田家揚, 武向農(nóng)

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

兩種基于高雙折射光纖環(huán)的高階超精細(xì)梳狀濾波器

田家揚, 武向農(nóng)

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

設(shè)計了兩種基于高雙折射(HiBi)光纖薩尼亞克環(huán)的可調(diào)諧高階超精細(xì)梳狀濾波器,其由偏振控制器(PC)、環(huán)形器、2段(或3段)HiBi保偏光纖(PMF)組成,具有單輸入雙輸出和高階超精細(xì)梳狀光譜的特性,調(diào)諧靈活、輸出光譜精細(xì)等特點.建立了理論模型研究光譜的雙輸出特性;對二階濾波器,仿真研究了在HiBi光纖長度相等時偏振角度對輸出梳狀光譜的影響;對三階濾波器,仿真研究了的HiBi光纖長度對輸出梳狀光譜的影響.結(jié)果表明該種高階濾波器可應(yīng)用于不同波長光波的選頻輸出.

高雙折射光纖; 超精細(xì)濾波器; 薩尼亞克環(huán); 梳狀濾波器

0 引 言

基于高雙折射(HiBi)光纖薩尼亞克環(huán)的干涉儀具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于調(diào)節(jié)、調(diào)諧靈活、調(diào)諧范圍廣等特點,已引起了科研工作者的研究興趣.Luo等[1]采用雙重MZ干涉儀結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了可切換平頂濾波;Lee等[2]基于Solc型濾波器的環(huán)形結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了可切換平頂濾波功能;DEREVYANKO等[3]設(shè)計一種光纖光柵型平頂濾波器;Lai等[4]利用延遲光纖實現(xiàn)了平頂濾波;郝文良[5]通過級聯(lián)光纖起偏器和薩尼亞克環(huán)反射鏡也實現(xiàn)了該功能.然而,利用這些結(jié)構(gòu)得到的梳狀濾波器都有固定的波長間隔,不能實現(xiàn)波長間隔可切換的功能.

本文作者利用兩個二階(或三階)高雙折射環(huán)濾波器的級聯(lián),通過添加的一個三端口光學(xué)環(huán)形器的作用,將第二個薩尼亞克環(huán)的反射譜輸出,與前一個環(huán)的透射譜輸出相結(jié)合,設(shè)計了兩種基于HiBi光纖環(huán)的新型高階超精細(xì)梳狀濾波器,可以作為平頂濾波器,同時在尖頂?shù)那闆r下濾波器的波長間隔還可以切換.

1 基于HiBi光纖的薩尼亞克全光纖濾波器的理論研究

1.1 基于兩階HiBi光纖的二階級聯(lián)薩尼亞克濾波器的理論分析

1913年,法國人薩尼亞克將同一光源發(fā)射的一束光分為兩束,并讓它們在一個環(huán)形回路中傳輸一周后再次會合,構(gòu)成了一個環(huán)形干涉儀.將一個3 dB光纖耦合器的兩輸出端連接起來就可以構(gòu)成全光纖結(jié)果的薩尼亞克干涉儀,目前航空航天領(lǐng)域廣泛采用的光纖陀螺正是基于這種薩尼亞克干涉儀而設(shè)計的.如果將3 dB光纖耦合器的輸出兩端分別與1段HiBi光纖兩端熔接,就可構(gòu)成一個偏振無關(guān)全光纖薩尼亞克濾波器,這種濾波器具有梳狀濾波譜.

基于上述與偏振無關(guān)的一般全光纖薩尼亞克濾波器,本研究在單級薩尼亞克環(huán)中引入2段(或3段)HiBi保偏光纖,并通過添加的一個光學(xué)三端口環(huán)形器來級聯(lián)2個單級薩尼亞克環(huán)構(gòu)成兩種新型全光纖薩尼亞克梳狀濾波器,通過對偏振控制器的偏振態(tài)的控制,實現(xiàn)了基于此種濾波器的多種新型濾波功能.原理圖如圖1所示,由寬帶光源、兩個高雙折射SAGANC濾波器和一個環(huán)形器組成.寬帶光源發(fā)出輸入光,經(jīng)過第二個薩尼亞克環(huán)濾波器后,一部分反射回來經(jīng)過環(huán)形器的端口2輸出,假設(shè)環(huán)形器是理想的,不存在損耗,一部分直接透射輸出,輸出光通過光譜儀接收.

