專利名稱：超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵八信道梳狀濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光纖通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵八信道梳狀濾波器。
背景技術(shù)：
隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，語(yǔ)言、圖象、數(shù)據(jù)等信息量爆炸式的增長(zhǎng)，隨著個(gè)人電 腦普及而帶來(lái)的Internet的飛速發(fā)展，由數(shù)字移動(dòng)通信業(yè)務(wù)導(dǎo)向個(gè)人通信而引發(fā)的常規(guī)通 信革命，多媒體通信業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，廣大用戶對(duì)擴(kuò)大光纖通信網(wǎng)絡(luò)容量的要求十分迫切， 通信網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容勢(shì)在必行。WDM、DWDM是充分挖掘光纖帶寬能力、實(shí)現(xiàn)高速通信的 最佳途徑。WDM、DWDM是以不同波長(zhǎng)的光波作為信號(hào)載波而將光纖的低損耗窗口劃 分為若干個(gè)信道，在發(fā)送端，采用復(fù)波器將不同標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)的信號(hào)光載波合并起來(lái)送入一 根光纖中傳輸，在接收端，由分波器將這些承載著不同信號(hào)、具有不同波長(zhǎng)的載波光分 開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)一根光纖傳送多路信號(hào)。八信道梳狀濾波器可作為WDM、DWDM系 統(tǒng)中的復(fù)波器或者分波器以及多波長(zhǎng)信號(hào)源中的關(guān)鍵器件，要求在具備多信道、信道間 隔窄且均勻的基礎(chǔ)上，具有高反射率、窄帶寬和較高的帶寬利用率，信道內(nèi)無(wú)色散或具 備一定的色散補(bǔ)償功能，另一個(gè)關(guān)鍵要求是八信道梳狀濾波器各信道性能的一致性。目前，WDM、DWDM系統(tǒng)中通用的八信道梳狀濾波器共有三種介質(zhì)薄膜 型、陣列波導(dǎo)型和光纖光柵型。介質(zhì)薄膜型八信道梳狀濾波器是利用多個(gè)具有不同特征波長(zhǎng)的窄帶濾光片組合 實(shí)現(xiàn)的，其溫度特性比較好，通帶較平坦，在隔離度、偏振損耗和偏振模色散方面具有 良好的光學(xué)特性，但它是一種分立器件，不利于集成，且當(dāng)DWDM系統(tǒng)的信道間隔減小 時(shí)，使得介質(zhì)薄膜型器件設(shè)計(jì)和制造時(shí)難度更高，因而成品率更低。陣列波導(dǎo)型梳狀濾波器是以光集成技術(shù)為基礎(chǔ)的平面波導(dǎo)器件，它是由平面設(shè) 置的兩個(gè)共焦陣列徑向波導(dǎo)構(gòu)成兩個(gè)星型耦合器，星型耦合器的M個(gè)不等長(zhǎng)的耦合波導(dǎo) 可形成陣列波導(dǎo)達(dá)到分光的目的。由于采用平面波導(dǎo)技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)緊湊，易于批量生 產(chǎn)，重復(fù)性好等特點(diǎn)，但溫度穩(wěn)定性較差，插入損耗大，設(shè)備要求高。基于光纖光柵的八信道梳狀濾波器，其特點(diǎn)是反射率高，反射峰間隔(對(duì)應(yīng)波 分復(fù)用的信道間隔)穩(wěn)定，帶寬窄，低損耗，易耦合，易全光集成。眾多研究者設(shè)計(jì)出 了各種基于光纖光柵的光學(xué)梳狀濾波器方案，主要有①光纖光柵F-P諧振腔，②全光 纖Mach-Zehnder干涉儀，③全光纖Sagnac干涉儀，④基于取樣光纖光柵或莫爾光纖光 柵的梳狀濾波器，⑤級(jí)聯(lián)光纖光柵。其中，前三個(gè)方案由于除光纖光柵外還有引入其 他光學(xué)元件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，器件封裝的復(fù)雜性高，不易于全光纖集成；后兩個(gè)方案雖然無(wú) 需引入其它光學(xué)元件，但方案④中梳狀濾波器反射峰峰值不均勻，給使用帶來(lái)很大的局 限性，方案⑤需要將多個(gè)單反射峰光柵熔接，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這一方面增大了器件的線 度，另一方面也加大了器件的附加損耗。