基于雙通道M-Z干涉儀的FBG光開關研究

閆 光， 何 巍， 楊潤濤， 祝連慶

(1.北京信息科技大學光電信息與儀器北京市工程研究中心 北京，100192)(2.北京信息科技大學光電測試技術北京市重點實驗室 北京，100192)

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基于雙通道M-Z干涉儀的FBG光開關研究

閆 光1,2， 何 巍1,2， 楊潤濤1,2， 祝連慶1,2

(1.北京信息科技大學光電信息與儀器北京市工程研究中心 北京，100192)(2.北京信息科技大學光電測試技術北京市重點實驗室 北京，100192)

為降低電光開光的插入損耗并提高性能，提出了一種基于雙通道可調諧馬赫-曾德(M-Z)干涉儀制作的光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating，簡稱FBG)光開關，通過改變干涉儀中的可調電動光纖延遲線的延遲時間，實現濾波譜周期的可調諧。通過改變干涉儀其中一臂的延遲時間設定，該光開關能夠實現對設定波長光波的開關功能。對光纖M-Z干涉濾波原理進行了理論分析，使用C波段寬帶放大自發輻射光源對雙通道可調M-Z干涉儀的性能進行了測試。結果表明，其可實現大范圍及高精度的濾波調節功能。對基于雙通道可調諧馬赫-曾德干涉儀制作的FBG光開關，通過FBG開關性能檢測系統實驗，得到該光開關在波長為1 550 nm處的輸出光譜，光開關的消光比達到25 dB。結果表明，該光開關能夠實現大范圍高精度濾波功能，具有高消光比、結構簡單和易于調節等優點。

雙通道可調M-Z干涉儀； 光纖布拉格光柵； 光開關； 電動光纖延遲線

引 言

光開關作為一種具有一個或多個可選擇的傳輸窗口,是對光傳輸線路或集成光路中的光信號進行相互轉換或邏輯操作的器件，在光通信和光傳感等領域有重要應用。光開關可以對光傳輸線路或集成光路中的光信號進行邏輯操作與物理轉換，在光纖通信系統、光纖傳感網絡和光器件測量等方面有廣泛的應用[1-2]。光開關作為光通信網絡節點的核心器件具有關鍵作用，例如：在波分復用傳輸系統中，光開關可用于波長適配、再生和時鐘提?。辉诠鈺r分復用系統中，光開關可用于解復用；在全光交換系統中，光開關是光交叉連接的關鍵器件，也是波長變換的重要器件[3]。能實現光開關功能的全光開關器件主要包括：常規的光纖布拉格光柵全開關[4-5]、常規光纖長周期光柵全開關[6]和非線性FBG全光開關[7-8]。基于非線性光學原理的全光開關需要高功率光來驅動開關，其功率不能低于信號光的功率，即毫瓦量級的開光功率，且受限于開光速率，限制了其應用。光纖M-Z干涉儀型濾波器由全光纖組成，具有較低的插入損耗、梳狀和帶通濾波及結構簡單等優點，在光纖通信和光纖傳感中得到了廣泛的研究和應用[9-10]。但是其具有消光比有限的缺點，限制了其進一步的應用。為了解決這一問題，需要研究提高M-Z干涉儀消光比的方法。文獻[11]提出在干涉儀的一端熔接上光纖全反鏡的方法，以此來大幅提高干涉儀的消光比，改善輸出光譜的特性。羅華棟等[12]提出將單通道M-Z干涉儀的一端熔接到FBG來代替光纖全反鏡，構成單通道FBG光開關，并通過仿真與實驗驗證了其具有良好的開光特性；但由于單通道M-Z消光比有限，限制了其開關性能。

筆者提出了一種基于可調節雙通道M-Z干涉儀的FBG光開關，通過改變干涉儀中的可調電動光纖延遲線的延遲時間,實現濾波譜周期的可調諧。通過改變干涉儀其中一臂的延遲時間設定，該光開關能夠實現對設定波長光波的開關功能。

