CN103336324A - 一种干涉型梳状滤波器 - Google Patents

Abstract

一种干涉型梳状滤波器，属于光电子器件，适用于光纤通信和光纤传感领域，用于解决现有梳状滤波器所存在的问题。本发明包括第一耦合器、第一偏振控制器、第一高双折射光纤、第二耦合器、第二偏振控制器、第二高双折射光纤，以及第一环形器或光隔离器；第一耦合器、第一偏振控制器、第一高双折射光纤连接构成第一个Saganc干涉仪；第二耦合器、第二偏振控制器、第二高双折射光纤连接构成第二个Saganc干涉仪，两个Sagnac干涉仪通过第一环形器或者光隔离器级联。与现有梳状滤波器相比，本发明结构简单、易于实现、具有大平坦度的通带带宽以及高隔离度，易于实现50GHz的窄信道间隔输出，滤波特性良好，性能稳定且成本低，与通信光纤具有很好的兼容性和很低的插入损耗。

Description

一种干涉型梳状滤波器

技术领域

本发明属于光电子器件，特别涉及一种干涉型梳状滤波器，适用于光纤通信和光纤传感领域。

背景技术

随着信息通信的飞速发展，语音、图像、数据的信息交流日益增多，尤其是因特网的广泛应用，人们对宽带通信提出了更高的要求。密集波分复用(DWDM)技术的发展大大缓解了日益增长的通信流量压力。光学梳状滤波器是一种优良的DWDM器件，从奇偶信道交叉复用角度达到压窄信道间隔、提高通信容量的目的。目前，根据国际通信联盟(ITU)的规定，信道的信道间隔都在100GHz或200GHz，例如，32波或40波的100GHz间隔的DWDM系统已经得到广泛商用。为了更好的利用带宽资源，信道间隔已经从100GHz向50GHz甚至更窄的方向发展，与之相伴的是日益增多的复用信道数目。若想要对原系统进行低价扩容，人们首选光学梳状滤波器，因为它可在不改变原有设备和系统的基础上，通过信道间隔减半的方法来进行，例如，对信道间隔为200GHz的原系统扩容，可以使用100GHz的光学梳状滤波器，对信道间隔为100GHz的原系统扩容，可以使用50GHz的光学梳状滤波器。由于光学梳状滤波器可以在不更换原有设备的基础上进行扩容，节省了开支。因此，光学梳状滤波器对现有光通信波分复用系统的升级，有着十分重要的作用，同时蕴藏着巨大的市场。

目前，在光纤通讯领域中使用的梳状滤波器有偏振光干涉型、光纤马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪型、双折射GT腔型等梳状滤波器。偏振光干涉型梳状滤波器是利用晶体的双折射效应和偏振光干涉原理，其温度稳定性好，但随着信道间隔压窄，晶体长度增加，价格昂贵、加工精度要求高。光纤马赫-曾德尔干涉仪型梳状滤波器与偏振无关，是一种全光纤无源器件，工艺简单、插入损耗小，理论上输出信道间隔可以做到50GHz，但存在温度漂移的问题，对两臂的光程差要求很高。双折射GT腔型梳状滤波器具有通带顶部平坦、色散小、体积小等优点，但两路输出线宽对称性差，而且加工成本高、稳定性能也不好。

发明内容

本发明提供一种干涉型梳状滤波器，用于解决现有梳状滤波器所存在的温度漂移严重、稳定性能差、加工成本昂贵以及加工精度要求高的问题。

本发明所提供的一种干涉型梳状滤波器，包括第一耦合器、第一偏振控制器、第一高双折射光纤、第二耦合器、第二偏振控制器、第二高双折射光纤，以及第一环形器或光隔离器，其特征在于：

所述第一耦合器和第二耦合器均为单模光纤2×2耦合器，均具有第一输入端、第二输入端以及第一输出端、第二输出端；

所述第一耦合器的第一输出端连接所述第一偏振控制器的一端，第一偏振控制器的另一端连接所述第一高双折射光纤的一端，第一高双折射光纤的另一端通过单模光纤连接所述第一耦合器的第二输出端，构成第一个Saganc干涉仪；