發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有的基于光纖光柵的光學(xué)八信道梳狀濾波器所存在的整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單與反射峰峰值均勻兩者不可兼得的不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種超結(jié)構(gòu)光纖 Bragg光柵八信道梳狀濾波器，該八信道梳狀濾波器不僅整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且反射峰峰值 均勻，各信道性能一致。本實(shí)用新型所提出的技術(shù)解決方案是這樣的一種超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵八信 道梳狀濾波器，包括一個(gè)光輸入端、第1光輸出端、第2光輸出端和能同時(shí)進(jìn)行八信道光 學(xué)濾波的超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵，其特征是所述第1光輸出端與超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵 的一端相連接，該第1光輸出端作為超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵中心波長(zhǎng)的光波輸出端；所述 超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵的另一端與第2光輸出端相連接，該第2光輸出端作為超結(jié)構(gòu)光纖 Bragg光柵非中心波長(zhǎng)的光波輸出端。值得注意的是其光輸入端和第1光輸出端物理上是 重合的，只是輸入和輸出時(shí)光的傳播方向相反。其特例是在所述光輸入端和第1光輸出端之間還接有多端口光方向耦合型器 件，所述光輸入端與多端口光方向耦合型器件第1端口相連接，所述多端口光方向耦合 型器件第2端口通過(guò)超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵與第2光輸出端相連接，所述第1光輸出端輸 出超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵中心波長(zhǎng)的光波，該中心波長(zhǎng)的光波進(jìn)入多端口光方向耦合型器 件的第2端口后由第3端口輸出，所述第2光輸出端輸出超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵非中心波 長(zhǎng)的光波。這樣通過(guò)多端口光方向耦合型器件將光輸入端和第1光輸出端物理上分開(kāi)。在上述方案中，超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵作為關(guān)鍵部件，其八信道梳狀濾波性能 和色散功能由其特征曲線(反射譜和各信道群時(shí)延曲線)決定。要在WDM、DWDM系 統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)八信道梳狀濾波和特定的色散功能，對(duì)超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵的反射譜和各信 道群時(shí)延曲線都有很高要求。對(duì)反射譜，要求有八個(gè)峰值、信道間隔窄且均勻、反射率 高、帶寬窄和帶寬利用率高；對(duì)群時(shí)延曲線，要求八信道梳狀濾波器無(wú)色散濾波則各信 道群時(shí)延曲線應(yīng)平坦，要求八信道梳狀濾波器具備一定的色散補(bǔ)償能力則各信道群時(shí)延 曲線要具有良好的平滑度和線性度。不同信道數(shù)、不同信道間隔、不同信道性能、不同 色散功能目標(biāo)的八信道梳狀濾波器具有不同的特征曲線。而光柵的特征曲線是由光柵結(jié) 構(gòu)(切趾函數(shù)和局部啁啾量)決定的。因此設(shè)計(jì)時(shí)必須先根據(jù)具體的濾波要求來(lái)確定特征 曲線，然后根據(jù)特征曲線設(shè)計(jì)特定的超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵的光柵結(jié)構(gòu)以達(dá)到指標(biāo)要求。這種超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵，由于結(jié)構(gòu)信息豐富，其設(shè)計(jì)不宜采用一階波恩近 似法，該方法只適用于簡(jiǎn)單的低反射率光柵設(shè)計(jì)，對(duì)于高反射率光柵則無(wú)能為力；也不 能通過(guò)積分解析求解耦合模方程得到光柵結(jié)構(gòu)；但可采用各信道獨(dú)立加窗切趾的方法， 運(yùn)用公知的基于LP(Layer-Peeling)算法的IS (Inverse Scattering)技術(shù)，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(guò)設(shè)定優(yōu)良的目標(biāo) 特征曲線，如設(shè)定平頂、窄間距、窄帶寬、高帶寬利用率、八個(gè)反射峰、高峰值反射率 的目標(biāo)反射譜和水平的目標(biāo)時(shí)延曲線，將光柵看作由M層(M足夠大，使長(zhǎng)為△的各段 光柵的耦合系數(shù)可視為常數(shù))復(fù)反射器級(jí)聯(lián)而成，由目標(biāo)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)。