二元相位取样光纤Bragg光栅型光分插复用器方案 - 学兔兔 www.bzfxw.com .pdf

2 0 1 0 年第6 期 总第1 6 2 期 光通信研究 S T U D Y0 NO P T I C A LC o M M U N l C A T I O N S 2 0 1 0 1 2 ( S u m N o 1 6 2 ) 光电器件研究与应用 二元相位取样光纤B r a g g 光栅型光分插复用器方案 余天威 ( 信息产业部有线通信产品质量监督检验中心，四川成都6 1 0 0 6 2 ) 摘要：结合马赫一曾德干涉仪( M Z I ) 和二元相位取样光纤布拉格光栅( B P - s F B G ) 构造出了一种具备多信道处理功能的光分插 复用器( 0 A D M ) 。首先利用传输矩阵法建立了0 A D M 的理论模型，再结合传输矩阵法和C h e b y s h e v 恒等式实现对B P - s F B G 的快速分析和计算；最后给出了一个仿真设计的实例，数值结果表现出了良好的性能，为具体器件的研制提供了有益的参考。 关键词：光学器件；光分插复用器；二元相位取样光纤B r a g g 光栅；马赫一曾德干涉仪 中图分类号：T N 2 5 3 文献标识码：A文章编号：l 0 0 5 8 7 8 8 ( 2 0 1 0 ) 0 6 一0 0 3 6 一0 3 O p t i c ma d d d r o pm I l l t i p l e x e r sb a s e ( I 蚰b i n a 驴p h a s e 翰m p l e df i b e rB r a g gg r a t i n 擎 Y uT i a n w e i ( Q u a I i t yS u p e r v i s i o na n dT e s t i n gC e n t e rf o rW i r eC o m m u n i c a t i o nP r o d u c t so fM i n i s t r yo fI n d u s t r y a n dI n f o r m a t i o nT e c h n o l o g y ，C h e n g d u6 1 0 0 6 2 ，C h i n a ) A b s t m c t ：A i d e db yaM a c h - Z e h n d e rI n t e r f e r o m e t e r ( M Z I ) a n dB i n a r y - P h a s eS a m p l e dF i b e rB r a g gG r a t i n g s ( B P S F B G ) ，a m u l t i c h a n n e l0 p t i c a lA d d D r o pM u l t i p l e x e r ( 0 A D M ) i sc o n s t r u c t e d At h e o r e t i c a lm o d e lf o rt h e0 A D Mi sf i r s td e r i v e db yu s i n gt h et r a n s f e rm a t r i xm e t h o d T h e nt h ef a s ta n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no ft h eB P S F l 3 Gi sp e r f o r m e db yu s i n gt h et r a n s f e rm a t r i xm e t h o da n dt h eC h e b y s h e vi d e n t i t y F i n a l l y ，as i m u l a t e dp r a c t i c a ld e s i g ni sg i v e na n dg o o dn u m e r i c a lc h a r a c t e r i s t i c sd i s p l a y e d ，p r o v i d i n gau s e f u lr e f e r e n c ef o rt h ed e v e l o p m e n to fs p e c i f i cd e v i c e s K e yw o r d s ：o p t i c a ld e v i c e s ；0 A D M ；B P - S F B G ；M Z I O 引言 光分插复用器( O A D M ) 能同时透明地分离和 插入承载不同信息的波长，对全光网络的传输能力、 组网方式和关键特性等具有重要影响，如波长的透 明上下路由、网络的动态重构和自愈功能、网络的 性能监控等。目前已报道的0 A D M 方案较多，常 见的有光栅型、多层介质膜滤波器型、声光可调谐滤 波器型和阵列波导光栅型。其中，光栅型0 A D M 的结构和制作都较为简单，应用较为广泛 1 2 。此 类0 A D M 具有一个显著的特点：其性能在很大程 度上取决于光栅的反射特性，如旁瓣、反射峰带宽和 平坦性等。 近年来，随着密集波分复用( D W D M ) 技术的成 熟和波长信道的进一步密集化，具有多信道滤波或 色散补偿的器件备受关注。取样光纤B r a g g 光栅 ( S F B G ) 的反射( 或透射) 特性正是具备多信道梳状 滤波功能，因而这类特殊结构的光栅在0 A D M 中 的应用逐渐受到人们的关注 3 。 本文提出基于二元相位取样光纤B r a g g 光栅 ( B P S F B G ) 和马赫一曾德干涉仪( M Z I ) 构建多信道 型0 A D M 。