采用光纖光柵級聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)光纖延遲線

王 翀，杜 歡，王 靜，王 菁，王景華

西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710121

引 言

光纖延遲線作為光分組的存儲設(shè)備和緩沖器[1]，被廣泛應(yīng)用于光通信、 全光信號處理、 相控陣?yán)走_(dá)天線以及微波產(chǎn)生系統(tǒng)中[2]，具有損耗低、 體積小、 易于集成、 帶寬大、 抗電磁干擾等優(yōu)點[3-4]。 光纖延遲線的研究一般通過幾個特征來實現(xiàn)： 一是連續(xù)可調(diào)性，二是使用相對較短的光學(xué)長度最大程度地減少延遲，三是同時訪問一個或多個可能的延遲值[5]。 近年來，人們利用各種光學(xué)元件來制作光纖延遲線，常用到單模光纖、 色散補償光纖、 光纖布拉格光柵、 集成波導(dǎo)或光子晶體波導(dǎo)[6-7]等，而光纖光柵型延遲線的研究成為一大熱點。

光纖布拉格光柵作為一種重要的光學(xué)濾波器件，廣泛應(yīng)用于傳感器、 通信、 色散控制和光子信號處理器中[8-9]。 它是一種有效折射率沿長度周期性變化的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，由于這種周期性的指數(shù)變化，可以使其反射特定波長的光，因此可作為特定波長的反射器或過濾器[10]。 在光纖延遲線中，通常會利用光纖光柵的反射鏡作用、 群時延作用或者溫度應(yīng)變能力達(dá)到延時目的。 2018年, Zhao[11]等提出一種基于線性啁啾光纖布拉格光柵的可配置光子真時延遲線，利用光纖光柵的群時延特性，控制波長為1 549.92，1 551.72，1 552.52和1 553.33 nm的光信號經(jīng)過8個串聯(lián)啁啾布拉格光柵，實現(xiàn)了104 ps的延遲，這種延遲線雖然中心波長間距小，但時延范圍只有皮秒級別； 2019年，Ao[12]等提出一種基于光波導(dǎo)帶布拉格光柵的光纖延遲線，這種延遲線使用布拉格反射器和延遲波導(dǎo)組成延遲波導(dǎo)單元，實現(xiàn)了中心波長范圍為1 560～1 584.5 nm、 間距為3.5 nm、 單步長為12.5 ps的延遲，這種結(jié)構(gòu)延遲線能夠?qū)⒁宦穫鬏敼饫w多次使用，但中心波長間距大。

在此基礎(chǔ)上提出了一種光纖光柵與單模傳輸光纖相結(jié)合的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)中心波長范圍為1 550～1 553 nm、 間距為1 nm、 單步長為0.5 μs的延遲線，即能使中心波長間距變?yōu)? nm的窄帶，又能使一路傳輸光纖被多次使用的微秒級別時延。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

1.1 光纖延遲線的系統(tǒng)構(gòu)成

光纖延遲線系統(tǒng)包括六部分，分別為： 可調(diào)諧激光光源(TUNICS T100S-HP高功率可調(diào)諧激光器)、 DWDM密集波分復(fù)用器、 EDFA光纖放大器、 光延遲模塊、 波分解復(fù)用器(DE-DWDM)以及光探測器[11]。 如圖1所示，其中，可調(diào)諧激光器發(fā)射的波長范圍為1 500～1 630 nm，本文選擇1 550，1 551，1 552和1 553 nm這四個波長，經(jīng)密集波分復(fù)用器后由單根光纖傳輸至光纖放大器，完成對光信號的放大，之后由光延遲模塊對不同波長的光信號進(jìn)行相應(yīng)時延，最后由波分解復(fù)用器將延遲后的信號分為四路從光探測器輸出。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of system

1.2 原理及延遲模塊設(shè)計

光在傳輸光纖中傳播時，滿足式(1)，時延大小Δt會隨傳輸光纖長度L的增大而增大，也就是說只要改變光纖長度就能實現(xiàn)不同的延遲時間。

(1)

式(1)中，ng為光纖的群折射率。 輸入信號與輸出信號僅發(fā)生時間延遲，但其頻率、 幅度等特性不發(fā)生改變。

因此，采用傳輸光纖完成光信號的時延，光延遲模塊由單模傳輸光纖、 光纖光柵、 光環(huán)形器這三大部分構(gòu)成，如圖2所示，采用光纖光柵級聯(lián)結(jié)構(gòu)可以使每一路傳輸光纖被多次使用，從而減少傳輸光纖的數(shù)量。 每個延遲單元由相同長度的傳輸光纖與特定波長反射啁啾布拉格光纖光柵連接而成，再使用光環(huán)形器將4個延遲單元級聯(lián)構(gòu)成光延遲模塊，每個光柵的啁啾系數(shù)相同，只是光纖光柵反射光信號的特定波長不同。 每個延遲單元的延遲步長均為103 m，單次通過可實現(xiàn)0.5 μs的時延，所以該系統(tǒng)可實現(xiàn)1，1.5，2和2.5 μs四種不同的時延。

