專利名稱：基于級聯(lián)光纖環(huán)形器奇偶交錯復(fù)用器的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種奇偶數(shù)信號分離器的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計方法，尤其是指一種結(jié)合 數(shù)字信號處理中無限脈沖響應(yīng)(簡稱IIR)設(shè)計方法，設(shè)計一整類基于級聯(lián)光纖環(huán)形器 Mach-Zehnder型的奇偶交錯復(fù)用器。
背景技術(shù)：
隨著復(fù)用信道數(shù)的增加和信道間隔越來越窄，出現(xiàn)了密集波分復(fù)用(簡稱DWDM) 技術(shù)，如今以DWDM技術(shù)為核心的光傳送網(wǎng)正在成為電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的主要傳送平臺，當(dāng)然 作為復(fù)用/解復(fù)用器核心的光濾波技術(shù)也就會備受關(guān)注。信道數(shù)目的不斷增加使得信道間 隔不斷減小，這對傳統(tǒng)的復(fù)用器/解復(fù)用器提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，不僅制作成本會很高，而且 在工藝上很難滿足要求，如介質(zhì)薄膜濾波器對50GHz及更小頻率間隔的信道信號很難繼續(xù) 使用。因此又提出了一種新型光子器件——光學(xué)交錯復(fù)用器(英文名稱hterleaver)，它 能將一組波分復(fù)用信號分離成為信號間隔倍增的一組奇數(shù)系列和偶數(shù)系列兩個信道，這樣 就降低了波分復(fù)用器/解復(fù)用器對波長間隔要求的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)傳輸容量，因此奇偶 分離器是一種重要的光通信核心器件。為了有效分離奇偶數(shù)信號，實現(xiàn)低通道間串?dāng)_，奇偶 分離器必須具備平坦而高對比度的通帶和阻帶的光譜透過特性。目前實現(xiàn)光學(xué)交錯復(fù)用器 典型方案主要有邁克爾遜Gires-hurnois干涉型、全光纖熔融拉錐非平衡Mach-Zehnder 干涉儀型、晶體雙折射型、陣列波導(dǎo)光柵型、光纖光柵組合型等。其中相比較而言，全光纖熔 融拉錐非平衡Mach-Zehnder干涉儀型具有與偏振無關(guān)，與光纖的耦合效率較高，色散特性 也比較好，插入損耗小，信道均勻性較好，制作工藝簡單且成本低等優(yōu)點。在現(xiàn)有技術(shù)[1](Applied Optics. Zhujun Wan, Yarning ffu, etal. 2007,46(31), 7587-7589.)中描述的是利用多級直接級聯(lián)MZ干涉儀的方式得到兩路奇偶輸出光譜，并給 出了 3階等帶寬交錯復(fù)用器的設(shè)計實例，其得到的光譜透射率不好，輸出光譜不平坦，隔離 度低。在現(xiàn)有技術(shù)[2](量子電子學(xué)報，張瑞峰等，2005，22 (5) ,799-805.)中描述的是利 用和現(xiàn)有技術(shù)[1]同樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計了 30階及以上的光學(xué)交錯復(fù)用器，得到高隔離度和寬平 坦通帶的輸出透射光譜，但是這種基于數(shù)字信號處理有限脈沖響應(yīng)(簡稱FIR)的方式需要 用高階數(shù)才能得到較好的輸出光譜。在現(xiàn)有技術(shù)[3](光學(xué)學(xué)報，董小偉等，2008，(4),638-642)中描述的是采用一個 光纖環(huán)形腔結(jié)合MZ干涉儀得到光學(xué)交錯復(fù)用器的設(shè)計方案。在現(xiàn)有技術(shù)W](光子學(xué)報，張婷，趙帥等，2005，34 (7) ,1053-1056)中描述的是采 用兩個光纖環(huán)形腔結(jié)合MZ干涉儀得到光學(xué)交錯復(fù)用器的設(shè)計方案。上述現(xiàn)有技術(shù)[3]和[4]相對現(xiàn)有技術(shù)[1]和[2]而言引入了光纖環(huán)形腔，引入了 無限脈沖響應(yīng)的設(shè)計思想，可以利用較低的階數(shù)得到較好的輸出光譜透射率，但是其利用 傳統(tǒng)編程搜索求解參數(shù)，計算較為繁瑣，特別在環(huán)形腔數(shù)目個數(shù)較多時，就顯得尤為復(fù)雜， 求解結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算量很大，而且循環(huán)編程計算得到參數(shù)會和實際準(zhǔn)確值偏差較大。