一则，结合B r a g g 光栅和M Z I 型0 A D M 的制作技术已经相当成熟 1 ，便于我们在本文理论 研究的基础上展开进一步的实物实验；另则，相对于 其他S F B G ，B P S F B G 具有一些独特的优势 5 6 ：光 栅周期分布均匀，制作难度小( 相对啁啾等而言) ；折 射率分布具有很强的周期性，可采用c h e b y s h e v 等 式进行快速分析和设计；反射峰的平坦性好，对信号 的损伤较小。文中将依次给出B P S F B G 型0 A D M 的工作原理分析和设计实例。 1 工作原理分析 1 1B P S F B G 型o A D M 的结构分析 如图1 所示，这种0 A D M 由平衡式M Z I 和制 B P s F B G 作在两臂上的B P S F B G 1 、卅3 构成，其端口1 4 分别 2 i = = 燃= = ：玲4 为输入端、下路端、上路 B P - S F B G ”一”一 图1B p s F B G 型0 A D M 端和输出端，3d B 定向 的结构示意图 耦合器C 1 、G 的直通功 率耦合系数分别为口和口。 波长下路时，从端口1 输入一束光场为E 。( A ) 的光，端口1 、2 的输出光场分别为E ( A ) 、最( A ) 。结 合传输特性矩阵 1 ，将输出光场表示为矩阵乘积的 形式 收稿日期：2 0 1 0 0 7 2 8 作者简介：余天威( 1 9 7 7 ) ，男，河南信阳人，工程师，工学硕士，主要研究方向为光通信、光网络及相关设备仪器检测。 3 6 万方数据 余天威：二元相位取样光纤B r a g g 光栅型光分插复用器方案 黝- l 磊 L 岛( A ) J i 厅= i 篙 E ( A ) 一业( A ) 1 2 i 丁习 1 + e x p ( J 2 垂) E 1 ( A ) ， ( 2 ) 式中，J 一厅，西为M z I 两臂的相对相位延迟，当 程与下路状态完全一致，就不赘述了。波长通过时， 两臂完全平衡时，西= o ；R ( A ) 为B P s F B G 的反射 端口4 的输出光场E ( A i ) 类似地解得 谱；A 为真空中的波长。波长上路时，光场的传输过 戢 ： f 篙歹 篇歹 唧? 口一掣V 2 E H E ( A ) = 歹 1 一R ( A ) u 2 卯( 1 口) e x p ( J ) + 口( 1 一卢) E 1 ( A ) 。 ( 4 ) 上述推导得到的式( 2 ) 、( 4 ) 即为0 A D M 工作原理与此同时，B P S F B G 在结构上有一显著特点： 的数学关系表达式，由此我们就可以详细地分析 它的任一取样周期内都划分为若干子区域，而每一 0 A D M 的性能以及各结构参数对器件性能的影响。取样周期都具有相同的结构，也就是有许多重复的 1 2 B P S F B G 的光学特性分析取样周期。为此，我们应用C h e b y s h e v 关系5 3 来快 无论是式( 2 ) 还是式( 4 ) ，光栅的特性都起着决 速分析B P S F B G 的光学特性。根据传输矩阵的思 定性的作用，因而有必要介绍B P S F B G 的结构特 想嘲，设定每个取样周期的传输矩阵为S 。，计算B P 一 点和性能。B P S F B G 通过在取样周期内设定一系 S F B G 的反射或传输特性需要对传输矩阵J s 。进行 列的相位跳变点来获得均匀多信道的滤波性能口3 。 多次重复运算，显然计算速度低。由于氐是幺模矩 它的任一取样周期内都划分为若干子区域，而每一 阵，借助C h e b y s h e v 关系可将S 。的幂运算简化为一 取样周期都具有相同的结构，如图2 所示。 次运算，即 长度，恤m ( c ) 取样后的光栅 图2B P S F B G 的折射率调制分布 B P S F B G 设计的关键在于相位跳变点的选取， 国内外的研究人员先后提出了用多维最小优化算 法、粒子群优化算法等来设计相位跳变点3 “ 。其 设计方法比较成熟，这也是本文选取B P S F B G 的 原因。 c s 一s = s 1 譬泛y Ms 。譬肛。 ， ( 5 ) 黼s 。= 茎鬟= 警，M = c o r ，f 半1 ；N 为折射率分布周期的数目。结 合式( 5 ) ，分析计算速度得到了极大的提高。因此， B P _ S F B G 的数值模拟分两步进行：第一步，利用均 匀分段思路得到折射率分布周期的传输矩阵S o ；第 二步，利用式( 5 ) 实施快速分析方法。显然，这种快 速分析方法充分利用了B P S F B G 结构上的周期 性。均匀分段时子区域划分越多，节省的时间就越 多；折射率分布周期数目N 越大，计算时间降低的 倍数就越大( 约原来的1 N ) 。 本文提出的0 A D M 最为突出的性能是可实现 多信道平坦滤波，这主要是基于B P S F B G 来实现 的。与其他类似方案相比，其优越性主要体现在 1J 0 1 l e l 0 O p Xe rlL 1，J 胆 O DR 胆 D O R 广l ，- I 1J 0 1 I e I 门I J 啪0 D p ( O 强 日 I _ ，_ I rlL 饲嗣 3 1j 、，Ao 默 一l r L 习罚 悟淼窖器器静絮塔 万方数据 光通信研究 2 0 1 0 年第6 期总第1 6 z 期 B P S F B G 上：( 1 ) 构建平坦的多信道滤波波形完全 基于均匀种子光栅和二元取样方案，不要额外的切 趾或啁啾技术，降低了制作难度；( 2 ) 其特性的分析 和优化可通过基于C h e b y s h e v 等式的快速方法来 完成，显著提高了设计效率。下面，我们将给出一个 具体的设计实例来进一步加以说明。 2 设计实例与讨论 根据以上的原理分析，我们在这一部分开展实 例仿真设计并对其性能进行分析和讨论。器件的具 体参数如下：采用两个3d B 的定向耦合器和个平 衡式的M Z I ，即a 一口一o 5 ，垂= O ；优化设计得到 的B P - S F B G 的反射谱包含9 个信道，信道间隔为 O 8n m ，取样周期数目为3 0 。 模拟结果如图3 所示：信道间隔符合设计值 O 8n m ；在下路端的波形