圖2 光延遲模塊框圖Fig.2 Block diagram of optical delay module

1.3 光纖繞線盤

隨著信道容量和比特率的增加，傳輸線的復(fù)雜度和成本也隨之增加，對于某些應(yīng)用，即使是最簡單的體積和重量也成為了關(guān)鍵因素。 在此次延遲模塊的設(shè)計中，由于所使用的單模傳輸光纖有四段，且每段長為103 m，在使用時會被反復(fù)彎曲，為了避免傳輸光纖松動，將四段傳輸光纖更好的整合，并且盡量減小延遲模塊體積，因此使用光纖繞線盤對延遲單元的體積進(jìn)行壓縮。 此處使用的光纖繞線盤內(nèi)徑6 cm，外徑10 cm，高11 cm，如圖3所示，其中1～4為四個延遲單元，5～8為光纖光柵，9～12為光環(huán)形器。

圖3 光纖繞線盤Fig.3 Optical fiber reel

2 計算與仿真分析

2.1 布拉格光柵反射譜

光纖布拉格光柵是一種內(nèi)聯(lián)光學(xué)濾光器，它可以反射特定波長的光，同時傳輸其他波長的光[13]。 光信號經(jīng)光纖光柵傳輸，在到達(dá)特定波長λ處發(fā)生反射，如圖4所示，Λ(z)表示光柵的折射率變化周期。

圖4 光纖光柵示意圖Fig.4 Schematic diagram of fiber grating

在均勻分布的布拉格光纖光柵中，反射率滿足式(2)

(2)

由于延遲模塊所使用的光纖光柵只對單波長有反射作用，經(jīng)過圖5的仿真可以發(fā)現(xiàn)，光纖光柵結(jié)果并不理想，因此采用幾個切趾函數(shù)對反射譜旁瓣進(jìn)行抑制。 仿真結(jié)果如圖6所示，雖然不同切趾函數(shù)對反射譜的影響不同，但都在一

圖5 中心波長1 550，1 551，1 552和1 553 nm的反射譜Fig.5 Reflectance spectrum of center wavelength1 550, 1 551, 1 552 and 1 553 nm

圖6 六個切趾函數(shù)切趾圖(a): 布萊克曼函數(shù)； (b): 辛格函數(shù)； (c): 雙曲正切函數(shù)； (d): 漢明函數(shù)； (e): 高斯函數(shù)； (f): 柯西函數(shù)Fig.6 Six apodization function apodization diagram(a): Blackman function; (b): Sinc function; (c): Tanh function; (d): Hamming function; (e): Gauss function; (f): Cauchy function

定程度上消減了反射譜帶寬，經(jīng)對比可知，布萊克曼函數(shù)、 雙曲正切函數(shù)和辛格函數(shù)都不能達(dá)到消除反射譜旁瓣的作用，漢明函數(shù)在基本消除反射譜旁瓣的同時嚴(yán)重消減了反射譜包絡(luò)，高斯函數(shù)和柯西函數(shù)能夠完全消除旁瓣，但都對反射譜包絡(luò)產(chǎn)生了消減，其中既能完全消除反射譜旁瓣，又對反射譜包絡(luò)影響最小的是柯西切趾函數(shù)。

表1 不同切趾函數(shù)對比Table 1 Comparison of different apodization functions

2.2 彎曲損耗

使用光纖繞線盤整合傳輸光纖時，會產(chǎn)生相應(yīng)的彎曲損耗，主要是由從直波導(dǎo)進(jìn)入彎曲波導(dǎo)時產(chǎn)生的模式耦合損耗引起的[14]。 而彎曲損耗的計算方法十分繁多，此處考慮到不同工作波長及彎曲半徑的影響，故而采用Luc B Jeunhomme 理論仿真其彎曲損耗，如圖7所示。

圖7 不同工作波長下光纖損耗隨半徑的變化Fig.7 Variation of fiber loss with radiusunder different working wavelengths

單位弧長上彎曲損耗αR滿足式(3)，其中R為彎曲半徑，kl(w)為一階第二類修正貝賽爾函數(shù)，w為徑向歸一化衰減常數(shù)，ν為歸一化頻率，β為光沿軸向傳播系數(shù)，α為纖芯半徑。

(3)

由仿真結(jié)果可知，彎曲半徑相同時，損耗與工作波長成正比； 工作波長相同時，彎曲損耗與彎曲半徑成反比。 在2～2.9 cm范圍內(nèi)曲線快速下降，大于2.9 cm以后較為平緩且趨近于零，所以使用的光纖繞線盤內(nèi)半徑應(yīng)大于2.9 cm，才能避免由彎曲帶來的損耗，因此選用內(nèi)半徑為3 cm的光纖繞線盤對延遲模塊傳輸光纖進(jìn)行體積壓縮。

