光纤环对非平衡马赫曾德尔干涉仪型波长交错滤波器性能的改善百精Word文档格式.docx
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收稿日期:
2001207209;
收到修改稿日期:
2001210215
1 引 言
由于密集波分复用（DWDM系统能够更有效地利用掺铒光纤放大器提供的有限带宽资源,术的不断提高,越多,,这就对复用和解复用设备提出了更高的要求。
随着信道间隔变窄,传统的介
质膜滤波器件[1,2]
加工难度越来越大,100GHz以及更窄带宽的滤波器成品率很低。
而波长交错滤波器
件（Interleaver[3,4]
提供了有效的解决方案,成为密集
波分复用系统中一个引人注目的研究热点。
波长交错滤波器的作用类似于梳状滤波器,它可以将一组信道间隔较窄的复用光信号解复用为两组信道间隔较宽的复用光信号,每组复用光信号的信道间隔为原来的两倍;
反之,它也可以将两组信道间隔较宽的复用光信号复用为一组信道间隔较窄的复用光信号,它可以级联使用,也可以和其他的复用和解复用器件联合使用。
大多数的波长交错滤波器是基于双光束干涉原理,目前主要的类型有:
利用偏振光干涉的晶体双折射型,迈克耳孙干涉仪与GT反射镜型
（GT镜即Gires2TournoisMirror,是一种谐振腔结构,由两个间隔很小的平行平面镜组成组合,光纤熔锥型非平衡马
赫曾德尔干涉仪型。
其中光纤熔锥非平衡马赫曾
（小于0.
但是采用多次熔锥的方法,形成多[5,6]
通过合理优化,可得到平顶带通的波长交错滤波器。
本文提出了另一种改进方案———将光纤环加入光纤熔锥非平衡马曾德尔干涉仪型波长交错滤波器,并分析了系统中耦合器耦合比、光纤环长度和损耗等因素对系统特性的影响。
改进和优化后波长交错滤波器所具有的梳状滤波器透射率形态近似于方波。
2 结 构
光纤熔锥非平衡马赫曾德尔干涉仪型波长交错滤波器的结构如图1所示。
它由耦合器1、耦合器2、光纤F1和光纤F2构成。
输入的信号光P0由左面输入,经过耦合器1被分为两束,再由耦合器2汇合,然后输出。
Fig.1Diagramoffused2fibernonsymmetricalMach2Zehnder
interferometricinterleaver
在假定干涉仪两臂耦合器的耦合比均为1Π2的理想情况下,由此构成的系统作为梳状滤波器信道宽度和中心波长由
ΔL=λ20
Δλ、
ΔL=n+
2
λ0第22卷 第6期
2002年6月
光 学 学 报
Vol.22,No.6
June,2002
决定。
其中,ΔL=L2-L1,L1和L2分别为光纤F1和F2引入的等效光程,λ0为滤波器的中心波长,Δλ为梳状滤波器的信道宽度,n为整数,而且很大。
改进后的结构如图2所示,它与原来的非平衡马赫曾德尔干涉仪型波长交错滤波器的区别在于在干涉仪的一臂中加入了由耦合器2和光纤F1组成的光纤环,产生类似于多光束干涉的效果,使得干涉仪的两臂相位差有了新的变化
。
Fig.2Thestructureofaninterleaverwithafiberloop
对于改进后的系统,:
ΔL=λ2
0Π
Δλ,ΔL=（n+1Π2λ0,L=2ΔL+λ0Π
2.（1
其中,ΔL=L4-L2-L3,L23F2、F3
和F4长,
Δλ,L为光纤F1引入的等效光程,n
为整数,而且很大。
类似于改进前的结构
第一个式子和第二个式子决定了梳状滤波器的信道宽度和中心波长。
第三个式子是光纤环长度和臂长差的匹配条件,它保证了梳状滤波器滤波特性曲线的形状。
对于系统的分析基于耦合器的散射矩阵[7]
对于图中每一个耦合器,它们的输入和输出都满足关系:
E3E=
cos（kz-isin（kz-isin（kz
cos（kz
E1E,
其中k为耦合器的耦合系数,z为耦合器的有效耦
合长度,E为复数,它的模表示光信号的强度,它的幅角表示光信号的相位,E1和E2描述耦合器1和2的输入,E3和E4描述耦合器3和4的输出,i=
-1。
如果忽略光纤的损耗,光信号在单模光
纤中传输满足
EL=E0exp-
λ
其中L为光纤的等效光程,λ为光信号的波长。
为了
简化,可定义Ki=cos2
（kizi（i=1,2,3为耦合器的耦合比。
如果在系统中,耦合器1和耦合器3均为3dB耦合器,即K1=K3=1Π2。
这时,出射光功率
P和入射光功率P0的比为:
P0
=-