所述第二耦合器的第一输出端连接所述第二偏振控制器的一端，第二偏振控制器的另一端连接所述第二高双折射光纤的一端，第二高双折射光纤的另一端通过单模光纤连接所述第二耦合器的第二输出端，构成第二个Saganc干涉仪；

当采用第一环形器时，所述第一环形器为三端口环形器，具有第一端口、第二端口和第三端口；输入光通过所述第一耦合器的第一输入端输入，第一耦合器的第二输入端连接所述第一环形器的第一端口，所述第一环形器的第二端口连接所述第二耦合器的第一输入端，第二耦合器的第二输入端空置，所述第一环形器的第三端口作为输出端；

当采用光隔离器时，所述光隔离器为两端口光隔离器，具有第一端口和第二端口；输入光通过所述第一耦合器的第一输入端输入，第一耦合器的第二输入端连接所述光隔离器的第一端口，所述光隔离器的第二端口连接所述第二耦合器的第一输入端，第二耦合器的第二输入端空置；

所述第一高双折射光纤的长度

其中，λ₀为输入光的中心波长，L_b为第一高双折射光纤的拍长，Δλ为输出光谱的波长周期；所述第一高双折射光纤HBF1和第二高双折射光纤HBF2的长度之比为1∶2。

所述的干涉型梳状滤波器，其特征在于：

所述第一偏振控制器和第二偏振控制器结构相同，各自均由在光路上同光轴依次排列的第一1/4波片、1/2波片和第二1/4波片组成。

所述光隔离器由在光路上依次排列的第一偏振器、旋光器和第二偏振器组成；所述第一偏振器和第二偏振器的偏振化方向之间的角度为45°；所述旋转器利用法拉第旋转效应使通过它的偏振光发生偏转，其偏振光旋转的方向可以这样规定：不管光的传播方向如何，迎着外加磁场的磁感应强度方向观察，偏振光总按顺时针方向旋转。

所述第一耦合器和第二耦合器均可以为3dB耦合器。

第一环行器对入射光束没有选频作用，仅仅起到限制入射光束传输方向的作用，这样可以消除反射光对前方光源及系统的影响。

光隔离器对入射光束的频谱特性并没有影响，仅仅起到限制入射光束传输方向的作用，入射光束经光隔离器只能单向传输，这样可以消除反射光对光源及系统的影响。

本发明由2个单段HBF的Saganc干涉仪通过第一环行器或者光隔离器级联构成，第一个Sagnac干涉仪中的第一高双折射光纤长度为L₁，第二个Sagnac干涉仪中的第二高双折射光纤长度为L₂，根据单段HBF Sagnac干涉仪的反射率和透射率的传输函数，容易得到二阶HBF Lyot-Sagnac干涉仪的传输表达式为：

$T={\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1\cos \left(\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{\λ}}_0{L}_1}{L_b\mathrm{\λ}}\right)[1-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2\cos \left(\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{\λ}}_0{L}_2}{L_b\mathrm{\λ}}\right)]---\left(1\right)$

式中，θ₁为第一高双折射光纤快轴的夹角，θ₂为第二高双折射光纤快轴的夹角，λ₀为输入光的中心波长，可以为1550nm，L_b为高双折射光纤的拍长，为2.59mm，λ为输入光的工作波长，范围为1540～1560nm。

