矩陣為

(3)

光波在長(zhǎng)度為L(zhǎng)1(2)的光纖中傳播時(shí)的傳輸矩陣可寫為

(4)

(5)

則透射率可表示為

(6)

2 數(shù)值仿真

2.1 光纖Sagnac環(huán)臂差ΔL對(duì)輸出光譜的影響

圖2 光纖Sagnac環(huán)臂差ΔL對(duì)應(yīng)的透射譜(L=2 mm)

從圖2中,可以看出透射譜形狀關(guān)于中心波長(zhǎng)呈近似對(duì)稱,每個(gè)譜圖有多個(gè)通道,具有梳狀特性.當(dāng)光纖環(huán)臂差ΔL=0時(shí),可以得到的透射譜與相同參數(shù)下相移光纖光柵的反射譜一致,即將相移光纖光柵的反射譜轉(zhuǎn)化成透射譜.隨著光纖環(huán)臂差ΔL的值增大,透射譜呈梳狀特性,通道數(shù)目成倍增加,帶寬逐漸變小,透射峰的峰值發(fā)生了變化,中心波長(zhǎng)λB=1 550nm處的透射率恒為0,且透射譜的包絡(luò)不變.

從圖3中,可以看出每個(gè)譜圖有多個(gè)通道,具有梳狀特性.當(dāng)光纖環(huán)臂差ΔL=0時(shí),可以得到的透射譜與均勻光纖光柵的反射譜相似,即將均勻光纖光柵的反射譜轉(zhuǎn)化成透射譜.隨著光纖環(huán)臂差ΔL的值增大,通道數(shù)目成倍增加,帶寬逐漸變小,透射譜的包絡(luò)形狀相近.

圖3 光纖Sagnac環(huán)臂差ΔL對(duì)應(yīng)的透射譜(L=8 mm)

2.2 相移量φ的大小對(duì)輸出光譜的影響

由圖4可以看出,不同的相移量φ對(duì)應(yīng)透射譜呈梳狀濾波特性,當(dāng)φ=mπ(m為整數(shù))時(shí),透射譜本身關(guān)于中心波長(zhǎng)呈對(duì)稱性,且透射峰的峰值和包絡(luò)變化小;當(dāng)φ≠mπ(m為整數(shù))時(shí),裂變點(diǎn)附近的峰值變小,中心波長(zhǎng)附近的光譜的包絡(luò)變化明顯,透射譜自身沒(méi)有對(duì)稱性,但當(dāng)相移量φ關(guān)于π對(duì)稱時(shí),得到的透射譜呈反對(duì)稱.

圖4 相移量φ對(duì)應(yīng)的透射譜

2.3 相移量φ的位置對(duì)輸出光譜的影響

圖5 相移量φ引入位置Z對(duì)應(yīng)的透射譜

2.4 相移量φ的數(shù)目對(duì)輸出光譜的影響

圖6 多個(gè)相移量φ對(duì)應(yīng)的透射譜

從圖6可以看出,不同數(shù)目的相移量所對(duì)應(yīng)的透射譜的包絡(luò)都為一個(gè)雙峰的光譜,且關(guān)于中心波長(zhǎng)λB=1 550 nm呈對(duì)稱性,當(dāng)相移量φ的數(shù)目增加時(shí),通道數(shù)目不變,阻帶的帶寬增大,透射率變小.因此,可以通過(guò)引入多個(gè)相移量實(shí)現(xiàn)關(guān)于中心波長(zhǎng)對(duì)稱的兩段范圍類的梳狀濾波.

3 結(jié) 論

本文作者提出了一種基于相移光纖光柵的Sagnac環(huán)濾波器設(shè)計(jì),并對(duì)該濾波器進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬,得到了具有雙峰的梳狀濾波特性的傳輸光譜,并詳細(xì)研究了一些重要參數(shù)如光纖Sagnac環(huán)臂差ΔL、相移量φ、相移量φ的位置、相移量φ的數(shù)目等對(duì)傳輸光譜的影響.本研究對(duì)探究結(jié)合光纖光柵和Sagnac環(huán)結(jié)構(gòu)的濾波器的應(yīng)用提供了一定的參考.

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(責(zé)任編輯：包震宇,郁 慧)

Spectral properties in the filter based on phase-shiftedgrating and Sagnac loop

WANG Lu, WU Xiangnong, ZHOU Ming

(College of Information,Mechanical and Electrical Engineering,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China)

In this paper,a filter was designed basing on the phase shift grating and Sagnac loop.The theoretical model of the filter using Jones Matrix has been established,and the expression of the transmission spectrum has been deduced.The numerical simulations and analysis for the transmission spectrum have been carried out.The effect of the parameters of the phase shift grating and optical fiber ring arm length difference on the transmission spectra have been mainly discussed.Through the numerical simulations,the transmission spectra of comb filter characteristics with dual band-pass have been obtained,and they can be applied in the fiber grating sensing and communication systems.

fiber optics; Sagnac loop; phase-shifted grating; transfer matrix; filter

2015-05-05

上海市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(13ZR1430400);上海市教委科研創(chuàng)新一般項(xiàng)目(14YZ070)

武向農(nóng),中國(guó)上海市徐匯區(qū)桂林路100號(hào),上海師范大學(xué)信息與機(jī)電工程學(xué)院,郵編:200234,E-mail:xnwu@shnu.edu.cn

TN 253

A

1000-5137(2016)05-0548-07

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2016.05.006