CN201804132U - 超结构光纤Bragg光栅八信道梳状滤波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超结构光纤Bragg光栅八信道梳状滤波器，该八信道梳状滤波器整体结构简单、反射峰峰值均匀、各信道性能一致。所述第1光输出端与超结构光纤Bragg光栅的一端相连接，该第1光输出端作为超结构光纤Bragg光栅中心波长的光波输出端；所述超结构光纤Bragg光栅的另一端与第2光输出端相连接，该第2光输出端作为超结构光纤Bragg光栅非中心波长的光波输出端。

Description

超结构光纤Bragg光栅八信道梳状滤波器

技术领域

本实用新型涉及光纤通信技术领域，特别涉及一种超结构光纤Bragg光栅八信道梳状滤波器。

背景技术

随着世界经济的发展，语言、图象、数据等信息量爆炸式的增长，随着个人电脑普及而带来的Internet的飞速发展，由数字移动通信业务导向个人通信而引发的常规通信革命，多媒体通信业务的出现，广大用户对扩大光纤通信网络容量的要求十分迫切，通信网络的扩容势在必行。WDM、DWDM是充分挖掘光纤带宽能力、实现高速通信的最佳途径。

WDM、DWDM是以不同波长的光波作为信号载波而将光纤的低损耗窗口划分为若干个信道，在发送端，采用复波器将不同标准波长的信号光载波合并起来送入一根光纤中传输，在接收端，由分波器将这些承载着不同信号、具有不同波长的载波光分开，从而实现通过一根光纤传送多路信号。八信道梳状滤波器可作为WDM、DWDM系统中的复波器或者分波器以及多波长信号源中的关键器件，要求在具备多信道、信道间隔窄且均匀的基础上，具有高反射率、窄带宽和较高的带宽利用率，信道内无色散或具备一定的色散补偿功能，另一个关键要求是八信道梳状滤波器各信道性能的一致性。

目前，WDM、DWDM系统中通用的八信道梳状滤波器共有三种：介质薄膜型、阵列波导型和光纤光栅型。

介质薄膜型八信道梳状滤波器是利用多个具有不同特征波长的窄带滤光片组合实现的，其温度特性比较好，通带较平坦，在隔离度、偏振损耗和偏振模色散方面具有良好的光学特性，但它是一种分立器件，不利于集成，且当DWDM系统的信道间隔减小时，使得介质薄膜型器件设计和制造时难度更高，因而成品率更低。

阵列波导型梳状滤波器是以光集成技术为基础的平面波导器件，它是由平面设置的两个共焦阵列径向波导构成两个星型耦合器，星型耦合器的M个不等长的耦合波导可形成阵列波导达到分光的目的。由于采用平面波导技术，具有结构紧凑，易于批量生产，重复性好等特点，但温度稳定性较差，插入损耗大，设备要求高。

基于光纤光栅的八信道梳状滤波器，其特点是反射率高，反射峰间隔(对应波分复用的信道间隔)稳定，带宽窄，低损耗，易耦合，易全光集成。众多研究者设计出了各种基于光纤光栅的光学梳状滤波器方案，主要有：①光纤光栅F-P谐振腔，②全光纤Mach-Zehnder干涉仪，③全光纤Sagnac干涉仪，④基于取样光纤光栅或莫尔光纤光栅的梳状滤波器，⑤级联光纤光栅。其中，前三个方案由于除光纤光栅外还有引入其他光学元件，结构复杂，器件封装的复杂性高，不易于全光纤集成；后两个方案虽然无需引入其它光学元件，但方案④中梳状滤波器反射峰峰值不均匀，给使用带来很大的局限性，方案⑤需要将多个单反射峰光栅熔接，整体结构复杂，这一方面增大了器件的线度，另一方面也加大了器件的附加损耗。

发明内容

为了克服现有的基于光纤光栅的光学八信道梳状滤波器所存在的整体结构简单与反射峰峰值均匀两者不可兼得的不足，本实用新型的目的在于提供一种超结构光纤Bragg光栅八信道梳状滤波器，该八信道梳状滤波器不仅整体结构简单，而且反射峰峰值均匀，各信道性能一致。

