专利名称：平坦交叉群组滤波器的制作方法
技术领域：
本发明属于光电子技术和光纤通信技术领域。特别涉及Bragg光栅制作技术。
在计算机领域，CPU的发展速度遵从摩尔定律，即CPU的频率每18月翻一番。在信息时代，光互联网的发展速度是每9个月翻一番，这样的发展速度需要一种大容量、经济、灵活和坚实的电信信息基础设施，密集波分复用(DWDM)技术就是在单一光纤内同步传输多个不同波长的光波，让数据传输速度和容量获得倍增，它充分利用单模光纤的低损耗区的巨大带宽资源，采用合波器，在发送端将不同规定波长的光载波进行合并，然后传入单模光纤。在接收部分将再由分波器将不同波长的光载波分开的复用方式，根据不同的波分复用器(分波器，合波器)，可以复用不同数量的波长。DWDM技术的特点它可以使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍，是实现超大容量光通信的的理想之路。分波器，合波器是波分复用光通信系统中的关键器件。为实现50GHz和小于50Ghz间隔的密集波分系统同时避免器件技术的过分复杂和太高成本，2000年3月的OFC展览上，多家公司纷纷提出一种交叉群组滤波器，Chroum公司称之为Slicer，Wavesplitter，JDS Uniphase等公司称之为交叉群组滤波器(Interleaver)。这种器件的基本应用如
图1，通过两个分别频率间隔为目标间隔两倍的普通复用/解复用器的组合使用(图上未示出)，一个专门配合奇数频道数，一个专门配合偶数的频道数，再配合一个可以将信号按奇偶分开的交叉群组滤波器112，就可以实现50GHz和小于50Ghz的频率间隔的密集波分复用系统。图1表示二级滤波过程，使用了两种信道间隔交叉群组滤波器112和123、124，使一个1×8信道的信号最后转变为4个1×2的信号。传统的群组滤波器的基本工作原理是两束光的干涉，干涉产生了周期性的原来信号波长重复整数倍的输出，通过控制干涉的边缘图案就可以选择合适的频率组输出。换句话说通过合适的干涉参数设计可以使群组滤波器的通过谱成为类似梳状波的形状。已有的干涉型群组滤波器可由熔融拉锥的干涉仪，液晶，双折射晶体等构成。最简单的制作方法是通过熔融拉锥工艺制作成马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉仪型的群组滤波器。这种结构如图2所示，由两个3dB耦合器22和24及连接在其中的两段不等长的光纤23和27构成。通过精确控制长度差就可以实现所需要的频率间隔。传统的基于干涉技术群组滤波器缺点是它的通道顶部尖锐31、而通道的边带32变化缓慢，如图3所示(选自C.H.Huang，H.Luo，S.Xu，and P.Chen，“Ultra low loss，temperature-insensitive 16-channel 100GHz wavelength-division-multiplexers based on cascade all-fiber unbalanced Mach-Zednder structure”，Conference onOptical Fiber Communication 1999，TuH2，pp.79-81.)，需要特殊的平衡技术实现平坦的滤波性能，这增加了制作技术的难度同时大大提高了器件的成本。
另一方面，均匀光纤布拉格(Bragg)光栅具有严格均匀的周期性折射率调制，它的Bragg中心波长
λB＝2Λneff其中，Λ为光栅的周期，neff是光纤的有效折射率。当光栅的周期不是均匀的，通常称光栅周期存在啁啾，其数学表达式为Λ(z)＝Λ0(1-cz) (-l/2＜z＜l/2)其中，c是啁啾系数，z是沿光栅的坐标，l是光栅的长度。
