两种基于高双折射光纤环的高阶超精细梳状滤波器

田家扬, 武向农

(上海师范大学 信息与机电工程学院,上海 200234)

两种基于高双折射光纤环的高阶超精细梳状滤波器

田家扬, 武向农

(上海师范大学 信息与机电工程学院,上海 200234)

设计了两种基于高双折射(HiBi)光纤萨尼亚克环的可调谐高阶超精细梳状滤波器,其由偏振控制器(PC)、环形器、2段(或3段)HiBi保偏光纤(PMF)组成,具有单输入双输出和高阶超精细梳状光谱的特性,调谐灵活、输出光谱精细等特点.建立了理论模型研究光谱的双输出特性;对二阶滤波器,仿真研究了在HiBi光纤长度相等时偏振角度对输出梳状光谱的影响;对三阶滤波器,仿真研究了的HiBi光纤长度对输出梳状光谱的影响.结果表明该种高阶滤波器可应用于不同波长光波的选频输出.

高双折射光纤; 超精细滤波器; 萨尼亚克环; 梳状滤波器

0 引 言

基于高双折射(HiBi)光纤萨尼亚克环的干涉仪具有结构简单、成本低、易于调节、调谐灵活、调谐范围广等特点,已引起了科研工作者的研究兴趣.Luo等[1]采用双重MZ干涉仪结构,实现了可切换平顶滤波;Lee等[2]基于Solc型滤波器的环形结构,实现了可切换平顶滤波功能;DEREVYANKO等[3]设计一种光纤光栅型平顶滤波器;Lai等[4]利用延迟光纤实现了平顶滤波;郝文良[5]通过级联光纤起偏器和萨尼亚克环反射镜也实现了该功能.然而,利用这些结构得到的梳状滤波器都有固定的波长间隔,不能实现波长间隔可切换的功能.

本文作者利用两个二阶(或三阶)高双折射环滤波器的级联,通过添加的一个三端口光学环形器的作用,将第二个萨尼亚克环的反射谱输出,与前一个环的透射谱输出相结合,设计了两种基于HiBi光纤环的新型高阶超精细梳状滤波器,可以作为平顶滤波器,同时在尖顶的情况下滤波器的波长间隔还可以切换.

1 基于HiBi光纤的萨尼亚克全光纤滤波器的理论研究

1.1 基于两阶HiBi光纤的二阶级联萨尼亚克滤波器的理论分析

1913年,法国人萨尼亚克将同一光源发射的一束光分为两束,并让它们在一个环形回路中传输一周后再次会合,构成了一个环形干涉仪.将一个3 dB光纤耦合器的两输出端连接起来就可以构成全光纤结果的萨尼亚克干涉仪,目前航空航天领域广泛采用的光纤陀螺正是基于这种萨尼亚克干涉仪而设计的.如果将3 dB光纤耦合器的输出两端分别与1段HiBi光纤两端熔接,就可构成一个偏振无关全光纤萨尼亚克滤波器,这种滤波器具有梳状滤波谱.

基于上述与偏振无关的一般全光纤萨尼亚克滤波器,本研究在单级萨尼亚克环中引入2段(或3段)HiBi保偏光纤,并通过添加的一个光学三端口环形器来级联2个单级萨尼亚克环构成两种新型全光纤萨尼亚克梳状滤波器,通过对偏振控制器的偏振态的控制,实现了基于此种滤波器的多种新型滤波功能.原理图如图1所示,由宽带光源、两个高双折射SAGANC滤波器和一个环形器组成.宽带光源发出输入光,经过第二个萨尼亚克环滤波器后,一部分反射回来经过环形器的端口2输出,假设环形器是理想的,不存在损耗,一部分直接透射输出,输出光通过光谱仪接收.

图1 单级级联萨尼亚克滤波器的结构图

图1中,Input为信号输入端口,PC1、PC2为偏振控制器,L1和L2分别为2段HiBi光纤的长度,Out1为直接输出端口,Out2为通过环形器端口的输出端.