-
iπ（4L+λ
2λ
--
iπ（-4L+λ
2（e
--K
（2
其中,K=K2为耦合器2的耦合比。
这时,干涉仪的两臂所引入的相位差为:
Δφ=arg
e
iπ（2L-λ
e-1-K
（3
其中arg[・]为复数取幅角的运算。
图3为K=3Π4时,T=
PΠP0和Δ
φ随着信号光波长λ变化的曲线。
中心波长λ0为1550nm,L≈6mm,
ΔL≈3mm,梳状滤波器的信道宽度Δλ为0.8nm（对应信道宽度100GHz,n取
1937。
可以
看到,相位差Δφ在λ0+m
λ（m为整数处近似为2mπ,在0+（1处近似为（2m+1π,使;
相位差在其
T产生陡峭边Fig.3PlotoftransmissionTandphase
differenceΔ
φvswavelengthλ在设计系统时,是已知滤波器中心波长λ0和信道宽度Δ
λ,而确定光纤圈F1引入的等效光程L和两臂等效光程差ΔL的过程。
这个过程依据条件
式,下面是一组例子:
λ015500.4
506.0054712.0117387415500.81003.003126.0070319371550
1.6
200
1.501173.00312
968
3 耦合比的影响
决定和影响波长交错滤波器性能的因素很多,
对于传统的波长交错滤波器,由干涉仪两臂耦合器耦合比和臂长差的变化所引起的影响已有所论述。
076期 周 广等:
光纤环对非平衡马赫曾德尔干涉仪型波长交错滤波器性能的改善
可以预见到,对于加入了光纤环的波长交错滤波器,其它新增参量的变化对其性能有着巨大的影响。
耦合器2的耦合比K决定了梳状滤波器的形状,图4描述了K取不同值的情况。
图4是滤波器透过率曲线T和两臂相位差Δ
φ随光信号波长λ的变化曲线。
中心波长λ0为1550nm,L约为10mm,
ΔL约为5mm,信道宽度Δλ为0.48nm。
曲线的颜色由浅到深分别对应耦合器2的耦合比K为1Π4、1Π2、3Π4和7Π8,虚线对应于一般的非平衡马赫曾德尔干涉仪型波长交错滤波器。
可见,耦合比K越小滤波器的平顶和低谷越不平坦,边缘越来越陡峭;
耦合比K越大滤波器的平顶和低谷越平坦,而边缘的陡峭度越小。
当耦合比K趋近于0和1时,曾德尔干涉仪型波长交错滤波器的曲线。
在实际应用的设计中,对于一定的信道隔离度,可以选取较小的耦合比K,
使滤波器的边缘较陡峭。
Fig.4（aPlotoftransmissionTvswavelengthλfordifferent
coupleratioK;
（bPlotofphasedifferenceΔ
φvswavelengthλfordifferentcoupleratioK
4 光纤环长度和损耗的影响
波长交错滤波器的性能对光纤环的长度变化很敏感,因此系统对光纤环的长度有严格的要求。
在
假设两主干涉臂等效光程差ΔL保持不变的情况
下,当光纤环的长度产生微小变化时,破坏了条件式（1中的比配要求,使滤波器的信道隔离度降低,中心波长漂离。
图5是滤波器透过率曲线T随光信号波长λ的变化曲线。
耦合器2的耦合比K为1Π2,中心波
长λ0为1550nm,L约为10mm,ΔL约为5mm,信道宽度Δ
λ为0.48nm。
当ΔL不变时,曲线的颜色由浅到深分别对应于光纤圈F1引入的等效光程L增加100nm,200nm和400nm的情况,虚线对应于L没有漂移的情况。
图5中中心波长的漂移使条件式（1中匹配条件L=2ΔL+λ0Π2遭到破坏,于是不光曲线形状变坏,而且曲线整体有了漂
离,最终导致滤波器的信道隔离度降低中心波长漂离。
所以要得到较好的效果,L的漂移应小于100nm,即L
Fig.5PlotoftransmissionTvswavelengthλfor
differentshiftofthefiberloop
Fig.6PlotoftransmissionTvswavelengthλfor
differentlossofthefiberloop
光纤环的损耗也会影响到曲线的形状。
图6是滤波器透过率曲线T随光信号波长λ的变化曲线。
其中,耦合器2的耦合比K为1Π2,中心波长λ0为1550nm,L约为10mm,ΔL约为5mm,信道宽度
Δλ为0.48nm。
曲线的颜色由深到浅分别对应于光纤圈F1的损耗为0、10%、40%和70%的情况,虚线是损耗为100%所对应的情况。
可见光纤圈的
4
07 光 学 学 报
22卷
损耗应小于10%。