3 實驗測試

3.1 延遲波形測試

由于在延遲單元中通過使用一定長度的傳輸光纖達(dá)到時延目的，故而在實驗測試過程中，最重要的是須確保光信號經(jīng)過不同傳輸距離后所產(chǎn)生的損耗最小，因此在工作波長與彎曲半徑保持不變的情況下，當(dāng)光纖長度分別為0 m，3 m和5 km時對輸出信號的波形進(jìn)行測量，測試框圖如圖8所示。 采用GY-IB型手持式激光光源提供1 550 nm的輸出光信號，光波經(jīng)過特定長度的傳輸光纖之后，利用泰克TDS784D型示波器對頻率為2 000 Hz的輸出波形進(jìn)行測量，如圖9所示。

將一定長度的傳輸光纖繞成內(nèi)半徑為8.25 cm的繞線盤，中心波長1 550 nm，頻率2 000 Hz的光信號直接輸入示波器中測得周期為500 μs、 相位144°、 信號帶寬500 MHz、 脈沖寬度為200 μs； 經(jīng)3 m和5 km傳輸線后各項參數(shù)均保持不變。 由測試結(jié)果可知，經(jīng)5 km長距離延遲后的信號依然能保持原信號的特征，因此使用103 m傳輸光纖可達(dá)到預(yù)期延遲目的。

3.2 彎曲損耗測試

由于使用彎曲半徑為3 cm的繞線盤對延遲單元中的傳輸光纖進(jìn)行整合，為了檢測彎曲半徑是否合理，因此對中心波長為1 550 nm, 傳輸光纖總長度為3 cm，但彎曲半徑不同的情況下對輸出功率進(jìn)行測量，并繪制輸出頻率為2 000 Hz時不同彎曲半徑下相對于直光纖的功率差曲線圖(圖11)。 采用GY-IB型手持式激光光源提供1 550 nm的輸出光信號、 3 m傳輸光纖以及W-GGL型光功率計對不同頻率下的輸出功率進(jìn)行測量。

結(jié)果顯示，光纖的彎曲程度會對輸出功率造成不同程度的損耗，當(dāng)彎曲半徑處于2～3 cm時，輸出頻率在1 000與2 000 Hz處有較大損耗，當(dāng)彎曲半徑大于3 cm時輸出功率無限趨近于直光纖的輸出功率，經(jīng)計算在彎曲半徑為3 cm處相對于直光纖的輸出功率相差0.18 dBm，因此設(shè)置繞線盤內(nèi)徑為3 cm符合光纖延遲線的損耗范圍。

圖8 波形測試系統(tǒng)Fig.8 Waveform test system

圖9 輸出頻率為2 000 Hz時不同傳輸距離波形Fig.9 Waveforms of different transmission distances when the output frequency is 2 000 Hz

圖10 測試系統(tǒng)框圖Fig.10 Block diagram of the test system

圖11 輸出頻率2 000 Hz時相對于直光纖的功率差Fig.11 The power difference relative to the straight opticalfiber when the output frequency is 2 000 Hz

4 結(jié) 論

根據(jù)大范圍可調(diào)光纖延遲線的基本要求，使用光延遲單元級聯(lián)結(jié)構(gòu)，不僅能將光纖光柵型延遲線時延范圍提升到微秒級別，而且還實現(xiàn)了中心波長寬度為1 nm的窄波長反射型時延線，也能減少傳輸光纖的使用。 本文對光纖的彎曲損耗以及中心波長不同的啁啾布拉格光纖光柵的反射譜進(jìn)行仿真分析，由于反射譜旁瓣產(chǎn)生重疊現(xiàn)象，并沒有達(dá)到預(yù)期效果，因此需采用不同的切趾函數(shù)對光纖光柵反射譜的旁瓣進(jìn)行濾除。 仿真結(jié)果表明： 采用不同的切趾函數(shù)對反射譜的旁瓣濾除效果不同，能夠完全濾除旁瓣并且對反射譜包絡(luò)影響最小的是柯西切趾函數(shù)，經(jīng)柯西切趾后在中心波長1 nm范圍內(nèi)反射率可達(dá)到1并且其他波長范圍均為0； 工作波長與彎曲損耗成正比，當(dāng)彎曲半徑大于2.9 cm時，彎曲損耗曲線變化平緩且值接近于零。 經(jīng)實驗驗證，經(jīng)過5 km長距離傳輸后依然保持原信號特征，因此，選用103 m的傳輸光纖達(dá)到相應(yīng)時延范圍是可行的； 彎曲半徑為3 cm時，輸出光功率與直光纖的輸出功率相近，損耗為0.18 dBm，因此，選用3 cm作為彎曲半徑可滿足損耗低的要求。