可调谐光滤波器（共4篇）
可调谐光滤波器 篇1
0 引言
随着光通信产业的不断发展,密集波分复用(DWDM)光信道数量逐步增加,对DWDM系统中可调谐光滤波器(TOF)提出了更高的要求,一个理想的TOF除了必须具备通带窄,损耗低,输出平坦,调谐范围大等特点外,隔离度高,偏振不敏感也是系统级制造商非常看重的要素。自从1996年第一个波分复用滤波器被正式应用于系统,基于薄膜滤光片(TFF)技术的TOF就得到了广泛的研究。用超窄带薄膜滤光片实现分波技术主要是基于传统的法布里珀罗腔,镀膜的腔数和层数越多,选频性越好,镀膜后的玻璃经过加工后与光纤准直器封装在一起形成一个个滤波器件[1]。
目前实现可调谐的光滤波器主要有声光可调谐滤波器(AOTF),光纤光栅,微机电系统(MEMS),F-P腔等几种技术[2,3],基于TFF技术的TOF由于其价格低,灵活性高等因素仍占据着市场的主导地位。然而,当准直光束倾斜入射到薄膜滤光片时,滤光片的光学特性会导致s偏振光与p偏振光峰值波长分离与带宽分离现象。这种现象将随着滤光片带宽变窄,倾斜角增大而加剧,由此带来的偏振相关损耗(PDL)与偏振模色散(PMD)对系统性能会造成很大的影响。本文提出一种低偏振结构的三端口TOF,可降低薄膜滤光片的PDL并有良好的隔离度指标。
1 可调谐光滤波器原理及特性分析
TOF基本结构如图1所示,通过机械式调谐滤光片角度达到调谐波长的目的[4,5]。
由干涉原理可知,滤波片透射谱中心波长需满足:
其中:N为薄膜材料的有效折射率,θ为光束从空气入射到薄膜材料的折射角,m为干涉级次,d为膜层的物理厚度。令空气的折射率为1,则由折射定律n0sinθ0=Nsinθ可得:
由式(2)可得出两个结论:首先滤光片透射谱中心波长会随着入射角的增大而发生短移。另外,以高折射率材料为间隔层的滤光片的波长短移比以低折射率材料为间隔层的滤光片的波长短移要少。下图以两个三腔滤光片为例,通过导纳矩阵法模拟得到其理论曲线印证以上结论,比较图2(a)和图2(b)可以发现相同角度入射滤波片的时候,高折射率材料为间隔层的滤光片中心波长从1 568 nm短移到1 553 nm附近,而低折射率材料为间隔层的滤光片中心波长则短移到1 545 nm附近。
由菲涅耳公式可知当准直光束倾斜入射到滤光片上时,s波的反射率大于p波,而多光束干涉时干涉条纹的3 dB带宽满足,故s波的3 dB带宽小于p波。另外,由于p波和s波的有效折射率不同,故p波与s波波长短移量并不同步。设计膜系:
其中:G为玻璃,折射率NG=1.519;H为Ta2O5,折射率NH=2.085;L为SiO2,折射率NL=1.456,令正入射时中心波长为1 568 nm,膜层厚度为λ/4,模拟得到的关系曲线如图3所示,当入射光垂直入射时,可以看出p波与s波并不存在偏振分离现象,当倾斜角为20°时,p波与s波中心波长与带宽都不同步,并且这一趋势随着倾斜角的增加而愈加明显[6]。
作为波分复用系统中的关键器件,串扰是TOF一项非常重要的指标,串扰主要包括同频串扰和异频串扰,在实际应用中,相邻信道间的异频串扰是影响系统的主要因素,它可以用相邻信道隔离度来度量,由多光束干涉理论中爱里公式可得透射特性:
式中:It为透射光强,Ii为入射光强,F为精细度系数,∆δ为相邻信道相位差。由于δ=4πndcosθ/λ,式中ndcosθ为光程差,取δ因λ变化的微分可得:
将式(4)代入式(3),得到:
式中:∆λ为相邻信道波长差,,由于相邻信道处光功率比等于T,故有相邻信道隔离度为
此处令∆λ=0.4 nm×2=0.8 nm,设计F-P腔反射率为99.5%,由于波长漂移量与角度大小成定量关系,故可得满足96个ITU-T通道滤光片隔离度与倾斜角θ的关系曲线,由图4可见,只要F-P腔反射率足够大,小角度入射完全能够满足DWDM系统的需求。