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種基于級聯(lián)光纖環(huán)形 器奇偶交錯復(fù)用器的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計方法，可以簡便的得到兩路輸出譜均為寬平坦特性、高 隔離度的輸出透射光譜。尤其在級聯(lián)環(huán)形腔個數(shù)較多的情況下，該方法更顯示其優(yōu)越和準(zhǔn) 確性，大大簡化了計算的復(fù)雜性，同時提高了計算的準(zhǔn)確性。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種基于級聯(lián)光纖環(huán)形器奇偶交錯復(fù)用器的結(jié)構(gòu)，其特征在于包括MZ干涉儀，包括在發(fā)射光束前進的方向上依次設(shè)有第一輸入光纖及第二輸入光 纖，第一輸入光纖輸入光信號，第二輸入光纖不輸入光信號；與第一輸入光纖及第二輸 入光纖的輸出端連接的耦合角為θ a的耦合器；分別與耦合角為θ 3的耦合器連接的長度為 L1的光纖及長度為L2的光纖；與長度為L1的光纖及長度為L2的光纖輸出端連接的耦合角 為θ b的耦合器；分別與耦合角為θ b的耦合器連接的第一輸出光纖及第二輸出光纖，第一 輸出光纖及第二輸出光纖分別輸出兩路奇偶交錯的光信號E。utl及E。ut2 ；上部分級聯(lián)光纖環(huán)形器，嵌入到所述長度為L1的光纖中，由m個上部分光纖環(huán)形 腔級聯(lián)組成，每個上部分光纖環(huán)形腔分別由長度為Ln，L12，. . .,Llffl的光纖和耦合角為θ η， θ 12，. . .，θ lm的耦合器組成；下部分級聯(lián)光纖環(huán)形器，嵌入到所述長度為L2的光纖中，由η個下部分光纖環(huán)形 腔級聯(lián)組成，每個下部分光纖環(huán)形腔分別由長度為L22，L22，...，Lai的光纖和耦合角為Θ21， θ四，...，θ2η的耦合器組成；上述m，η根據(jù)所要設(shè)計的光交錯復(fù)用器的光譜透射率要求，確定橢圓濾波器函數(shù) 的階數(shù)k后決定，其中k取奇數(shù)，并滿足以下關(guān)系k = 2 · (m+n)+l，且 |m_n| ( 1。所述耦合角為θ a的耦合器及耦合角為θ b的耦合器均為3dB耦合器，ea= eb =τι /4。另外，本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種如上所述的基于級聯(lián)光纖環(huán)形器奇偶交錯復(fù)用器的設(shè)計方法，其特征在于令復(fù)用器中MZ干涉儀的耦合角為θ a的耦合器及耦合角為θ b的耦合器都定義為 3dB耦合器，S卩Ga= 0b= π/4，令上部分級聯(lián)光纖環(huán)形器的m個光纖環(huán)形腔及下部分級聯(lián) 光纖環(huán)形器的η個光纖環(huán)形腔的長度分別為L11 = pn .d，L12 = p12 ·(!，...，Llm = plm .d ；L21 =P21 · d, L22 = P22 · d, . . . , L2n = p2n · d ； Δ L = q · (Ι,^ψ ρη, ρ12, · · ·，Plm，P21，P22, · · ·，
P2n，q均為正整數(shù)/ =Δ f為光頻率間隔，c為光速，neff為光纖的有效折射率；所述設(shè)計方法包括步驟Si、根據(jù)所要設(shè)計的光交錯復(fù)用器的光譜透射率要求，采用數(shù)字信號處理中 橢圓濾波函數(shù)進行濾波器設(shè)計，首先確定橢圓濾波器函數(shù)的階數(shù)k，k取奇數(shù)，并求出橢圓 濾波器函數(shù)的極點值；步驟S2、通過步驟Sl給的階數(shù)k確定m，η的值，其滿足如下關(guān)系式k = 2 · (m+n)+l，且 |m-n| 彡 1 ；
6