Bragg光栅存在禁带，禁带的中心即是Bragg中心波长，当入射光的波长落在禁带里时，入射光将被反射，这是Bragg光栅的基本滤波原理。取样Bragg光栅是一种特殊的Bragg光栅，传统取样Bragg光栅，属于无啁啾或小啁啾取样Bragg光栅，存在若干个通带和禁带，相邻的两个或多个通带或禁带是不交叉的。在取样Bragg光栅中，存在两种周期调制，如图4所示，一是调制周期为亚微米量级(光通信用约0.52纳米)的光栅调制41，另一中调制周期为毫米量级的取样调制42。在取样布拉格光栅的结构中，存在间隔相等的多个传输禁带(理论上无穷多)，当入射光波的波长落在禁带里时，光波的传输将受到阻碍，只有部分光波才能透过光栅，当调制深度比较大时，只有极少的光透过光栅，绝大部分光被反射回去。取样率(一个取样中有效光栅长度同取样周期之比)越小，取样光栅的取样率越小，其反射谱越均匀。当光栅的周期对应光通信窗口内的1550nm时，取样周期一般有0.5mm、1mm和2mm，在光纤光栅其各禁带对应的波长间隔分别为1.6nm、0.8nm和0.4nm，对应的频率间隔为200吉赫兹、100吉赫兹和50吉赫兹。因此在取样Bragg光栅中，当入射光的波长落在这些禁带里时，入射光将被反射，相反，当入射光的波长落在禁带外时，光将无阻拦的透过光栅。虽然从取样Bragg光栅的谱响应特性来看，取样Bragg光栅符合群组滤波器的基本定义，但是传统的取样Bragg光栅的谱特性在使用带宽里不是均匀的，Bragg中心波长的谱响应与偏离中心波长的谱特性是不相同的，随着偏离中心波长的程度增加，其差别将增大。同时，传统取样Bragg光栅的在滤波带宽里的相位响应是非线性的，信号脉冲经过这样的取样Bragg光栅，表现为波形的严重畸变，因此严格来说，传统的取样Bragg光栅是无法使用的群组滤波器。
本发明目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种平坦交叉群组滤波器，采用强啁啾取样Bragg光栅，结合参数控制，不但继承了Bragg光栅的优点体积小、成本低、滤波特性好、插入损耗小、工艺相对简单，并且具有优异的谱和色散特性，特别适合12.5G、25G、50G的交叉群组滤波器。
本发明提出的一种平坦交叉群组滤波器，其特征在于，采用相邻两个或几个禁带交叉重叠的强啁啾取样Bragg光栅构成，该光栅取样周期在0.47mm和4.4mm之间，周期的啁啾系数c在1.45×10-5/mm和2.2×10-3/mm之间。使通带或禁带将被强烈展宽使相邻的通带或禁带交叉重叠，会产生共振型多通道透射和反射。
采用以下的参数在光纤光栅可以获得较理想的滤波性能(1)取样周期在0.47mm和0.55mm之间，根据不同的信道间隔相应的周期啁啾系数c分别在1.93×10-3/mm和2.2×10-3/mm之间；在9.7×10-3/mm和1.1×10-3/mm之间；在4.9×10-4/mm和5.4×10-4/mm之间；在2.4×10-4/mm和2.7×10-4/mm之间；在1.22×10-4/mm和1.36×10-4/mm之间。
(2)取样周期在0.95和1.1mm之间，根据不同的信道间隔相应的周期啁啾系数c分别在9.2×10-4/mm和1.28×10-3/mm之间；在4.5×10-4/mm和6.5×10-4/mm之间；在2.3×10-4/mm和3.1×10-4/mm之间；在1.2×10-4/mm和1.5×10-4/mm之间；在5.7×10-5/mm和7.2×10-5/mm。
(3)取样周期在1.9和2.2mm之间，根据不同的信道间隔相应的周期啁啾系数c分别在2.4×10-4/mm和2.8×10-4/mm之间；在1.2×10-4/mm和1.4×10-4/mm之间；在6×10-5/mm和7×10-5/mm之间，在3×10-5/mm和3.6×10-5/mm之间。
(4)取样周期在3.8和4.4mm之间，相应的周期啁啾系数c分别在6×10-5/mm和7×10-5/mm之间；在2.9×10-5/mm和3.6×10-5/mm之间；在1.45×10-5/mm和1.8×10-5/mm之间。
(5)在每个取样里的调制分布采用Blackman，Hamming，Gauss，Tanh，Sinc，Cauchy，Super-Gauss切趾可以提高群组滤波器的平坦度，减小谱响应和相位响应的起伏。
以上的参数选择适合在光纤光栅，即在光纤里制备的光纤光栅。在其他材料上制备的取样Bragg光栅，如在高分子聚合物(polymer)波导以及硅基波导上制备的取样Bragg光栅，上述发明内容仍然适用，但相应的取样周期和啁啾系数c需要乘上一因子0.67/nindex，其中nindex是取样Bragg光栅的平均折射率，其数值约等于材料的折射率。