分析表明采用各信道獨(dú)立加窗切趾的方法和基于LP (Layer-Peeling)算法的IS (InverseScattering)技術(shù)設(shè)計(jì)的超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵的分析特征曲線和目標(biāo)特征曲線基本重合，所以在理論設(shè)計(jì)上，可以通過(guò)設(shè)定優(yōu)良的目標(biāo)特征曲線，得到能實(shí)現(xiàn)該特征曲線的高性 能超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)。超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵的制作可以采用如下公知的方法逐點(diǎn)寫(xiě)入法、二次曝 光法、光纖/掩膜移動(dòng)掃描法、相位掩模板拉伸掃描法。為了降低制作的工藝要求，減 少成本，可以采用相位掩模板拉伸掃描法來(lái)制作本實(shí)用新型中的超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵， 該方法可實(shí)現(xiàn)任意啁啾和切趾函數(shù)的光纖光柵的掃描寫(xiě)入，易于實(shí)現(xiàn)，控制方便靈活， 對(duì)設(shè)備要求低。此外，對(duì)于本實(shí)用新型中的超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵，其結(jié)構(gòu)參數(shù)是根據(jù) 具體的八信道梳狀濾波性能和色散功能進(jìn)行個(gè)體設(shè)計(jì)后得到的，目標(biāo)參數(shù)不同，光柵的 結(jié)構(gòu)也不同，從而制作中掃描速度和掃描時(shí)間以及相位掩模板拉伸量，不僅在同一光柵 的不同位置不同而且對(duì)不同的光柵也不同，需要用微機(jī)編程實(shí)時(shí)控制。與現(xiàn)有技術(shù)相比本實(shí)用新型的有益效果是可以在保證整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的同時(shí)， 提供各信道性能一致的濾波功能，該濾波器的光柵結(jié)構(gòu)可根據(jù)具體使用要求靈活設(shè)計(jì)， 可廣泛應(yīng)用于光電子、光纖通信光纖傳感等領(lǐng)域。

圖1是本實(shí)用新型的超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵實(shí)現(xiàn)八信道梳狀濾波的原理圖。圖2是圖1所示超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵的設(shè)計(jì)流程圖。圖3是整體加窗切趾與各信道獨(dú)立加窗切趾效果比較圖。圖4是各信道獨(dú)立加窗切趾方法的說(shuō)明圖。圖5是根據(jù)某一目標(biāo)指標(biāo)設(shè)計(jì)的超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)圖和其特征曲線。圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例1的超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵八信道梳狀濾波器結(jié)構(gòu)示意 圖。圖7是本實(shí)用新型實(shí)施例2的超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵實(shí)現(xiàn)八信道梳狀濾波器結(jié)構(gòu) 示意圖。圖8是本實(shí)用新型實(shí)施例3的超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵實(shí)現(xiàn)八信道梳狀濾波器結(jié)構(gòu) 示意圖。圖9是本實(shí)用新型實(shí)施例4的超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵實(shí)現(xiàn)八信道梳狀濾波器結(jié)構(gòu) 示意圖。圖10是本實(shí)用新型實(shí)施例5的超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵實(shí)現(xiàn)八信道梳狀濾波器結(jié) 構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面參照附圖，詳細(xì)描述本實(shí)用新型所采用的原理，同時(shí)圖示說(shuō)明根據(jù)目標(biāo)指 標(biāo)設(shè)計(jì)的超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)，并結(jié)合三個(gè)非限定性實(shí)施例來(lái)更為明晰地描述 本實(shí)用新型的上述目的和優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)用新型中的關(guān)鍵部件——超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵實(shí)現(xiàn)八信道梳狀濾波的原理 參見(jiàn)圖1所示。