2 可调谐光滤波器优化设计
由于倾斜入射对薄膜滤光片的影响,利用如图1所示的结构设计滤波器将带来较大的PDL指标,进而影响器件隔离度。为了解决这一问题,国内外已有很多研究。通过薄膜矩阵算法发现(从图2亦可看出),若以低折射率为间隔层的滤光片,其p波的中心波长大于s波的中心波长,若以高折射率为间隔层的滤光片,其p波的中心波长小于s波的中心波长,故文献[7]提出了一种方法,将间隔层混以高低折射率两种材料,使两个分量的中心波长吻合,经理论证明,这种优化设计的膜系能够实现波长对准,但其光谱的半宽度仍不一致,由此又有研究给出了一种新的带宽消偏振方法,利用带宽分离现象由s波与p波反射率不同造成这一原理,通过特征矩阵找到满足两种偏振光反射率相同的折射率材料,实现滤光片的带宽消偏振。然而由于镀膜工艺的难度与滤光片材料的选择等原因,上述方案在实际操作中都难以实现,为了消除倾斜入射带来影响,在镀膜工艺水平有限的前提下,我们对原有滤波器结构进行改进,其实验装置图如图5所示。当光束经过准直后入射到一体化的分束器和半波片,由分束器将输入信号分为两种偏振态,通过半波片后,s波变为p波,这样消除了通过滤光片的两束光之间的偏振影响。两束p光通过滤光片后,满足滤出条件的光波通过全反棱镜反射后再次经过滤光片,未经改变过偏振态的p光经过半波片后与另一束p波耦合后进入光谱分析仪1(OSA1),不满足滤出条件的光波则反射到全反射镜上,通过全反射后的光进入全反棱镜2后从原路返回,经过环形器后从3端口滤出。
在上述实验装置中采用ASE可调谐光源,滤波片F-P腔参数设计满足96通道ITU-T频率标准,通过机械装置带动滤光片与全反射镜转动。滤光片从0°旋转到20°时,其透射谱中心波长从1 567 nm调谐至1 529nm,调谐精度在10 pm以内。该方案可满足C波段的连续可调,并且损耗较低,带宽稳定。
3 实验结果
对于上述设计的一种低偏振TOF,需要对其进行PDL和隔离度指标测试以检验光谱优化效果。我们通过无源光器件测试系统,选择滤光片与入射光成0°(1 567 nm)和20°(1 529 nm)两种情况分别对TOF进行了PDL测试。经过数据分析,我们得到了滤光片在这2个入射角度下的PDL数值与对应波长的关系曲线,如图6所示。
图6(a)、图6(b)分别显示了光路优化设计后的滤光片在正入射和20°斜入射时的PDL值。在正入射时,透射通带范围内PDL均在0.15 dB以内,20°斜入射时,透射通道范围内PDL均在0.2 dB以内,由此可见,光路优化后的TOF已经完全符合系统对其PDL指标的要求。
通过光谱仪测试读取TOF96个通道的隔离度数值,得到的隔离度与波长关系曲线如图7所示。
图7中显示了实测TOF在C波段的隔离度指标,可以发现随着波长的增加(入射角减小),TOF隔离度从30 dB逐渐增加到55 dB,与我们图4中理论分析的隔离度与波长关系曲线相符,已可满足系统需求。
图8给出了通过光谱仪实测的器件透射谱。光束正入射时,其透射谱中心波长在1 567 nm处,插入损耗为2.06 dB;光束20°斜入射时,其透射谱中心波长在1 529 nm处,插入损耗为2.57 dB。
通过几项数据指标的实测,我们得到了隔离度高、PDL小、插入损耗低,调谐范围大的TOF器件,其各项指标均与我们最初的理论分析相吻合。
结束语
目前,基于TFF技术的TOF主要采用50 GHz及以下信道间隔的薄膜滤光片实现滤波。然而,若要得到性能指标良好的TOF,必须选择多腔结构的薄膜滤光片作为滤波单元。这种薄膜滤光片的膜系设计非常复杂,并且需要镀制的层数很多,导致其成品率偏低。本文对TOF中薄膜滤光片的原理进行了分析,提出了一种消偏振方案来实现TOF的制作,得到了隔离度指标好、可调谐范围大、偏振不敏感性的器件,提高了TOF的成品率并降低了其对薄膜滤光片的要求,是一种在实际应用中具体可行的方法。
