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基于光纤光栅辅助耦合的WDM下话路研究.pdf

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第29卷 第2期 2009年2月 光 学 学 报 犃犆犜犃犗犘犜犐犆犃犛犐犖犐犆犃 Vol.29,No.2 犉犲犫狉狌犪狉狔,2009 文章编号:02532239(2009)02030804 基于光纤光栅辅助耦合的 犠犇犕 下话路研究 裴 丽 赵瑞峰 宁提纲 董小伟 卫 延 祈春慧 阮 义 (北京交通大学全光网络与现代通信网教育部重点实验室,北京 100044) 摘要 利用光纤光栅的反射特性和光纤耦合器的耦 合 特 性,研 究 基 于 光 纤 光 栅 辅 助 耦 合 波 分 复 用 (WDM)下 话 路 器。满足国际电信联盟(ITUT)建议波长的 WDM 光信号从耦合 器 输 入 端 口 进 入,其 中 与 光 栅 中 心 反 射 波 长 一 致 的激光信号从耦合器的下话路端口输出,而其他波长 的 激 光 信 号 从 耦 合 器 输 出 端 口 输 出,实 现 特 定 波 长 信 号 的 下 话路。选择中心波长分别为1554.248nm,1555.859nm,消 光 比 为57dB的 两 路 光 信 号 进 行 试 验,光 纤 光 栅 的 中 心 反射波长为1555.86nm,实验结果表明,上述两路光信号分别从不对称光纤耦合器的输出 端 口 和 下 话 路 端 口 输 出, 且在下话路端口输出光信号的消光比为48dB。 关键词 光纤通信;WDM 下话路;光纤光栅;耦合器 中图分类号 TN929.11   文献标识码 A   犱狅犻:10.3788/犃犗犛20092902.0308 犠犪狏犲犾犲狀犵狋犺犇犻狏犻狊犻狅狀犇犲犿狌犾狋犻狆犾犲狓犲狉犅犪狊犲犱狅狀犉犅犌 犆狅狌狆犾犲狉 犘犲犻犔犻 犣犺犪狅犚狌犻犳犲狀犵 犖犻狀犵犜犻犵犪狀犵 犇狅狀犵犡犻犪狅狑犲犻 犠犲犻犢犪狀 犙犻犆犺狌狀犺狌犻 犚狌犪狀犢犻 (犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犃犾犾犗狆狋犻犮犪犾犖犲狋狑狅狉犽牔犃犱狏犪狀犮犲犱犜犲犾犲犮狅犿犿狌狀犻犮犪狋犻狅狀犖犲狋狑狅狉犽,犕犻狀犻狊狋狉狔狅犳犈犱狌犮犪狋犻狅狀, 犅犲犻犼犻狀犵犑犻犪狅狋狅狀犵犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔,犅犲犻犼犻狀犵100044,犆犺犻狀犪) 犃犫狊狋狉犪犮狋 犅狔狌狊犻狀犵狋犺犲狉犲犳犾犲犮狋犻狏犻狋狔狆狉狅狆犲狉狋狔狅犳犳犻犫犲狉犅狉犪犵犵犵狉犪狋犻狀犵 (犉犅犌)犪狀犱狋犺犲犮狅狌狆犾犻狀犵狆狉狅狆犲狉狋狔狅犳犮狅狌狆犾犲狉,犪 狑犪狏犲犾犲狀犵狋犺犱犻狏犻狊犻狅狀犱犲犿狌犾狋犻狆犾犲狓犲狉犫犪狊犲犱狅狀犉犅犌犮狅狌狆犾犲狉犻狊犱犲狊犻犵狀犲犱.犜犺犲 犠犇犕狊犻犵狀犪犾狊犪狉犲犻狀犼犲犮狋犲犱犳狉狅犿狋犺犲犻狀狆狌狋 狆狅狉狋狅犳狋犺犲犮狅狌狆犾犲狉,犪狀犱狋犺犲狊犻犵狀犪犾狑犺犻犮犺犺犪狊狋犺犲狊犪犿犲狑犪狏犲犾犲狀犵狋犺犪狊狋犺犪狋狅犳犉犅犌狑犻犾犾犫犲狅狌狋狆狌狋犳狉狅犿狋犺犲犱犲犿狌犾狋犻狆犾犲狓 狆狅狉狋狅犳狋犺犲犮狅狌狆犾犲狉,犪狀犱狋犺犲狅狋犺犲狉狊犻犵狀犪犾狊狑犻犾犾犫犲狅狌狋狆狌狋犳狉狅犿狋犺犲狅狌狋狆狌狋狆狅狉狋狅犳狋犺犲犮狅狌狆犾犲狉,狋犺狌狊狋犺犲犱犲犿狌犾狋犻狆犾犲狓犻狊 犻犿狆犾犲犿犲狀狋犲犱.犜犺犲犲狓狆犲狉犻犿犲狀狋狅犳狋狑狅狊犻犵狀犪犾狊 狑犻狋犺 犱犻犳犳犲狉犲狀狋 狑犪狏犲犾犲狀犵狋犺狊狅犳1554.248狀犿 犪狀犱1555.859狀犿 犪狉犲 犻犿狆犾犲犿犲狀狋犲犱,犪狀犱狋犺犲犲狓狋犻狀犮狋犻狅狀狉犪狋犻狅狀狅犳犲犪犮犺犻狊57犱犅,犪狀犱狋犺犲犮犲狀狋犲狉狑犪狏犲犾犲狀犵狋犺狅犳犉犅犌犻狊1555.86狀犿.