具有8個(gè)反射峰的超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵可視為由8個(gè)一般結(jié)構(gòu)Bragg光柵疊加而成，每個(gè)一般結(jié)構(gòu)Bragg光柵的Bragg波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵反射譜 的一個(gè)峰值波長(zhǎng)，因此一個(gè)超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵可具有8個(gè)反射峰，實(shí)現(xiàn)八信道梳狀濾波。圖2示意說(shuō)明本實(shí)用新型中的關(guān)鍵部件一一超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵的設(shè)計(jì)流程。 該圖給出了由目標(biāo)反射譜到物理可實(shí)現(xiàn)反射譜到光柵結(jié)構(gòu)的疊代過(guò)程，其中用到的公式 (1-5)為
ι MPy=^hWLo = M^(n)(1)
*Pj =-tanh(|^|A)-^-(2)=⑶
I-Pj η (λ)小)=〔侈+ _))(4)■二—與繼(5)
dz八 dz其中P ^表征第j個(gè)復(fù)反射器在時(shí)間t = 0時(shí)的脈沖效應(yīng)(時(shí)域反射系數(shù))，(1) 式反映了 P ^與反射系數(shù)之間滿足的傅立葉逆變換關(guān)系，(2)式反映了 P]與第j段光柵耦 合系數(shù)之間的關(guān)系，(3)式為頻域反射系數(shù)的疊代公式，其中Γι要求是物理可實(shí)現(xiàn)的目標(biāo) 反射系數(shù)，設(shè)計(jì)中借鑒有限長(zhǎng)單位沖擊響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法中的窗函數(shù)設(shè)計(jì) 思想，通過(guò)對(duì)理想目標(biāo)譜r( λ)進(jìn)行各信道獨(dú)立加窗切趾得到，(4)式描述了耦合系數(shù)與 折射率調(diào)制幅度Δη(ι(ζ)和光柵相位θ (ζ)之間的關(guān)系，(5)式中Λ (ζ)為待求的光柵啁 啾函數(shù)。圖3為示意說(shuō)明整體加窗切趾與各信道獨(dú)立加窗切趾的效果比較圖。由光柵目標(biāo)反射譜采用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行加窗切趾得到物理可實(shí)現(xiàn)反射譜，這是 基于LP (Layer-Peeling)算法的IS (Inverse Scattering)光柵設(shè)計(jì)技術(shù)的關(guān)鍵。如圖3 (a)所 示的目標(biāo)反射譜，若采用慣用的整體加窗方法，選取漢寧窗(Harming)作為窗函數(shù)，直接 對(duì)整個(gè)光柵反射譜進(jìn)行加窗切趾，使窗外的脈沖響應(yīng)為零，并將整個(gè)脈沖響應(yīng)進(jìn)行移位 使之在t = 0時(shí)激勵(lì)，得到物理可實(shí)現(xiàn)反射譜Γι ( λ )如圖3 (b)所示?？梢?jiàn)這種物理可實(shí) 現(xiàn)反射譜出現(xiàn)明顯的余弦型包絡(luò)調(diào)制，各信道峰值反射系數(shù)相差較大，與圖3(a)所示的 理想目標(biāo)反射譜有很大的偏離，不能滿足DWDM系統(tǒng)對(duì)八信道梳狀濾波器各信道性能一 致的要求。改用各信道獨(dú)立加窗切趾方法，得到的物理可實(shí)現(xiàn)反射譜如圖3(c)所示，與圖 3(a)所示目標(biāo)反射譜相比，兩者接近程度很高。這樣采用各信道獨(dú)立加窗切趾的方法， 一方面保證了所設(shè)計(jì)的超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵反射譜是物理可實(shí)現(xiàn)的，可用LP算法設(shè) 計(jì)；另一方面保證了物理可實(shí)現(xiàn)反射譜滿足實(shí)際要求。圖4是示意本實(shí)用新型中的關(guān) 鍵技術(shù)——各信道獨(dú)立加窗切趾方法的說(shuō)明圖。