参考文献
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可调谐光滤波器 篇2
1 基本原理
基于TFF的TOF技术分为两种, 一种是如图1所示的楔型膜层非均匀镀膜技术, 滤光片在不同位置上镀制的膜层厚度不同, 因此入射光在该滤光片上的不同位置入射时有着不同的滤波特性, 通过推拉移动该滤光片, 可以改变入射光在滤光片上的入射位置, 达到可调谐滤波的效果。该方案的难点在于非均匀厚度超窄带滤光片的制备, 成品率很低, 滤光片尺寸大, 成本高, 一般应用于价格昂贵的光通信测试仪表中。另外一种技术利用了滤光片对入射光的角度敏感性。如图2所示, 由于TFF在光信号入射角度加大时, 膜层的等效光学厚度减小, 根据多光束干涉理论, 透射光中心波长将向短波长方向移动, 因此利用这一特性可以实现可调谐滤波[1,2]。膜层厚度均匀、波长固定的多腔窄带滤光片在上世纪80年代由美国Bell实验室开发成功后, 在 DWDM系统中已经得到了广泛应用, 其技术成熟, 性能稳定。我们的研究工作是在此基础上改进了DWDM标准多腔滤光片的膜系间隔层结构设计, 使其在入射角度发生较大偏转时的透射性能依然很稳定, 而与固定波长滤光片标准膜系相比, 改动不大, 膜层制备难度也不高, 批量生产时具备成本优势。
2 膜系优化设计
在固定波长多腔滤光片膜系基础上进行改进, 以实现宽波长范围调谐的关键是要解决两个问题。一是大角度入射时各谐振腔透射光谱分离造成的光谱劣化;二是大角度入射时s与p偏振光中心波长分离造成的光谱劣化与偏振相关损耗。
对于标准固定波长多腔滤光片, 入射角接近0°, 为了使膜层总厚度最小, 通带波纹、带宽等指标的评价函数最优, 各谐振腔的间隔层设计厚度一般是不同的[3]。各间隔层具有不同的等效折射率, 所以在大角度倾斜入射时会因各间隔层的等效折射率变化不均而出现失谐现象。在相同的入射角度下, 各腔的透射曲线向短波长移动的距离不等, 导致透射特性劣化, 峰值和带宽也随之改变。随着各腔分离的加大, 甚至会出现双峰和多峰现象, 如图3所示。而对于各间隔层结构相同的多腔窄带滤光片, 则没有这种现象, 因此, 我们对膜系优化模拟的前提是必须选用各谐振腔间隔层完全一致的设计方案。
对于具有相同间隔层结构的多腔窄带滤光片, 为实现大的调谐范围, 还必须解决大角度入射时偏振光中心波长分离的问题。当入射光以0°入射到滤光片上时, s和p偏振光的透射光谱是完全重合的。随着入射角度的增大, 膜层等效光学厚度减小, s和p偏振光的光谱在向短波长方向移动的同时, 会发生明显的分离。 产生分离的原因有两个:一方面由于s偏振光的反射率高于p偏振光, 因此s偏振光的通带宽度小于p偏振光; 另一方面由于高低折射率膜层的有效折射率不同, 使两个偏振分量的峰值波长不再重合。这种现象随着滤光片带宽变窄而加剧, 因而在多达上百层的DWDM 超窄带滤光片中, 当入射角>5°后, 由于强烈的偏振分离效应, 整个通带光谱形状畸变严重, 导致各项指标无法满足应用要求。
国内外关于消偏振滤光片的研究已有一些文献作过报道:Baumeister从微波滤波器的设计概念出发, 用驻波比技术来匹配反射带, 从而设计出夹在两个棱镜斜面上使用的消偏振带通滤光片[4]。然而, 为了对两个偏振分量的反射带宽实现匹配, 滤光片反射膜堆的材料多达7 种, 给制备带来了困难, 且滤光片是胶合在棱镜中的, 使其应用受到了限制。OCA公司的Cushing提出的方法是通过调节间隔层, 或者说在间隔层中插进另一种材料的半波层, 使s 和p偏振光的通带分别在其短波侧或长波侧靠近, 然后将这两个滤光片串接, 以减少两个偏振分量特性之间的分离[5]。这是一种既易于设计又易于制造的较实用的方法。
