1、第53卷第9期2004年9月100023290200453(09)3077206物理學報ACTAPHYSICASINICAVol.53,No.9,September,20042004Chin.Phys.Soc.一種新穎的超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵梳狀濾波器的設(shè)計曹輝1)2)󰂍1)2)3)孫軍強張新亮肖凌燕黃德修(華中科技大學光電子工程系,武漢430074)(佛山科學技術(shù)學院物理學系,佛山528000)(,武漢)1)1)3)1)(2003年8月1日收到;2004年1)(BG)梳狀濾波器,其突出特點是僅由單個光柵構(gòu)成、窄帶寬和標準的信道間隔.采用基于LP算法的IS光,成功地設(shè)計出所需

2、的SFBG,同時對SFBG的制作、時延曲線和群時延抖動.結(jié)果表明,所設(shè)計的SFBG滿足各項設(shè)計指標要求,在DW,這種新穎的SFBG可望成為用于多波長光纖激光器的最理想的高性能梳狀濾波器.關(guān)鍵詞:超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵,光柵設(shè)計,梳狀濾波器PACC:4281,4280C,4280F11引言用于密集波分復(fù)用(DWDM)光纖通信系統(tǒng)的多波長光纖激光器,有可能替代單個半導(dǎo)體激光器成13為多信道信號源,近年來受到越來越多的關(guān)注.選擇合適的波長選擇元件是使光纖激光器多波長工作的必要條件之一.眾多研究者設(shè)計出了各種基于光纖光柵的頻率選擇器件來實現(xiàn)光纖激光器的多波長激射,如光纖光柵F2P諧振腔,全光纖Mac

3、h2Zehnder干涉儀,全光纖Sagnac干涉儀,級聯(lián)光纖光47柵,光纖光柵梳狀濾波器等.這里光纖光柵梳狀濾波器僅僅指具有梳狀反射譜的單個光纖光柵,它具有結(jié)構(gòu)簡單,與光纖兼容性好,波長選擇可精確確定,信道窄等優(yōu)點,在多波長光纖激光器中將得到廣泛應(yīng)用.但基于取樣光纖光柵或基于莫爾效應(yīng)的相8,9移光纖光柵的梳狀濾波器反射峰峰值不均勻,將引起激光器各縱模功率失衡.本文采用基于LP(layer2peeling)算法的IS(inversescattering)技術(shù),開拓性地采用各信道獨立加窗切趾的方法,設(shè)計出一種折射率調(diào)制和啁啾分布比取樣光柵更富于變化的高性能超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵(SFBG)梳狀濾

4、波器,完全滿足ITU2T所建議的DWDM光纖通信系統(tǒng)信道󰂍標準,8個反射峰等強度等間距(014nm,對應(yīng)50GHz信道間隔)排列,-015dB帶寬011nm,-30dB帶寬0115nm,通頻帶內(nèi)無色散.這種SFBG反射譜的均勻性明顯優(yōu)于取樣光柵,而且與上述基于干涉儀結(jié)構(gòu)的梳狀濾波器相比,具有結(jié)構(gòu)簡單、附加損耗小等優(yōu)點,用來代替級聯(lián)的單反射峰光柵,可以減小激光器尺寸,避免多個單反射峰光柵間的熔接損耗,簡化多波長光纖激光器的結(jié)構(gòu).21目標反射譜的設(shè)計DWDM光纖通信系統(tǒng)要求多波長光源波長密集(通道波長間隔小),波長數(shù)目大,線寬窄以及功率譜平坦,因此用于DWDM系統(tǒng)的多波長光纖激光器

5、對用作波長選擇器的光纖光柵也提出了很高的要求,如多反射峰,反射峰間隔窄且均勻,具有高反射率,窄帶寬和高的帶寬利用率,同時要求無色散;據(jù)此可將光纖Bragg光柵(FBG)目標反射譜各項指標設(shè)計為:峰值反射率0195,-015dB帶寬011nm,-30dB帶寬為0115nm,8個反射峰等強度等間距(014nm,對應(yīng)50GHz信道間隔)排列,反射系數(shù)幅角為零,則理想的光纖Bragg光柵梳狀濾波器目標反射譜可用超高斯函數(shù)表示為Email:foshancaohui;電話© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Pu