本实用新型所提出的技术解决方案是这样的：一种超结构光纤Bragg光栅八信道梳状滤波器，包括一个光输入端、第1光输出端、第2光输出端和能同时进行八信道光学滤波的超结构光纤Bragg光栅，其特征是：所述第1光输出端与超结构光纤Bragg光栅的一端相连接，该第1光输出端作为超结构光纤Bragg光栅中心波长的光波输出端；所述超结构光纤Bragg光栅的另一端与第2光输出端相连接，该第2光输出端作为超结构光纤Bragg光栅非中心波长的光波输出端。值得注意的是其光输入端和第1光输出端物理上是重合的，只是输入和输出时光的传播方向相反。

其特例是在所述光输入端和第1光输出端之间还接有多端口光方向耦合型器件，所述光输入端与多端口光方向耦合型器件第1端口相连接，所述多端口光方向耦合型器件第2端口通过超结构光纤Bragg光栅与第2光输出端相连接，所述第1光输出端输出超结构光纤Bragg光栅中心波长的光波，该中心波长的光波进入多端口光方向耦合型器件的第2端口后由第3端口输出，所述第2光输出端输出超结构光纤Bragg光栅非中心波长的光波。这样通过多端口光方向耦合型器件将光输入端和第1光输出端物理上分开。

在上述方案中，超结构光纤Bragg光栅作为关键部件，其八信道梳状滤波性能和色散功能由其特征曲线(反射谱和各信道群时延曲线)决定。要在WDM、DWDM系统中实现八信道梳状滤波和特定的色散功能，对超结构光纤Bragg光栅的反射谱和各信道群时延曲线都有很高要求。对反射谱，要求有八个峰值、信道间隔窄且均匀、反射率高、带宽窄和带宽利用率高；对群时延曲线，要求八信道梳状滤波器无色散滤波则各信道群时延曲线应平坦，要求八信道梳状滤波器具备一定的色散补偿能力则各信道群时延曲线要具有良好的平滑度和线性度。不同信道数、不同信道间隔、不同信道性能、不同色散功能目标的八信道梳状滤波器具有不同的特征曲线。而光栅的特征曲线是由光栅结构(切趾函数和局部啁啾量)决定的。因此设计时必须先根据具体的滤波要求来确定特征曲线，然后根据特征曲线设计特定的超结构光纤Bragg光栅的光栅结构以达到指标要求。

这种超结构光纤Bragg光栅，由于结构信息丰富，其设计不宜采用一阶波恩近似法，该方法只适用于简单的低反射率光栅设计，对于高反射率光栅则无能为力；也不能通过积分解析求解耦合模方程得到光栅结构；但可采用各信道独立加窗切趾的方法，运用公知的基于LP(Layer-Peeling)算法的IS(Inverse Scattering)技术，利用光栅结构参数(切趾函数和局部啁啾量)与光栅反射谱之间满足的因果关系，通过设定优良的目标特征曲线，如设定平顶、窄间距、窄带宽、高带宽利用率、八个反射峰、高峰值反射率的目标反射谱和水平的目标时延曲线，将光栅看作由M层(M足够大，使长为Δ的各段光栅的耦合系数可视为常数)复反射器级联而成，由目标特征曲线出发，反演推算出每段光栅的耦合系数，再由耦合系数与切趾函数和局部啁啾量分布之间的关系确定光栅结构。分析表明采用各信道独立加窗切趾的方法和基于LP(Layer-Peeling)算法的IS(Inverse Scattering)技术设计的超结构光纤Bragg光栅的分析特征曲线和目标特征曲线基本重合，所以在理论设计上，可以通过设定优良的目标特征曲线，得到能实现该特征曲线的高性能超结构光纤Bragg光栅的结构参数。

超结构光纤Bragg光栅的制作可以采用如下公知的方法：逐点写入法、二次曝光法、光纤/掩膜移动扫描法、相位掩模板拉伸扫描法。为了降低制作的工艺要求，减少成本，可以采用相位掩模板拉伸扫描法来制作本实用新型中的超结构光纤Bragg光栅，该方法可实现任意啁啾和切趾函数的光纤光栅的扫描写入，易于实现，控制方便灵活，对设备要求低。此外，对于本实用新型中的超结构光纤Bragg光栅，其结构参数是根据具体的八信道梳状滤波性能和色散功能进行个体设计后得到的，目标参数不同，光栅的结构也不同，从而制作中扫描速度和扫描时间以及相位掩模板拉伸量，不仅在同一光栅的不同位置不同而且对不同的光栅也不同，需要用微机编程实时控制。