犜犺犲 狉犲狊狌犾狋狊狊犺狅狑狋犺犪狋狋犺犲狊犻犵狀犪犾狅狌狋狆狌狋犳狉狅犿狋犺犲犱犲犿狌犾狋犻狆犾犲狓狆狅狉狋狑犻狋犺犲狓狋犻狀犮狋犻狅狀狉犪狋犻狅狀狅犳48犱犅. 犓犲狔狑狅狉犱狊 狅狆狋犻犮犪犾犳犻犫犲狉犮狅犿犿狌狀犻犮犪狋犻狅狀;狑犪狏犲犾犲狀犵狋犺犱犻狏犻狊犻狅狀犱犲犿狌犾狋犻狆犾犲狓;犳犻犫犲狉犅狉犪犵犵犵狉犪狋犻狀犵;犮狅狌狆犾犲狉 1 引  言 光上/下话路器是 密 集 波 分 复 用 (DWDM)系 统 必不可少的关键器件,也是降低成本,实 现超宽 带光 通信系统推广 应 用 的 突 破 口,其 性 能 的 好 坏 直 接 影 响着 DWDM 系统的整 体 性 能。当 前 国 际 上 制 作 光 上/下话路器的技术较多,在市场 上占有 较大份 额的 主要有 薄 膜 滤 波 型 (ThinFilm)、阵 列 波 导 光 栅 型 (AWG)、光 纤 光 栅 型 等 三 种。 薄 膜 滤 波 型 光 上/下 话路器技术成 熟,可 以 提 供 良 好 的 温 度 稳 定 性 和 通 于信 道 间 距 较 大,要 实 现 频 率 间 隔100GHz以 下 非 常困难,无法满足密集波分复用的需要,并且其前期 生产投入相当高昂,生产工艺要求非常复杂;阵列波 导光栅型光上/下话路器的难点在于制作波导光栅, 即控制玻璃膜 的 厚 度、成 分 与 缺 欠 等 工 艺。 温 度 稳 定性不好,通带 带 宽 较 窄,插 损 较 大,对 系 统 信 噪 比 有较大的影响,同时生产成本也相当昂贵;光纤光栅 型光上/下话路器可以 达 到50GHz甚 至 更 窄 的 信 道 间距,具 有 造 价 低 廉、结 构 简 单、性 能 优 良 的 特 道隔离度以及很宽的带宽。这种技 术的不 足之处 在 点[1~3]。   基金项目:国家自 然 科 学 基 金 (60771008)、北 京 市 自 然 科 学 基 金 (4082024)、回 国 人 员 留 学 基 金、北 京 交 通 大 学 校 基 金 (2006XM003)和新世纪优秀人才支持计划(NCET050091)资助课题。   作者简介:裴 丽(1970-),女,教授,博士生导师,主要从事光通信、光传感、光网络、ROF 等方面的研究。 Email:lipei@bjtu.edu.cn
2期 裴 丽等: 基于光纤光栅辅助耦合的 WDM 下话路研究 903 本文利用光 纤 光 栅 的 反 射 特 性,设 计 了 基 于 光 大,基本上在两纤芯间没有功率耦合,即几乎全部光 纤光栅辅助 耦 合 波 分 复 用 (WDM)下 话 路 器。 通 过 在光纤耦合器 的 特 定 位 置 上 写 入 特 定 长 度,且 中 心 从端口 O 输 出。 只 有 当 其 中 一 个 纤 芯 写 入 光 栅 后 才对特定的波 长 具 有 耦 合 反 射 作 用,因 此 对 其 他 信 反射波长满足国际电信联盟(ITUT)建 议波长 的 光 纤光栅,使得耦 合 器 输 入 端 口 进 入 的 WDM 光 信 号 中,与光纤光栅 中 心 反 射 波 长 一 致 的 激 光 信 号 从 耦 合器的下话路 端 口 输 出,其 他 中 心 波 长 的 激 光 信 号 道的影响很小,插 损 也 非 常 小,在 实 现 上 更 加 简 便。 基于光纤光栅辅助耦合 WDM 下话路的基本结构如 图1所示,其中1,2为普通光纤,3,4为光敏光纤。 2.2 理论仿真 从耦合器的输 出 端 口 输 出,实 现 了 特 定 波 长 信 号 的 假设两个不 同 区 域 的 模 场 耦 合 时,不 改 变 模 场 下话 路。 选 择 消 光 比 为57dB的 两 路 光 信 号 进 行 试 验,在下话路端口输出光信号的消光比为48dB。 2 理论分析 2.1 基本工作原理 光纤光栅耦合器中主要存在着三种 模 式 耦 合 情 况:一是直通臂 中 前 向 传 输 的 光 和 光 栅 臂 中 反 向 传 输的光之间的 耦 合;二 是 两 臂 中 同 向 传 输 的 光 之 间 的耦合;三是光 栅 臂 中 前 向 传 输 和 反 向 传 输 光 之 间 的耦合。