结论 本文对加入光纤圈后的非平衡马赫曾德尔干涉仪型波长交错滤波器进行了讨论。
改进后的光纤熔锥非平衡马赫曾德尔干涉仪型波长交错滤波器具有更好的滤波效果。
当合理地配制好系统各个参数后,可以得到具有平顶和低谷的梳状滤波器。
梳状滤波器单个信道的透过带宽可以较宽,这样就降低了对入射信号的要求;
但是,同时系统要求更加严格的制作和封装工艺,以满足各参数的需要。
参考
文
献
[1]MinowaJ,FujiiY.Dielectricmultilayerthin2filmfilters
forWDMtransmissionsystems.J.LightwaveTechnol.,1983,LT21（3:
116~121
[2]KajikawaM,KataokaI.Adesignmethodofoptical
bandpassfilters.J.LightwaveTechnol.,1997,15（9:
300~305
[3]
OgumaM,JingujiK,KitohTetal..Flat2passbandinterleavefilterwith200GHzchannelspacingbasedonplanarlightwavecircuit2typelatticestructure.Electron.Lett.,2000,36（15:
1299~1300
[4]
FengDejun,KaiGuiyun,LiuHeliangetal..TheoreticalstudyonintegratedfiberaddΠdropmultiplexer.Proc.
APCCΠOECC′99,1999,2Π
2:
1690~1692[5]
KuznetsovM.CascadedcouplerMach2Zehnderchanneldroppingfiltersforwavelengthdivisionmultiplexedopticalsystems.J.LightwaveTechnol.,1994,12（2:
226~230
[6]
OraziRJ,VuTTetal..Cascadednarrowchannelfusedfiberwavelengthdivisionmultiplexers.Electron.Lett.,1996,32（4:
368~370
[7]RamaswamiRetal..OpticalNetworks:
APracticalPerspective.Book1,MorganKaufmannPublishers,Inc.,1998,Chapter3
ImprovementoftheCMach2Zehnder
FiberLoop
ZhouHuangYonglin YangShiquan MengHongyun
ZhaoQida DongXiaoyi
（InstituteofModernOptics,NankaiUniversity,Tianjin300071
（Received9July2001;
revised15October2001
Abstract:
Aninterleaver,whichenablesdensewavelengthdivisionmultiplexed（DWDMsystems,isonetypeofpassivephotoniccomponentsusedasacomb2patternwavelengthfilter.Byaddingonefiberlooptoafused2fibernonsymmetricalMach2Zehnderinterferometer,anovelstructureofinterleaverissuggested,whichachievesauniformflattopspectralresponseandprovidemoreperformancesofwavelengthdiscriminationandfiltering.Thestructureofthenewsystemandthechoosingofparametersarealsodiscussed.Keywords:
interleaver;
muxΠdemux;
interferometer;
fiberloop;
filter
5
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