一种多通道高密度光纤光栅滤波器.pdf

本发明公开了一种多通道高密度光纤光栅滤波器，它是基于一种新型的高斯采样Bragg光纤光栅发生Talbot效应制作而成，具有宽频域、信道密集、通道隔离好等特点，适合运用于要求多信道(＞40个通道)，高密度(1纳米大于2个信道)的光学波分复用元件。相比于同等要求信道的均匀传统振幅采样Bragg光纤光栅，在Talbot效应下，可以实现能量效率高，通道隔离度好，制作方便等特点，在降低制造难度、提高通道质量等方面都具有明显的优势。

1.  一种多通道高密度光纤光栅滤波器，它包括采样函数、光纤光栅，其特征在于：所述的光纤光栅的周期发生线性或其它任意形式的啁啾，啁啾系数c_g满足Talbot条件；所述的采样函数s_p(z)为高斯函数：
s p ( z ) = exp [ - g ( z ′ P / 2 ) 2 ] ]]>
其中，P为采样函数的采样周期，z’为一个采样周期的长度，-P/2<z′<P/2，g为决定高斯采样函数形式的高斯系数。

2.  根据权利要求1所述的一种光纤光栅滤波器，其特征在于：所述的光纤光栅的周期发生线性啁啾，啁啾系数c_g为：
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其中，s为整数，m为正整数，s/m为一个不可约的比值，Λ₀为中心波长的折射率调制周期，P为采样函数的采样周期。

一种多通道高密度光纤光栅滤波器
技术领域
本发明涉及一种光纤光栅滤波器，特别涉及一种宽频域、多通道滤波器，属光信息技术领域。
背景技术
多通道Bragg光纤光栅在制作多通道滤波器系统中引起了人们越来越多的关注。由于采样Bragg光纤光栅在多通道中的滤波、色散补偿等方面的特性非常适合于国际电信联盟标准，所以它可以用于多通道器件和设备的制作。采样Bragg光纤光栅可以通过用周期的振幅采样函数或者相位采样函数对光纤的折射率进行调制来得到。在这种结构中，梳状滤波器的自由光谱范围(FSR)唯一依赖于调节采样光纤光栅的周期P。近年来的研究表明，当光纤光栅中光栅周期发生啁啾变化，其啁啾系数和光栅采样周期满足一定的条件下，便出现了振幅型光纤光栅的Talbot效应，这时，自由光谱范围就不仅取决于光栅的周期，而且还决定于光栅的啁啾变化。由于振幅采样光栅中的Talbot效应在光纤的设计和光纤能量效率利用方面相比均匀的振幅采样光栅有很大的优势，促进人们更进一步地认识和了解光纤光栅的内部结构。
但是，由于振幅采样光纤光栅先天存在能量利用率和折射率调制方面的不足，目前，相位采样光纤光栅以其高的能量利用率、平坦的反射通道的独特优势引起光学研究者的极大兴趣。然而，在相位采样光纤光栅中，要通过对光纤折射率的调制来达到所要求的多通道，高能量利用率的滤波器，就需要对每一个周期内的相位采样点进行精确定位(精度为纳米量级)，这对光学设计者和实验制作来说是一件很困难的事，一直以来，人们不断探索优化设计的方法和简化实验制作技术。在“Phase-only sampled 45 channel fiber Bragg gratingwritten with a diffraction-compensated phase mask”(Optics Letters，Vol.31 Issue 9，pp.1199-1201(2006))中，公开了一种45通道的均匀相位采样光纤光栅实验制作技术，采用了所述的“无拼接误差”刻蚀技术制作了位相模板，制作难度相当困难；在“Broadband high-channel-count phase-onlysampled fiber Bragg gratings based on spectral Talbot effect，”(OpticsExpress，Vol.16 Issue 20，pp.15584-15594(2008))中，理论模拟了用很少相位采样点，在Talbot条件下实现多通道的理论预测，对以后的实现多通道、高反射率DWDM的制造和设计开辟了一个新的思路，但是其还是需要对相位进行精确定位以求的好的反射通道，这就对制作带来了一定的要求，难度也较大。