1 光開關組成及理論分析

雙通道可調光纖M-Z干涉儀結構如圖1所示。由普通單模光纖、兩個3 dB耦合器(C1，C2)、電動光纖延遲線、偏振控制器和光隔離器組成。干涉儀由兩條干涉臂構成，通常稱其中一條為參考臂，另一條為信號臂[13-16]。光場為E1的入射光從耦合器C1端口注入到M-Z干涉儀中，經C1分光后在長度分別為L1和L2的光纖中傳輸。由于兩條干涉臂的光學長度不等，兩束光傳輸到耦合器處就形成了一定的相位差Δφ，產生干涉并經過耦合器C2端口輸出，形成光場為E3和E4的干涉光。干涉光是具有規律的梳狀透射譜，故又稱為M-Z干涉儀梳狀濾波器。

圖1 雙通道干涉儀結構圖Fig.1 Schematic diagram of dual-pass M-Z interferometer

若輸入光場只有E1，經過耦合器C1和C2后的光場E3和E4可由下式獲得

(1)

其中：η1和η2分別為耦合器C1和C2的耦合比，均為50%。

β 為傳輸常數，即

(2)

其中：n為基模的有效折射率；λ為輸入光在真空中的波長。

當組成干涉儀兩臂的光纖為同種材料的光纖時，得到干涉儀輸出端口的傳輸函數為

(3)

其中：Δφ=2nπΔL/λ，代表兩條干涉臂之間的傳輸相位差。

M-Z干涉儀輸出透射譜中相鄰兩峰值波長間的波長間隔Δλ為

(4)

其中：ΔL為M-Z干涉儀兩條干涉臂之間的臂長差。

由式(4)可知，改變M-Z干涉儀兩臂的長度差，可以改變其透射譜的周期，實現波長間隔的可調諧。由于光隔離器的隔離作用，只有電場E4能夠經過光隔離器從耦合器C2的右側端口注入，進行二次傳輸，相當于兩個單通道M-Z干涉儀的級聯對輸入信號進行了兩次處理，使消光比得到了極大提高，構成了雙通道M-Z干涉儀。偏振控制器用于調節干涉儀其中一臂的偏振態，使M-Z干涉儀獲得較高的消光比并提高其穩定性。

干涉儀的兩臂延遲時間Δt與兩臂長度差ΔL的關系為

(5)

通過調整雙通道干涉儀其中一臂的延遲時間t，使干涉儀兩臂間的延遲時間Δt改變，構成一種雙通道光開關。如果FBG反射峰處于M-Z干涉儀干涉的相長位置，就會得到FBG的反射光；反之，如果FBG反射峰處于M-Z干涉儀干涉的相消位置，FBG的反射光就會被抑制，這樣就實現了對FBG峰值反射光的開關作用。

2 實驗檢測系統設計及測試分析

2.1 雙通道可調M-Z干涉儀性能測試

雙通道可調M-Z干涉儀性能測試實驗系統由寬帶ASE光源、雙通道可調M-Z干涉儀和光譜儀組成。其中：ASE光源帶寬范圍為1 525～1 568 nm，平坦度<2 dB，輸出功率為13 dBm；光譜儀為橫河公司的AQ6370D型光譜分析儀，光譜分辨率為20 pm。 如圖1所示，放大自發輻射光源 (amplified spontaneous emission，簡稱ASE)光源接入雙通道可調M-Z干涉儀的輸入端E1，光譜分析儀與另一端E2連接用以輸出干涉光譜。測試中，調節光纖延遲線的延遲時間并記錄其輸出光譜圖。圖2為延時時間分別為254，255，256及257 ps時，干涉儀輸出的光譜。隨著干涉儀其中一臂的延遲時間不斷增加，相當于兩臂長度差不斷增大，輸出光譜相鄰峰值波長間隔逐漸減小，由4.2 nm變為2.3 nm，而干涉儀的消光比也逐漸降低，由20 dB降低到13 dB，如表1所示。由于干涉儀使用的可調電動光纖延遲線的調節范圍為0～330 ps，最小步進間隔為0.05 ps，因此可以實現大范圍及高精度的濾波調節功能。

