基于相移光栅的Sagnac环滤波器的光谱特性分析

王 露, 武向农, 周 明

(上海师范大学 信息与机电工程学院,上海 200234)



基于相移光栅的Sagnac环滤波器的光谱特性分析

王 露, 武向农, 周 明

(上海师范大学 信息与机电工程学院,上海 200234)

提出了一种基于相移光栅的Sagnac环滤波器的设计.利用Jones矩阵法,建立了该滤波器的理论模型,推导出了传输谱的表达式,并对其进行数值仿真和分析.重点讨论了相移光栅的参量、光纤环臂差对传输光谱的影响.通过数值模拟,得到了具有双带通的梳状滤波特性的传输光谱,可应用于光纤光栅传感和通信系统.

光纤; Sagnac环; 相移光纤光栅; 传输矩阵; 滤波器

0 引 言

随着信息传输速度日益加快,光纤通信在高速大容量、高带宽信息传输方面巨大的优势和潜力得到了广泛的重视和应用.在光纤通信DWDM系统中,对不同通道进行调谐和滤波的各种梳状滤波器[1-2]成为当前研究的热点之一.其中,基于光纤Sagnac环的梳状滤波器[3-8]具有结构简单、插入损耗低、通带间隔易于调谐等优点,受到了广泛关注.目前,国内对于基于光纤光栅的Sagnac环滤波器的研究主要集中在:1)基于对称啁啾光纤光栅的Sagnac环滤波器,以实现通带间隔相等、工作带宽大的光滤波器[8],通带间隔分别为0.4、0.2 nm,对应的通带数分别为10个和20个,工作带宽约为4 nm,但信道的隔离度小;2)基于光纤光栅Sagnac环的级联型梳状滤波器,实现了通道间隔为0.8 nm,半峰全宽为0.1 nm的梳状谱,进一步提高了滤波器的信道隔离度[9],这些方案各有不同的应用场合.

为了探讨更多结构的梳状滤波器,本文作者提出了基于相移光纤光栅的Sagnac环滤波器.主要利用Jones矩阵理论对该类型的滤波器进行了理论分析和研究,并在Matlab上进行了相关的仿真,重点研究了光纤Sagnac环臂差ΔL、相移量φ、相移量φ的位置、相移量φ的数目等参数对传输光谱的影响,通过数值模拟,得到了具有双带通的梳状滤波特性的传输光谱.

1 理论分析

传输矩阵方法在分析相移长周期光纤光栅[10]、取样光纤光栅光谱、模板设计等方面有重要的应用价值.利用传输矩阵法可以简单直观地分析光纤光栅光谱特性.当光纤光栅具有均匀周期时,通过推导耦合模方程可以得到解析式解.但当光栅的折射率为非均匀周期分布时,利用耦合模方程则需要多次迭代,使分析过程变得繁琐,为此后来就有人提出了矩阵分析方法.它可以将一个非均匀的光纤光栅[11]认为是由一系列小均匀周期的光纤光栅级联而成,这样只要将每一小段均匀周期的光纤光栅的传输矩阵相乘,就可以由光纤光栅输入的光波场推算出光纤光栅输出的光波场.

基于相移光纤光栅的Sagnac环滤波器由一个3 dB耦合器、一段相移光纤光栅(PSFBG)和两段单模光纤构成,如图1所示.滤波器的输入端为端口1,输出端为端口2,相移光纤光栅连接在2×2耦合器的另外两端,两段普通单模光纤的长度分别为L1和L2,其长度差记为ΔL=L1-L2.

