河北科技大學(xué) 李和林 胡淋川 劉天恩 韓輝云

為改善傳統(tǒng)的馬赫－曾德爾干涉型（MZI）濾波器的輸出特性，在濾波器的一干涉臂上增加微環(huán)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了平頂?shù)臑V波光譜輸出，為克服微環(huán)結(jié)構(gòu)對周長敏感，抗干擾能力弱的缺點(diǎn)，在濾波器的另一干涉臂上加入一偏振控制器。構(gòu)成了基于微環(huán)輔助的可調(diào)節(jié)型全光纖MZI濾波器。本文利用耦合模理論和傳輸矩陣的方法推導(dǎo)了該濾波器的傳輸函數(shù)，并進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析。結(jié)果表明：改進(jìn)后的MZI濾波器可實(shí)現(xiàn)平頂?shù)耐干湫螒B(tài)輸出，當(dāng)微環(huán)的周長發(fā)生微小變化時(shí)，可通過調(diào)節(jié)偏振控制器，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的濾波輸出。

密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)是目前光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)增容的主要技術(shù)手段，光學(xué)波長交錯(cuò)濾波器能夠?qū)⒎植嫉男诺腊凑掌鏀?shù)和偶數(shù)分為兩組，從奇偶信道交錯(cuò)復(fù)用的角度進(jìn)行波長間隔壓縮，從而成為了DWDM系統(tǒng)中的重要器件。因此，濾波器輸出性能的優(yōu)劣對整個(gè)DWDM系統(tǒng)有著顯著的影響。目前常用的濾波器主要有法布里-泊羅濾波器、介質(zhì)薄膜型、光纖光柵型和馬赫-曾德爾干涉儀型（MZI）濾波器。其中MZI濾波器由于其兼容性好、結(jié)構(gòu)簡單、插入損耗小等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用和研究。

由于常規(guī)MZI型濾波器，通帶形狀為余弦型，當(dāng)外界的環(huán)境引起光源的波長發(fā)生漂移時(shí)，濾波器會引入額外的功率上的波動，容易使通信系統(tǒng)的信號產(chǎn)生串?dāng)_。為滿足實(shí)際應(yīng)用濾波需求，可增加濾波器輸出光譜的頂部平坦度。2010年，Ai-Ping Luo等人搭建了雙通的MZI濾波器，該濾波器包括兩個(gè)耦合器，一個(gè)偏振光旋轉(zhuǎn)器和一個(gè)偏振控制器。通過調(diào)整偏振控制器的方向，獲得了平頂梳狀濾波輸出特性。2015年，Hongchu Wang等利用兩個(gè)3dB耦合器構(gòu)成的MZI濾波器和一個(gè)偏振旋轉(zhuǎn)器以及兩個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡相級聯(lián)實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)平頂?shù)氖釥钭V響應(yīng)。近年來，微環(huán)諧振器以其結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高等優(yōu)點(diǎn)受到了國內(nèi)外研究者的高度關(guān)注。以微環(huán)諧振器為輔助元件，可實(shí)現(xiàn)濾波器、光開關(guān)、延時(shí)器、光波導(dǎo)傳感器、光學(xué)激光器等集成光電子器件。晏崇宇等人，將微環(huán)諧振器應(yīng)用于常規(guī)的MZI型濾波器中，構(gòu)建了新型濾波器。該濾波器與常規(guī)的MZI濾波器相比，在消光比、精細(xì)度以及自由光譜范圍等方面都有了顯著改善。最近，宮原野等人，采用2×2耦合器將微環(huán)諧振器與MZI相連接，設(shè)計(jì)了一種新型的微環(huán)輔助MZI型濾波器，并獲得了頂部平坦、邊沿滾降明顯、形狀類似于矩形的輸出譜。

本文提出一種改進(jìn)的基于微環(huán)諧振器的MZI濾波器，可通過調(diào)節(jié)偏振控制器有效的克服微環(huán)結(jié)構(gòu)的濾波器易受周圍環(huán)鏡的影響，抗干擾能力弱的缺點(diǎn)。數(shù)值模擬的結(jié)果表明：通過調(diào)節(jié)入射光與主軸的夾角，微環(huán)的周長和耦合系數(shù)等參數(shù)可實(shí)現(xiàn)平頂梳狀的輸出光譜曲線。當(dāng)微環(huán)的周長發(fā)生微小變化時(shí)，輸出光譜發(fā)生畸變，中心波長發(fā)生偏移，但可通過調(diào)節(jié)偏振控制器，使得輸出光譜形狀恢復(fù)到平頂狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定濾波輸出。

