【doc】光纤环形镜在光纤通信中的应用

【doc】光纤环形镜在光纤通信中的应用 光纤环形镜在光纤通信中的应用 42罄.第ll期 2005年l1月 激光与光电子学进展Vo1.42.NO.1lNOV.2005 光纤环形镜在光纤通信中的应用 刘峰叶青庞拂飞瞿荣辉方祖捷 r中国科学院匕海光学精密机械研究所,卜海201800) 摘要介绍了光纤环形镜的工作原理,讨论了近年来其在高速光开关, 波分复用器以及特性测量等领域的若丁应用研究. 关键词光纤光学光纤干涉仪光纤环形镜高速光开关 ApplicationsofFiberLoopMirrorinFiberCommunication UUFengYEQingPANGFufeiQuRonghuiFANGZujie (ShanghaiInstituteofOpticsandFineMechanics,TheChineseAcademyofSciences,Shanghai201800) AbstractThecharacteristicsandapplicationsoffiberloopmirrorareintroduced.Someresearchesusingfiberloop mirrorinhighspeedopticalswitch,WDMandmeasurementdomainsarediscussed. Keywordsfiberopticsfiberinterferometerfiberloopmirrorhighspeedoptica lswitch 1引言 光纤环形镜是一种灵活的光 纤干涉结构,只需将2x2耦合器同 侧两端口光纤连接起来构成环状 即可.如图1所示,从耦合器另侧 端口入射的光信号,进入光纤环后 被分为正反向传播的两束,当它们 在环中绕行再次在耦合器相遇时 发生干涉,两束光的相对相位决定 了输入光是被光纤环形镜反射还 是透射.由于光纤环形镜中干涉光 束共用相同的光路,因此对外界的 扰动具有较好的免疫能力,较其它 干涉仪,如马赫一曾德尔干涉仪, Michelson干涉仪等更适合光纤应 用.光纤环形镜应用的核心是如何 ?._—一 透射 控制光纤环中正反向传播光束间 的相位差,从而实现对光纤环形镜 透射和反射功率的控制.根据不同 的控制 机制 综治信访维稳工作机制反恐怖工作机制企业员工晋升机制公司员工晋升机制员工晋升机制图 ,光纤环形镜的应用可 分为以下几类.从时域考虑,利用 非线性或双折射效应等手段,控制 光纤环形镜的输出,用于高速光开 关,调制器,被动锁模激光器等领 域.从频域考虑,利用在光纤环形 镜中插入光纤光栅,保偏光纤等手 段实现不同频率光束选择性输出, 应用于WDM领域.从偏振性提出 利用对光纤环形镜耦合器结构的 控制制成光纤偏振器件.此外直接 将被测器件引入光纤环形镜,并稍 作必要改进,又可实现了光纤器件 图1光纤环形镜示意图 目收稿日期:2005—04—11 的色散,偏振模色散等许多特性的 测量.近年来,光纤环形镜应用及 研究相关报道很多,本文根据国外 一 些相关报道对光纤环形镜在光 纤通信中的应用进行讨论. 2光纤环形镜的应用 2.1光纤环形镜高速光开关及调 制器 目前提的高速光开关很多 采用了光纤环形镜结构,如:非线 性光纤环形镜(NOLM)光开关,太 赫(THz)非对称解复用器(TOAD) 等等.可见高速光开关的研究是光 纤环形镜最受关注的应用之一. 非线性光纤环形镜光开关大 体上可以分为白相位调制(SPM)型 和交叉相位调制型两类Il】.SPM型 基本原理是使光纤环形镜中正反 向传播光束的功率不等,从而利用 白相位调制引起的光强相关相移 改变干涉光束的相位差.最早提 的SPM 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 使用了一只58:42功 率比的耦合器,成功地实现了功率 第42卷.第?期 2005年l1月 相关光开关.在另一实验中使用 1:1耦合器和两段保偏光纤,通过 调节保偏光纤光轴的夹角,使顺时 针光束偏振态保持与保偏光纤主 轴一致,而逆时针光束偏振方向与 保偏光纤主轴夹角为兀/4.逆时针 光束在保偏光纤的两个主轴上被 分解为两个功率较小的信号,从而 产生非线性相位差,这一 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 也成 功地实现了光信号自身强度调制 光开关[21.Pottiez等提出利用非线 性偏振旋转实现非线性光开关,其 结构如图2所示,在光纤环中插入 100m的高螺旋光纤,并在环中接 近耦合器端口处插入一2/4波片. 高螺旋光纤的引入是为了消除光 路内非理想的线性双折射影响,而 光纤环形镜的非对称结构则使顺 时针传播的光束以圆偏振通过光 纤环,逆时针光束以线偏振通过光 纤环.