在对多腔窄带TFF的倾斜入射分析中我们发现, 间隔层的影响最大, 其结构以及等效折射率将直接决定倾斜入射时透射率的稳定性以及偏振敏感性。对于多腔窄带滤光片, 使用高、低折射率材料作为间隔层结构的等效折射率经分析计算可由公式 (1) 和 (2) 表示, 中心波长随着角度变化向短波长方向的移动量经分析可由公式 (3) 表示。
undefined
式中, nH和nL分别为高、低折射率薄膜的折射率;NH和NL分别为使用高、低折射率材料构成间隔层的等效折射率;m为干涉级次;λ0为垂直入射时的中心波长;θ为入射角。在θ下波长移动为Δλ。当入射角不是太大时, 峰值波长的移动正比于入射角的平方而反比于滤光片间隔层有效折射率N 的平方。由于NH>NL, 并且p分量与s分量的有效折射率不同, 所以在倾斜入射时, 滤光片p分量和s分量的中心波长产生明显分离:对于低折射率间隔层的滤光片, p分量的中心波长λp大于s分量的中心波长λs; 反之, 对于高折射率间隔层的滤光片, λp<λs。
经过上述分析可知, 由于在倾斜入射时, 以低折射率膜层作为间隔层的滤光片的p偏振光的通带要比s偏振光更移向短波, 而以高折射率膜层作为间隔层的滤光片则恰好相反, 因此如果间隔层同时由高、低折射率两种材料组成, 则可望使两个偏振分量的峰值波长重合。经过设计算法和编程寻优, 我们得到了具有相同间隔层结构、低偏振敏感性的50 GHz超窄带可调谐滤光片膜系。如图4所示, 从我们设计的膜系光谱计算结果看, 即使入射角从0°变化到20°, 仍可保持通带的各项指标 (插损、带宽、隔离度和偏振相关损耗等) 完全满足应用要求, 对应的通带中心波长移动达到40 nm。
3 模块指标与应用实例
我们按照上述优化设计的膜系进行了滤光片的实际镀制, 光谱测试结果与理论设计基本吻合, 证明此膜系具有良好的容差合理性与工艺可实现性。采用镀制成功的50 GHz TFF制成的TOF模块的主要指标如表1所示。
图5所示为采用此种技术的TOF阵列与波长选择开关 (WSS) 配合在系统中的应用实例, 实现了光通道的灵活选择。
4 结束语
通过理论设计和实际研制, 我们开发了一种基于TFF的TOF。在成熟可靠的DWDM固定波长滤光片基础上进行优化设计, 完成了此种器件的样品制作, 技术风险小, 器件可靠性高, 这为智能化的DWDM系统组网提供了一种具有高性价比的动态波长选择方案。
参考文献
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可调谐光滤波器 篇3
用钛扩铌酸锂方法设计了1.55 μm波长条件下的Ti:LiNbO3波导,采用光束传播法(BPM)分析了所设计波导的模场分布.TE/TM模分离器能够使AOTF实现与偏振无关的功能.在波导设计的基础上,采用BPM方法设计了一套交叉型TE/TM模分离器.
1 Ti:LiNbO3单模波导的理论设计
由于Ti:LiNbO3波导是矩形波导,这里采用有效折射率方法设计波导.在X切Y传的Ti:Li-NbO3波导中,X方向是非对称结构分布.其导模方程可表述为
对于扩散波导,有《undefined和《undefined.其中,nb是LiNbO3基底折射率;△ns是波导波面最大折射率差;Neffp为导模P的有效折射率[1];n(x)是深度方向的折射率分布,它是高斯分布[2],即n(x)=nb+△nsexp(-x2/d2x).