哪种耦合起主导作用取决于 它们之 间 的 耦 合系数和相位 匹 配 程 度。 通 常 情 况 下,第 一 种 的 耦 合系数是最小的,第三种耦合 系数 是最 大 的。 所 以, 只有改变这三种耦合的相位匹配 程 度 来 抑 制 某 种 耦 合的发生。当两光纤芯子的传输 常 数相 近且 纤 芯 的 距离较远时,第二种和第三种耦合 大体相 当,当 在两 纤芯中传输模 式 的 传 输 常 数 相 差 很 大 时,可 以 有 效 地抑制第二种耦合情况[4]。 光纤光栅辅助耦合器在制备时 所采 用 的 两 根 光 纤分别为普通 单 模 光 纤 和 紫 外 光 敏 光 纤,由 于 在 紫 外光照射下,只 有 紫 外 光 敏 光 纤 的 折 射 率 会 发 生 调 制,而普通单模光纤的折射率几乎 不发 生 变 化,因 此 当耦合器制备成功以后,利用紫外曝 光,在 熔融拉 锥 光纤耦合器的 紫 外 光 敏 光 纤 的 纤 芯 中 写 入 光 栅,有 效抑制第二种 和 第 三 种 耦 合,让 第 一 种 耦 合 占 主 导 作用,利用光栅 的 波 长 选 择 特 性 实 现 对 特 定 波 长 的 上/下话路,其 结 构 简 单,性 能 也 比 较 突 出。 光 栅 辅 助耦合器对耦合器的要求较低,在 没有写 入光栅 时, 纤芯1和 纤 芯 2 中 传 输 的 基 模 传 输 常 数β相 差 很 形状,只是改变其大小,用耦合模理论分析图1所示 光纤光栅辅助耦合器特性。 首先,推 导 耦 合 模 方 程。 设 纤 芯 1 和 纤 芯 2 中 传输的基模为φ1,φ2,则总电场可写为[5~7] 1exp(iβ1狕)+犵- 犈 =[犵+ [犵+ 2exp(iβ2狕)+犵- 1 ,犵- 1exp(-iβ1狕)]φ1 + 2exp(-iβ2狕)]φ2, (1) 犼 分别表示前向 其中系数犵+ 传播和反向传播的模式φ犼 的振幅,β1,β2 为传输常数。 2 为幅值,犵+ 犼 ,犵- 1 ,犵- 2 ,犵+ 把(1)式代入波动方程 ( 2 狋 +犽2狀2 + 2 狕 )2 犈 =0, (2) 通过一系列的推导,可得出耦合模方程 燄 d d狕 1 1 犵+ 熿 犵- 犵+ 犵- 燀 2 1 1 犵+ 熿 犵- 犵+ 犵- 燀 2 ,(3) 犕11犕12犕13犕14 熿 燄 燄 =i 1-犖2 12 1 犕21犕22犕23犕24 犕31犕32犕33犕34 燅2 燀 犕41犕42犕43犕 燅44 燅2 式中 犖12,犕犻犼(犻=1,2,3,4,犼=1,2,3,4)为与两根 光纤参量相关的系数。 假设犔为光栅的长度,光只从端口I输入,没有 光从其他端口输入。则边界条件为 犵+ 1 (0)=1,犵- 1 (犔)=0,犵+ 2 (0)=0,犵- 2 (犔)=0, (4) 结合边界条 件 (4)式,使 用 龙 格库 塔 方 法 解 耦 合 方 程(3),可得出图1所示光纤光栅辅助耦合器的相关 特性。 2.3 理论仿真结果 2.3.1 光栅长度犔与光纤芯子间距犱 的关系 假设光栅长度为犔,光 纤 芯 子 间 距 为犱,端 口 3 反射信号的反射率 为 99%,即 下 话 路 信 号 基 本 全 部 被反射回来,计算获得 光 栅 长 度 犔 与 光 纤 芯 子 间 距 犱 的关系如图2所示。 由图2可见,两根光纤芯子之间的距离越大,所 需要写入光栅的长度越长。 图1 基于光纤光栅辅助耦合 WDM 下话路结构示意图 2.3.2 耦合系数与光纤芯子间距犱的关系 Fig.1 Configurationofthewavelengthdivision demultiplexerbasedonFBGcoupler 假设普通光纤1 的 芯 子 半 径 为4μm,光 敏 光 纤 2的芯子半 径 为2μm,包 层 折 射 率 相 同 为1.457,光