二阶HBF Lyot-Sagnac干涉仪可以调节的参数有四个，即两个Saganc干涉仪的高双折射光纤长度和偏振角度，选择不同的参数组合对三个输出端口的输出光谱进行数值模拟。当选择两段高双折射光纤的长度比为1∶1，θ₁＝π/2，θ₂＝π/4时，能够实现很好平顶的梳状滤波输出，但在不考虑任何其他损耗的情况下整个频谱相对于输入光谱就有3dB的下移，也就是输出最大输出功率会下降到原来的1/2，在考虑实际中的损耗，这种衰减是不容忽略的。本发明提出了一种两段高双折射光纤长度不相等的二阶Lyot-Sagnac干涉仪结构，当两段高双折射光纤满足长度比1∶2，θ₁＝π/2，θ₂＝π/8时，通过仿真模拟，这种平顶滤波输出光谱只下降了0.6877dB，而0.5dB带宽大于波长间隔的30％，隔离带大于30dB，满足对25GHz/50GHz梳状滤波器的设计要求。

通过实施例的实验，本发明光谱的隔离度可以达到22dB，0.5dB带宽大于波长间隔的30％，能够满足对25GHz/50GHz梳状滤波器的要求。

与现有梳状滤波器相比，本发明结构简单、易于实现、具有大平坦度的通带带宽以及高隔离度，易于实现50GHz的窄信道间隔输出，滤波特性良好，性能稳定且成本低，与通信光纤具有很好的兼容性和很低的插入损耗。

附图说明

图1：第一个实施例结构示意图；

图2：单模光纤2×2耦合器的结构示意图；

图3：偏振控制器的结构示意图；

图4(a)～图4(d)为偏振控制器的工作方式示意图；

图5：高双折射光纤的结构示意图；

图6(a)～图6(b)为高双折射光纤的工作方式示意图；

图7(a)为第一个实施例输出端透射光谱示意图；

图7(b)为第一个实施例输出端透射光谱0.5dB带宽示意图；

图8：第二个实施例结构示意图；

图9：光隔离器结构示意图；

图10(a)～图10(f)：光隔离器工作方式示意图；

图11：第一个实施例的实验装置连接示意图；

图12：图11的实验结果示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明的第一个实施例，包括第一耦合器OC1、第一偏振控制器PC1、第一高双折射光纤HBF1、第二耦合器OC2、第二偏振控制器PC2、第二高双折射光纤HBF2以及第一环形器CR1；

所述第一耦合器OC1和第二耦合器OC2均为单模光纤2×2耦合器，均具有第一输入端、第二输入端以及第一输出端、第二输出端；

所述第一耦合器OC1的第一输出端连接所述第一偏振控制器PC1的一端，第一偏振控制器PC1的另一端连接所述第一高双折射光纤HBF1的一端，第一高双折射光纤HBF1的另一端通过单模光纤连接所述第一耦合器OC1的第二输出端，构成第一个Saganc干涉仪；

所述第二耦合器OC2的第一输出端连接所述第二偏振控制器PC2的一端，第二偏振控制器PC2的另一端连接所述第二高双折射光纤HBF2的一端，第二高双折射光纤HBF2的另一端通过单模光纤连接所述第二耦合器OC2的第二输出端，构成第二个Saganc干涉仪；

所述第一环形器CR1为三端口环形器，具有第一端口a、第二端口b和第三端口c；输入光1通过所述第一耦合器OC1的第一输入端输入，第一耦合器OC1的第二输入端连接所述第一环形器CR1的第一端口a，所述第一环形器的第二端口b连接所述第二耦合器OC2的第一输入端，第二耦合器OC2的第二输入端空置，所述第一环形器CR1的第三端口c作为输出端；

所述第一高双折射光纤HBF1的长度其中，λ₀为输入光的中心波长，可以为1550nm，L_b为高双折射光纤的拍长，Δλ为输出光谱的波长周期；所述第一高双折射光纤HBF1和第二高双折射光纤HBF2的长度之比为1∶2。

图1中，光环行器是实现光路非可逆传输广泛应用的光无源器件，它可使正反向传输光的完全分离，当光由第一端口a输入时，光几乎毫无损失地由第二端口b输出，其它端口几乎没有光输出；当光由第二端口b输入时，光几乎毫无损失地由第三端口c输出，其它端口几乎没有光输出；当光由第三端口c输入时，光几乎毫无损失地由第一端口a输出，其它端口几乎没有光输出。