与现有技术相比本实用新型的有益效果是：可以在保证整体结构简单的同时，提供各信道性能一致的滤波功能，该滤波器的光栅结构可根据具体使用要求灵活设计，可广泛应用于光电子、光纤通信光纤传感等领域。

附图说明

图1是本实用新型的超结构光纤Bragg光栅实现八信道梳状滤波的原理图。

图2是图1所示超结构光纤Bragg光栅的设计流程图。

图3是整体加窗切趾与各信道独立加窗切趾效果比较图。

图4是各信道独立加窗切趾方法的说明图。

图5是根据某一目标指标设计的超结构光纤Bragg光栅的结构参数图和其特征曲线。

图6是本实用新型实施例1的超结构光纤Bragg光栅八信道梳状滤波器结构示意图。

图7是本实用新型实施例2的超结构光纤Bragg光栅实现八信道梳状滤波器结构示意图。

图8是本实用新型实施例3的超结构光纤Bragg光栅实现八信道梳状滤波器结构示意图。

图9是本实用新型实施例4的超结构光纤Bragg光栅实现八信道梳状滤波器结构示意图。

图10是本实用新型实施例5的超结构光纤Bragg光栅实现八信道梳状滤波器结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图，详细描述本实用新型所采用的原理，同时图示说明根据目标指标设计的超结构光纤Bragg光栅结构参数，并结合三个非限定性实施例来更为明晰地描述本实用新型的上述目的和优点。

本实用新型中的关键部件——超结构光纤Bragg光栅实现八信道梳状滤波的原理参见图1所示。具有8个反射峰的超结构光纤Bragg光栅可视为由8个一般结构Bragg光栅叠加而成，每个一般结构Bragg光栅的Bragg波长对应超结构光纤Bragg光栅反射谱的一个峰值波长，因此一个超结构光纤Bragg光栅可具有8个反射峰，实现八信道梳状滤波。

图2示意说明本实用新型中的关键部件一一超结构光纤Bragg光栅的设计流程。该图给出了由目标反射谱到物理可实现反射谱到光栅结构的叠代过程，其中用到的公式(1-5)为：

${\mathrm{\ρ}}_j=F^{-1}{\left[r_j\left(\mathrm{\λ}\right)\right]}_{t=0}=\frac{1}{M}\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{r}_j\left(n\right)---\left(1\right)$

${\mathrm{\ρ}}_j=-\tanh \left(\right|q_j\left|\mathrm{\Δ}\right)\frac{{q_j}^{*}}{q_j}---\left(2\right)$

$r_{j+1}\left(\mathrm{\λ}\right)=e^{-i2\mathrm{\δ\Δ}}\frac{r_j\left(\mathrm{\λ}\right)-{\mathrm{\ρ}}_j}{1-{{\mathrm{\ρ}}_j}^{*}{r}_j\left(\mathrm{\λ}\right)}---\left(3\right)$

$q\left(z\right)=\frac{\mathrm{\π\Δ}{n}_0\left(z\right)}{\mathrm{\λ}}\exp \left(i(\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{\θ}\left(z\right))\right)---\left(4\right)$

$\frac{\mathrm{d\θ}\left(z\right)}{\mathrm{dz}}=-\frac{2\mathrm{\πz}}{{\mathrm{\Λ}}^2}\frac{\mathrm{d\Λ}\left(z\right)}{\mathrm{dz}}---\left(5\right)$

其中ρ_j表征第j个复反射器在时间t＝0时的脉冲效应(时域反射系数)，(1)式反映了ρ_j与反射系数之间满足的傅立叶逆变换关系，(2)式反映了ρ_j与第j段光栅耦合系数之间的关系，(3)式为频域反射系数的叠代公式，其中r₁要求是物理可实现的目标反射系数，设计中借鉴有限长单位冲击响应(FIR)数字滤波器设计方法中的窗函数设计思想，通过对理想目标谱r(λ)进行各信道独立加窗切趾得到，(4)式描述了耦合系数与折射率调制幅度Δn₀(z)和光栅相位θ(z)之间的关系，(5)式中Λ(z)为待求的光栅啁啾函数。