013 光   学   学   报 29卷 β1 =5.91434341, β2 =5.93878867, (6) 进一步计算可得耦合系数与光纤芯子间距犱的关系 如图3(b)所示。 从图3(a)和 (b)可 以 看 出,当 组 成 耦 合 器 的 光 纤参量发生变 化 后,下 话 路 波 长 和 耦 合 系 数 都 发 生 了变化。 3 实验结果 3.1 光栅的制备[8,9] 图2 光栅长度犔与光纤芯子间距犱 的关系 采用扫描法 在 耦 合 器 上 写 入 光 纤 光 栅,选 择 掺 铒光纤放大器(EDFA)的 自 发 辐 射 噪 声 谱 作 为 宽 带 光源,测得其反 射 谱 如 图 4 所 示。 光 栅 中 心 波 长 为 1555.86nm。 Fig.2 LengthofFBGversustheedgetoedgeseparation oftwofibercores 纤的 芯 子 折 射 率 分 别 为1.462和1.463,光 栅 的 周 期 为0.536μm,由 此 可 得 光 栅 的 反 射 谐 振 波 长 为 1.5649μm,即对该波长的信号可以进行下话路。 首先,计算基模传输常数,解得普 通光 纤 1 和 光 敏光纤2的传输常数为 β1 =5.91434341, β2 =5.91740277, (5) 进一步计算可得耦合系数与光纤芯子间距犱的 关系 如图3(a)所示。增 大 光 纤 2 的 芯 子 折 射 率,使 光 敏 光纤2的芯子折射率为1.462和1.4635,其他 参 数不 变,可得光栅的下话路谐振波长为1.5705μm。 图4 光纤光栅反射谱 Fig.4 ReflectivityofFBG 图3 耦合系数与光纤芯子间距犱的关系 Fig.3 Couplercoefficientversustheedgetoedge separationoftwofibercores 计算基模传输 常 数,解 得 普 通 光 纤 1 和 光 敏 光 纤2的传输常数分别为 图5 激光源双波长反射谱 Fig.5 Reflectivityofthetwowavelengthlasersignal 3.2 下话路测试 在耦合 器 的 端 口 1 输 入 两 路 激 光 信 号,如 图 5 所 示,激 光 源 的 中 心 波 长 分 别 为1554.248nm, 1555.859nm,消光比为57dB。在端口3测得下话路 中心波长1555.83nm的 光 信 号,反 射 谱 见 图 6(a), 信号消光比为48dB。在端口2 测得直通信号为中心 波长1554.248nm光信号,反射谱见图6(b),信 号 消 光比为36dB。
2期 裴 丽等: 基于光纤光栅辅助耦合的 WDM 下话路研究 113 参 考 文 献 1 MuKejun,ZhouXiaojun,RenGuorong犲狋犪犾..Reconstructionof parametersoffibergratingsfromtimedelaycharacteristicsusing thegeneticalgorithm[J].犆犺犻狀犲狊犲犑.犔犪狊犲狉狊,2007,34(5):688~ 693   穆柯军,周晓军,任国荣 等.用 遗 传 算 法 从 时 延 特 性 重 构 光 纤 光 栅参数[J].中国激光,2007,34(5):688~693 2Jia Weiguo, Shi Peiming, Yang Xinyu 犲狋 犪犾.. Modulation instabilityoffiberBragggratings withraisedcosineapodization [J].犆犺犻狀犲狊犲犑.犔犪狊犲狉,2007,34(7):930~934   贾维国,史培明,杨性愉 等.升 余 弦 变 迹 布 拉 格 光 纤 光 栅 中 的 调 制不稳定性[J].中国激光,2007,34(7):930~934 3ZhuYingxun,Wang Rong,Pu Tao.FiberBragggratingbased timephaseendecoder with multiple wavelength channels[J]. 犆犺犻狀犲狊犲犑.