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1、二元相位取样光纤Bragg光栅型光分插复用器方案2O1O年第6期总第162期光通信研究STUDYONOPTICALCOMMUNICATI()NS2O10.12(Sum.NO.162)光电器件研究与应用二元相位取样光纤Bragg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610062)摘要:结合马赫曾德干涉仪(MZI)和二元相位取样光纤布拉格光栅(BPSFBG)构造出了一种具备多信道处理功能的光分插复用器(OADM).首先利用传输矩阵法建立了OADM的理论模型,再结合传输矩阵法和Chebyshev恒等式实现对BP-SFBG的快速分析和计算;最后给出了一个仿真设计
2、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Bragg光栅;马赫一曾德干涉仪中图分类号:TN253文献标识码:A文章编号:10058788(2010)06003603Opticaladd/dropmultiplexersbasedonbinary-phasesampledfiberBragggratingsYUTianwei(QualitySupervisionandTestingCenterforWireCommunicationProductsofMinistryofIndustryandInformationTec
3、hnology,Chengdu610062,China)Abstract:AidedbyaMachZehnderInterferometer(MZI)andBinaryPhaseSampledFiberBraggGratings(BPSFBG),amultichanne1OpticalAdd/DropMultiplexer(OADM)iSconstructed.AtheoreticalmodelfortheOADMiSfirstderivedbyusingthetransfermatrixmethod.ThenthefastanalysisandcalculationoftheBPSFBGiS
4、performedbyusingthetransferma-trixmethodandtheChebyshevidentity.Finally,asimulatedpracticaldesignisgivenandgoodnumericalcharacteristicsdisplayed,providingausefu1referenceforthedevelopmentofspecificdevices.Keywords:opticaldevices;OADM;BPSFBG;MZ10引言光分插复用器(OADM)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
5、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OADM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OADM的结构和制作都较为简单,应用较为广泛】卅.此类OADM具有一个显着的特点: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(DWDM)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Bragg光栅(SFBG)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OADM中的应用逐渐受到人们的关
6、注l3J.本文提出基于二元相位取样光纤Bragg光栅(BPSFBG)和马赫一曾德干涉仪(MZI)构建多信道型OADM.一则,结合Bragg光栅和MZI型OADM的制作技术已经相当成熟,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SFBG,BPSFBG具有一些独特的优势: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Chebyshev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BPSFBG型OADM的工作原理分析和设计实例.l工作原理分析1.1BPSFBG型OADM的结构分析如图1所示,这种OADM由平衡式
7、MZI和制BPsFBG作在两臂上的BPSFBG,>一(/,卅<,3构成,其端口14分别2/卅4为输入端,下路端,上路图1BP_sFBG型oADM端和输出端,3dB定向.的结构示意图翕波长下路时,从端口1输入一束光场为E()的光,端口1,2的输出光场分别为E(),E().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:2010-0728作者简介:余天威(1977),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.36余天威:二元相位取样光纤Bragg光栅型光分插复用器方案H.唧.xv/T-o1o01LEz()_J一JL_JLR()_JL
8、已E()=jR(),/二1+exp(2)E(),(2)式中,J一,为MZI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,一0;R()为BPSFBG的反射端口4的输出光场E(A)类似地解得谱;.;L为真空中的波长.波长上路时,光场的传输过xp;一化一R0:E,(3)ll,()L0JE()一J1一R(),/(1一a)exp()+/a(1一)E().(4)上述推导得到的式(2),(4)即为OADM工作原理与此同时,BPSFBG在结构上有一显着特点: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OADM的性能以及各结构参数对
