基于Sagnac干涉仪的级联型梳状滤波器

可调谐滤波器为重要部件的可调谐光纤激光器 , 只 需要调谐波长 就作为 不同 信道的 光发 射机 , 作 为 DWDM 系统中的工作激光器和备用激光器 , 大大降 低了系统的运营和 备份成本。随着滤波技术的 发 展, 可调谐光梳状滤波器已经成为国内外滤波器研 究的热点。 近年来人们已经提出很多光学梳状滤波 器技 术, 主要包括 M ach- Zehnder 干涉仪 纤光栅 涉仪
2 2
( 9) ( 10) ( 11)
当 k = 0 . 5, = / 2 时, 反射谱和透射谱都达到最大 的消光比, 故一般采用 3 dB 耦合器和偏振控制器的 偏转角为 / 2 的 H iBi 光纤 Sagnac 干涉仪。
3 级联型 H iBi 光纤和 Sag nac 环的梳 状滤波器
由多段 H iBi 光纤组成的 Sagnac 干涉仪大致可
( 8) 的 x 轴和 y 轴的分量 ,
、 E
2y
为透射光 E
2
的 x 轴和 y 轴的分量。
入射光的光功率为 P 0 , 则 H iBi 光纤 Sagnac 环 的反射率 r 和透射率 t 分别为: r= P1 / P0 t= P 2 / P 0 由以上计算公式可以推出 : r = 4k( 1- k) [ 1- sin2 co s2 ] t= ( 1- 2 k) + 4k( 1- k) sin co s
式中 为光场在偏振态不变的情况下偏振方向逆时 针旋转的角度 ; 为在 H iBi 光纤快慢轴上传输时产 生的相位差 , = !nL/ ∀ , !n 为 H iBi 光纤快慢轴的 折射率差, L 为 H iBi 光纤的长度 ; k 为耦合器 的功 率耦合比。 偏振控制器采用的是波片型偏振控制器, 其结 构如图 2 所示。第一个 1/ 4 波片把任意的输入偏振 光转变为线偏振光 , 1/ 2 波片将线偏振光转到 任一 期望的偏振方向 , 第二个 1/ 4 波片再将该偏振光转 变成希望得到的输出偏振态。
3
图2
波片型偏振控制器的结构
和 E 4 , 随后又返回耦合器, 相干叠加后再
从耦合器输入侧的两个端口分别 为反射光, E 2 为透射光。这 两束光的相位差决定了它们的强度。在此忽略光纤 损耗、 光纤耦合器熔锥区的偏振效应( 光经耦合器后 其偏振方向不发生变化 ) 。
=
2 H iBi 光纤 Sagnac 干涉仪的 Jones 矩阵
Jo nes 矩阵理论是用于描述光偏振态以及光波 经过光学器件后偏振态和唯一可以处理瞬间电场的 数学方法 , 可以将多个光学元件构成的传输系统 , 看 作是多个光学元 件的级联, 整 个传输系统的 Jones 矩阵为各个光学元件的 Jones 矩阵依次线性相乘。 偏振控制器、 H iBi 光纤和耦合器的 Jones 矩阵 分别为 R( ) 、 J、 Jc : R( ) = J= Jc = e- j 0 cos - sin 0 ej 1- k j k j k 1- k sin co s ( 1) ( 2) ( 3)
所以光场在干涉仪中传输的具体过程可以表达为 : E3 = E4 E 3= E 4= E E
1 2
1- k
j k
j k 1- k - j e 0 cos sin E3 0 ej - sin cos co s sin e- j 0 E4 - sin co s 0 ej 1- k j k E E
4
E1 E2
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光纤与电缆及其应用技术
2011 年第 1 期
以分为两种结构: a. 一个 Sag nac 环加入 N 段 H iBi 光纤和 N 个偏 振控 制器 组 成的 N 阶 H iBi 光 纤 Sagnac 干涉仪 , 简写为 N 阶 H BF So lc- Sagnac 干 涉仪; b. N 个单段 H iBi 光纤 Sag nac 干涉仪级联得 到的 N 阶 H BF L yot - Sag nac 干涉仪。 3. 1 三阶 HBF Solc- Sagnac 干涉仪级联滤波器 三阶 H BF Solc- Sagnac 干涉仪如图 3 所示 , 它 由一个 Sagnac 环中加入三段 H iBi 光纤和三个偏振 控制器组成。
[ 4 5] [ 2 3]
、 Bragg 光
、 F abry - P ero t 干涉仪
[ 6 8]
以及 Sagnac 干
[ 9 15]
等。而基于高双折射 ( H iBi) 光纤的 Sagnac
马 红玉 , 等 : 基于 Sagnac 干涉仪的级联型梳状滤波器
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环滤波器 [ 16 19] 具有入射光偏振无光、 结构简单、 性能 稳定、 反射和透射谱易于调节的特点, 近年来受到广 泛关注。级联 H iBi 光纤 Sagnac 环滤波器使输出的 反射谱和透射谱的调整更为精细, 所以十分具有研 究意义和应用前景。
为当前光纤通信领域的研究热点。高双折射 ( H iBi) 光纤环具有 易于制作、 性能稳 定以及良 好的滤波特 性等特点 , 近 年来受到广泛关注 ; 通过增加 Sagnac 环内 HiBi 光纤和偏振控制器的个数 , 或者采用多个 H iBi 光纤 Sagnac 环的级联 形式 , 可使输出的反射谱和透射谱的谱宽和中心波长调谐得更为精细。推导了 H iBi 光纤 、 耦合器以及偏振控制器的 Jones 矩阵 , 利用 Jones 矩阵理论对基于 H iBi 光纤和 Sagnac 环的滤波器的传输 矩阵进行了 理论分析 , 分析并 设计了 两种高阶级联的 H iBi 光纤 Sag nac 环的可调谐梳状滤波器 , 通过调节 压电陶瓷 ( PZT ) 实现 对 H iBi 光纤 相位的控 制 , 最终实现对基于 H iBi 光纤 Sagnac 干涉仪的梳状滤波器中心波长调谐的目的。 [ 关键词 ] 高双折射光纤 ; Sagnac 环 ; Jones 矩阵 ; H BF Solc- Sag nac 干涉仪 ; H BF Ly ot- Sag nac 干涉仪 T N253 [ 文献标识码 ] B [ 文章编号 ] 1006 1908( 2011) 01 0028 05 [ 中图分类号 ]