由于线偏光不经历非线性偏 振旋转,而圆偏光经历了非线性偏 激光与光电子学进展Voj.42.NO.?NOV.2005 振旋转,从而使两束光再次相遇时 虽然具有平行的偏振态和相同的 强度,但也会产生一个强度相关的 相位差?M=flPL.其中为非线 性系数,P为单束光功率,为光纤 环的长度,这里由于使用3dB耦合 器,因此其功率为输入总功率的一 半 SPM强度调制光开关能吸收 弱信号,而对高强度信号则是透明 的,并且具有极短的响应时间r小于 10fs),因此可以用于脉冲整形和净 化,并且可以利用其响应速度快的 优势代替可饱和吸收体用于被动 锁模的超短脉冲激光器研究【41. XPM型光纤环形镜非线性光 开关基本原理是在光纤环形镜中 引入一个控制光束,当控制信号注 入光纤环形镜并仅沿某一方向传 输时,会对正反向传输的两束光中 的某一束产生非线性效应,而另一 束却不受影响,从而控制开关的输 <:===]反射 图2利用非线性偏振旋转的SPM一光纤环形镜 出.这类光开关可以应用于光信号 波长变换,光脉冲整形,光信号处 理,高速光时分复用系统中的解复 用和信号的3R处理等等. 对非线性光纤环形镜基本理 论的研究,在上世纪90年代已基 本成熟,目前的研究多为一些实用 化的具体问题.如在非线性光纤环 形镜中为了获得较大的非线性,一 般环的长度在数百米,由于外界干 扰和光纤本身的应力等因素引起 的双折射使非线性光纤环形镜光 开关具有一定的偏振相关性,不利 于实际应用.为了克服这一缺点, 美国密西根大学在光纤环中引入 螺旋应力f见图3),实验证实通过 对环中光纤引入10周舶长的扭转 模拟保圆偏振光纤,非线性光纤环 形镜解复用器的偏振相关性由 5dB下降到0.5dB,获得了很好的 改善. 由于光纤的非线性较弱,在控 制信号的实际功率下需要10kin或 更长的光纤才能引入大小为兀的 相移,因此在光纤环形镜中插入半 导体光放大器(SOA),利用SOA增 益饱和产生的相移,实现在很短距 离和较低功率下对光信号的开关 控制.由于SOA载流子恢复时间 较长r约200ps)[~l,使开关的应用受 到了限制.为了克服这一缺点,提 出了将SOA放置在偏离光纤环对 称中心处,利用正反向调制时间差 实现高速脉冲调制的方案,实现响 图3利用扭转光纤克服XPM一光纤环形镜光纤环解复用器的偏振 相关性 国 42卷,第ll期 2005年l1月激光与光电子学进展 三 笪 萼 - ‘ ~’-’ I籀?l=.1输入 脉冲输Lf?起器]r Vol42.NO.11 NOV.2005 J)C2CC\V , 应速度为皮秒量级的光开关,这一 结构被称为THz光学非对称解复 用器(TOAD).图4给出了El本电 信大学给出的一种T0AD的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 m ,它通过改变直流参考光的频率 和延迟线的延时量实现了信号频 率,脉宽的高速自由变换. 除了非线性光纤环形镜高速 光开关,利用光纤环形镜的双折射 敏感特性可以构造光纤环形镜高 速电光开关,它只需将电光材料以 一 定角度插入光纤环形镜即可,如 置 乏 :釜 也5 督 0 := 图4TOAD的脉冲变换 图5所示.光纤环形镜电光开关 的优势是尺寸可以做的较小,并且 结构简单,电信号直接调制,可 以向波导集成器件过渡,非常适合 光调制器等应用. 2.2光纤环形镜波长选择性 由于光纤环形镜本身具有宽 波段相应的特性,因此只须在其中 加入波长选择元件就可以应用于 波分复用系统.目前提的多信道 电光凋制器 图5电光光纤环形镜调制器 Vf,) 图6光纤环形镜光控梳状滤波器 光线 t时 一 器 一肜 第42卷.第ll期 2005年ll川 激光与光电子学进展 方案主要有两种,,一种是在光纤环 中引入高双折射光纤(PMF),利用 不同波长信号在保偏光纤中具有 不同的双折射拍长,实现周期性带 通特性19I,另一利-采用光纤光栅技 术,利用相移光栅,啁啾光纤光栅, 切趾光栅等不同的频谱特性实现 灵活的滤波器通道设计I.香港 中文大学在TOAD中分别插入 6.7m和13.4m的保偏光纤实现了 不同通道宽度的光控梳状滤波器, Vol42_\【 N【】,_.2005 以18.5dBm的光功率实现了58% 自}f1光谱区宽度的波长移动. 相对于岛双折射光纤技术,南 于光纤光栅的长度一般小与 10cm,因此光纤光栅技术有更好的 集成性和稳定性,南于可以直接与 普通光纤熔接,插入损牦也相对较 小,l另外通过光纤光栅的不同设计 可以灵活地控制光纤环形镜的输 频谱特性.如图7,8,网9给 了分别利用取样光纤光栅,切趾 波长/【l 图7取样光纤光栅光纤环形镜奇偶通道滤波器 波长/rim 图8切趾布拉格光纤光栅光纤环形镜透射光谱 波长/l1 图9切趾线性啁啾光纤光栅光纤环形镜透射光谱 布托格光纤光栅,}J】趾线叫啾 纤光栅实现的光纤耶形镜输… 光谱. 2.3光纤环形镜在测量方面的应用 Berry相位是一种跫:f,J 象,根据量子力学沦,粒子fE 何给定时『口J的状态口J’以用波数, 描述系统随时问演化,波数 将相应变化,当系统经过一绝热 过程后又回到最初状念IJ,『,卡fJJ,披 函数将回到最初状态,此刻波数 将与初念波函数仃住一个卡?f 可表示为=exp(驴为系统 相移,包括两个部分:11动态州移, 是r}1时问演化引起的,21刈 数绝热行程引起的儿何_卡f{移,},.,志 物理系统的环境信色,Berry卡?