9、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1.2BPSFBG的光学特性分析取样周期.为此,我们应用Chebyshev关系来快无论是式(2)还是式(4),光栅的特性都起着决速分析BP-SFBG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BPSFBG的结构特想,设定每个取样周期的传输矩阵为S.,计算BP-点和性能.BPSFBG通过在取样周期内设定一系SFBG的反射或传输特性需要对传输矩阵s.进行列的相位跳变点来获得均匀多信道的滤波性能.多次重复运算,显然计算速度低.由于.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Chebyshev关系可将s.的幂运算简
10、化为一取样周期都具有相同的结构,如图2所示.次运算,即一AAAAAAATXAAAAjLAAAAAA妻(a)种子光栅垂一长1libra(b)取样函数一篓衄卿长/trm图2BPSFBG的折射率调制分布BPSFBG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.其设计方法比较成熟,这也是本文选取BPSFBG的原因.cs.一s一UsN-.u1-U.suS2U一N-u1.,(5)其中,s.一;u一一sin(N+1)KA,KACOS-1f1;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,BPSFBG的数值模拟分两
11、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.;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BPSFBG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0ADM最为突出的性能是可实现多信道平坦滤波,这主要是基于BPSFBG来实现的.与其他类似方案相比,其优越性主要体现在光通信研究2O10年第6期总第162期BPSFBG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
12、于Chebyshev等式的快速方法来完成,显着提高了设计效率.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3dB的定向耦合器和一个平衡式的MZI,即一一0.5,一0;优化设计得到的BPSFBG的反射谱包含9个信道,信道间隔为0.8nm,取样周期数目为3O.模拟结果如图3所示:信道间隔符合设计值0.8nm;在下路端的波形中,反射带比较平坦,在0.15nm带宽内几乎没有波动,而且在整个1.5471.554m工作波段内的信道均匀度优于0.01dB.在通路端的波形中,通带的平
13、坦性相比较而言要差一点,存在波动,但在所有的信道内,0.4nm带宽内的波动很小,仅为0.7dB,这种波动可以通过在光栅周期内施加啁啾或切趾效应来消弱;同样在1.5471.554m波段内信道均匀度优于0.01dB.为了获得信道数目更多的分插复用功能,我们利用BPSFBG设计了39个信道的OADM,其下路端的响应波形如图4所示,信道整体均匀度优于-4-0.02dB.0一2一4一6里一80一2督一4一6里一81.5471.5481.5491.5501.5511.5521.5531.554波长/mfa)下路端1.5521.5531.554(b)通路端图3基于BPSFBG的OADM下路端和通路端的响应波
14、形(9个信道)需指出的是,设计实例中的一些参数(如耦合系数,零臂长差)设定为理想值,在实际制作中,由于参数存在一定的误差而影响器件的性能.鉴于同类结381m波长/btm图439个信道时下路端的响应波形构的OADM在容差上已作了大量的研究,相应的规律和改良工艺同样适用于本文的OADM,比如紫外线曝光修正臂长差等,这些同行的研究成果间接保证了OADM的可行性和性能.3结束语具有多信道处理功能的OADM是目前研究的热点之一,为此我们设计和分析了一种该类型的OADM.该OADM由MZI和BPSFBG构成,根据其结构特点,我们应用传输矩阵法和Chebyshev等式先后建立了理论模型的表达式和BPSFBG
15、的快速分析方法,从而展开对OADM的理论研究.基于理论研究,文中给出了OADM仿真设计的两个实例(9个信道和39个信道),得到了良好的数值结果.参考文献:1BilodeauF,JohnsonDC.Anallfiberdensewavelength-divisionmultiplexer/demultiplexerusingphotoimprintedBragggratingsJ.IEEEPhotonTechno1Lett,1994,7(4):388390.Eel周志,邹喜华,肖波,等.带光纤光栅的MZI型全功能光分插复用器的研究J.光通信技术,2007,(2):2830.3LiH,ShengY
16、,IiY,eta1.PhasedonlysampledfiberBragggratingsforhigh.channel.countchromaticdispersioncompensationJ.JI.ightwaveTechnol,2003,21(9):20742083.4刘玉敏,俞重远,杨红波,等.优化二元相位取样光纤布喇格光栅以及对色散和色散斜率补偿的应用J.光子,2005,34(11):1701一l705.E5周志,潘炜,罗斌,等.折射率周期分布取样光纤Bragg光栅的快速分析方法mJ.光子,2007,36(12):22662269.6ErdoganT.FibergratingspectraJ.JLightwaveTechnol,1997,15(8):l277l294.