步驟S3、利用所求的m，n的值來確定所要設(shè)計交錯復(fù)用器的結(jié)構(gòu)并計算出第一輸 出光纖及第二輸出光纖分別輸出的兩路奇偶交錯的光信號E。utl及E。ut2傳遞函數(shù)公式，同時 引入數(shù)字信號處理中的ζ變換將其簡化；步驟S4、選取pn，p12，... , plm，p21, P22, ...，Pai的值，確定上部分級聯(lián)光纖環(huán)形器 的m個光纖環(huán)形腔及下部分級聯(lián)光纖環(huán)形器的η個光纖環(huán)形腔的長度Ln，L12，Llm、L22， L22，· · ·，L2n ；步驟S5、通過m，η的值來確定q值，而對于q的取值需要滿足如下要求當(dāng)m彡η 時，q = 2· (n-m)+l，當(dāng)η彡m時，q = 2· (n_m) _1，且q值必須要等于_1或1，確定MZ干 涉儀的兩臂長差；步驟S6、將得到的pn，p12，... , Plm，P21, P22, ... ,P2n值和q值代入到兩路奇偶交錯 的光信號E。utl及E。ut2傳遞函數(shù)公式中，然后計算傳遞函數(shù)公式關(guān)于ζ為未知數(shù)的極點值， 通過使該極點值和步驟Sl所得到橢圓濾波器函數(shù)的極點相等，即可求出各個光纖環(huán)形腔 耦合器的耦合角 θ η，θ 12，. . .，θ lm、θ 21，θ22,..., θ2η 的值；步驟S7、畫出該光交錯復(fù)用器的兩路輸出光譜透射率函數(shù)，從而完成該結(jié)構(gòu)不等 帶寬交錯復(fù)用器的設(shè)計。求出各個光纖環(huán)形腔的耦合器的耦合角，并畫出光譜透射率函數(shù) 幅頻特性圖。4、如權(quán)利要求3所述的基于級聯(lián)光纖環(huán)形器奇偶交錯復(fù)用器的設(shè)計方法，其特征 在于所述步驟3中的計算出兩路輸出端口傳遞函數(shù)公式，同時引入數(shù)字信號處理中的 ζ變換將其簡化的過程如下上部分或下部分級聯(lián)光纖環(huán)形器中第i個光纖環(huán)形腔和第i+Ι個光纖環(huán)形腔的耦 合器輸入輸出口的光場振幅滿足如下關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種基于級聯(lián)光纖環(huán)形器奇偶交錯復(fù)用器的結(jié)構(gòu)，其特征在于包括MZ干涉儀，包括在發(fā)射光束前進的方向上依次設(shè)有第一輸入光纖及第二輸入光纖， 第一輸入光纖輸入光信號，第二輸入光纖不輸入光信號；與第一輸入光纖及第二輸入光 纖的輸出端連接的耦合角為θ a的耦合器；分別與耦合角為θ a的耦合器連接的長度為L1 的光纖及長度為L2的光纖；與長度為L1的光纖及長度為L2的光纖輸出端連接的耦合角為 9b的耦合器；分別與耦合角為θ b的耦合器連接的第一輸出光纖及第二輸出光纖，第一輸 出光纖及第二輸出光纖分別輸出兩路奇偶交錯的光信號E。utl及E。ut2 ；上部分級聯(lián)光纖環(huán)形器，嵌入到所述長度為L1的光纖中，由m個上部分光纖環(huán)形腔 級聯(lián)組成，每個上部分光纖環(huán)形腔分別由長度為L11, L12，...，Llm的光纖和耦合角為θ η， θ 12，. . .，θ lm的耦合器組成；下部分級聯(lián)光纖環(huán)形器，嵌入到所述長度為L2的光纖中，由η個下部分光纖環(huán)形腔 級聯(lián)組成，每個下部分光纖環(huán)形腔分別由長度為L22，L22，...，L2n的光纖和耦合角為θ 21， θ四，...，θ2η的耦合器組成；上述m，η根據(jù)所要設(shè)計的光交錯復(fù)用器的光譜透射率要求，確定橢圓濾波器函數(shù)的階 數(shù)k后決定，其中k取奇數(shù)，并滿足以下關(guān)系 k = 2 · (m+n)+l，且 |m_n| 彡 1。
2.如權(quán)利要求1所述的基于級聯(lián)光纖環(huán)形器奇偶交錯復(fù)用器的結(jié)構(gòu)，其特征在于 所述耦合角為θ a的耦合器及耦合角為9b的耦合器均為3dB耦合器，ea= 0b =τι /4。
3.—種如權(quán)利要求1所述的基于級聯(lián)光纖環(huán)形器奇偶交錯復(fù)用器的設(shè)計方法，其特征 在于令復(fù)用器中MZ干涉儀的耦合角為θ a的耦合器及耦合角為θ b的耦合器都定義為3dB 耦合器，即9a = 6b= π/4，令上部分級聯(lián)光纖環(huán)形器的m個光纖環(huán)形腔及下部分級聯(lián)光 纖環(huán)形器的η個光纖環(huán)形腔的長度分別為L11 = ρη · d，L12 = p12 · d，. . .