图3为示意说明整体加窗切趾与各信道独立加窗切趾的效果比较图。

由光栅目标反射谱采用恰当的方法进行加窗切趾得到物理可实现反射谱，这是基于LP(Layer-Peeling)算法的IS(Inverse Scattering)光栅设计技术的关键。如图3(a)所示的目标反射谱，若采用惯用的整体加窗方法，选取汉宁窗(Hanning)作为窗函数，直接对整个光栅反射谱进行加窗切趾，使窗外的脉冲响应为零，并将整个脉冲响应进行移位使之在t＝0时激励，得到物理可实现反射谱r₁(λ)如图3(b)所示。可见这种物理可实现反射谱出现明显的余弦型包络调制，各信道峰值反射系数相差较大，与图3(a)所示的理想目标反射谱有很大的偏离，不能满足DWDM系统对八信道梳状滤波器各信道性能一致的要求。

改用各信道独立加窗切趾方法，得到的物理可实现反射谱如图3(c)所示，与图3(a)所示目标反射谱相比，两者接近程度很高。这样采用各信道独立加窗切趾的方法，一方面保证了所设计的超结构光纤Bragg光栅反射谱是物理可实现的，可用LP算法设计；另一方面保证了物理可实现反射谱满足实际要求。

图4是示意本实用新型中的关键技术——各信道独立加窗切趾方法的说明图。

各信道独立加窗切趾方法的思想实质是将具有8个反射峰的超结构光纤Bragg光栅视为由8个一般结构光栅叠加而成，每个一般结构光栅的反射谱对应超结构光纤Bragg光栅反射谱的一个信道，而每个一般结构光栅的反射谱应该是物理可实现的，如图4所示，这可通过对每个信道分别用汉宁窗(Hanning)作为窗函数进行加窗切趾实现，其优点是在确保反射谱物理可实现的同时最大限度地减小加窗切趾对各信道反射峰的影响；然后将8个已加窗的物理可实现反射谱相加得到超结构光纤Bragg光栅物理可实现反射谱。

图5示意说明根据具体的八信道梳状滤波性能和色散功能要求设计的超结构光纤Bragg光栅的结构参数(切趾函数和局部啁啾量)及其特征曲线。图中所示的超结构光纤Bragg光栅结构参数图是按照以下八信道梳状滤波性能和色散功能进行设计的，参见表1所示：

表1

具体设计过程按照图2所述：首先根据目标指标，选用如下形式的超高斯函数表示目标谱：

$r\left(\mathrm{\λ}\right)=\sqrt{0.95}\×\underset{j=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}\exp (-{(2\mathrm{\π}{n}_{\mathrm{eff}}(1/\mathrm{\λ}-1/{\mathrm{\λ}}_j)/251)}^{10})---\left(6\right)$

其中，有效折射率n_eff＝1.446；中心波长λ_j＝(1548+j×0.4)nm，j＝1，2，…，8。然后，选取汉宁窗(Hanning)作为窗函数，以(7)式作为光栅目标反射谱，取波长计算范围Δλ＝8nm，光栅长度L＝10cm，采用各信道独立加窗切趾的方法得到物理可实现反射谱：

$r_1\left(\mathrm{\λ}\right)=\sqrt{0.95}\×\underset{j=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}(\exp (-{\left(\frac{{2\mathrm{\πn}}_{\mathrm{eff}}(\frac{1}{\mathrm{\λ}}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_j})}{251}\right)}^{10})\×\frac{1}{2}(1-\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_j}{\mathrm{\Δ\λ}}\right))\exp \left(i2\mathrm{\π}{n}_{\mathrm{eff}}(\frac{1}{\mathrm{\λ}}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_j})L\right))---\left(7\right)$

最后取M＝200，进行叠代得到超结构光纤Bragg光栅的结构参数(切趾函数和局部啁啾量)。

如图5所示，超结构光纤Bragg光栅的切趾函数没有具体的解析表达式，光栅局部啁啾为非线性。从图中特征曲线(采用传输矩阵法分析得到)可知，所设计的超结构光纤Bragg光栅完全符合八信道八信道梳状滤波和信道内无色散的要求。

实施例1

图6是本实用新型的超结构光纤Bragg光栅八信道梳状滤波器结构示意图。这种超结构光纤Bragg光栅八信道梳状滤波器，包括一个光输入端、第1光输出端、第2光输出端和能同时进行八信道光学滤波的超结构光纤Bragg光栅，第1光输出端与超结构光纤Bragg光栅的一端相连接，该第1光输出端作为超结构光纤Bragg光栅中心波长的光波输出端；所述超结构光纤Bragg光栅的另一端与第2光输出端相连接，该第2光输出端作为超结构光纤Bragg光栅非中心波长的光波输出端，值得注意的是其光输入端和第1光输出端物理上是重合的，只是输入和输出时光的传播方向相反。

