用兩級方向耦合器組成的全光纖型法布里_珀羅腔

1、第24卷第3期2005年6月蘭州交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版Journal of Lanzhou Jiaotong University(Natural Sciences文章編號:10014373(200503009804用兩級方向耦合器組成的全光纖型法布里珀羅腔3章寶歌,彭靜,溫杜仲(蘭州交通大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院,甘肅蘭州730070摘要:提出了用兩個方向耦合器組成全光纖型法布里珀羅腔的設(shè)想,給出了其基本結(jié)構(gòu)形式,推導(dǎo)了各種結(jié)構(gòu)的光場量和強度的反射和傳輸系數(shù),并對其輸出特性和MachZehnder干涉儀進(jìn)行了分析和比較,其結(jié)果可以為今后該器件的制作及關(guān)鍵技術(shù)的解決提供參考.關(guān)鍵詞:光纖通信;方

2、向耦合器;光纖反射中圖分類號:TN253文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A0引言法布里珀羅腔是一種重要的光學(xué)器件,普通的法布里珀羅腔需要高精度的光學(xué)元件,與光纖系統(tǒng)兼容性差.全光纖型法布里珀羅腔一直是人們感興趣的研究課題,其諧振腔結(jié)構(gòu)在近年來得到了廣泛的研究1,2.為了系統(tǒng)簡化和應(yīng)用的方便,全光纖型的光纖激光器越來越受到人們的重視,此類新型激光器利用光纖反射器3、光纖環(huán)形腔4以及光纖光柵5等光反饋器件組成高精細(xì)度的諧振腔,從而實現(xiàn)高性能的激光輸出.本文提出了一種用兩級方向耦合器組成的全光纖型法布里珀羅腔的新穎的全光纖型器件結(jié)構(gòu).理論分析表明這種器件與普通的法布里珀羅腔具有很多相似特性,但這種器件由于只需要兩個光纖

3、方向耦合器,因而使制作簡單性能穩(wěn)定,成本降低.1理論分析圖1給出了基于由光纖耦合器構(gòu)造全光纖型法布里珀羅腔的理論模型,它由兩個光纖光柵組成.其中光纖耦合器DC1中心到光纖耦合器DC2中心的距離分別為l1和l2,光纖方向耦合器的耦合系數(shù)為i(i=1,2.假設(shè)整個系統(tǒng)的光纖由單模光纖構(gòu)成,則光纖中傳輸?shù)膶?dǎo)模只有正、反向傳輸?shù)幕?它們都與波長以及偏振無關(guān)6,為討論簡單,忽略光纖傳輸損耗和光纖耦合器的插入損耗.用E in i(i=1, 2表示從耦合器端口輸入的光場,E out i(i=1,2,3,4為耦合器端口的輸出光場.則光纖方向耦合器的光振幅傳輸矩陣為5,6:E out3E out4=cosi

4、sin i sincos E in1E in2(1圖1全光纖型法布里珀羅腔結(jié)構(gòu)Fig.1Conf iguration of allf iber F abryPerot cavity在圖1中,假設(shè)輸入光場為E in1(i(i=0,1, n,從模型端口1輸入,端口2無輸入.E in1(i首先被耦合器DC1分為兩路光,一路光從端口2輸出;另一路光傳輸?shù)鸟詈掀鱀C2后,被耦合器DC2分解,透射光從端口3輸出,反射光經(jīng)DC2后沿l2返回到DC1;再次被耦合器DC1分成兩束光,如此循環(huán),形成了多束光.由式(1并考慮到光波在光纖l1,l2中產(chǎn)生的相移,可以得到模型各端口的輸出光場.E out2=sin1+e

5、-jl sin21+e-jl sin1sin2i E in1(2E out3=e-il1cos1cos21+e-il sin1sin2E in1(3E out1=0,E out4=0(4其中l(wèi)=l2+l1.由光強定義I i=|E out i|2寫出各端口的輸出光強3收稿日期:20041118作者簡介:章寶歌(1980,女,河南焦作人,碩士生.第3期章寶歌等:用兩級方向耦合器組成的全光纖型法布里珀羅腔I out2=sin21+sin22+2sin1sin2cosl1+sin21sin22+2sin1sin2co slI in1(5I out3=co s21co s221+sin21sin22+2