圖1 單級級聯(lián)薩尼亞克濾波器的結(jié)構(gòu)圖

圖1中,Input為信號輸入端口,PC1、PC2為偏振控制器,L1和L2分別為2段HiBi光纖的長度,Out1為直接輸出端口,Out2為通過環(huán)形器端口的輸出端.

根據(jù)理論分析結(jié)果,單級級聯(lián)情況下的2個輸出口的輸出函數(shù)可表示為[8-10]:

(1)

(2)

在單級薩尼亞克濾波器中使用2段HiBi光纖來構(gòu)成全光纖濾波器,并對其濾波特性進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)在2階HiBi光纖環(huán)的情況下可以通過調(diào)諧偏振控制器來實現(xiàn)對濾波器來實現(xiàn)對濾波譜的調(diào)諧,而在單階HiBi光纖的情況下無法實現(xiàn)對濾波譜的調(diào)諧[6-7].本節(jié)將通過采用2個二階薩尼亞克濾波器級聯(lián)的結(jié)構(gòu),研究在不更換其中保偏光纖的情況下,僅通過調(diào)諧其中的偏振控制器來實現(xiàn)濾波譜的靈活調(diào)諧功能.該種濾波器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 基于二階HiBi光纖的級聯(lián)薩尼亞克濾波器的結(jié)構(gòu)圖

可以看出該濾波器相當(dāng)于由2個基于兩階HiBi光纖的薩尼亞克全光纖濾波器級聯(lián)而成,其中在2個二階薩尼亞克濾波器連接的過程中采用了一個光纖環(huán)形器,這樣輸出端口Out1輸出的是2個二階濾波器透射譜的疊加,Out2輸出的是單級濾波器透射譜和反射譜的疊加.

由此,結(jié)合本課題組的前期研究,可以推出單個二階環(huán)的輸出公式為:

(3)

當(dāng)L1=L2,L3=L4時,2個輸出口的輸出函數(shù)可表示為:

(4)

(5)

1.2 基于三階HiBi光纖的級聯(lián)薩尼亞克濾波器的理論分析

圖3為3階HBF環(huán)鏡的結(jié)構(gòu)圖,由3個偏振控制器、3段HiBi光纖、1個3dB光學(xué)耦合器組成.其中θ1、θ2和θ3分別為偏振器的偏振角度,L1、L2和L3分別為3段HiBi光纖的長度.通過計算可以得到3階HiBi環(huán)鏡的透射率T[10,11]為:

(6)

圖3 三階HBF 薩尼亞克環(huán)濾波器結(jié)構(gòu)圖

圖4為三階級聯(lián)原理圖.假定3個偏振控制器的偏轉(zhuǎn)角度為θ1、θ2和θ3,3段HiBi光纖長度分別為L1、L2和L3,折射率差分別為Δn1、Δn2和Δn3,則φ1=2πΔn1L1/λ,φ2=2πΔn2L2/λ,φ3=2πΔn3L3/λ.

圖4 基于三階HiBi光纖的級聯(lián)薩尼亞克濾波器的結(jié)構(gòu)圖

結(jié)合公式(6),可以推出輸出端口函數(shù):

(7)

(8)

2 數(shù)值仿真結(jié)果與討論

2.1 基于兩階HiBi光纖的級聯(lián)薩尼亞克全光纖濾波器研究

首先,根據(jù)(4)、(5)式,對基于兩階HiBi光纖的級聯(lián)薩尼亞克全光纖濾波器的濾波譜進(jìn)行仿真模擬.假設(shè)4段高雙折射保偏光纖的規(guī)格相同而長度不同,光纖的雙折射差Δn=0.0005,L1=L2=L3=L4=2m,當(dāng)θ1=θ2=θ3=θ4=π/4時,在1 544～1 554nm波長范圍內(nèi),仿真研究得出濾波器兩輸出端口的梳狀光譜如圖5所示.