1 結(jié)構(gòu)原理

基于微環(huán)輔助的可調(diào)節(jié)型MZI濾波器，是由兩個(gè)3dB的耦合器和一個(gè)微環(huán)諧振器和一個(gè)偏振控制器構(gòu)成，將兩個(gè)3dB的耦合器串聯(lián)，構(gòu)成常規(guī)的單通MZI濾波器，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的平頂?shù)臑V波光譜，在濾波器的兩個(gè)干涉臂上分別加入微環(huán)諧振器和偏振控制器，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于微環(huán)輔助的可調(diào)節(jié)型全光纖MZI濾波器

當(dāng)一束振幅為A，與光纖主軸夾角為α的線偏光從耦合器1的一個(gè)端口入射，濾波器的傳輸特性可由以下瓊斯矩陣可表示為：

其中，E1in=[Acosa;ASina]和E2in=[0;0]表示從第一個(gè)耦合器兩個(gè)輸入端的輸入光場。

[Cm](m=1,2)，[P]和[F]分別表示兩個(gè)耦合器，偏振控制器和濾波器兩干涉臂的臂長差的傳輸矩陣。[I]為單位矩陣。各矩陣具體表示如下：

由于濾波器使用的兩耦合器均為3-dB耦合器，因此c1=c2=1/2。

θ是光通過偏振控制器的旋轉(zhuǎn)角度。

其中，φx=knxΔL，φy=knyΔL，nx，ny為光纖中兩個(gè)正交方向的折射率，ΔL為兩干涉臂的臂長差。Tr為微環(huán)諧振腔的傳輸函數(shù)：

θr為干涉臂與微環(huán)間的耦合系數(shù)，τ和Φr分別為光在諧振環(huán)內(nèi)繞行一周后的損耗因子和相位偏移。由(1)-(5)式可得，E1in端口到E2out端口的傳輸函數(shù)。

2 數(shù)值模擬與分析

基于前文推導(dǎo)得出的傳輸函數(shù)，對濾波器的輸出性進(jìn)行數(shù)值模擬與分析。改變?yōu)V波器各器件的參數(shù)。轉(zhuǎn)動偏振控制器，當(dāng)θ=0.3π，兩臂臂長差CL=1550nm，微環(huán)諧振腔的損耗為零，即τ=1。微環(huán)耦合系數(shù)θr=0.13π時(shí)入射光偏振角a=-0.3π時(shí)，濾波器的透射曲線為余弦型，類似于常規(guī)的單通MZI濾波器的輸出曲線。如圖2所示。

圖2 濾波器余弦型的透射曲線

保持濾波器其它參數(shù)不變，僅調(diào)整入射光角度和偏振控制器的位置。當(dāng)a=1.21π，θ=0.7π，透射曲線的頂部變得平整，如圖3所示。與常規(guī)的MZI濾波器的余弦型輸出譜線相比，濾波器通帶的帶寬明顯的提高。

圖3 濾波器平頂型的透射曲線

然而，由于微環(huán)諧振腔的傳輸特性對環(huán)的周長變化很敏感，例如，當(dāng)由于周圍環(huán)鏡溫度發(fā)生變化導(dǎo)致周長微變時(shí)，濾波器的中心波長將會發(fā)生偏移，輸出曲線的形狀也會發(fā)生畸變。如圖4中藍(lán)色虛線所示的輸出曲線為圖3中輸出譜線對應(yīng)的微環(huán)的周長由960nm減小至900nm，濾波器的輸出光譜。由圖可明顯看出，輸出光譜的中心波長發(fā)生了漂移，輸出光譜不再具有平頂特性。為克服這一缺點(diǎn)，我們在濾波器的另一干涉臂增加了一偏振控制器，改變光通過偏振控制器旋轉(zhuǎn)的角度，當(dāng)入射光偏振角和偏振控制器附加相位角分別為a=1.33π，θ=0.15π時(shí)，即可恢復(fù)平頂?shù)耐干涔庾V（如圖4中綠色實(shí)線所示）。這在實(shí)際的濾波器系統(tǒng)中相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)偏振控制器就可恢復(fù)平頂?shù)耐干涔庾V，因此，該濾波器可以很方便的克服傳統(tǒng)的基于微環(huán)諧振腔MZI濾波器對環(huán)周長敏感，易受周圍環(huán)鏡影響的缺點(diǎn)。

圖4 微環(huán)周長變化時(shí)透射光譜（藍(lán)色虛線）及調(diào)整偏振控制器后平頂?shù)耐干涔庾V（綠色實(shí)線）

本文提出一種改進(jìn)的基于微環(huán)輔助的MZI濾波器。數(shù)值模擬的結(jié)果表明：在傳統(tǒng)的MZI濾波器的一干涉臂上增加微環(huán)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)平頂?shù)臑V波光譜輸出。通過調(diào)節(jié)偏振控制可有效的克服微環(huán)結(jié)構(gòu)的濾波器易受周圍環(huán)鏡的影響，抗干擾能力弱的缺點(diǎn)，保證穩(wěn)定濾波輸出。