，Llm = plffl · d ；L21 =P21 · d, L22 = P22 · d, . . . , L2n = p2n · d ； Δ L = q · (Ι,^ψ ρη, ρ12, · · ·，Plm，P21，P22, · · ·，P2n，q均為正整數(shù)/ = 2-n^-Af Δ f為光頻率間隔，c為光速，neff為光纖的有效折射率；所述設(shè)計方法包括步驟Si、根據(jù)所要設(shè)計的光交錯復(fù)用器的光譜透射率要求，采用數(shù)字信號處理中橢圓 濾波函數(shù)進行濾波器設(shè)計，首先確定橢圓濾波器函數(shù)的階數(shù)k，k取奇數(shù)，并求出橢圓濾波 器函數(shù)的極點值；步驟S2、通過步驟Sl給的階數(shù)k確定m，η的值，其滿足如下關(guān)系式k = 2 · (m+n)+l, 且 m-n ( 1 ；步驟S3、利用所求的m，η的值來確定所要設(shè)計交錯復(fù)用器的結(jié)構(gòu)并計算出第一輸出光 纖及第二輸出光纖分別輸出的兩路奇偶交錯的光信號E。utl及E。ut2傳遞函數(shù)公式，同時引入 數(shù)字信號處理中的ζ變換將其簡化；步驟S4、選取pn，p12，... , plm，p21, P22, ...，p2n的值，確定上部分級聯(lián)光纖環(huán)形器的 m個光纖環(huán)形腔及下部分級聯(lián)光纖環(huán)形器的η個光纖環(huán)形腔的長度Ln，L12，Llffl, L22， L22，· · ·，L2n ；步驟S5、通過m，η的值來確定q值，而對于q的取值需要滿足如下要求當(dāng)m > r!時， q = 2 · (n-m) +1，當(dāng)η彡m時，q = 2· (n-m) _1，且q值必須要等于_1或1，確定MZ干涉儀 的兩臂長差；步驟S6、將得到的pn，p12，... , plm，p21, P22, ... ,P2n值和q值代入到兩路奇偶交錯的光 信號E。utl及E。ut2傳遞函數(shù)公式中，然后計算傳遞函數(shù)公式關(guān)于ζ為未知數(shù)的極點值，通過 使該極點值和步驟Sl所得到橢圓濾波器函數(shù)的極點相等，即可求出各個光纖環(huán)形腔耦合 器的耦合角 θ η，θ22,..., θ lm、θ 21，θ 22, . . . , θ2η 的值；步驟S7、畫出該光交錯復(fù)用器的兩路輸出光譜透射率函數(shù)，從而完成該結(jié)構(gòu)不等帶寬 交錯復(fù)用器的設(shè)計。求出各個光纖環(huán)形腔的耦合器的耦合角，并畫出光譜透射率函數(shù)幅頻 特性圖。
4.如權(quán)利要求3所述的基于級聯(lián)光纖環(huán)形器奇偶交錯復(fù)用器的設(shè)計方法，其特征在于所述步驟3中的計算出兩路輸出端口傳遞函數(shù)公式，同時引入數(shù)字信號處理中的ζ變 換將其簡化的過程如下上部分或下部分級聯(lián)光纖環(huán)形器中第i個光纖環(huán)形腔和第i+Ι個光纖環(huán)形腔的耦合器 輸入輸出口的光場振幅滿足如下關(guān)系戈Λ
5.如權(quán)利要求3或4所述的基于級聯(lián)光纖環(huán)形器奇偶交錯復(fù)用器的設(shè)計方法，其特征 在于所述步驟3中各環(huán)形腔的長度計算如下根據(jù)公式(6)式所知，為滿足兩路輸出光譜透射率函數(shù)的極點全在虛軸上，可得ρη、 Pi2、APim，Ρ21>Ρ22> Λ P2n全部為2,各環(huán)形腔的長度L11，Ll2，· · ·，Llm Λ L22，L22，· · ·， Lai取值相
全文摘要
一種基于級聯(lián)光纖環(huán)形器奇偶交錯復(fù)用器的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計方法，是一種光學(xué)交錯復(fù)用器技術(shù)，解決現(xiàn)有光復(fù)用器的光譜透射率不好，輸出光譜不平坦，隔離度低的問題。本發(fā)明采用數(shù)字信號處理將兩路輸出端口光譜公式的頻域變換為z域，分析z域中的零極點特性，只要輸出光譜公式極點全在虛軸上就得到等帶寬的輸出光譜，據(jù)此，結(jié)合橢圓濾波器的階數(shù)就得到各個級聯(lián)環(huán)形腔的長度和MZ干涉臂長差，再借助于橢圓濾波器的極點值，求出各個光纖環(huán)形腔耦合器的耦合角。本發(fā)明方法所設(shè)計的等帶寬光交錯復(fù)用器具有兩路輸出光譜均為高平坦度，高帶寬利用率以及高隔離度等特性，特別對于級聯(lián)光環(huán)形腔級數(shù)較多的情況下，更顯示其計算簡單，準(zhǔn)確性高的優(yōu)越性。
文檔編號G02B6/26GK102109640SQ20091020071
公開日2011年6月29日 申請日期2009年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月24日
發(fā)明者楊小偉 申請人:上海寬岱電訊科技發(fā)展有限公司