根据理论分析结果,单级级联情况下的2个输出口的输出函数可表示为[8-10]:

(1)

(2)

在单级萨尼亚克滤波器中使用2段HiBi光纤来构成全光纤滤波器,并对其滤波特性进行了分析,发现在2阶HiBi光纤环的情况下可以通过调谐偏振控制器来实现对滤波器来实现对滤波谱的调谐,而在单阶HiBi光纤的情况下无法实现对滤波谱的调谐[6-7].本节将通过采用2个二阶萨尼亚克滤波器级联的结构,研究在不更换其中保偏光纤的情况下,仅通过调谐其中的偏振控制器来实现滤波谱的灵活调谐功能.该种滤波器的基本结构如图2所示.

图2 基于二阶HiBi光纤的级联萨尼亚克滤波器的结构图

可以看出该滤波器相当于由2个基于两阶HiBi光纤的萨尼亚克全光纤滤波器级联而成,其中在2个二阶萨尼亚克滤波器连接的过程中采用了一个光纤环形器,这样输出端口Out1输出的是2个二阶滤波器透射谱的叠加,Out2输出的是单级滤波器透射谱和反射谱的叠加.

由此,结合本课题组的前期研究,可以推出单个二阶环的输出公式为:

(3)

当L1=L2,L3=L4时,2个输出口的输出函数可表示为:

(4)

(5)

1.2 基于三阶HiBi光纤的级联萨尼亚克滤波器的理论分析

图3为3阶HBF环镜的结构图,由3个偏振控制器、3段HiBi光纤、1个3dB光学耦合器组成.其中θ1、θ2和θ3分别为偏振器的偏振角度,L1、L2和L3分别为3段HiBi光纤的长度.通过计算可以得到3阶HiBi环镜的透射率T[10,11]为:

(6)

图3 三阶HBF 萨尼亚克环滤波器结构图

图4为三阶级联原理图.假定3个偏振控制器的偏转角度为θ1、θ2和θ3,3段HiBi光纤长度分别为L1、L2和L3,折射率差分别为Δn1、Δn2和Δn3,则φ1=2πΔn1L1/λ,φ2=2πΔn2L2/λ,φ3=2πΔn3L3/λ.

图4 基于三阶HiBi光纤的级联萨尼亚克滤波器的结构图

结合公式(6),可以推出输出端口函数:

(7)

(8)

2 数值仿真结果与讨论

2.1 基于两阶HiBi光纤的级联萨尼亚克全光纤滤波器研究

首先,根据(4)、(5)式,对基于两阶HiBi光纤的级联萨尼亚克全光纤滤波器的滤波谱进行仿真模拟.假设4段高双折射保偏光纤的规格相同而长度不同,光纤的双折射差Δn=0.0005,L1=L2=L3=L4=2m,当θ1=θ2=θ3=θ4=π/4时,在1 544～1 554nm波长范围内,仿真研究得出滤波器两输出端口的梳状光谱如图5所示.

根据图5可以看出,当光纤长度等都保持相同,由于每个偏振器的偏振角度都是π/4,所以单环总的偏振角度改变量为π/2时,环形器端口输出的光谱,具有较好的平顶滤波效果,通带间隔为2.2nm,且消光比能达到38dB;输出端具有良好的梳状滤波效果,可以运用于制作普通的梳状滤波器.

对于Out1来说,当2段HiBi光纤长度均保持为2m时,根据(4)、(5)式可以看出,改变偏振器的角度,仅仅对输出端口的最大透射率产生影响,实际上就可以实现对滤波器插入损耗的控制.图6为在不同偏振角度情况下的模拟输出滤波谱.在保证θ1,θ3不变时,改变θ2和θ4,且使θ2=θ4.

图5 当光纤长度相等,偏振角为π/4时的双输出光谱图

图6 当光纤长度相等,改变偏振器偏振角时的双输出光谱图

由图6中可以看出,最大透射率随偏振角度的改变而改变.端口Out1中,当第二个偏振器越接近π/4时,旁瓣越小;当偏振器达到 π/4时,旁瓣消失,达到最好滤波效果.端口Out2为环形器端输出的光谱,存在一定的损耗,当θ<π/4时,会出现凹陷;当偏振角达到π/4时,达到最优效果,通带间隔为1.6 nm.