6、blishing House. All rights reserved. 30788物理學報10neff(1-1exp(-(2251),j)53卷)=r(195×j=1(1)其中,有效折射率neff=11446;中心波長j=(1548+j×014)nm,j=1,2,8.圖1(a)給出了這種理想公式和迭代過程.11該方法的具體計算將用到下列公式:M-1)t=0=rj(j=Frj(n),Mn=1(2)(3)(4)目標反射譜的圖形.j=-tanh=erj+1(z)=-i2qqj,qj3)-rj(j,jrj(n0(i+(z),(5)2(6)=-,dzdz2其中j表征第j個復(fù)反射器在

7、時間t=0時的脈沖效應(yīng)(時域反射系數(shù)),(3)式反映了j與第j段光柵耦合系數(shù)之間的關(guān)系,(4)式為頻域反射系數(shù)的迭代公式,其中r1要求是物理可實現(xiàn)的目標反射系數(shù),圖1(a)目標反射譜;(b)由整體加窗切趾法得到的物理可實現(xiàn)反射譜;(c)由各信道獨立加窗切趾法得到的物理可實現(xiàn)反射譜設(shè)計中可借鑒有限長單位沖擊響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器設(shè)計方法中的窗函數(shù)設(shè)計思想,通過對理想目標)進行加窗切趾得到,(5)式描述了耦合系數(shù)譜r(與折射率調(diào)制幅度n0(z)和光柵相位(z)之間的關(guān)系,(6)式中(z)為待求的光柵啁啾函數(shù).由物理可實現(xiàn)目標反射譜到光柵結(jié)構(gòu)的迭代過程如下:)的表達式并離散化.1)根據(jù)設(shè)計要求寫出

8、r1(2)令j=1.3)由(2)式計算j,進而根據(jù)(3)式計算出qj.).4)由(4)式計算出rj+1(5)j=j+1.6)重復(fù)步驟3)5)直到計算出所有qj.7)利用5)和6)確定光柵結(jié)構(gòu)(折射率調(diào)制和局部啁啾分布).31光柵設(shè)計方法所謂光柵設(shè)計就是由實際要求的目標反射譜來確定光柵結(jié)構(gòu)使目標譜得以實現(xiàn)的過程,較常用的一階波恩近似法由于只考慮了介質(zhì)的一次反射,因此只適用于低反射率光柵設(shè)計,而另一種是積分法,通過精確求解描述光柵中光波傳播特性的積分方程得到光柵結(jié)構(gòu)參數(shù),由于直接求解積分方程存在困難,需要將目標譜加以有理化近似或采用迭代的方法求解10,計算結(jié)果精確度不高,計算效率較低.這1113里

9、采用基于LP算法的IS技術(shù),它是一種設(shè)計靈活、簡便、高效、精確的光纖光柵合成方法,由Feced等人首先運用于FBG濾波器設(shè)計.該方法是41加窗切趾迭代過程中的第一步是該設(shè)計方法的關(guān)鍵,需要根據(jù)要求確定光柵目標反射譜,并用恰當?shù)姆椒ㄟM行加窗切趾以得到物理可實現(xiàn)反射譜.以往的研究均直接對整個光柵反射譜進行加窗切趾,使窗外的脈沖響應(yīng)為零,并將整個脈沖響應(yīng)進行移位使之)在t=0時激勵,得到r1(1113利用光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)(切趾函數(shù)和局部啁啾量)與光柵反射譜之間滿足的因果關(guān)系,通過設(shè)定優(yōu)良的目標特征曲線,如設(shè)定平頂、窄間距、窄帶寬、高帶寬利用率、高峰值反射率的目標反射譜和水平的目標時延曲線,將光柵看作由M

10、層(M足夠大,使長為的各段光柵的耦合系數(shù)可視為常數(shù))復(fù)反射器級聯(lián)而成,由目標特征曲線出發(fā),反演推算出每段光柵的耦合系數(shù),再由耦合系數(shù)與切趾函數(shù)和局部啁啾量分布之間的關(guān)系確定光柵結(jié)構(gòu).具體的公式推導(dǎo)和證明已有文獻報道11,12.若采用這種慣用的加窗方法,選取漢寧窗(Hanning)作為窗函數(shù),以(1)式作為光柵目標反射譜,取波長計算范圍=8nm,光柵長度L=10cm,則加窗切趾后的物理可實.為行文和計算方便,給出有關(guān)現(xiàn)反射譜為© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserv

11、ed. 9期曹輝等:一種新穎的超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵梳狀濾波器的設(shè)計3079)=r1()r(-01-cos22(7)啾量分布分別如圖(a)和(b)所示,可見所設(shè)計的SFBG切趾函數(shù)不同于常規(guī)的鐘形對稱切趾函數(shù),折neff-×expi2L.0由(7)式計算得出的物理可實現(xiàn)反射譜如圖1(b)所示,可見這種物理可實現(xiàn)反射譜出現(xiàn)明顯的余弦型包絡(luò)調(diào)制,各信道峰值反射率相差較大,與圖1(a)所示的理想目標反射譜有很大的偏離,不能滿足多波長光纖激光器對波長選擇器件各信道性能一致的要求.這里將具有(1)光柵視為由8,的,然后將8個已加窗的物理可實現(xiàn)反射譜相加得到SFBG物理可實現(xiàn)反射譜.圖2給出了

12、各信道獨立加窗切趾的示意圖,具體的數(shù)學表達式為8射率調(diào)制集中在光柵中部且振蕩變化,啁啾也是非線性的,且在光柵前部啁啾較大,這是一種特殊的SFBG,其折射率調(diào)制和局部啁啾甚至也比稱為SFBG的取樣光柵更富于變化更優(yōu)良的反射譜.)=r1(195×j=1exp-neff-2j10-j1-cos22.(8)neff-L×expi2j按(8)式計算得到的物理可實現(xiàn)反射譜如圖1(c)所示,與圖1(a)所示理目標反射譜相比,兩者接近程度很高.這樣采用各信道獨立加窗切趾的方法,一方面保證了所設(shè)計的SFBG反射譜是物理可實現(xiàn)的,可用LP算法設(shè)計;另一方面保證了物理可實現(xiàn)反射譜滿足實際要求.圖

13、3光柵結(jié)構(gòu)(a)折射率調(diào)制隨光柵位置的變化曲線;(b)局部啁啾隨光柵位置的變化曲線51SFBG的制作方法如圖3(a)所示,此光柵要求的最大折射率調(diào)-4制達7145×10,這可采用氫焰清潔法、光纖高摻雜法和高壓載氫等方法提高光纖光敏性而實現(xiàn),但切趾函數(shù)和啁啾形式的特殊性使這種超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵的制作還需要解決兩個關(guān)鍵問題:一是非線性局部啁啾的實現(xiàn),二是隨位置變化的折射率調(diào)制度的調(diào)節(jié)和控制.為此,設(shè)計了如圖4所示的制作方案.眾所周知,如圖3(b)所示的復(fù)雜啁啾曲線,采用相位掩模板傾斜或光纖模板抖動等方法都無法實現(xiàn),但如圖4所示,采用一種楊氏模量為熔融石圖2各信道獨立加窗切趾法示意圖

14、,實線為8信道反射譜,虛線為分別加窗切趾8信道的漢寧窗函數(shù)曲線按照上述方法設(shè)計的SFBG切趾函數(shù)和局部啁© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 3080物理學報53卷英光纖小110(僅為110MPa)的新型材料聚二甲基硅氧烷橡膠(PDMS)制作掩模板,通過靈活設(shè)計沿線和物理可實現(xiàn)曲線,可知各數(shù)值模擬曲線與物理可實現(xiàn)曲線非常吻合.圖6(a)給出了1548155115nm范圍內(nèi)SFBG的群時延曲線,在8個反射光柵軸向變化的PDMS橫截面,采用掃描曝光技術(shù),并在

15、不同的掃描位置根據(jù)啁啾曲線的要求動態(tài)調(diào)節(jié)作用在PDMS掩模板上的拉力,幾乎可以制作任何14啁啾形式的光纖Bragg光柵.同樣,簡單地采用加入振幅掩模板的方法也難以實現(xiàn)圖3(a)所示的折射率調(diào)制曲線,圖4中采用將相位掩模板法和逐點15寫入法相結(jié)合的掃描寫入法,利用光致折射率變化n與曝光量F之間滿足的關(guān)系式n=AFB,其中A,B,(9)式調(diào)控曝光量,可以實現(xiàn)折射率調(diào)制度的調(diào)節(jié)和控制.可見,通過在不同的掃描位置分別控制作用在PDMS掩模板上的拉力和控制掃描速度與時間,以峰帶寬內(nèi)群時延曲線均為水平的,且在同一高度,說明此SFBG的8個信道均無色散.圖6(b)則進一步給出了1550nm和155014nm