圖2 不同延遲時間的雙通道可調M-Z干涉儀輸出光譜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

序號延遲時間/ps波長間隔/nm消光比/dB12544.22022553.61632562.91342572.311

2.2 雙通道可調M-Z干涉儀光開關性能測試

基于雙通道M-Z干涉儀的FBG光開關性能測試系統結構如圖3所示。寬帶光源的入射光經光環形器1端口注入，從光環形器2端口入射到光纖光柵，經過FBG選頻作用后，特定波長的光被反射回到光環形器端口2，并經由光環形器的端口3入射到由雙通道M-Z干涉儀組成的FBG光開關。通過調整電動光纖延遲線的延遲時間，實現對FBG峰值反射光的開關控制。

為保證施加拉力大小的穩定性，需將FBG放置在等強度梁上。當等強度梁未施加拉力時，FBG的反射峰值波長為1 549.57 nm，如圖4所示。當電動延遲線的延遲時間為0 ps時，M-Z干涉儀沒有干涉譜，FBG開關處于打開的狀態。經過FBG后的反射峰值波長功率為-24.86 dBm。調節電動延遲線的延遲時間為256 ps時，FBG的反射峰值波長處于M-Z干涉儀輸出干涉譜的波谷位置，則FBG開關處于關閉的狀態，此時的FBG反射峰值波長功率為-50.18 dBm。光開關對FBG的反射波長抑制為25 dB，實現了對FBG峰值反射光的開關控制。

圖3 FBG開關性能檢測系統結構圖Fig.3 Schematic diagram of FBG switch performance testing system

通過等強度梁對FBG施加拉應力，使其波長漂移至1 550.10 nm，如圖5所示。當電動延遲線處于0 ps時，M-Z干涉儀沒有干涉譜，FBG開關處于打開的狀態。經過FBG后的反射峰值波長功率為-25.09 dBm。調節電動延遲線的延遲時間為256 ps時，FBG的反射峰值波長恰好處于M-Z干涉儀輸出干涉譜的波谷位置，FBG開關處于關閉的狀態，此時的FBG反射峰值波長功率為-50.11 dBm。光開關對FBG的反射波長抑制為25 dB，實現了對FBG峰值反射光的開關控制。

圖4 未施加拉力前FBG開關光譜對比圖Fig.4 The contrast spectral diagram of FBG switch when no tension applied

3 結束語

分析了全光纖M-Z干涉儀的濾波原理，設計了基于電動光纖延遲線的雙通道可調M-Z干涉儀FBG光開關，使用C波段寬帶ASE光源與不同峰值波長的FBG對用雙通道可調M-Z干涉儀構成的FBG光開關進行了性能測試。通過采集到的該光開關在波長1 550 nm處的輸出光譜，表明該結構的雙通道M-Z干涉儀光開關能夠實現對FBG反射峰值波長的打開與關斷控制，光開關的消光比達到25 dB，能夠實現大范圍高精度濾波功能，具有高消光比、結構簡單和易于調節等優點。

[1] 曾田, 梁大開, 曾捷, 等. 基于光開關和圖論的多主體協作光纖傳感網絡自修復方法研究[J]. 光學學報, 2014(12): 25-32.

Zeng Tian, Liang Dakai, Zeng Jie, et al. Research on self-healing method of multi-agent collaboration fiber optical sensor network based on optical switch and graph theory[J]. Acta Optica Sinica, 2014(12):25-32. (in Chinese)

[2] Jiang Xiaogang, Chen Daru, Feng Gaofeng, et al. Suspended twin-core fiber for optical switching[J]. Chinese Optics Letters, 2014, 12(5): 1-4.

[3] 張海鑫, 王雷, 牛小艷, 等. 650nm可見光波段全復合材料熱光開關[J]. 中國激光, 2013(9): 147-151.