根據(jù)圖5可以看出,當(dāng)光纖長度等都保持相同,由于每個偏振器的偏振角度都是π/4,所以單環(huán)總的偏振角度改變量為π/2時,環(huán)形器端口輸出的光譜,具有較好的平頂濾波效果,通帶間隔為2.2nm,且消光比能達(dá)到38dB;輸出端具有良好的梳狀濾波效果,可以運用于制作普通的梳狀濾波器.

對于Out1來說,當(dāng)2段HiBi光纖長度均保持為2m時,根據(jù)(4)、(5)式可以看出,改變偏振器的角度,僅僅對輸出端口的最大透射率產(chǎn)生影響,實際上就可以實現(xiàn)對濾波器插入損耗的控制.圖6為在不同偏振角度情況下的模擬輸出濾波譜.在保證θ1,θ3不變時,改變θ2和θ4,且使θ2=θ4.

圖5 當(dāng)光纖長度相等,偏振角為π/4時的雙輸出光譜圖

圖6 當(dāng)光纖長度相等,改變偏振器偏振角時的雙輸出光譜圖

由圖6中可以看出,最大透射率隨偏振角度的改變而改變.端口Out1中,當(dāng)?shù)诙€偏振器越接近π/4時,旁瓣越小;當(dāng)偏振器達(dá)到 π/4時,旁瓣消失,達(dá)到最好濾波效果.端口Out2為環(huán)形器端輸出的光譜,存在一定的損耗,當(dāng)θ<π/4時,會出現(xiàn)凹陷;當(dāng)偏振角達(dá)到π/4時,達(dá)到最優(yōu)效果,通帶間隔為1.6 nm.

由于級聯(lián)后,根據(jù)(4)、(5)式,TO1,TO2中的φ項,由式(1)和式(2)中的二次方變?yōu)樗拇畏?而這一項與波長緊密相關(guān),因此通過級聯(lián)后可以有效減小濾波器的濾波帶寬.

對于2階HiBi光纖的二階級聯(lián)薩尼亞克濾波器,保證其他條件不變的情況下,當(dāng)每個環(huán)鏡中第一個偏振器的角度保持π/4不變時,改變第二個偏振器的角度,當(dāng)角度達(dá)到π/4時,達(dá)到最優(yōu),當(dāng)角度大于π/4時,幅度較小,當(dāng)小于π/4時,峰頂會下凹,形成2個峰.

2.2 基于三階HiBi光纖的級聯(lián)薩尼亞克全光纖濾波器研究

對基于三階HiBi光纖的級聯(lián)薩尼亞克全光纖濾波器進(jìn)行仿真實驗,當(dāng)3段HiBi光纖長度L1=L2=L3=1 m時,仿真結(jié)果如圖7所示.由圖7可以看出,輸出端口存在損耗,且為雙峰形式,不存在旁瓣,環(huán)形器端口輸出的通波峰旁會出現(xiàn)邊峰,抑制比約為12 dB,且旁瓣會出現(xiàn)陷波,可用于多種波形濾波器的選擇.

圖7 當(dāng)光纖長度都相同時的雙輸出光譜圖

對于輸出端來說,當(dāng)L1,L2兩段保偏光纖長度均保持為1 m,L3=2 m時,通過改變光纖的長度,研究對輸出譜圖的影響,結(jié)果如圖8所示.由圖8可以看出,輸出端通帶主峰具有2個邊峰,邊模抑制比為12 dB,而環(huán)形器端口輸出譜圖為雙峰,且雙峰之間存在2個邊峰,邊峰抑制比約為12 dB,雙峰間的間隔約為3 nm.