如图2所示，单模光纤2×2耦合器，均具有第一输入端d、第二输入端e以及第一输出端f、第二输出端g；其中端口d到f和e到g是直通臂，d到g和f到e为耦合臂。它的功能是将通过第一输入端d入射的光信号分成相干的两部分，分别耦合到两个输出端口f和g，从而起到一个分束器的作用。

衡量单模光纤2×2耦合器性能的主要参数有分光比k和插入损耗，直通臂和耦合臂的功率耦合具有对称性和互补性。当2×2耦合器长度不是很长时，忽略损耗及对偏振态的影响，从入射端口d、e入射的光场矢量

与从出射端口f、g输出的光场矢量

的关系可以表示为：

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\→}{E_3}\\ \stackrel{\→}{E_4}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}A& B\\ B& A\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\stackrel{\→}{E_1}\\ \stackrel{\→}{E_2}\end{array}\right]=G_c\left[\begin{array}{c}\stackrel{\→}{E_1}\\ \stackrel{\→}{E_2}\end{array}\right],$

其中，G_c为单模光纤2×2耦合器的Jones矩阵；

光功率是守恒的，有：

${(A\stackrel{\→}{E_1}+B\stackrel{\→}{E_2})}^{*}\×(A\stackrel{\→}{E_1}+B\stackrel{\→}{E_2})+{(B\stackrel{\→}{E_1}+A\stackrel{\→}{E_2})}^{*}\×(B\stackrel{\→}{E_1}+A\stackrel{\→}{E_2})={\stackrel{\→}{E_1}}^{*}\stackrel{\→}{E_1}+{\stackrel{\→}{E_2}}^{*}\stackrel{\→}{E_2},$

比较等式左右两边可以得到：

$\left\{\begin{array}{c}{A}^2+B^2=1\\ {\mathrm{AB}}^{*}+{\mathrm{BA}}^{*}=0\end{array}\right.,$

式中，A^*和B^*分别为复数A、B的复共轭；

因为分光比为k，不难得到

所以单模光纤2×2耦合器的Jones矩阵为：

$G_c=\left[\begin{array}{cc}\sqrt{1-k}& i\sqrt{k}\\ i\sqrt{k}& \sqrt{1-k}\end{array}\right],$

本实施例中，所述单模光纤2×2耦合器为3dB耦合器，其

为：

$G_c=\left[\begin{array}{cc}\sqrt{0.5}& i\sqrt{0.5}\\ i\sqrt{0.5}& \sqrt{0.5}\end{array}\right].$

所述第一偏振控制器PC1和第二偏振控制器PC2结构相同，各自均如图3所示，由在光路上同光轴依次排列的第一1/4波片、1/2波片和第二1/4波片组成，三个波片均垂直于光路放置；

各波片的延迟量固定，相对角度是可变的。控制原理是：第一1/4波片将任意的输入偏振光转变为线偏振光，1/2波片把线偏振光转到任一期望得到的偏振方向，最终第二1/4波片再将该偏振光转变成任何希望得到的输出偏振态。Heismann已经证实，通过旋转三个波片，就可持续实现对偏振态的转换。

申请人采用Jones矩阵理论来描述光偏振态以及光波经过偏振控制器后偏振态及电场的变化。如图4(a)所示，入射光光矢量

在空间直角坐标系xyz的xy平面内；如图4(b)所示，经过第一1/4波片，以z轴为旋转轴，第一1/4波片逆时针旋转角度θ₁，空间直角坐标系xyz也以z轴为旋转轴逆时针旋转角度θ₁，成为空间直角坐标系x′y′z，出射光 $\stackrel{\→}{E_1}=\left[\begin{array}{c}{E}_{1x^{\′}}\\ E_{1y^{\′}}\end{array}\right],$ 在空间直角坐标系x′y′z的x′y′平面内，将其投影到空间直角坐标系xyz的xy平面内，可以得到：