Z方向是对称渐变折射率分布,TE模和TM模的导模方程是相同的,可表述为
undefined
式中,q=0,1,2,…为波导宽度方向上的模式数;neffpq为沟道波导p,q模式的有效折射率;Neffp(z)为宽度方向上的折射率分布函数,它是一个余误差分布函数[2]
undefined
通过取z1→∞,neffpq=nb,联立式(1)和式(2),由折射率分布可求出单模工作时所对应的钛条初始宽度w和△ns的关系.再利用△ns与厚度τ的经验公式△ns(λ)=[Β0(λ)+B1(λ)τ/dz][τ/dz]aidz/dx,最终得到钛条初始宽度w和厚度τ的关系曲线,如图1所示.
从该关系曲线可以知道,在某个模式所对应的曲线左边的区域,该模式是截止的,而在该曲线右边的区域,该模式是存在的.在计算的过程中,随着τ,w值的变大,也就是波导尺寸的增大,首先出现的模式是TE00,接着分别是TM00,TE01和TM01.鉴于制作集成声光可调谐滤波器的基础是得到单模波导,选取原则要在使波导满足单模范围以内,因此选择参数的范围应该是在TM00和TE01模式对应的曲线之间的区域.实际选取的参数为τ=100 nm,w=7 μm,这也是众多文献中给出的常用的数值.
2 Ti:LiNbO3单模波导的模场分析
设计波导的一个原则是:出于器件最终要在光纤系统中实际应用的考虑,为减小插入损耗,条形波导的尺寸要与单模光纤的芯径相匹配.因此波导模式截止条件虽然给出了单模波导参数w、τ的选择范围,但选择波导参数时还应考虑波导与单模光纤之间导模的匹配.经理论计算和实验测量[2],单模光纤中的场分布是高斯分布,基模场的1/e半宽度为a,对于芯径为10 μm的单模光纤的a=5.5 μm;芯径为8 μm的单模光纤的a=4.5 μm.为了达到最佳模式匹配,单模波导的几何平均半宽度等于单模光纤的半宽度,即undefined,其中Wx,Wz分别是条形波导x方向和z方向上的模斑大小,这里的模斑大小是指模场的1/e半宽度.
对于波长为1.55 μm,波导的宽度为7 μm,钛条初始厚度100 nm,选用有限差分光束传播法,分别计算了TE模和TM模的模场分布,如图2和图3所示.
TE模的模场分布和等高线分布分别如图2a和图2b所示,通过读取数据,可以得到在(0,0)处,光场的强度约为1,而在点(-2.2 μm,4.7 μm)和点(2.2 μm,4.7 μm)处,光场的强度约为1/e2.因此,TE模模斑的大小是4.4 μm×4.7 μm.
对于TM模,同样可以得到模斑的大小为5.6 μm×5.9 μm.从以上计算结果可以看出,该条形波导的设计基本上能够与单模光纤保持匹配.
3 TE/TM模分离器设计
模分离器的结构如图4所示.偏振光波完全分离的条件则变为[3]
其中,|n-m|取奇数.这里,假设2个传输区域形状相同.△《t表示传输末端的位相差;△βc是中心2个最低阶模相位常数的差值.进一步推导得到
其中
式中,ζ0,μ(x,y)是14 μm宽波导的归一化对称和反对称场分布;E(x,y,Lt)是模传导到径向位置Lt处的模场分布.
分叉波导的相互作用距离Lt只与波导的分叉角度θ有关,故位相差△《t与分叉波导的分叉角度θ有关.
光波在模分离器中间双模区传导时,激起的对称模和反对称模的位相差为
在14 μm宽的波导中有2个模式存在,分别是对称模和反对称模.对于TE模来说,它的对称模和反对称模的模传播常数差是△βTE=0.016 587.对于TM模,对称和反对称模的模传播常数差是△βTM=0.002 986.根据式(7),可以得到对称模和反对称模在中央耦合区的相位差是△《c.由于中心2个最低阶模相位常数的差值是△βc已经确定,所以△《c只与Lc有关.
在模分离器的末端,2个波导的间隔取大一些比较好,这里取d=36 μm.为了计算△《t,先利用BPM求出宽度为w=7 μm的单模波导中TE导模和TM导模的分布,再以这些导模为输入场,用BPM法计算出z=Lt处的场分布《(x,y,Lt),将其代入式(5)和式(6),可以得到传输末端的位相差△《c.△《c只与波导之间的交叉角θ有关.再根据式(4),可以得到中央耦合区长度Lc和交叉角θ的关系曲线.