16、處反射峰帶寬內(nèi)群時延抖動,抖動值介于-01之間,特征指標.,信道間隔均勻,.獨立實現(xiàn)非線性局部啁啾和隨位置變化的折射率調(diào)制度,可在一定程度上降低工藝要求,同時也提高了該方案的可行性和參考價值.圖4SFBG制作裝置示意圖圖5(a)所設(shè)計光柵的數(shù)值模擬反射譜與物理可實現(xiàn)反射譜的比較;(b)在1550nm和155014nm兩反射峰帶寬內(nèi),所設(shè)計光柵的數(shù)值模擬群時延與物理可實現(xiàn)群時延的比較61數(shù)值模擬分析在實際制作光柵前,通過數(shù)值模擬研究該方法設(shè)計SFBG的有效性是很有必要的.這里根據(jù)設(shè)計出的耦合系數(shù),采用傳輸矩陣法分析SFBG的特征曲線并與物理可實現(xiàn)特征曲線進行比較.圖5(a)比較了SFBG反射率的

17、數(shù)值模擬曲線和物理可實現(xiàn)曲線,圖5(b)則比較了中心波長在1550nm和155014nm處兩反射峰帶寬內(nèi)群時延的數(shù)值模擬曲71結(jié)論采用基于LP算法的IS光纖光柵設(shè)計技術(shù),通過改進整體加窗切趾法,提出和運用各信道獨立加窗切趾法,設(shè)計出一種有別于取樣光柵的高性能超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵梳狀濾波器,滿足ITU2T所建議的DWDM光纖通信系統(tǒng)信道標準,并達到以下各項© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 9期曹輝等:一種新穎的超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵梳狀濾波器的設(shè)

18、計3081圖6(a);(在1550nm和155014nm兩反射峰帶寬內(nèi),所設(shè)計光柵群時延抖動隨波長的變化指標:8信道,095,各反射峰等強度等間距(014nm)排列,-015dB帶寬011nm,-30dB帶寬0115nm,基本無色散,可以很好地作為多波長光纖激光器的選頻元件.同時應(yīng)該指出,這種超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵切趾函數(shù)和啁啾分布通常情況下富于變化,制作存在一定的技術(shù)難度,為此設(shè)計出了對非線性局部啁啾和折射率調(diào)制度單獨進行控制的制作方案,可在一定程度上降低工藝要求.可以預(yù)計,隨著制作成本的下降,制作工藝的提高,這種峰值反射率高、峰值均勻、信道間隔滿足DWDM系統(tǒng)要求、結(jié)構(gòu)簡單的高性能光纖B

19、ragg光柵梳狀濾波器在多波長光纖激光器以及光纖通信系統(tǒng)中將具有廣泛應(yīng)用.12345678SunJQetal2000ChineseJournalofLaseres27773(inChinese)孫軍強等2000中國激光27773ZhaoDHetal1998ActaPhotonicaSinica27459(inChinese)趙910111213141516且妮等2002光電子激光13926LiuYetal2002ActaPhotonicaSinica31824(inChinese)劉勇等2002光子學報31824PeralEetal1996IEEEJ.QuantumElectron.32207

20、8SkaarJetal2001IEEEJ.QuantumElectron.37165FecedRetal1999IEEEJ.QuantumElectron.351105XiaoLYetal2003StudyonOpticalCommunications11558(inChinese)肖凌燕等2003光通信研究11558LienVetal2003IEEEPhoto.Technol.Lett.15712LiYHetal2001SemiconductorOptoelectronics22(1)15(inChinese)李栩輝等2001半導(dǎo)體光電22(1)15GrubskyVetal1999OFCIO

21、OC99421東暉等1998光子學報27459Chang2SeokKimetal2002OFC3242WangMGetal2003ActaPhys.Sin.52609(inChinese)王目光等2003物理學報52609ShuXWetal2000ActaPhys.Sin.491731(inChinese)舒學文等2000物理學報491731SeungKwanKimetal2001OFC3WDD19-1ZhangJSetal2001ActaElectronicaSinica29698(inChinese)張勁松等2001電子學報29698LuQNetal2002J.Optoelectronic

22、sLaser13926(inChinese)呂© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 3082物理學報53卷AnoveldesignmethodologyforsuperstructurefiberBragggratingcomb2filterCaoHui11)2)󰂍SunJun2Qiang1ZhangXing2Liang1XiaoLing2Yan3Huangiu12)(DepartmentofOptoelectronicsEngineer

23、ing,HuazhongUniversityofScienceTechnology,China)(DepartmentofPhysics,FoshanUniverFo,3)(AccelinkTechnologiesCo.,Ltd.,China)(Received1August2003;2004)Anovel(SFBG)comb2filterformulti2wavelengthlaserisproposed.ThisSFBGischaracterizedbystructure,bothrefractiveindexmodulationandlocalchirpabundantinvariation,symmetricalreflectionpeaks,bandwidthandstandardchannelspacing.Basedonlay