1 引 言
隨著信息技術(shù)傳輸速度日益加快，光纖通信在高速、大容量、高帶寬信息傳輸方面展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢和潛力，得到廣泛的重視和應(yīng)用。在光纖通信領(lǐng)域，波分復(fù)用（WDM）和密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)充分利用了光纖的帶寬資源，極大地提高了通信系統(tǒng)的容量，滿足了人們對高速大容量通信的需求[1]。在DWDM系統(tǒng)中，用于對系統(tǒng)不同通道進(jìn)行調(diào)諧和濾波的梳狀濾波器成為當(dāng)前研究的重點。其中，基于Sagnac環(huán)的梳狀濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、插入損耗低、通帶間隔易于調(diào)諧等特點，受到人們的廣泛關(guān)注[2-4]。國內(nèi)對于Sagnac環(huán)結(jié)構(gòu)濾波器的研究主要有：采用對稱光纖光柵的Sagnac環(huán)濾波器，實現(xiàn)了通帶間隔相等、工作帶寬大的光濾波器[5]；基于Sagnac干涉儀的級聯(lián)型梳狀濾波器，實現(xiàn)了濾波器中心波長的調(diào)諧[6]。為了減小濾波器的通帶帶寬，提高濾波器的信道隔離度，一種由多個Sagnac環(huán)級聯(lián)構(gòu)成的濾波器被提出[7]，當(dāng)Sagnac環(huán)級聯(lián)個數(shù)分為2、3、10時，級聯(lián)濾波器透射譜的半峰全寬（FWHM）較單環(huán)濾波器分別減小了 23%、38%、64%。然而，3個以上Sagnac環(huán)級聯(lián)實際實現(xiàn)起來很困難。
光子晶體光纖（PCF）是近幾年提出來的一種新型光纖，它的橫截面上有較復(fù)雜的折射率分布，通常含有不同排列形式的氣孔，這些氣孔的尺度與光波波長大致在同一數(shù)量級且貫穿器件的整個長度，光波可以被限制在光纖芯區(qū)傳播，排列不對稱的氣孔還可以產(chǎn)生很高的雙折射效應(yīng)，其雙折射率可以達(dá)到10-3級別，較傳統(tǒng)的高雙折射光纖(HBF)提高了一個數(shù)量級[8]。同時，傳統(tǒng)保偏光纖中不同材料成分有著不同的熱膨脹系數(shù)，會引起傳播光波的偏振隨溫度改變而發(fā)生變化，導(dǎo)致傳統(tǒng)HBF Sagnac環(huán)濾波器的性能對溫度變化較為敏感。而光子晶體光纖不同于傳統(tǒng)保偏光纖，它由一種材料制成，所以其雙折射率對于溫度變化非常不敏感，利用PCF可以實現(xiàn)對溫度變化不敏感的Sagnac環(huán)濾波器。
本文提出了一種基于高雙折射光子晶體光纖(HiBi-PCF)的Sagnac環(huán)級聯(lián)濾波器。運用Jones矩陣對該級聯(lián)濾波器進(jìn)行了理論研究，分析比較不同HiBi-PCF參數(shù)下濾波器的濾波效果，實現(xiàn)了信道隔離度高、對溫度變化不敏感且有著良好濾波效果的光濾波器。所設(shè)計濾波器可制作為多波長激光器，用于輸出DWDM系統(tǒng)中的頻道復(fù)用信號。
2 原理與理論分析
所提出的級聯(lián)濾波器中的PCF采用一種通用設(shè)計[9]。PCF中內(nèi)部的氣孔按六格方點排列，圖1為PCF的橫截面圖，圖中 d 為氣孔的直徑，Λ 為水平方向氣孔間距， 3Λ 為垂直方向氣孔間距。PCF纖芯兩側(cè)的氣孔中填充著低折射率材料，這樣氣孔的折射率就比純二氧化硅低，PCF的對稱性被破壞，從而在兩個正交極化模式之間產(chǎn)生了有效的折射率差，達(dá)到了增強PCF雙折射率的目的。這樣，該PCF利用不對稱結(jié)構(gòu)，被設(shè)計為高雙折射率，所以可稱為HiBi-PCF。HiBi-PCF的雙折射率由氣孔中所摻雜材料的折射率決定。