实施例2

参照图7所示，本例中多个波长的传输信号λ₁，λ₂，……λ_n从多端口光方向耦合器件的第1端口输入，按照光传输方向(本图为顺时针方向)进入超结构光纤Bragg光栅，其中中心波长光经超结构光纤Bragg光栅反射后重新进入多端口光方向耦合器件第2端口并从第3端口输出，非中中心波长光则透过超结构光纤Bragg光栅从第2光输出端输出。

实施例3

参照图8所示，本例中多端口光方向耦合型器件被简化掉，超结构光纤Bragg光栅作为8波长激光器谐振腔的一个反射面，对多个光栅中心波长择优反馈，形成8波长激光输出。

实施例4

参照图9所示，本例中多端口光方向耦合型器件是三端口光环行器H，利用单个超结构光纤Bragg光栅，无需级联多个光纤光栅，就可以同时解复用出8个信号光。如图9所示，复用信号是λ₁，λ₂，……λ_n，λ_n+1 L λ_n+m，设超结构光纤Bragg光栅的中心波长分别是λ₁，λ₂，……λ₈。在同一光纤中传输的多个波长λ₁，λ₂，……λ₈，λ₈₊₁ L λ_8+m进入光环行器H的A端口，信号光λ₁，λ₂，……λ₈从超结构光纤Bragg光栅反射后，再经光环行器H的C端口下载，同时实现8个信号的解复用。由图9可知，采用这种能同时实现8信道光学滤波的器件进行8个信号的解复用，具有结构紧凑，插入损耗小等优点。

实施例5

参照图10所示，由能同时实现多信道光学滤波的器件构成一种光分插复用器(OADM)，实现多个信号的上、下载。如图10所示，两个三端口光环行器H₁、H₂作为多端口光方向耦合型器件，超结构光纤Bragg光栅SFBG(设中心波长是λ₁，λ₂，……λ₈)位于两个光环行器H₁、H₂之间；光复用信号λ₁，λ₂，……λ₈，λ₈₊₁ L λ_8+m进入环行器H₁的A端口，λ₁，λ₂，……λ₈经光栅反射后从H₁的C端口下载；信号λ_8+m+1，λ_8+m+2 L λ_8+m+l从光环行器H₂的C端口上载，与其它信号合波后经光环行器H₂的B端口。该光分插复用器的突出特点是在不增加器件结构复杂性的前提下，同时实现了8信道信号下载。

上述实施例中的超结构光纤Bragg光栅都是根据实际应用的八信道梳状滤波性能和色散功能要求设计的，可以根据本领域技术人员公知的方法进行制造，因此不做进一步描述。

本实用新型实施例的选择和描述是为了更好地解释本实用新型的实际应用，以使本领域技术人员最优地应用本实用新型。上述对本实用新型实施例的描述只用于示例和说明，并不是将本实用新型限制在所述形式中。根据本实用新型的说明，可在不脱离权利要求书限定的本实用新型的结构和范围的条件下，对实施例进行修改和变化，得到其它形式的实施方案。

Claims (2)

1.一种超结构光纤Bragg光栅八信道梳状滤波器，包括一个光输入端、第1光输出端、第2光输出端和能同时进行八信道光学滤波的超结构光纤Bragg光栅，其特征在于：所述第1光输出端与超结构光纤Bragg光栅的一端相连接，该第1光输出端作为超结构光纤Bragg光栅中心波长的光波输出端；所述超结构光纤Bragg光栅的另一端与第2光输出端相连接，该第2光输出端作为超结构光纤Bragg光栅非中心波长的光波输出端。

2.根据权利要求1所述的超结构光纤Bragg光栅八信道梳状滤波器，其特征在于：所述光输入端和第1光输出端之间还接有多端口光方向耦合型器件，所述光输入端与多端口光方向耦合型器件第1端口相连接，所述多端口光方向耦合型器件第2端口通过超结构光纤Bragg光栅与第2光输出端相连接，所述第1光输出端输出超结构光纤Bragg光栅中心波长的光波，该中心波长的光波进入多端口光方向耦合型器件的第2端口后由第3端口输出，所述第2光输出端输出超结构光纤Bragg光栅非中心波长的光波。

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