由于级联后,根据(4)、(5)式,TO1,TO2中的φ项,由式(1)和式(2)中的二次方变为四次方,而这一项与波长紧密相关,因此通过级联后可以有效减小滤波器的滤波带宽.

对于2阶HiBi光纤的二阶级联萨尼亚克滤波器,保证其他条件不变的情况下,当每个环镜中第一个偏振器的角度保持π/4不变时,改变第二个偏振器的角度,当角度达到π/4时,达到最优,当角度大于π/4时,幅度较小,当小于π/4时,峰顶会下凹,形成2个峰.

2.2 基于三阶HiBi光纤的级联萨尼亚克全光纤滤波器研究

对基于三阶HiBi光纤的级联萨尼亚克全光纤滤波器进行仿真实验,当3段HiBi光纤长度L1=L2=L3=1 m时,仿真结果如图7所示.由图7可以看出,输出端口存在损耗,且为双峰形式,不存在旁瓣,环形器端口输出的通波峰旁会出现边峰,抑制比约为12 dB,且旁瓣会出现陷波,可用于多种波形滤波器的选择.

图7 当光纤长度都相同时的双输出光谱图

对于输出端来说,当L1,L2两段保偏光纤长度均保持为1 m,L3=2 m时,通过改变光纤的长度,研究对输出谱图的影响,结果如图8所示.由图8可以看出,输出端通带主峰具有2个边峰,边模抑制比为12 dB,而环形器端口输出谱图为双峰,且双峰之间存在2个边峰,边峰抑制比约为12 dB,双峰间的间隔约为3 nm.

对于输出端来说,当3段HiBi光纤长度L1=1 m,L2=2 m,L3=4 m时,通过改变光纤的长度,研究对输出谱图的影响,结果如图9所示.由图9可以看出,输出端的输出谱为双峰滤波,且存在损耗,双峰间隔约为1 nm.环形器端口输出谱也为双峰滤波,但是双峰的两边会出现边峰,抑制比约为12 dB.

图8 当光纤长度L1=L2=1 m,L3=2 m时的双输出光谱图

图9 当光纤长度L1=1 m,L2=2 m,L3=4 m时的输出光谱图

对于三阶HiBi光纤的三阶级联萨尼亚克滤波器,当偏振角度,折射率等保持不变的条件下,随着光纤长度的不断增加,会形成双峰,可应用于双峰监测传感等,同时随着长度的改变,会出现凹陷的情况,间隔发生改变,可以应用于不同波长间隔的切换.

3 总 结

本文作者设计了基于HiBi光纤的新型二阶和三阶Solc型级联萨尼亚克全光纤梳状滤波器,原理是基于一阶级联萨尼亚克滤波器,把环中1段HiBi光纤分别改进为2段或3段HiBi光纤,构成基于二阶(或三阶)HiBi光纤的高阶(二阶或三阶)级联萨尼亚克滤波器.与一阶级联萨尼亚克滤波器相比,此种高阶梳状滤波器具有单输入双输出、高阶超精细梳状光谱等独特的优点,还能通过调谐偏振控制器来实现输出光谱的调谐.理论研究了双输出的反射和透射光谱的特性,并加以仿真优化,仿真研究发现,对于二阶级联萨尼亚克滤波器,调节偏振控制器,当两个偏振控制器的偏振角度都为π/4时,输出光谱特性最优;对于三阶级联萨尼亚克滤波器,随着光纤长度的增加会形成双峰,这可应用于双峰监测传感等.仿真研究验证了此种基于HiBi光纤萨尼亚克环的新型高阶超精细梳状滤波器具有更窄的超精细滤波带宽;调谐不仅能实现波长间隔的变化,还能实现平顶滤波的功能.

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(责任编辑：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

上海市教育委员会科研创新项目(14YZ070)

田家扬(1991-),男,硕士研究生,主要从事光纤传感方面的研究.E-mail:1341764313@qq.com

导师简介: 武向农(1970-),女,副教授,主要从事光纤通信和光纤传感等方面的研究.E-mail:xnwu@shnu.edu.cn(通信联系人)

TN 253

A

1000-5137(2017)01-0059-07