基于HiBi-PCF的Sagnac環(huán)級聯(lián)濾波器由3dB耦合器、偏振控制器（PC）、HiBi-PCF以及隔離器組成，其原理圖如圖2所示。光場矢量 Ei 從端口1進(jìn)入第一個Sagnac環(huán)的耦合器中，經(jīng)耦合器耦合后從端口3和端口4輸出的相干光場在環(huán)內(nèi)分別沿逆時針和順時針方向向前傳輸再次到達(dá)耦合器。光場經(jīng)耦合器耦合后，從端口 5輸出透射光，透射光經(jīng)過隔離器到達(dá)端口 6，從而入射到第二個 Sagnac環(huán)中。光場在第二個Sagnac環(huán)中的傳輸過程與第一個Sagnac環(huán)相同，最后從端口2透射輸出光場 Eo 。
圖2中 θ1、θ2 分別為偏振光通過濾波器中偏振控制器后旋轉(zhuǎn)的角度，L1、L2 分別為兩段HiBi-PCF的長度。
由Jones矩陣?yán)碚揫10]可得，PC、耦合器以及HiBi-PCF的Jones矩陣分別為 R(θ)、Jc 、JP ：
經(jīng)矩陣推導(dǎo)，可得單個HiBi-PCF Sagnac環(huán)濾波器的透射率T為[10]
式中 θ 為偏振光通過偏振控制器后旋轉(zhuǎn)的角度；? 為偏振光在HiBi-PCF快慢軸上傳輸時產(chǎn)生的相位差，且?=πBL/λ，B = |nf - ns|為HiBi-PCF快慢軸之間的等效折射率差，L 為HiBi-PCF的長度；k 為耦合器的耦合率，3 dB耦合時 k = 0.5，則（4）式可以化簡為
由（5）式可得，在此級聯(lián)濾波器中，第一級Sagnac環(huán)的透射率 T1 為
第二級Sagnac環(huán)的透射率 T2 為
則該級聯(lián)濾波器的透射率T為
?1 、?2 為偏振光分別在兩段HiBi-PCF快慢軸上傳輸時產(chǎn)生的相位差。
3 數(shù)值仿真與討論
所設(shè)計的HiBi- PCF級聯(lián)Sagnac 環(huán)濾波器中，兩段HiBi- PCF的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置為Λ= 1.8 μm ，d = 1.4 μm 。為了獲得高的雙折射率，改變HiBi-PCF氣孔中摻雜材料的折射系數(shù)，使得兩段HiBi-PCF的折射率差都為 Δn = 0.004 。偏振控制器的偏轉(zhuǎn)角設(shè)置為 θ1 = θ2 =π/2 ，調(diào)節(jié)級聯(lián)濾波器兩個Sagnac環(huán)中HiBiPCF的長度，在5種不同HiBi-PCF參數(shù)下分析比較該濾波器的透射譜：(a) 單環(huán)L=0.25 m；(b) 級聯(lián)L1= L2=0.25 m；(c) 級聯(lián)L1=0.25 m，L2 =0.5 m；(d) 級聯(lián)L1=0.25 m，L2 =1 m；(e) 級聯(lián) L1=0.25 m，L2 =2 m。
運用Matlab對濾波器透射光譜進(jìn)行數(shù)值仿真，可得5種HiBi-PCF參數(shù)下濾波器的透射譜，如圖3和圖4所示。圖3中，單環(huán)結(jié)構(gòu)的HiBi-PCF濾波器透射譜的FWHM為1.2 nm。而級聯(lián)兩個Sagnac環(huán)，可使得濾波器透射譜的FWHM減小。且級聯(lián)濾波器中兩段HiBi-PCF長度之比為2:1時透射譜的FWHM比兩段HiBi-PCF長度相等時的更小，為0.4 nm，僅為單環(huán)結(jié)構(gòu)濾波器的1/3。在圖4中，當(dāng)級聯(lián)濾波器中兩段HiBi-PCF長度分為L1=2L2、L1=3L2、L1=4L2時，濾波器透射譜的FWHM越來越小。可見，增大級聯(lián)濾波器中兩段HiBi-PCF的長度比，可減小濾波器透射譜的FWHM，提高濾波器的信道隔離度。但是，由于級聯(lián)時兩個Sagnac環(huán)間存在相位差，且隨著HiBi-PCF長度比的增加，相位差變大，使得濾波器透射譜邊模的幅度越來越大。圖中三種參數(shù)下的濾波器透射譜的邊模幅度分約為0.05、0.25、0.45。所以HiBi-PCF長度比的增加會引起濾波器透射譜邊模抑制比的急劇減小，影響濾波器的濾波效果。
綜合圖3和圖4可得，兩段HiBi-PCF長度成兩倍關(guān)系時級聯(lián)濾波器的濾波性能是最好的。此參數(shù)條件下的級聯(lián)濾波器，在保持良好邊模抑制比的同時，還具有很好的波長選擇性和信道隔離度。