各信道獨(dú)立加窗切趾方法的思想實(shí)質(zhì)是將具有8個(gè)反射峰的超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光 柵視為由8個(gè)一般結(jié)構(gòu)光柵疊加而成，每個(gè)一般結(jié)構(gòu)光柵的反射譜對(duì)應(yīng)超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵反射譜的一個(gè)信道，而每個(gè)一般結(jié)構(gòu)光柵的反射譜應(yīng)該是物理可實(shí)現(xiàn)的，如圖4所 示，這可通過(guò)對(duì)每個(gè)信道分別用漢寧窗(Harming)作為窗函數(shù)進(jìn)行加窗切趾實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn) 是在確保反射譜物理可實(shí)現(xiàn)的同時(shí)最大限度地減小加窗切趾對(duì)各信道反射峰的影響；然 后將8個(gè)已加窗的物理可實(shí)現(xiàn)反射譜相加得到超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵物理可實(shí)現(xiàn)反射譜。圖5示意說(shuō)明根據(jù)具體的八信道梳狀濾波性能和色散功能要求設(shè)計(jì)的超結(jié)構(gòu)光 纖Bragg光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)(切趾函數(shù)和局部啁啾量)及其特征曲線。圖中所示的超結(jié)構(gòu) 光纖Bragg光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)圖是按照以下八信道梳狀濾波性能和色散功能進(jìn)行設(shè)計(jì)的，參見(jiàn) 表1所示表 權(quán)利要求1.一種超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵八信道梳狀濾波器，包括一個(gè)光輸入端、第1光輸出 端、第2光輸出端和能同時(shí)進(jìn)行八信道光學(xué)濾波的超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵，其特征在于 所述第1光輸出端與超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵的一端相連接，該第1光輸出端作為超結(jié)構(gòu)光 纖Bragg光柵中心波長(zhǎng)的光波輸出端；所述超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵的另一端與第2光輸出 端相連接，該第2光輸出端作為超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵非中心波長(zhǎng)的光波輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵八信道梳狀濾波器，其特征在于所 述光輸入端和第1光輸出端之間還接有多端口光方向耦合型器件，所述光輸入端與多端 口光方向耦合型器件第1端口相連接，所述多端口光方向耦合型器件第2端口通過(guò)超結(jié)構(gòu) 光纖Bragg光柵與第2光輸出端相連接，所述第1光輸出端輸出超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵中 心波長(zhǎng)的光波，該中心波長(zhǎng)的光波進(jìn)入多端口光方向耦合型器件的第2端口后由第3端口 輸出，所述第2光輸出端輸出超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵非中心波長(zhǎng)的光波。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵八信道梳狀濾波器，該八信道梳狀濾波器整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、反射峰峰值均勻、各信道性能一致。所述第1光輸出端與超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵的一端相連接，該第1光輸出端作為超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵中心波長(zhǎng)的光波輸出端；所述超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵的另一端與第2光輸出端相連接，該第2光輸出端作為超結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵非中心波長(zhǎng)的光波輸出端。
文檔編號(hào)G02B6/34GK201804132SQ201020534690
公開(kāi)日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2010年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月10日
發(fā)明者曹輝, 蔡銳莉, 陳國(guó)杰 申請(qǐng)人:佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院