基于双通道M-Z干涉仪的FBG光开关研究

闫 光， 何 巍， 杨润涛， 祝连庆

(1.北京信息科技大学光电信息与仪器北京市工程研究中心 北京，100192)(2.北京信息科技大学光电测试技术北京市重点实验室 北京，100192)



基于双通道M-Z干涉仪的FBG光开关研究

闫 光1,2， 何 巍1,2， 杨润涛1,2， 祝连庆1,2

(1.北京信息科技大学光电信息与仪器北京市工程研究中心 北京，100192)(2.北京信息科技大学光电测试技术北京市重点实验室 北京，100192)

为降低电光开光的插入损耗并提高性能，提出了一种基于双通道可调谐马赫-曾德(M-Z)干涉仪制作的光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating，简称FBG)光开关，通过改变干涉仪中的可调电动光纤延迟线的延迟时间，实现滤波谱周期的可调谐。通过改变干涉仪其中一臂的延迟时间设定，该光开关能够实现对设定波长光波的开关功能。对光纤M-Z干涉滤波原理进行了理论分析，使用C波段宽带放大自发辐射光源对双通道可调M-Z干涉仪的性能进行了测试。结果表明，其可实现大范围及高精度的滤波调节功能。对基于双通道可调谐马赫-曾德干涉仪制作的FBG光开关，通过FBG开关性能检测系统实验，得到该光开关在波长为1 550 nm处的输出光谱，光开关的消光比达到25 dB。结果表明，该光开关能够实现大范围高精度滤波功能，具有高消光比、结构简单和易于调节等优点。

双通道可调M-Z干涉仪； 光纤布拉格光栅； 光开关； 电动光纤延迟线

引 言

光开关作为一种具有一个或多个可选择的传输窗口,是对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件，在光通信和光传感等领域有重要应用。光开关可以对光传输线路或集成光路中的光信号进行逻辑操作与物理转换，在光纤通信系统、光纤传感网络和光器件测量等方面有广泛的应用[1-2]。光开关作为光通信网络节点的核心器件具有关键作用，例如：在波分复用传输系统中，光开关可用于波长适配、再生和时钟提取；在光时分复用系统中，光开关可用于解复用；在全光交换系统中，光开关是光交叉连接的关键器件，也是波长变换的重要器件[3]。能实现光开关功能的全光开关器件主要包括：常规的光纤布拉格光栅全开关[4-5]、常规光纤长周期光栅全开关[6]和非线性FBG全光开关[7-8]。基于非线性光学原理的全光开关需要高功率光来驱动开关，其功率不能低于信号光的功率，即毫瓦量级的开光功率，且受限于开光速率，限制了其应用。光纤M-Z干涉仪型滤波器由全光纤组成，具有较低的插入损耗、梳状和带通滤波及结构简单等优点，在光纤通信和光纤传感中得到了广泛的研究和应用[9-10]。但是其具有消光比有限的缺点，限制了其进一步的应用。为了解决这一问题，需要研究提高M-Z干涉仪消光比的方法。文献[11]提出在干涉仪的一端熔接上光纤全反镜的方法，以此来大幅提高干涉仪的消光比，改善输出光谱的特性。罗华栋等[12]提出将单通道M-Z干涉仪的一端熔接到FBG来代替光纤全反镜，构成单通道FBG光开关，并通过仿真与实验验证了其具有良好的开光特性；但由于单通道M-Z消光比有限，限制了其开关性能。

笔者提出了一种基于可调节双通道M-Z干涉仪的FBG光开关，通过改变干涉仪中的可调电动光纤延迟线的延迟时间,实现滤波谱周期的可调谐。通过改变干涉仪其中一臂的延迟时间设定，该光开关能够实现对设定波长光波的开关功能。

1 光开关组成及理论分析

双通道可调光纤M-Z干涉仪结构如图1所示。由普通单模光纤、两个3 dB耦合器(C1，C2)、电动光纤延迟线、偏振控制器和光隔离器组成。干涉仪由两条干涉臂构成，通常称其中一条为参考臂，另一条为信号臂[13-16]。光场为E1的入射光从耦合器C1端口注入到M-Z干涉仪中，经C1分光后在长度分别为L1和L2的光纤中传输。由于两条干涉臂的光学长度不等，两束光传输到耦合器处就形成了一定的相位差Δφ，产生干涉并经过耦合器C2端口输出，形成光场为E3和E4的干涉光。干涉光是具有规律的梳状透射谱，故又称为M-Z干涉仪梳状滤波器。

图1 双通道干涉仪结构图Fig.1 Schematic diagram of dual-pass M-Z interferometer

若输入光场只有E1，经过耦合器C1和C2后的光场E3和E4可由下式获得

(1)

其中：η1和η2分别为耦合器C1和C2的耦合比，均为50%。

β 为传输常数，即

(2)

其中：n为基模的有效折射率；λ为输入光在真空中的波长。

当组成干涉仪两臂的光纤为同种材料的光纤时，得到干涉仪输出端口的传输函数为

(3)

其中：Δφ=2nπΔL/λ，代表两条干涉臂之间的传输相位差。

M-Z干涉仪输出透射谱中相邻两峰值波长间的波长间隔Δλ为

(4)

其中：ΔL为M-Z干涉仪两条干涉臂之间的臂长差。

由式(4)可知，改变M-Z干涉仪两臂的长度差，可以改变其透射谱的周期，实现波长间隔的可调谐。由于光隔离器的隔离作用，只有电场E4能够经过光隔离器从耦合器C2的右侧端口注入，进行二次传输，相当于两个单通道M-Z干涉仪的级联对输入信号进行了两次处理，使消光比得到了极大提高，构成了双通道M-Z干涉仪。偏振控制器用于调节干涉仪其中一臂的偏振态，使M-Z干涉仪获得较高的消光比并提高其稳定性。