0
引
言
成熟应用极大提高了光纤通信系统的容量, 成为光 纤传输网络增容的主要技术手段
[ 1]
。与此同时 , 以
光通信以高速大信息传输的优点, 成为通信技 术发展的焦点。由于通信业务逐渐转向以 高速 IP 和多媒体为代表的宽带业务, 人们对光通信网络的 带宽和容量提出越来越高的要求。 DWDM 技术的
[ 收 稿日期] [ 基金项目 ] [ 作 者简介] [ 作 者地址] 2010 11 01 国家自然科学基金资助项目 ( 60777013) ; 北 京 市自然科学基金资助项目 ( 4082023) 马红玉 ( 1986- ) , 女 , 北 京交 通大 学电 子信 息 工程学院硕士研究生 . 北京市 海淀区学 院东路 18 号 , 北京交 通大 学 学苑公寓 6 号楼 521 室 , 100044
1 H iBi 光纤 Sagnac 干 涉仪 的工 作 原理
H iBi 光 纤 Sag nac 环 干涉仪 的结构 如图 1 所 示 , 它由一个耦合比为 k 的耦合器、 一个偏振控制器 和一段 H iBi 光纤经普通单模光纤连接组成。光场 矢量 E 1 和 E 2 分别从端口 1 和端口 2 输入 , 一般情 况下光场矢量 E 2 = 0 , 故称 E 1 为入射光 , 经过耦合 器后入射光分成两束相干光 E 3 和 E 4 , 它们分别沿 顺时针和逆时针方向传输 , 经过环路的传播变化后 成为 E
光纤与电缆及其应用 技术 Optical Fiber & Electr ic Cable
2011 年第 1 期 N o. 1 2011
应用技术
基于 Sagnac 干涉仪的级联型梳状滤波器
马红玉,
[摘 要]
陈根祥,
冯彩霞
( 北京交通大学 电子信息工程学院 , 北京 100044) 密集波分复用 ( DWDM ) 系统光信道数量的增加 , 使得与 DW DM 技术有关的各种光学滤波器 技术成
( 4) ( 5) ( 6)
图 1 HiBi 光纤 Sagnac 干涉仪的结构
( 7) 3 j k 1- k 从耦合器的端口 1 反射和端口 2 透射出的光功 率分别为: P 1 = E 1x 2 + E 1y 2 P 2 = E 2x + E 2y 式中 E 1x 、 E 1y 为反射光 E E
2x 2 2 1
A Cascaded Comb Filter Based on Sagnac Interferometer
M A H o ng yu, CH EN Gen xiang , F ENG Cai x ia
( School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China) Abstract: W ith t he increase of optical channels in DWDM systems v ario us optical filters r elated DW DM applicatio ns become a hot to pic in the field of optical fiber communications. High birefring ence ( H iBi) fiber Sag nac loops have attr acted widespr ead attentio n in recent y ea rs due to t heir simple st ruct ur e, stable perfo rmance and perfect comb filtering char act eristics; and to increase the number of H iBi fiber and po lar izatio n contr oller in Sag nac lo op, o r connect multiple Sag nac lo ops tog ether can make the tuning of spectr um w idt h and centr al wav elength of the r ef lection spectr um and transmission spectrum more precise. T he Jones matr ixes of H iBi fiber, coupler , and po lar ization contro ller ar e deduced; the transmission matr ix es o f the filters that ar e based on H iBi fiber and Sag nac loo p are analy zed theo retically; and two high lev el and cascaded tunable comb filter s based on H iBi fiber and Sag nac loo p are analy zed and desig ned. T hro ug h contro lling the phase of HiBi fiber by adjusting PZT , the tuning of the centr al w aveleng th o f the co mb filter based on HiBi fiber Sagnac interfero meter is r ealized. Key words: H iBi fiber; Sag nac loo p; Jones mat rix ; HBF So lc - Sag nac interfer ometer; H BF L yot - Sag nac inter ferometer