此外，對于傳統(tǒng)HBF Sagnac環(huán)濾波器，溫度變化時會引起濾波器透射光譜發(fā)生相移[11]，導(dǎo)致濾波效果惡化。為比較HiBi-PCF 和傳統(tǒng)HBF級聯(lián)濾波器對溫度變化的敏感特性，我們設(shè)置濾波器組成部件參數(shù)相同，比較兩種雙折射光纖在溫度變化時對透射光譜的影響。圖5為HiBi-PCF和HBF級聯(lián)濾波器透射譜中心波長隨雙折射光纖溫度的變化圖。圖5中，在雙折射光纖溫度發(fā)生變化時，傳統(tǒng)HBF級聯(lián)濾波器的透射譜受影響較大，透射譜中心波長發(fā)生了較大的偏移，此級聯(lián)濾波器對溫度變化較為敏感。而對于HiBi-PCF級聯(lián)濾波器，當(dāng)HiBi-PCF溫度發(fā)生變化時，濾波器透射譜中心波長偏移非常小，其對溫度變化很不敏感。
所以，HiBi-PCF級聯(lián)濾波器較傳統(tǒng)HBF濾波器對溫度變化不敏感，性能更加穩(wěn)定。
最后，對于基于HiBi-PCF的級聯(lián)濾波器，在兩段HiBi-PCF長度成兩倍關(guān)系的情況下，按照之前的參數(shù)設(shè)置（L1=0.25 m，L2 =0.5 m），得到HiBi-PCF級聯(lián)濾波器在單個頻道周期內(nèi)的透射譜如圖6所示。該濾波器透射譜雖然具有邊模，但邊模在-20 dB以下，邊模抑制比達(dá)到35 dB。按照國際電信聯(lián)盟(ITU)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，在一個WDM系統(tǒng)中，任一個低于-20 dB水平的信號都可以看作噪聲，所以該濾波器滿足WDM系統(tǒng)的性能要求[12]。同時濾波器透射譜的FWHM為0.4 nm，正好是50 GHz DWDM系統(tǒng)的一個頻道，可制作多波長激光器，用于實現(xiàn)50 GHz DWDM系統(tǒng)中頻道信號的產(chǎn)生，且信道隔離度高，各性能指標(biāo)也符合傳輸標(biāo)準(zhǔn)。
當(dāng)改變級聯(lián)濾波器中兩段HiBi-PCF的參數(shù)時，會引起級聯(lián)濾波器透射譜FWHM的改變。圖7表示不同HiBi-PCF長度時，級聯(lián)濾波器在單個頻道周期內(nèi)的透射譜。在圖7中，不同HiBi-PCF長度時級聯(lián)濾波器的FWHM分為1.2、0.6、0.4 nm，可見隨著級聯(lián)濾波器中HiBi-PCF長度參數(shù)的改變，會導(dǎo)致濾波器透射譜的FWHM不同，使得濾波器通帶寬度發(fā)生變化，最終可應(yīng)用于不同頻道間隔和頻道數(shù)的DWDM系統(tǒng)中，實現(xiàn)不同復(fù)用頻道信號的濾波輸出。
4 結(jié) 論
提出了一種由兩個HiBi-PCF Sagnac環(huán)級聯(lián)構(gòu)成的濾波器，對該濾波器進(jìn)行了理論研究和數(shù)值仿真。
仿真結(jié)果表明，當(dāng)級聯(lián)濾波器中兩段HiBi-PCF長度成兩倍關(guān)系時，濾波器有著良好的濾波效果，且透射譜FWHM只有單環(huán)結(jié)構(gòu)濾波器的1/3，大大減小了濾波器的通帶帶寬，實現(xiàn)了濾波器良好的波長選擇性和信道隔離度。同時，該級聯(lián)濾波器對溫度變化非常不敏感，具有良好的環(huán)境穩(wěn)定性。此外，濾波器透射譜FWHM可達(dá)到0.4 nm，剛好為50 GHz DWDM系統(tǒng)的一個頻道，可應(yīng)用于50 GHz DWDM系統(tǒng)中頻道信號的產(chǎn)生，且滿足系統(tǒng)性能要求。當(dāng)調(diào)節(jié)HiBi-PCF參數(shù)時，還可以應(yīng)用于不同頻道間隔和頻道數(shù)的DWDM系統(tǒng)，所以該濾波器在光纖通信系統(tǒng)尤其是WDM方面具有十分好的應(yīng)用前景。
參 考 文 獻(xiàn)
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