6、sin1sin2co slI in1(6I out1=0,I out4=0(6如果將輸入光改為從模型端口2輸入I in2(i,式(5(7中I i的下角標(biāo)i可以互換,即12,34;為了與普通的法布里珀羅腔便于比較,假設(shè)1=2 =,sin2=R,I out2/I in1為器件的光強反射率R F2P, I out3/I in1為器件的光強透射率T F2PR F2P=F sin2(/21+F sin2(/2,R F2P=11+F sin2(/2(8其中,F=4R/(1-R2;=l+.很明顯,如果將式(8中的sin和cos與普通的法布里珀羅腔的反射系數(shù)和透射系數(shù)視為等同,和普通法布里珀羅腔中相鄰光束光程

7、差引起的相位差相對應(yīng),則式(8和普通法布里珀羅腔的光強反射率及透射率的數(shù)學(xué)表達(dá)式完全一樣.2特性討論2.1輸出特性雖然圖1顯示的全光纖型法布里珀羅腔結(jié)構(gòu)和光纖MachZehnder干涉儀很相似,同由兩個光纖耦合器級聯(lián)組成.光纖MachZehnder干涉儀是基于雙光束干涉原理的,其帶通形狀為正弦型,采用多級MachZehnder干涉儀串聯(lián)結(jié)構(gòu),或?qū)⒐饫w環(huán)加入MachZehnder某一臂中,經(jīng)過合理優(yōu)化,可以得到平頂帶通的波長交錯濾波器,但實現(xiàn)條件比較苛刻,且輸出光譜的半寬度1/2都比較寬5,在實際應(yīng)用中有時不能滿足要求.圖2a給出了本文提出全光纖型法布里珀羅腔透射端口3和光纖MachZehnde

8、r干涉儀對波長的響應(yīng)輸出曲線的對比圖.圖中實線對應(yīng)全光纖型法布里珀羅腔透射端口3對波長的響應(yīng)輸出曲線,虛線為MachZehnder干涉儀對波長的響應(yīng)輸出曲線.可以看出,在兩者輸出光強峰峰間距相等的條件下,法布里 珀羅腔的干涉條紋非常細(xì)銳,而MachZehnder干涉儀的干涉條紋相對較寬,其帶通形狀為正弦型.2.2耦合器耦合系數(shù)的影響從式(5可以看出,光纖耦合器耦合系數(shù)的大小直接影響著端口2的輸出光譜,掌握耦合器耦合系數(shù)與I out2的關(guān)系,對設(shè)計和應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)的窄帶圖2全光纖型法布里珀羅腔端口和MachZehnder 干涉儀的波長的響應(yīng)輸出的曲線Fig.2Output w avelength

9、response of the potr3of allfiberF abryPerot cavity and MachZ ehnder interferometer多通道濾波器是非常必要的.圖3顯示了端口2輸出光強與耦合器DC1、DC2耦合系數(shù)的關(guān)系,圖中基本參數(shù)與圖2a一樣.可以看出,I out2與co s1成拋物線關(guān)系, 與cos2成線性關(guān)系,都對輸出光強I out2有很大的影響.設(shè)計和制作這種結(jié)構(gòu)的光學(xué)濾波器,光纖耦合器DC1最好選取3dB光纖耦合器,DC2的耦合系數(shù)(cos2可以作為輸出光強的調(diào)節(jié)器.因此,這種結(jié)構(gòu)的光學(xué)反射器有著更大的靈活性和實用性.a I out2與耦合系數(shù)cos1