干涉仪的两臂延迟时间Δt与两臂长度差ΔL的关系为

(5)

通过调整双通道干涉仪其中一臂的延迟时间t，使干涉仪两臂间的延迟时间Δt改变，构成一种双通道光开关。如果FBG反射峰处于M-Z干涉仪干涉的相长位置，就会得到FBG的反射光；反之，如果FBG反射峰处于M-Z干涉仪干涉的相消位置，FBG的反射光就会被抑制，这样就实现了对FBG峰值反射光的开关作用。

2 实验检测系统设计及测试分析

2.1 双通道可调M-Z干涉仪性能测试

双通道可调M-Z干涉仪性能测试实验系统由宽带ASE光源、双通道可调M-Z干涉仪和光谱仪组成。其中：ASE光源带宽范围为1 525～1 568 nm，平坦度<2 dB，输出功率为13 dBm；光谱仪为横河公司的AQ6370D型光谱分析仪，光谱分辨率为20 pm。 如图1所示，放大自发辐射光源 (amplified spontaneous emission，简称ASE)光源接入双通道可调M-Z干涉仪的输入端E1，光谱分析仪与另一端E2连接用以输出干涉光谱。测试中，调节光纤延迟线的延迟时间并记录其输出光谱图。图2为延时时间分别为254，255，256及257 ps时，干涉仪输出的光谱。随着干涉仪其中一臂的延迟时间不断增加，相当于两臂长度差不断增大，输出光谱相邻峰值波长间隔逐渐减小，由4.2 nm变为2.3 nm，而干涉仪的消光比也逐渐降低，由20 dB降低到13 dB，如表1所示。由于干涉仪使用的可调电动光纤延迟线的调节范围为0～330 ps，最小步进间隔为0.05 ps，因此可以实现大范围及高精度的滤波调节功能。

图2 不同延迟时间的双通道可调M-Z干涉仪输出光谱Fig.2 The output spectrum of dual-pass tunable M-Z interferometer at different delay time

Tab.1 The change of the output spectrum under different delay time

序号延迟时间/ps波长间隔/nm消光比/dB12544.22022553.61632562.91342572.311

2.2 双通道可调M-Z干涉仪光开关性能测试

基于双通道M-Z干涉仪的FBG光开关性能测试系统结构如图3所示。宽带光源的入射光经光环形器1端口注入，从光环形器2端口入射到光纤光栅，经过FBG选频作用后，特定波长的光被反射回到光环形器端口2，并经由光环形器的端口3入射到由双通道M-Z干涉仪组成的FBG光开关。通过调整电动光纤延迟线的延迟时间，实现对FBG峰值反射光的开关控制。

为保证施加拉力大小的稳定性，需将FBG放置在等强度梁上。当等强度梁未施加拉力时，FBG的反射峰值波长为1 549.57 nm，如图4所示。当电动延迟线的延迟时间为0 ps时，M-Z干涉仪没有干涉谱，FBG开关处于打开的状态。经过FBG后的反射峰值波长功率为-24.86 dBm。调节电动延迟线的延迟时间为256 ps时，FBG的反射峰值波长处于M-Z干涉仪输出干涉谱的波谷位置，则FBG开关处于关闭的状态，此时的FBG反射峰值波长功率为-50.18 dBm。光开关对FBG的反射波长抑制为25 dB，实现了对FBG峰值反射光的开关控制。

图3 FBG开关性能检测系统结构图Fig.3 Schematic diagram of FBG switch performance testing system

通过等强度梁对FBG施加拉应力，使其波长漂移至1 550.10 nm，如图5所示。当电动延迟线处于0 ps时，M-Z干涉仪没有干涉谱，FBG开关处于打开的状态。经过FBG后的反射峰值波长功率为-25.09 dBm。调节电动延迟线的延迟时间为256 ps时，FBG的反射峰值波长恰好处于M-Z干涉仪输出干涉谱的波谷位置，FBG开关处于关闭的状态，此时的FBG反射峰值波长功率为-50.11 dBm。光开关对FBG的反射波长抑制为25 dB，实现了对FBG峰值反射光的开关控制。

图4 未施加拉力前FBG开关光谱对比图Fig.4 The contrast spectral diagram of FBG switch when no tension applied

3 结束语

分析了全光纤M-Z干涉仪的滤波原理，设计了基于电动光纤延迟线的双通道可调M-Z干涉仪FBG光开关，使用C波段宽带ASE光源与不同峰值波长的FBG对用双通道可调M-Z干涉仪构成的FBG光开关进行了性能测试。通过采集到的该光开关在波长1 550 nm处的输出光谱，表明该结构的双通道M-Z干涉仪光开关能够实现对FBG反射峰值波长的打开与关断控制，光开关的消光比达到25 dB，能够实现大范围高精度滤波功能，具有高消光比、结构简单和易于调节等优点。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.04.030

教育部长江学者和创新团队发展计划资助项目(IRT1212)； 北京市重大科技计划资助项目(Z151100003615010)；北京市教育委员会科技计划资助项目(KM201611232005)

2016-04-10；

2016-06-01

TP212.1

闫光，男，1979年8月生,博士、讲师。主要研究方向为光纤传感技术和结构健康监测等。曾发表《含口盖复合材料圆柱壳轴压屈曲性能分析》(《吉林大学学报：工学版》2015年第45卷第1期)等论文。

E-mail: YanGuang79@bistu.edu.cn