Zhang Haixin, Wang Lei, Niu Xiaoyan, et al. 650nm visible band thermo-optic switch based on bonded organic-inorganic hybrid materials[J]. Chinese Journal of Lasers, 2013(9): 147-151. (in Chinese)

[4] 張兵, 徐文成, 李淳飛. 低功耗非線性光纖光柵全光開關[J]. 物理, 2011, 40(5):326-332.

Zhang Bing, Xu Wencheng, Li Chunfei. All-optical switches based on nonlinear fiber gratings[J]. Physics, 2011, 40(5):326-332. (in Chinese)

[5] Taverner D, Broderick N G, Richardson D J, et al. Nonlinear self-switching and multiple gap-soliton formation in a fiber Bragg grating[J]. Optics Letters, 1998, 23(5): 328-330.

[6] Eggleton B J, Slusher R E, Judkins J B, et al. All-optical switching in long-period fiber gratings[J]. Optics Letters, 1997, 22(12): 883-885.

[7] Kita N, Sato S, Imai M. Nolinear optical switching using fiber Bragg grating[J]. Technical Report of Ieice Oft, 2002, 102(269):51-55.

[8] Koli S C, Pandey C A, Hornyak G L, et al. Theoretical modeling of index contrast towards all-optical switching

in fiber Bragg grating[J]. Journal of Crime & Justice, 2013, 38(1): 58-76.

[9] Sun Bing, Hu Kai, Chen Daru, et al. Wavelength-spacing-tunable double-pumped multiwavelength optical parametric oscillator based on a Mach-Zehnder interferometer[J]. Journal of Lightwave Technology, 2012, 30(30): 1937-1942.

[10]Hwan K J, Won Sik K, Hyub L, et al. Double-looped Mach-Zehnder interferometer for achieving multiple ring-down interferograms[J]. Optics Express, 2014, 22(23): 28353-28362.

[11]Huang Yonglin. Study on add/drop multiplexing & demultiplexingtechnology in WDM systems[D]. Tianjin: Nankai University，2000.

[12]羅華棟, 黃勇林. 基于全光纖M-Z干涉儀的單通道光開關研究[J]. 激光技術, 2012, 36(4): 438-440.

Luo Huadong, Huang Yonglin. Design of a single channel optical switch based onall-fiber Mach-Zehnder interferometer[J]. Laser Technology, 2012, 36(4): 438-440. (in Chinese)

[13]Zou Hui, Lou Shuqing, Su Wei, et al. A dual-pass Mach-Zehnder interferometer filter using a TCF loop mirror for double-wavelength fiber lasers[J]. Applied Physics B, 2013, 112(4): 441-452.

[14]He Yujun, Zhu Youchan, Yin Chengqun, et al. Spontaneous brillouin-distributed optical fiber temperature sensing system based on all-fiber Mach-Zehnder interferometer[J]. Processing of SPIE, 2005,56(34):494-499.

[15]Huang Yonglin, Li Jie, Ma Xiurong, et al. High extinction ratio Mach-Zehnder interferometer filter and implementation of single-channel optical switch[J]. Optics Communications, 2003, 222(1):191-195.

[16]Wang Fei, Xu Enming, Dong Jianji, et al. A tunable and switchable single-longitudinal-mode dual-wavelength fiber laser incorporating a reconfigurable dual-pass Mach-Zehnder interferometer and its application in microwave generation[J]. Optics Communications, 2011, 284(9):2337-2340.

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.04.030

教育部長江學者和創新團隊發展計劃資助項目(IRT1212)； 北京市重大科技計劃資助項目(Z151100003615010)；北京市教育委員會科技計劃資助項目(KM201611232005)

2016-04-10；

2016-06-01

TP212.1

閆光，男，1979年8月生,博士、講師。主要研究方向為光纖傳感技術和結構健康監測等。曾發表《含口蓋復合材料圓柱殼軸壓屈曲性能分析》(《吉林大學學報：工學版》2015年第45卷第1期)等論文。

E-mail: YanGuang79@bistu.edu.cn