$\left[\begin{array}{c}{E}_{1x^{\′}}\\ E_{1y^{\′}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1+{i\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1& \cos {\mathrm{\θ}}_1\sin {\mathrm{\θ}}_1(1-i)\\ \cos {\mathrm{\θ}}_1\sin {\mathrm{\θ}}_1(1-i)& {\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1+{i\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right]=G\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\left[\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right],$

如图4(c)所示，经过1/2波片，以z轴为旋转轴，1/2波片逆时针旋转角度θ₂，空间直角坐标系xyz也以z轴为旋转轴逆时针旋转角度θ₂，成为空间直角坐标系x″y″z，出射光 $\stackrel{\→}{E_2}=\left[\begin{array}{c}{E}_{2x^{\′\′}}\\ E_{2y^{\′\′}}\end{array}\right],$ 在空间直角坐标系x″y″z的x″y″平面内，将其投影到空间直角坐标系xyz的xy平面内，可以得到：

$\left[\begin{array}{c}{E}_{2x^{\′\′}}\\ E_{2y^{\′\′}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_2-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2& \sin {2\mathrm{\θ}}_2\\ \sin {2\mathrm{\θ}}_2& {\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2-{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_{1x^{\′}}\\ E_{1y^{\′}}\end{array}\right]=G\left({\mathrm{\θ}}_2\right)\left[\begin{array}{c}{E}_{{1x}^{\′}}\\ E_{{1y}^{\′}}\end{array}\right],$

如图4(d)所示，再经过第二1/4波片，以z轴为旋转轴，第二1/4波片逆时针旋转角度θ₃，空间直角坐标系xyz也以z轴为旋转轴逆时针旋转角度θ₃，成为空间直角坐标系x″′y″′z，输出光波电矢量 $\stackrel{\→}{E_{\mathrm{out}}}=\left[\begin{array}{c}{E}_{o\mathrm{utx}}\\ E_{\mathrm{outy}}\end{array}\right],$ 在空间直角坐标系x″′y″′z的x″′y″′平面内，将其投影到空间直角坐标系xyz的xy平面内，可以得到：

$\left[\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{outx}}\\ E_{\mathrm{out}y}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_3+{i\sin }^2{\mathrm{\θ}}_3& \cos {\mathrm{\θ}}_3\sin {\mathrm{\θ}}_3(1-i)\\ \cos {\mathrm{\θ}}_3\sin {\mathrm{\θ}}_3(1-i)& {\sin }^2{\mathrm{\θ}}_3+{i\cos }^2{\mathrm{\θ}}_3\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_{2x^{\′\′}}\\ E_{2y^{\′\′}}\end{array}\right]=G\left({\mathrm{\θ}}_3\right)\left[\begin{array}{c}{E}_{2x^{\′\′}}\\ E_{2y^{\′\′}}\end{array}\right],$

将这三次变换结合起来写成矩阵的形式，得到输出光矢量与输入光矢量的关系式为：

$\left[\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{outx}}\\ E_{\mathrm{outy}}\end{array}\right]=G\left({\mathrm{\θ}}_3\right)G\left({\mathrm{\θ}}_2\right)G\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\left[\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right],$

即偏振控制器的Jones矩阵为G(θ₃)G(θ₂)G(θ₁)。其中，G(θ₁)、G(θ₃)分别为第一1/4波片、第二1/4波片的Jones矩阵，G(θ₂)为1/2波片的Jones矩阵。

如图5所示，一段理想的高双折射光纤(即不考虑光纤的弯曲、扭转和挤压)，可以看成是一个普通的相位延迟器，定义高双折射光纤入射端面3的两个折射率主轴分别为快轴(f轴)和慢轴(s轴)，同理，也定义高双折射出射端面4的两个折射率主轴分别为快轴(f′轴)和慢轴(s′轴)

如图6(a)所示，高双折射光纤入射端面的快轴f与x轴的夹角为θ₁，慢轴s和快轴f互相垂直；如图6(b)所示，高双折射光纤出射端面的快轴f′与x轴的夹角为θ₂，慢轴s′和快轴f′互相垂直；