由于受工艺条件的限制,发现分叉波导如图4那样的连接,在模版的制作和溅射时都难以把握,为此,将模分离器的结构改成分叉波导,通过一宽度渐变的波导与14 μm宽的双模波导连接,如图5所示.固定台宽ε=1.2 μm,用BPM计算这种结构的模分离器,同样可以得到Lc与θ的关系曲线.
取n为奇数(即TE是叉通的),对于TM,m取偶数(即TM模是直通的).根据上述计算过程,可以得到Lc与θ的关系曲线如图6所示.
可见,在Lc=360 μm,θ=0.5°时有交叉点,也即TE叉通和TM直通同时得到实现,从而实现了模分离的目的.故实际选择Lc=360 μm,θ=0.5°.
4 模分离器性能分析
AOTF中,模分离器要起到偏振分束作用,提供的消光比越高越好,Lc与θ的选择对消光比的影响很大.利用BPM进一步验证Lc与θ的对应关系.在模拟过程中,固定θ=0.5°不变,通过选择不同的Lc来进行模拟,得到的计算结果如表1.
表1中给出了偏离Lc=360 μm处1、40、60 μm等点处的模式分离性能.从表1中可以看出,在Lc=360 μm,θ=0.5°处,TE模转换效率较高,而TM模基本上能保持直通,因此,模分离器的消光比最高,性能最好.但是随着Lc的增大或者减小,消光比逐渐变小,说明性逐渐变差.按照这个规律下去,当Lc进一步远离Lc=360 μm时,会出现TE模直通和TM模叉通的情况.
图7～图9给出了部分模式转换效率模拟图,包括Lc=360、300、400 μm处的模拟图.
根据前几节给出的设计理论方法,并通过对软件仿真得到的模拟结果的详细分析,最终确定AOTF中波导和模分离器的设计结果,如图10所示(具体结构参数标注在图10中).
5 结 束 语
用有效折射率法设计了Ti:LiNbO3波导,用BPM进模拟,可以看出该波导是单模传输的,并且它的模场与光纤模场能够较好地匹配.在波导设计的基础上,采用BPM方法设计了TE/ΤM模分离器.实际选取了,θ=0.5°,Lc=360 μm处.通过模拟及分析,在这个点处,模分离器的消光比最高,而当偏离这个点时,消光比逐渐变差.
参考文献
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可调谐光滤波器 篇4
本文提出了一种宽带频率可调谐OEO。该结构利用电耦合器、 可变移相器、π 偏置双驱动Mach-Zehnder调制器及光耦合器构成的载波相移双边带调制系统和色散器件CFBG形成双抽头MPF,通过调节VPS,使得光载波与边带间存在不同的相位差,进而利用色散效应实现MPF传输峰值的改变,从而实现OEO的频率可调谐性。 同时,环路中利用电耦合器将反馈信号功分后经由不同延时线耦合进DD-MZM的两个输入端,根据Vernier原理,可获得较好抑制边模性能的振荡信号。
提出方案的系统模型如图1所示。首先,在开环条件下对系统进行分析。针对CPS-DSB系统,上臂光载波通过VPS后的光场可表示为。而下臂光载波经由偏振控制器(PC1)后传输至 π 偏置DDMZM进行调制。进而,假定输入的调制信号为Vin(t)=Vecos(ωet),在小信号情形下,忽略高阶贝塞尔函数(≥ 2), 可将 π 偏置DDMZM的输出光场如下表示
其中,β=πVe/Vπ,式中的Vπ为DDMZM的半波电压;α 为反馈信号经过EC分成两路后分别传输至DDMZM两个射频端的振幅比;E0和 ωc分别为输入光场的振幅和角频率;Ve和 ωe分别为Vin(t) 的振幅和角频率;Jn()为n阶第一类Bessel函数;τ 为电延时线的传输延时。
经过OC2合并后输出CPS-DSB信号,对应的光场如下
从CFBG反射回来的光信号经过单模光纤传输至光电探测器 (PD)进行平方律检波,忽略直流和高阶分量,恢复出的微波信号为
其中,ρ 为PD的响应度,R为PD的负载阻 抗,x=Dgl为CFBG的累积色散值,τ1为SMF的传输延时。
系统的开环频率响应可表示为