本发明具有以下特点(1)可容纳信道数64个以上；(2)具有平坦的滤波性能，滤波特性的起伏(ripple)很小；(3)具有陡峭的通带和禁带下降沿。(4)在通带里具有近线性的相位响应。与传统的技术相比，本发明是属于分布反馈型(DFB)群组滤波技术，基于取样Bragg光栅，无相对复杂的干涉技术，因而更简单。基于DFB的群组滤波器继承了Bragg光栅的优点体积小、成本低、滤波特性好、插入损耗小、工艺相对简单，特别适合12.5G、25G、50GHz的群组滤波器，并且具有优异的谱和色散特性，是属于理想的平顶、峭沿的非洛伦兹群组滤波器。
本发明的原理为采用在传统的取样Bragg光栅上加入强啁啾的方法当光栅啁啾很大时，通带或禁带将被强烈展宽使相邻的通带或禁带交叉重叠，光在这些强展宽的通带和禁带里传输，会产生共振型多通道透射和反射。对取样Bragg光栅采用参数控制的方法可提高本发明滤波器的性能改变取样率的大小可以控制通带和禁带的平衡，使通带和禁带的边沿变陡。特别地，当在每个取样里的调制分布是高斯或超高斯分布时，通带或禁带的顶部可以变得非常平坦，同时由于采用较大的啁啾，在通带和禁带的典型带宽里的相位响应非常接近线性，时延变化很小，不会造成入射信号脉冲的畸变。
附图简要说明图1、为已有的交叉群组滤波器工作原理图。
图2、为已有的基于Mach-Zehnder交叉群组滤波器结构示意图。
图3、基于Mach-Zehnder交叉群组滤波器的滤波特性示意图。
图4、一般的取样Bragg光栅结构示意图。
图5、为制备本发明的交叉群组滤波器装置实施例图。
图6、为本发明实施例1的透射谱和反射谱示意图。
图7、为本发明实施例2的透射谱和反射谱示意图。
图8、为本发明实施例3的透射谱和反射谱示意图。
图9、为本发明实施例4的透射谱和反射谱示意图。
实施例1是基于光纤光栅的100G交叉群组滤波器，其取样周期0.5mm，取样率0.55，啁啾系数c等于2.08×10-3/mm，在取样内(取样的有效长度内)采用高斯切趾。实施例1的透射谱和反射谱如图6所示。
实施例2是基于光纤光栅的50G交叉群组滤波器的透射谱和反射谱，取样周期1mm，取样率0.5，啁啾系数c等于5.17×10-4/mm，在取样内采用超高斯切趾。实施例2的透射谱和反射谱如图7所示。
实施例3是基于硅基波导的Bragg光栅的25G交叉群组滤波器的透射谱和反射谱，取样周期1.04mm，取样率0 5，啁啾系数c等于2.67×10-4/mm，在取样内采用Sinc切趾，实施例3的透射谱和反射谱如图8所示。
实施例4是基于光纤光栅的12.5G交叉群组滤波器的透射谱和反射谱，取样周期1mm，取样率0.2，啁啾系数c等于1.26×10-4/mm，在取样内未切趾，实施例4的透射谱和反射谱如图9所示。
实施例。
本实施例1光栅制作方法的装置如图5所示。其中，光源采用连续的244nm倍频氩离子激光器51(美国coherent公司生产)。光具座521固定在ESP6000扫描移动平台(Newport公司生产)53上，扫描反射镜522固定在光具座521的一端，滑动座523可在光具座521水平滑动，柱透镜524固定在滑动座上，扫描移动平台运动精度为0.1mm。反射镜522具有扫描及反射光束的功能，透镜524具有聚焦的功能并将激光器51输出的紫外光反射到啁啾相位模板54上，相位模板长度为50mm，啁啾为0.7nm/mm，紫外光经过相位模板照射在其下的经氢载处理的高敏光纤55上。ESP6000扫描移动平台与微机的PIO口(图中未示出)相连。通过在微机上运行事先设计好的驱动软件，控制移动平台的运动状态(运动距离、停留时间)，控制通过停和使其按照设定的某一运动规律运行，得到100GHz交叉群组滤波器用取样Bragg光纤光栅。
本实施例1的主要工艺流程如下①将光纤进行载氢处理并剥去约30mm左右长的涂覆层；②将光纤固定在均匀相位掩模板后，使之尽量贴近但不要贴上；③调整激光器至输出约100mW的光功率；④调整光路，使经扫描反射镜和透镜的光斑照射在光纤的纤芯上；⑤打开微机的ESP 6000系统，进入软件的工作界面，并对ESP 6000进行初始化；⑥启动扫描移动平台，使它可以自由运动；⑦设置各种偏移运动参数，驱动扫描移动平台按程序控制运行。