光波在快轴f和慢轴s上传输将会产生不同的相位延迟，理想状态下，高双折射光纤的传输特性可以用一个2×2的矩阵G表示：

$G=\left[\begin{array}{cc}{e}^{-i2\mathrm{\π}{n}_{f}L/\mathrm{\λ}}& 0\\ 0& e^{-i2\mathrm{\π}{n}_{s}L/\mathrm{\λ}}\end{array}\right]=e^{-\mathrm{i\π}(n_f+n_s)L/\mathrm{\λ}}\left[\begin{array}{cc}{e}^{-\mathrm{i\π\ΔnL}/\mathrm{\λ}}& 0\\ 0& e^{\mathrm{i\π\ΔnL}/\mathrm{\λ}}\end{array}\right],$

上式中，n_f和n_s分别是快轴和慢轴的等效折射率，L为高双折射光的长度，λ是入射光的波长，Δn＝|n_f-n_s|为等效双折射率差。这里，定义α＝π(n_f-n_s)L，β＝πΔnL，上式可以化简为：

$G=e^{-\mathrm{i\α}/\mathrm{\λ}}\left[\begin{array}{cc}{e}^{-\mathrm{i\β}/\mathrm{\λ}}& 0\\ 0& e^{\mathrm{i\β}/\mathrm{\λ}}\end{array}\right],$

对于有一定程度扭转的高双折射光纤，可以等效看成是由两个偏振旋转片和一个相位延迟片组成。以光纤横截面为xy平面，光波传输方向为z轴方向，假定入射端面高双折射光纤f轴与x轴的夹角为θ₁，出射端面f′轴与x轴的夹角为θ₂。如果不考虑光纤的弯曲、扭转和挤压，θ₁＝θ₂，高双折射光纤的Jones矩阵即可用上式表示。考虑在双折射光纤中存在一定程度的扭转，即θ₁不一定等于θ₂。设入射光电矢量 $\stackrel{\→}{E_{\mathrm{in}}}=\left[\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{inx}}\\ E_{\mathrm{iny}}\end{array}\right],$ 将E_in投影到HBF的入射端面3的快轴f和慢轴s，可得到：

$\left[\begin{array}{c}{E}_f\\ E_s\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& \sin {\mathrm{\θ}}_1\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_1& \cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{inx}}\\ E_{\mathrm{iny}}\end{array}\right],$

式中，E_f为入射光电矢量E_in投影到f轴的光场分量，E_s为入射光电矢量E_in投影到s轴的光场分量；

当光在双折射光纤中传输时，由于快慢轴的折射率不同，f光和s光将获得不同的相位延迟，可以得到：

$\left[\begin{array}{c}{E}_{f^{\′}}\\ E_{s^{\′}}\end{array}\right]=e^{-\mathrm{i\α}/\mathrm{\λ}}\left[\begin{array}{cc}{e}^{-\mathrm{i\β}/\mathrm{\λ}}& 0\\ 0& e^{\mathrm{i\β}/\mathrm{\λ}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_f\\ E_s\end{array}\right],$

式中，E_f′为经过双折射光纤传输后的f′轴的光场分量，E_s′为经过双折射光纤传输后的s′轴的光场分量；

在出射端面4，再将光场分量E_f′和E_s′投影到xy坐标系中，设输出光波电矢量 $\stackrel{\→}{E_{\mathrm{out}}}=\left[\begin{array}{c}{E}_{o\mathrm{utx}}\\ E_{\mathrm{outy}}\end{array}\right],$ 则可以得到：

$\left[\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{outx}}\\ E_{\mathrm{outy}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_2& -\sin {\mathrm{\θ}}_2\\ \sin {\mathrm{\θ}}_2& \cos {\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_{f^{\′}}\\ E_{s^{\′}}\end{array}\right],$