图1 基于相移光纤光栅的Sagnac环微波光子滤波器原理图

利用传输矩阵法,可以得到整个相移光栅的传输关系为

(1)

为了便于分析,将式(1)改写为

(2)

设3 dB光纤耦合器的功率耦合系数为K,则它的传输矩阵为

(3)

光波在长度为L1(2)的光纤中传播时的传输矩阵可写为

(4)

(5)

则透射率可表示为

(6)

2 数值仿真

2.1 光纤Sagnac环臂差ΔL对输出光谱的影响

图2 光纤Sagnac环臂差ΔL对应的透射谱(L=2 mm)

从图2中,可以看出透射谱形状关于中心波长呈近似对称,每个谱图有多个通道,具有梳状特性.当光纤环臂差ΔL=0时,可以得到的透射谱与相同参数下相移光纤光栅的反射谱一致,即将相移光纤光栅的反射谱转化成透射谱.随着光纤环臂差ΔL的值增大,透射谱呈梳状特性,通道数目成倍增加,带宽逐渐变小,透射峰的峰值发生了变化,中心波长λB=1 550nm处的透射率恒为0,且透射谱的包络不变.

从图3中,可以看出每个谱图有多个通道,具有梳状特性.当光纤环臂差ΔL=0时,可以得到的透射谱与均匀光纤光栅的反射谱相似,即将均匀光纤光栅的反射谱转化成透射谱.随着光纤环臂差ΔL的值增大,通道数目成倍增加,带宽逐渐变小,透射谱的包络形状相近.

图3 光纤Sagnac环臂差ΔL对应的透射谱(L=8 mm)

2.2 相移量φ的大小对输出光谱的影响

由图4可以看出,不同的相移量φ对应透射谱呈梳状滤波特性,当φ=mπ(m为整数)时,透射谱本身关于中心波长呈对称性,且透射峰的峰值和包络变化小;当φ≠mπ(m为整数)时,裂变点附近的峰值变小,中心波长附近的光谱的包络变化明显,透射谱自身没有对称性,但当相移量φ关于π对称时,得到的透射谱呈反对称.

图4 相移量φ对应的透射谱

2.3 相移量φ的位置对输出光谱的影响

图5 相移量φ引入位置Z对应的透射谱

2.4 相移量φ的数目对输出光谱的影响

图6 多个相移量φ对应的透射谱

从图6可以看出,不同数目的相移量所对应的透射谱的包络都为一个双峰的光谱,且关于中心波长λB=1 550 nm呈对称性,当相移量φ的数目增加时,通道数目不变,阻带的带宽增大,透射率变小.因此,可以通过引入多个相移量实现关于中心波长对称的两段范围类的梳状滤波.

3 结 论

本文作者提出了一种基于相移光纤光栅的Sagnac环滤波器设计,并对该滤波器进行理论分析和数值模拟,得到了具有双峰的梳状滤波特性的传输光谱,并详细研究了一些重要参数如光纤Sagnac环臂差ΔL、相移量φ、相移量φ的位置、相移量φ的数目等对传输光谱的影响.本研究对探究结合光纤光栅和Sagnac环结构的滤波器的应用提供了一定的参考.

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(责任编辑：包震宇,郁 慧)

Spectral properties in the filter based on phase-shiftedgrating and Sagnac loop

WANG Lu, WU Xiangnong, ZHOU Ming

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

In this paper,a filter was designed basing on the phase shift grating and Sagnac loop.The theoretical model of the filter using Jones Matrix has been established,and the expression of the transmission spectrum has been deduced.The numerical simulations and analysis for the transmission spectrum have been carried out.The effect of the parameters of the phase shift grating and optical fiber ring arm length difference on the transmission spectra have been mainly discussed.Through the numerical simulations,the transmission spectra of comb filter characteristics with dual band-pass have been obtained,and they can be applied in the fiber grating sensing and communication systems.

fiber optics; Sagnac loop; phase-shifted grating; transfer matrix; filter

2015-05-05

上海市自然科学基金面上项目(13ZR1430400);上海市教委科研创新一般项目(14YZ070)

武向农,中国上海市徐汇区桂林路100号,上海师范大学信息与机电工程学院,邮编:200234,E-mail:xnwu@shnu.edu.cn

TN 253

A

1000-5137(2016)05-0548-07

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2016.05.006