所以，寻求一种制造容易，且能产生频域宽，隔离度好多通道滤波技术，一直是设计者追求的目标。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种具有宽频域、优异的通道均匀性，能量效率高，高隔离度的光纤光栅滤波器。
本发明所采用的技术方案是：提供一种光纤光栅滤波器，它包括采样函数、光纤光栅，其特征在于：所述的光纤光栅的周期发生线性或其它任意形式的啁啾，啁啾系数c_g满足Talbot条件；所述的采样函数s_p(z)为高斯函数：
s p ( z ) = exp [ - g ( z ′ P / 2 ) 2 ] ]]>
其中，P为采样函数的采样周期，z’为一个采样周期的长度，-P/2<z′<P/2，g为决定高斯采样函数形式的高斯系数。
所述的光纤光栅的周期发生线性啁啾，啁啾系数c_g为：
c g = s m ( Λ 0 P 2 ) ]]>
其中，s为整数，m为正整数，s/m为一个不可约的比值，Λ。为中心波长的折射率调制周期，P为采样函数的采样周期。
研究表明，对于啁啾采样Bragg光纤光栅，当采样周期和啁啾系数c_g满足一定的条件时，会产生光谱的自成像现象，即Talbot效应，这是干涉作用导致了周期性离散的反射谱，本发明正是基于以上的机理，选择光栅周期的啁啾变化使反射谱发生偏移，从而引起光谱干涉。当啁啾条件满足Talbot条件时，反射峰数目增加，波谱展宽，这样便实现了在采样Bragg光纤光栅中利用简单易实现的高斯采样函数，从而实现多通道的可能。参见附图1，它是啁啾光纤光栅中，折射率调制Δn(z)随光栅长度的分布示意图。
参见附图2，它是传统振幅采样函数与本实施例所采用的高斯采样函数结构的对比图。图中，图像a表示传统振幅采样光纤光栅中采样函数的分布情况，其中，P为采样周期，P₁为光栅周期。在传统振幅采样光纤光栅中很难解决波谱宽度和波带能量这对矛盾，因为要想得到宽的波带，光栅周期P₁就得很小，但是光栅周期小就造成了反射峰值能量的降低。图像b表示本发明采用的高斯采样光纤光栅中采样函数的分布情况，高斯采样光纤解决了传统振幅光纤光栅所面对的矛盾。在高斯采样光纤光栅中，采样光栅遍布整个光栅周期，能够实现高能量的反射通道，如果在Talbot效应条件下，随着光栅总长度的增加，波谱范围得到扩展，这样就得到了既能实现宽波谱的反射频率，也能实现高能量的反射通道的高效滤波器，并且由于新型高斯采样光纤光栅采用高斯函数作为其采样函数，减少了传统的振幅采样光栅需要切趾函数对光栅进行切趾的程序，使制作更加简便、快捷。