其中，控制扫描移动平台运动状态的软件编程为采用Visual Basic 6.0编程语言，在ESP 6000系统提供的动态数据链接库(Dynamic Link Library)的基础上，编制了基于Windows95操作系统的制作取样Bragg光栅的软件。
在制作的整个过程中，采用谱宽为25nm的宽谱光源58、环行器56和精度为0.05nm的AQ-6315B光谱仪57进行光栅性能的测试，对取样Bragg光栅的反射谱和透射光谱进行分析，可得到光纤光栅的性能参数。调整透镜与相位模板的距离，重复以上工艺流程，得到所需要的交叉群组滤波器用取样Bragg光栅。利用本实施例制作的典型光纤光栅给出的典型透射谱和反射谱如图6所示，有若多个均匀的相互间隔的透射峰和反射峰。
实施例2制作过程如实施例1。实施例3用硅基波导代替光纤55，其他制作过程如实施例1。在实施例4制作过程在相位模板54前放置了取样率0.2的振幅模板，其他制作过程如实施例1。
权利要求
1.一种平坦交叉群组滤波器，其特征在于，采用相邻两个或几个禁带交叉重叠的强啁啾取样Bragg光栅构成，该光栅取样周期在0.47mm和4.4mm之间，周期的啁啾系数c在1.45×10-5/mm和2.2×10-3/mm之间。
2.如权利要求1所述的平坦交叉群组滤波器，其特征在于，所述的取样周期在0.47mm和0.55mm之间，相应的周期啁啾系数c分别在1.93×10-3/mm和2.2×10-3/mm之间；在9.7×10-3/mm和1.1×10-3/mm之间；在4.9×10-4/mm和5.4×10-4/mm之间；在2.4×10-4/mm和2.7×10-4/mm之间；在1.22×10-4/mm和1.36×10-4/mm之间。
3.如权利要求1所述的平坦交叉群组滤波器，其特征在于，所述的取样周期在0.95和1.1mm之间，相应的周期啁啾系数c分别在9.2×10-4/mm和1.28×10-3/mm之间；在4.5×10-4/mm和6.5×10-4/mm之间；在2.3×10-4/mm和3.1×10-4/mm之间；在1.2×10-4/mm和1.5×10-4/mm之间；在5.7×10-5/mm和7.2×10-5/mm。
4.如权利要求1所述的平坦交叉群组滤波器，其特征在于，所述的取样周期在1.9和2.2mm之间，相应的周期啁啾系数c分别在2.4×10-4/mm和2.8×10-4/mm之间；在1.2×10-4/mm和1.4×10-4/mm之间；在6×10-5/mm和7×10-5/mm之间，在3×10-5/mm和3.6×10-5/mm之间。
5.如权利要求1所述的平坦交叉群组滤波器，其特征在于，所述的取样周期在3.8和4.4mm之间，相应的周期啁啾系数c分别在6×10-5/mm和7×10-5/mm之间；在2.9×10-5/mm和3.6×10-5/mm之间；在1.45×10-5/mm和1.8×10-5/mm之间。
6.如权利要求1所述的平坦交叉群组滤波器，其特征在于，在所述的每个取样里的调制分布采用Blackman，Hamming，Gauss，Tanh，Sinc，Cauchy，Super-Gauss切趾结构。
7.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的平坦交叉群组滤波器，其特征在于，在所述的取样周期和啁啾系数c乘上一因子0.67/nindex，其中nindex是取样Bragg光栅的平均折射率，其数值约等于材料的折射率。
全文摘要
本发明属于光电子技术和光纤通信技术领域。本发明采用相邻两个或几个禁带交叉重叠的强啁啾取样Bragg光栅构成,该光栅取样周期在0.47mm和4.4mm之间,周期的啁啾系数c在1.45×10
文档编号G02B6/34GK1289055SQ00130400
公开日2001年3月28日 申请日期2000年11月6日 优先权日2000年11月6日
发明者陈向飞, 谢世钟, 范崇澄, 李栩辉 申请人:清华大学