千{; 于后者.当偏振光沿闭合路侄功 量卒问传播,其偏振的旋转为 Berry相移的洲量提供r机会…J 光纤结构对光束的导非常仃利, 因此人ffJ提出J,幢片j光纤线洲世 Berry相移的思想Paramasivam 等人利用图10所示实验装将 纤线圈插入光纤环形镜巾,通过分 析光纤罔的螺距变化引起的光 环形镜输…特性变化,埘BerryfJ{ 移特性进仃r研究,并r激比 经过光纤线圈后被反射1Ti.次过 光纤线圈所产生的Berry卡H移将川 互抵消l一在此基础KuzykG M提了对位置敏感的声,J,J 传感技术I 色散特性是光传输系统flfi0- 个基本参数,现有的洲量力’法: 冲延迟技术,删,liJJ卡I_I移技术,丛: AM相膀’法及十涉力’法等利 朋光纤环形镜,AbedinKS提mr 一 种非常巧妙的色散测量力’, II.在光纤环形镜的一删紧 合器位置加入一个周期性卡Hj川圳 器,当单频光进入光纤环后,IJIJ” 方向传播的光阿先经过卡}I州圳 器,频谱展宽,然后经过做洲的 国 第42卷,第1】期 2Oo5年11月 激光与光电子学进展 散光纤;与之相反,逆时针方向传播 的光则先通过色散器件再经过调制 器展宽频谱,相当于未受色散过程 的影响.当调制频率匀速变化时可 记录下干涉输出强度随凋制频率的 变化为周期性振荡,改变光载波频 率,干涉条纹将发生移动,从而可以 计算被测光纤的色散量.这一方法 无需高速的测试设备,可以获得较 高的测试精度和测试范围『l句. 此外,以光纤环形镜干涉仪为 基础加拿大科学家提出了分步相 位方法进行飞秒脉冲偏振模色散 fPMD1测量.这一测量方法原理 见图l2,方法可分为三个步骤:l1 在只有被测器件的情况下扫描光 谱;21沿坐标平面x/4方向插入A/4 波片扫描光谱;31沿坐标平面一rt/4 方向插入A/4波片扫描光谱.经过 盈 Vo1.42.NO.1l NOV2005 图1O利用光纤环形镜环分析Berry相移 方程组(1)计算可以恢复出双折射沿双折射轴的偏振相关损耗,为 相位差6随波长的变化,再对角频A/4波片光轴的取向. 率求导,即可得到差分群时延DGD 随频率的变化. l)=(cosha-CO)sin2ao f’一 ITQwe_(/t)=sinSsin2y lzwP+)=【cosha+co+ 12y(cosha—co)sin22y】 (1) 式中,岬一,岬+分别为归一化 透射光谱,y为双折射轴取向,为 3结束语 综上所述,光纤环形镜具有非 常灵活和广泛的应用前景,近年来 取得了许多有益的进展,以上提到 的只是各种应用的例子.随着光纤 系统应用领域的开拓,光纤环形镜 应用研究将不断深化,光纤环形镜 将在更多新的应用中发挥作用. 图ll利用非对称调制光纤环形镜测量光纤色散 图12利用光纤环形镜分步相位法测量光纤偏振模色散 第42卷,第11期 2005年11月 激光与光电子学进展 参考献 Vo1.42.No.1l Nov.20o5 lAgrawalGP着.贾东方,余震虹等译.非线性光纤光学原理及应用.北 京:电子业版社 2MooresJD,BergmanK,HausHAeta1..Opticalswitchingusingfiberringref lectors.Opt.Soc.Am.B,1991,8(3):594-601 3PottiezO,KuzinEA,Ibarra—EscamillaBeta1..Easilytunablenonlinearop ticalloopmilTorbasedonpolarizationasymmetry. Opt.Express,2004,12(6):3874,3887 4OhWY,KimBY,LeeHW.Passivemodelockingofaneodymium—dopedfi berlaserthanonlinearopticalloopmilTor. QuantumElectron.,1996,32f2):333,339 5LiangY,LouJW,AndersenJKeta1..Polarization—insensitivenonlinearop ticalloopdemultiplexertl1twistedfiber.Opt. Lett.,1999,24(11):726-728 6UenoY,NakamuraS,TajimaKetal一3.8一 