参见附图3，它是是传统振幅采样光纤光栅随着光栅周期P₁增大产生的多级反射谱对比图。其中，光栅长度为2cm，光栅周期的折射率变化Δn₀＝6.0×10^-4，采样周期为P＝1.0mm，采样周期数N＝20，光栅啁啾系数s＝1，m＝2。图3中，图像a为光栅周期P₁＝0.1mm时，传统振幅光纤光栅发生Talbot效应时反射峰情况；图像b为光栅周期P₁＝0.3mm时，传统振幅光纤光栅发生Talbot效应时反射峰情况；图像c为光栅周期P₁＝0.5mm时，传统振幅光纤光栅发生Talbot效应时反射峰情况。由图3可以看出，在传统振幅采样光纤光栅中，随着光栅周期的增大，反射通道的质量变差，通道隔离度变坏，得到的反射通道使用性降低，所以在传统振幅采样光纤光栅Talbot条件下，要想得到良好的反射通道光栅周期应该远小于采样周期，这样就限制了增大光栅周期来提高反射波谱的可能性。因此，对于一般的传统振幅采样光纤光栅而言，想要得到更多的信道便意味着在一个采样周期中的光栅长度和采样周期之比(duty cycle)非常小，由于光栅的能量效率和通道数成反比，所以要想得到高能量的反射峰只有增大光栅长度和折射率调制度，这就增加了实验的难度和降低了器件的实用性。而对于相位采样光纤光栅而言，虽然能得到高能量，多通道的反射峰，但是需要对每一个相位采样周期进行精确定点，精度要达到纳米级，这就增加了实验难度，对实验有很高的要求，难以批量生产。
本发明的显著优点在于：由于利用了高斯采样函数对采样光纤光栅进行采样，使采样光栅遍布整个光栅周期，大大提高了能量利用率，同时通道隔离度也得到显著提高，因此，当发生Talbot效应时，得到了宽通道，高能量效率，高隔离度的效果。这对制作多通道的滤波器来讲，极大的降低了难度，相比制作传统振幅采样光纤光栅还要简单、方便；与现有的制作均匀的相位采样光纤光栅的技术相对比，本发明采用Talbot效应的高斯函数采样光纤光栅，只需要定位在毫米量级，精度要求不高，容易实现。因此，本发明所述的高斯采样光纤光栅的多通道、均匀性和高能量对多通道滤波器系统带来了极大的制作便利条件和广阔的应用前景。
附图说明
图1是啁啾光纤光栅中，折射率调制Δn(z)随光栅长度的分布示意图；
图2是传统振幅采样函数(图a)与本发明技术方案所采用的高斯采样函数(图b)的结构对比图，其中，P为采样周期，P₁为光栅周期；
图3是传统振幅采样光纤光栅随着光栅周期P₁增大产生的多级反射谱对比图；
图4是本发明实施例1技术方案制备的高斯采样光纤光栅与传统振幅采样光纤光栅的多级反射谱对比图；
图5是本发明实施例1技术方案制备的高斯采样光纤光栅与传统振幅采样光纤光栅随着光栅周期啁啾系数变化产生的群时延(图中虚线范围内)对比图；
图6是按本发明实施例2技术方案制备的高斯采样光纤光栅与传统振幅采样光纤光栅的多级反射谱对比图；
图7是按本发明实施例3技术方案制备的高斯采样光纤光栅与传统振幅采样光纤光栅的多级反射谱对比图。
为光栅周期；由图2可以看出，本发明采用的采样函数遍布了整个采样周期，因此能很好地利用光栅，得到很高的能量效率，而传统采样函数中，为了获得较好的通道隔离度，每个采样周期中的光栅长度必须限制在采样周期的1/3或以下。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述。
实施例1：
参见附图1，它是啁啾光纤光栅中，折射率调制Δn(z)随光栅长度的分布示意图。本实施例中，Bragg光纤光栅栅格周期呈线性啁啾(也可以是任意形式的啁啾)，即Λ(z)＝Λ₀(1+c_gz)，啁啾系数c_g满足光谱的Talbot条件：
c g = s m ( Λ 0 P 2 ) ]]>
其中，s为整数，m为正整数，s/m为一个不可约的比值。光栅中心波长的调制周期为Λ₀，啁啾系数为C_g，采样周期为P。
本实施例使用的参数如下：光栅有效折射率Δn₀＝6.0×10^-4，光栅中心的栅格周期Λ₀＝521.8855nm，相关的Bragg波长λ_B＝1550nm，采样周期为P＝1.0mm，s＝1，m＝2。光栅长度为4cm。传统采样中，P₁＝0.1mm.