犔犪狊犲狉狊,2007,34(11):1522~1526   朱英勋,王 荣,薄 涛.具有 多 个 波 长 通 道 的 光 纤 光 栅 相 位 编/ 解码器[J].中国激光,2007,34(11):1522~1526 4LiuQiuping,HeXingdao,Zhang Aiyun犲狋犪犾..Linearsolution forcoupledwaveequationofnonlinearrecordinggrating[J].犃犮狋犪 犗狆狋犻犮犪犛犻狀犻犮犪,2007,27(6):977~980   刘秋平,何兴道,张霭云 等.线 性 化 求 解 非 线 性 记 录 光 栅 耦 合 波 方程[J].光学学报,2007,27(6):977~980 5FuYongjun,Zheng Kai,Dong XIaowei犲狋犪犾..StudyofBragg gratingassistedasymmetrictwincorefibercoupler[J].犑.犆犺犻狀犪 犚犪犻犾狑犪狔犛狅犮犻犲狋狔,2004,26(4):82~85   傅永军,郑 凯,董小伟 等.Bragg光栅辅助非对称双芯光纤耦合 图6 下话路端口3和输出端口2的光信号 Fig.6 Outputsignalfromport3andport2 器的研究[J].铁道学报,2004,26(4):82~85 4 结  论 当前国际上制作光合波/分波器 的技术 较多,在 市场上占有较 大 份 额 的 主 要 有 介 质 薄 膜 干 涉 型、平 面波导集成阵 列 波 导 光 栅 型 和 光 纤 光 栅 型 等 三 种。 与前两种相比,光 纤 光 栅 型 不 需 要 像 介 质 薄 膜 型 或 阵列波导光栅 型 合 波/分 波 器 那 样 昂 贵 的 前 期 设 备 投入,成本大大 降 低,而 且 与 光 通 信 系 统 兼 容 好,熔 接简单。然而,要 获 得 性 能 优 良 的 光 纤 光 栅 辅 助 耦 合的 WDM 下话路 器,还 有 许 多 的 工 艺 难 点 需 要 解 决,所以对该光 纤 光 栅 辅 助 耦 合 的 WDM 下 话 路 研 究具有重要意义。 6TakahashiK..Reconfigurableopticaladd/dropmultiplexerusing passivetemperaturecompensatedwavelengthtunablefiberBragg grating [C].犗犉犆2001,WDD93/1~93/3 7ZhouB,ZhengXiaoping,YuXianbin犲狋犪犾..Opticalbeamforming networksbased on broadband opticalsourceand chirpedfiber grating [J].犐犈犈犈犘犺狅狋狅狀.犜犲犮犺狀狅犾.犔犲狋狋.,2008,20(9):733~ 735 8ZhaoXinghai,Gao Yang.A novelcouplingtechniqueofoptical fiberforhigh peak powerpulselaser[J].犆犺犻狀犲狊犲犑.犔犪狊犲狉狊, 2007,34(12):1639~1642   赵兴海,高 杨.一 种 新 型 高 峰 值 功 率 激 光 注 入 光 纤 耦 合 技 术 [J].中国激光,2007,34(12):1639~1642 9CaoBin,OuPan,Jia Ming犲狋犪犾..Aninnovativetemperature compensatepackage forfiber Bragg grating [J].犆犺犻狀犲狊犲犑. 犔犪狊犲狉狊,2008,35(12):1959~1961   曹 彬,欧  攀,贾   明 等.一 种 新 型 光 纤 光 栅 温 度 补 偿 装 置 [J].中国激光,2008,35(12):1959~1961
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