10、的關(guān)系99蘭州交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版第24 卷b I out2與耦合系數(shù)cos2的關(guān)系圖3I out2與耦合系數(shù)cos1和cos2的關(guān)系Fig.3T ransmissivity of2port under cos1and cos1圖4是輸出光強I out2和光纖耦合器DC耦合系數(shù)co s的關(guān)系圖.為了便于比較,基本參數(shù)仍然同圖2a一樣,耦合系數(shù)cos在圖4a圖4d中分別為1/10,1/4,3/4和7/8,虛線對應(yīng)于無光纖環(huán)和耦合器DC時的輸出光強I out2與光波長的關(guān)系.可見,耦合器DC耦合系數(shù)cos越小,光的單色性差,譜線的半寬度1/2越寬,當(dāng)cos=1/10時,半寬度1/2已基本上與無

11、光纖環(huán)時的狀態(tài)相近;隨著耦合系數(shù)cos的逐步增大,譜線的半寬度1/2變得越來越窄,光的單色性有了顯著的改進(jìn),但主譜線兩旁出現(xiàn)的旁瓣強度也逐漸增強.因此,在設(shè)計和制作這類反射器時應(yīng)根據(jù)實際需要合理選擇耦合系數(shù)cos .圖4I out2與耦合系數(shù)cos的關(guān)系Fig.4T ransmissivity of2port under different cos3結(jié)論本文在理論上推導(dǎo)了用兩個方向耦合器組成的全光纖型法布里珀羅腔的一些特性,并進(jìn)行了一定的分析和比較,得出:這種器件與普通的法布里珀羅腔具有很多相似特性,但這種器件由于只需要兩個光纖方向耦合器,因而使制作簡單,性能穩(wěn)定,成本降低;可以通過改變耦合器

12、的耦合系數(shù),可以降低光譜的半寬度1/2.在一定的范圍內(nèi),可提高工作光波長的單色性,在波分復(fù)用,尤其是密集波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用前景.綜上,該光學(xué)反射器在實際設(shè)計和制作中有著更大的靈活性和實用性,其結(jié)果可以為今后該器件的制作及關(guān)鍵技術(shù)的解決提供參考.參考文獻(xiàn):1Urquhart P.Transversely coupled fiber FabryPerot re2sonatorJ.Theory Appl.Opt.,1987,26(3:456463.001第3期章寶歌等:用兩級方向耦合器組成的全光纖型法布里珀羅腔2Barnsley P,Urquhart P,Millaretal C.F

13、iber FoxSmith re2sonators:application to singlelong itudimalmode opera2 tion of fiber lasersJ.J.Opt.S oc.Am.(A,1988,6(8: 13391346.cw fiber laser using allfiber reflectorsJ.Appl.Opt.,fiber resonatorJ.Opt.Lett.,1982,7(6:288290. 5龐勇,蔣佩璇,徐大偉.四端口全光纖反射器J.光子學(xué)報,1997,26(2:144148狀濾波器的分析J.光子學(xué)報,2003,32(3:314317

14、A Kind of Allf iber R eflector Using Tw o Directional CouplersZhang Baoge,Peng Jing,Wen Duzhong(School of Information and Electrical Engineering,Lanzhou Jiaotong University,730070,ChinaAbstract:A kind of allfiber FP cavity using two directional couplers is proposed,and it s basic st ruct ure is show

15、ed.The modulus,reflection and t ransmission of p hoticfield and p hotic intensity are st udied.Furt her2 more t he outp ut characteristic is compared wit h MachZehnders,and t he result s can provide reference for t he fact ure of t he inst rument and t he solution of key technology.K ey w ords:fiber

16、 communication;directional coupler;fiber reflection(上接第90頁5Eugene T Lin,Christine I Podilchuk,Edward J.Delp.Detection of image alterations using semif ragile water2marksA.Proc.of SPIEC.San Jose,CA:2000, 3971:152163.B lind W atermarking T echnology B ased on W avelet T ransform and Cosine T ransformY

17、ang Shuhong,Wang Jiangtao(Mechanical and Electrical Technology Institute,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou730070,ChinaAbstract:A new type of blind watermarking technology,which has t he advantage of adopting watermarking embedding algorit hm is int roduced based o n wavelet t ransform and cosine transform,so t he original image isnt necessary when picking up watermarking and t he t ransparency and robust ness of digital watermarking syste