對于輸出端來說,當(dāng)3段HiBi光纖長度L1=1 m,L2=2 m,L3=4 m時,通過改變光纖的長度,研究對輸出譜圖的影響,結(jié)果如圖9所示.由圖9可以看出,輸出端的輸出譜為雙峰濾波,且存在損耗,雙峰間隔約為1 nm.環(huán)形器端口輸出譜也為雙峰濾波,但是雙峰的兩邊會出現(xiàn)邊峰,抑制比約為12 dB.

圖8 當(dāng)光纖長度L1=L2=1 m,L3=2 m時的雙輸出光譜圖

圖9 當(dāng)光纖長度L1=1 m,L2=2 m,L3=4 m時的輸出光譜圖

對于三階HiBi光纖的三階級聯(lián)薩尼亞克濾波器,當(dāng)偏振角度,折射率等保持不變的條件下,隨著光纖長度的不斷增加,會形成雙峰,可應(yīng)用于雙峰監(jiān)測傳感等,同時隨著長度的改變,會出現(xiàn)凹陷的情況,間隔發(fā)生改變,可以應(yīng)用于不同波長間隔的切換.

3 總 結(jié)

本文作者設(shè)計了基于HiBi光纖的新型二階和三階Solc型級聯(lián)薩尼亞克全光纖梳狀濾波器,原理是基于一階級聯(lián)薩尼亞克濾波器,把環(huán)中1段HiBi光纖分別改進(jìn)為2段或3段HiBi光纖,構(gòu)成基于二階(或三階)HiBi光纖的高階(二階或三階)級聯(lián)薩尼亞克濾波器.與一階級聯(lián)薩尼亞克濾波器相比,此種高階梳狀濾波器具有單輸入雙輸出、高階超精細(xì)梳狀光譜等獨特的優(yōu)點,還能通過調(diào)諧偏振控制器來實現(xiàn)輸出光譜的調(diào)諧.理論研究了雙輸出的反射和透射光譜的特性,并加以仿真優(yōu)化,仿真研究發(fā)現(xiàn),對于二階級聯(lián)薩尼亞克濾波器,調(diào)節(jié)偏振控制器,當(dāng)兩個偏振控制器的偏振角度都為π/4時,輸出光譜特性最優(yōu);對于三階級聯(lián)薩尼亞克濾波器,隨著光纖長度的增加會形成雙峰,這可應(yīng)用于雙峰監(jiān)測傳感等.仿真研究驗證了此種基于HiBi光纖薩尼亞克環(huán)的新型高階超精細(xì)梳狀濾波器具有更窄的超精細(xì)濾波帶寬;調(diào)諧不僅能實現(xiàn)波長間隔的變化,還能實現(xiàn)平頂濾波的功能.

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(責(zé)任編輯：包震宇)

Two high-order superfine comb filters based on HiBi Fiber Ring

Tian Jiayang, Wu Xiangnong

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

Considering optical filter based on HiBi fiber generally has one input and one output with the fixed interval of the wavelength,this paper designs two new tunable high-order superfine comb filters based on HiBi fiber Sagnac ring.They have the particular features of one input and two outputs with superfine comb spectra.They also can be tuned flexibly.Structurally,they consists of polarization controllers (PC) polarization maintaining fibers (PMF) and 2 or 3 pieces of HiBi fiber.Using the JONES matrix theory,theoretical models have been established and two output transmission characteristics have been detailed studied.For the proposed two-order filter,the influences of polarization angles are studied when the lengths of HiBi fiber are the same.For the proposed three-order filter,the influences of the lengths of HiBi fiber are studied.Simulation results show that our designs may be used for wavelength selection output.

high bifringence fiber; superfine filter; Sagnac ring; comb filter

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2017.01.011

2016-11-29

上海市教育委員會科研創(chuàng)新項目(14YZ070)

田家揚(1991-),男,碩士研究生,主要從事光纖傳感方面的研究.E-mail:1341764313@qq.com

導(dǎo)師簡介: 武向農(nóng)(1970-),女,副教授,主要從事光纖通信和光纖傳感等方面的研究.E-mail:xnwu@shnu.edu.cn(通信聯(lián)系人)

TN 253

A

1000-5137(2017)01-0059-07