采样函数为：
s p ( z ) = exp [ - g ( z ′ P / 2 ) 2 ] ]]>
其中，P为采样函数的采样周期；z’为一个采样周期的长度；-P/2<z′<P/2；g为高斯系数，决定高斯函数的形式，在本实施例中，高斯系数g＝8，P＝1.0mm。
图4是本实施例技术方案制备的高斯采样光纤光栅与传统振幅采样光纤光栅随着光栅周期啁啾系数变化产生的多级反射谱对比图，其中，光栅啁啾系数s＝1，m＝2，光栅周期的折射率变化Δn₀＝6.0×10^-4，采样周期为P＝1.0mm，采样周期数N＝40，光栅长度为4cm。图4中，图a为振幅光纤光栅发生Talbot效应时反射峰情况，图b为本实施例高斯采样函数发生Talbot效应时反射峰情况。参见附图4，当啁啾系数变化满足Talbot条件时，反射光谱的通道间隔(即自由光谱范围)为0.4nm。由图4可以看出，较之传统振幅采样光纤光栅，发生Talbot效应的高斯采样光纤光栅中，其每个通道的带宽分布非常均匀，通道之间的隔离度明显加大，而且信道分布得到很大范围的扩展。
图5是本实施例技术方案制备的高斯采样光纤光栅与传统振幅采样光纤光栅随着光栅周期啁啾系数变化产生的群时延(图中虚线范围内)对比图。其中，光栅长度为4cm，光栅啁啾系数s＝1，m＝2，光栅周期的折射率变化Δn₀＝6.0×10^-4，采样周期为P＝1.0mm，采样周期数N＝40。图5中，图像a为传统振幅光纤光栅发生Talbot效应时反射峰群时延情况，图像b为本实施例高斯采样函数发生Talbot效应时反射峰群时延情况。参见附图5，当啁啾系数变化满足Talbot条件时，传统振幅光纤光栅反射波谱的群时延图形和高斯采样函数的群时延图形很相似(呈现钟形)，这说明传统振幅光纤光栅在Talbot条件下所满足的性质在新型的高斯采样光纤光栅下同样适用。
实施例2
本实施例中，Bragg光纤光栅栅格周期呈线性啁啾，即Λ(z)＝Λ₀(1+c_gz)，啁啾系数c_g满足光谱的Talbot条件：
c g = s m ( Λ 0 P 2 ) ]]>
本实施例使用的参数如下：光栅有效折射率Δn₀＝1.0×10^-3，啁啾系数c_g＝3.4724×10^-4/mm(s＝2，m＝3)，采样周期为P＝1.0mm。光栅长度为4cm。传统采样中，P₁＝0.1mm.
采样函数为：
s p ( z ) = exp [ - g ( z ′ P / 2 ) 2 ] ]]>
其中，P为采样函数的采样周期；z’为一个采样周期的长度；-P/2<z′<P/2；g为高斯系数，决定高斯函数的形式，在本实施例中，高斯系数g＝15，P＝1.0mm。
图6是按本实施例技术方案制备的高斯采样光纤光栅与传统振幅采样光纤光栅的多级反射谱对比图。其采样周期P＝1mm，折射率调制Δn₀＝1.0×10^-3，周期数N＝40，啁啾系数c_g＝3.4724×10^-4/mm(s＝2，m＝3)，高斯系数g＝15。参见附图6，当啁啾系数变化满足Talbot条件时，反射光谱的通道间隔(即自由光谱范围)减小到0.27nm。图6中，图像a为Talbot效应下传统振幅采样光纤光栅：可以看出，当反射率取到20dB时，反射峰顶端不平坦，反射峰之间的隔离度很差，每一个主通道旁的次峰很多，影响通道传输。图像b为在同等条件下的本实施例高斯采样光纤光栅：可以看出，反射峰之间隔离度很清晰，最大峰值很平坦，次峰很少，很适合于多通道的滤波。
实施例3
本实施例中，Bragg光纤光栅栅格周期呈线性啁啾，即Λ(z)＝Λ₀(1+c_gz)，啁啾系数c_g满足光谱的Talbot条件：
c g = s m ( Λ 0 P 2 ) ]]>
本实施例使用的参数如下：光栅有效折射率调制Δn₀＝8.0×10^-4，啁啾系数c_g＝2.6094×10^-4/mm(s＝1，m＝2)，采样周期为P＝1.0mm。光栅长度为4cm。传统采样中，P₁＝0.1mm.
采样函数为：
s p ( z ) = exp [ - g ( z ′ P / 2 ) 2 ] ]]>
其中，P为采样函数的采样周期；z’为一个采样周期的长度；-P/2<z′<P/2；g为高斯系数，决定高斯函数的形式，在本实施例中，高斯系数g＝10，P＝1.0mm。
图7是在Talbot效应条件下，当要求通道数为70时，传统振幅采样光纤光栅与按本实施例技术方案制备的高斯采样光纤光栅的多级反射谱对比图。其采样周期P＝1mm，折射率调制Δn₀＝8.0×10^-4，周期数N＝80，啁啾系数c_g＝2.6094×10^-4/mm(s＝1，m＝2)，高斯系数g＝10。
图7中，图像a为Talbot效应下传统振幅采样光纤光栅；图像b为在同等条件下的本实施例高斯采样光纤光栅。可以看出，当反射率取到35dB时，需要宽频域，多通道的反射峰时，高斯采样光纤光栅不管在通道的隔离度，还是反射峰的平坦程度，能量的利用效率上都远好于振幅型采样光纤光栅。