将这三次变换结合起来写成矩阵的形式，得到输出光矢量与输入光矢量的关系式为：

$\left[\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{outx}}\\ E_{\mathrm{outy}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_2& -\sin {\mathrm{\θ}}_2\\ \sin {\mathrm{\θ}}_2& \cos {\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right]e^{-\mathrm{i\α}/\mathrm{\λ}}\left[\begin{array}{cc}{e}^{-\mathrm{i\β}/\mathrm{\λ}}& 0\\ 0& e^{\mathrm{i\β}/\mathrm{\λ}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& \sin {\mathrm{\θ}}_1\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_1& \cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{inx}}\\ E_{\mathrm{iny}}\end{array}\right],$

简写为：

E_out＝R(θ₂)GR(-θ₁)E_in，

即高双折射光纤的Jones矩阵为R(θ₂)GR(-θ₁)，其中，R(θ)为坐标旋转矩阵，G为相位延迟矩阵。

本实施例中，将端口1作为输入端，端口c作为输出端口。梳状通带间隔由两段高双折射光纤的长度和拍长决定。选取Saganc环的结构参数λ₀＝1550nm，L_b＝2.59mm，L₁＝10m，L₂＝20m，θ₁＝π/2，θ₂＝π/8时可以实现波长间隔为0.4nm的平顶滤波，其滤波结果如图7(a)、图7(b)所示，图7(a)和图7(b)中，横轴均为入射光源的波长范围，纵轴均为输出光的输出功率。由图7(a)和图7(b)可知，0.5dB带宽约为0.12nm，刚好可以达到波长间隔0.4nm的30％，而且数值模拟的隔离度大于30dB，满足对25/50GHz梳状滤波器的设计要求。

图8所示为本发明的第二个实施例，包括第一耦合器OC1、第一偏振控制器PC1、第一高双折射光纤HBF1、第二耦合器OC2、第二偏振控制器PC2、第二高双折射光纤HBF2，以及光隔离器IS；该实施例和第一个实施例的区别仅在于用光隔离器IS取代第一个实施例的第一环形器CR1；

该实施例中，所述光隔离器IS为两端口光隔离器，具有第一端口和第二端口；输入光1通过所述第一耦合器OC1的第一输入端输入，第一耦合器OC1的第二输入端连接所述光隔离器IS的第一端口，所述光隔离器IS的第二端口连接所述第二耦合器OC2的第一输入端，第二耦合器OC2的第二输入端空置。

如图9所示，第二个实施例中，光隔离器由在光路上依次排列的第一偏振器、旋光器和第二偏振器组成；所述第一偏振器和第二偏振器的偏振化方向之间的角度为45°；

旋光器利用法拉第旋转效应使通过它的偏振光发生偏转，其偏振光旋转的方向可以这样规定：不管光的传播方向如何，迎着外加磁场的磁感应强度方向观察，偏振光总按顺时针方向旋转。光隔离器正是利用法拉第效应的旋向的不可逆性制成的，它要求第一偏振器和第二偏振器的偏振化方向之间的夹角为45°，这样可以消除反射光对光源及系统的影响。

下面简要说明光隔离器的工作原理，假设偏振光的传播方向沿z轴正方向，设偏振器1的透光轴在x方向，光经过偏振器1后变为偏振方向沿x方向的线偏振光，如图10(a)所示；经过法拉第旋转器后沿反时针方向(也可沿顺时针方向，由外加磁场决定)旋转45°，与x轴成45°角，如图10(b)所示；光经过偏振器2后偏振方向仍然与x轴成45°角，如图10(c)所示；被其他物体反射后沿原路返回的光线其偏振方向不变，如图10(d)所示；反向光通过起偏器2后偏振方向仍然与x轴成45°角，如图10(e)所示。如图10(f)所示，由于法拉第旋转效应的不可逆性，当光通过旋转器到达偏振器1时与x轴成90°角，也就是说与偏振器1的透光轴互相垂直，从而有效地阻止了反向光通过。