THzwavelengthconversionofpicosecondpulsesusingasenuconductordelayed— interferencesignal—wavelengthconverter(DISC).Photon.Techno1.Left.,1998,1O(3):346-348 7MatsuuraM.KishiN.All—opticalwavelengthandpulse—widthconversio nswithaSagnacinterferometersenuconductor— basedswitch.Opt.Lett.,2003,28f2):132,134 8FangXJ,JiHL,PelzLJetal—ADCtomultigigabit/spolarization—indepen dentmodulatorbasedonaSagnacinterferometer. LightwaveTechno1.,1997,15(11):2166,2171 9LeeKL,FokMP,WanSMeta1..OpticallycontrolledSagnacloopcombfilter.2004,12(25):6335,6340 10QuRH,ZhaoH,FangZJeta1..Configurablewavelength—selectiveswitc hbasedonfibergratingandfiberloopmilTor. PhotonicsTechno1.Lett..2000,12(10):1343,1345 11ShuX.YuL,ZhaoD.TransmissioncharacteristicsofSagnacinterferometersbasedonfiberBragggratings.Opt.Soc.Am. E2002,19(11):2770-2780 12HanYG,KimSH,LeeSB,Flexiblytunablemulticharmelfilterandbandpas sfilterbasedonlong-periodfibergratings.Opt. Express,2004,12(9):1902-1907 13SenthilkumaranP,CulshawB,ThursbyG,Fiber—opticSagnacinterferometerfortheobservationofBerrystopologicalphase. Opt.Soc.Am.B,2000,17(11):1914-1919 14SenthilkumaranP.Berrysphasefiberloopmirrorcharacteristics.Opt.Soc. Am.B,2005,22(2):505,511 15KuzykMG.UsingBerrysphaseforposition—sensitiveacousticalandstressdetection.J.Opt.Soc.Am.B,2002,19(10): 2346,2348 16AbedinKS,HyodoM,OnoderaN,Measurementofthechromaticdispersio nofanopticalfiberbyuseofaSagnac interferometeremployingasymmetricmodulation.Opt.Lett.,2000,25(5):2 99,301 17SimovaE,GolubI.Phase—steppinganall—fiberSagnacloopforfullcharacterizationoffemtosecondPMD.PhotonicsTechno1. Lett,,2003,15(7):960-962 ,姐曲’,i非jj弭ij,jdi,iii 一 个光学芯片可同时检测多种气体 环境监测和食品包装将采用一种可以同时检测多种气体的光学传 感器,此装置由法国蒙特皮里埃大学所属的 KLOE公司研制成功. 此种K—MZS传感器是一种矩形溶凝胶芯片,其中含有一系列激光写入的马赫一陈德尔干涉仪,每个干涉仪柃 测一种气体,还有一个则用作参考,定标. 每个干涉仪的—个臂直接通过芯片,另—臂用作激活元件,曝露在大气中,其中含有与测得气体产生反应的化学药剂 当目标气体出现时,激活元件的折射率便发生变化,改变了干涉仪输出的信号.输入和输出光纤与芯片相连, 以注入和收集光.整个装置长5cm,宽lcm,高6mm.测量灵敏,由于波导芯片激活区与大气距离很近,测量几乎立 即进行.这是光纤传感器无法做到的. 已对掺钌溶凝胶为基础的激活层探测氧进行了试验,用户也可根据自己的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 在激活层中沉积适于其具体气 体检测的激活元件.其优点是可将五六种传感器积成在同一基片上. 其它可能的激活元件包括掺钯的溶凝胶,用以检测氢的传感器正南用户试用.公司还在探索其它的可能应用,如 生物光子学,食品包装,检测水中的碳氢化合物污染等.(罗山编译) 国