为了验证仿真结果，申请人对本发明第一个实施例进行了实验研究。实验连接装置如图11所示，信号光由宽谱光源BBS输出，经第二环行器CR2的a、b通路，再经光纤耦合器耦合到第一个实施例中，将经第一环形器CR1的第三端口输出的透射光连接入光谱仪OSA进行检测。实验中的高双折射光纤拍长为2.59mm，第一高双折射光纤HBF1和第二高双折射光纤HBF2的长度分别为10m和20m，最终输出光谱如图12所示，图12中，横轴为入射光源的波长范围，纵轴为光谱仪探测得到的本发明第一个实施例输出功率，本发明第一个实施例光谱的隔离度可以达到22dB，0.5dB带宽大于波长间隔的30％，可以实现25/50GHz梳状滤波器的滤波功能。

Claims (3)

1.一种干涉型梳状滤波器，包括第一耦合器(OC1)、第一偏振控制器(PC1)、第一高双折射光纤(HBF1)、第二耦合器(OC2)、第二偏振控制器(PC2)、第二高双折射光纤(HBF2)，以及第一环形器(CR1)或光隔离器(IS)，其特征在于：

所述第一耦合器(OC1)和第二耦合器(OC2)均为单模光纤2×2耦合器，均具有第一输入端、第二输入端以及第一输出端、第二输出端；

所述第一耦合器(OC1)的第一输出端连接所述第一偏振控制器(PC1)的一端，第一偏振控制器(PC1)的另一端连接所述第一高双折射光纤(HBF1)的一端，第一高双折射光纤(HBF1)的另一端通过单模光纤连接所述第一耦合器(OC1)的第二输出端，构成第一个Saganc干涉仪；

所述第二耦合器(OC2)的第一输出端连接所述第二偏振控制器(PC2)的一端，第二偏振控制器(PC2)的另一端连接所述第二高双折射光纤(HBF2)的一端，第二高双折射光纤(HBF2)的另一端通过单模光纤连接所述第二耦合器(OC2)的第二输出端，构成第二个Saganc干涉仪；

当采用第一环形器(CR1)时，所述第一环形器(CR1)为三端口环形器，具有第一端口、第二端口和第三端口；输入光通过所述第一耦合器(OC1)的第一输入端输入，第一耦合器(OC1)的第二输入端连接所述第一环形器(CR1)的第一端口，所述第一环形器(CR1)的第二端口连接所述第二耦合器(OC2)的第一输入端，第二耦合器(OC2)的第二输入端空置，所述第一环形器(CR1)的第三端口作为输出端；

当采用光隔离器(IS)时，所述光隔离器(IS)为两端口光隔离器，具有第一端口和第二端口；输入光通过所述第一耦合器(OC1)的第一输入端输入，第一耦合器(OC1)的第二输入端连接所述光隔离器(IS)的第一端口，所述光隔离器(IS)的第二端口连接所述第二耦合器(OC2)的第一输入端，第二耦合器(OC2)的第二输入端空置；

所述第一高双折射光纤(HBF1)的长度

其中，λ₀为输入光的中心波长，L_b为高双折射光纤的拍长，Δλ为输出光谱的波长周期；所述第一高双折射光纤(HBF1)和第二高双折射光纤(HBF2)的长度之比为1∶2。

2.如权利要求1所述的干涉型梳状滤波器，其特征在于：

所述第一偏振控制器(PC1)和第二偏振控制器(PC2)结构相同，各自均由在光路上同光轴依次排列的第一1/4波片、1/2波片和第二1/4波片组成。

3.如权利要求1或2所述的干涉型梳状滤波器，其特征在于：

所述光隔离器(IS)由在光路上依次排列的第一偏振器、旋光器和第二偏振器组成；所述第一偏振器和第二偏振器的偏振化方向之间的角度为45°；所述旋转器利用法拉第旋转效应使通过它的偏振光发生偏转，迎着外加磁场的磁感应强度方向观察，偏振光总按顺时针方向旋转。

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