低偏振相关损耗全息光栅波分复用器的设计

作者:成丽华;宋军;王建 刊名:光子学报 上传者:缪凌鸿

【摘要】对基于掺杂铌酸锂材料的体光栅波分复用器主要结构和光栅记录参量提出了一种优化设计方法.采用严格耦合波理论,对两种偏振不同入射角和不同记录晶体厚度下的器件关键性能参量,如插入损耗和偏振相关损耗等进行了优化.数值结果证明采用优化设计的晶体厚度和光栅记录时的入射角,在获得相当低的偏振相关损耗的同时,也能够获得较低的插入损耗,实现了综合性能优化的波分复用器设计.实验结果证明用优化设计的参量能有效降低波分复用器件的插入损耗和偏振相关损耗.

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0引言以LiNbO3材料为主的光折变全息材料[1]目前在光学相关各领域,如光学图像处理,体全息光存储,波分复用等,均得到了广泛运用,且其优越性日益显著密集波分复用(DWDM)技术[2,3]是光纤通信增容,建设大容量光传输网的最佳手段,波分复用/解复用器件是波分复用系统中的关键元件之一光折变全息术应用于光通信中的波分复用技术[4]是近来兴起的一种技术,并以其制作工艺简单,角度和波长选择性好,衍射效率高,对偏振的影响容易控制等优势得到广泛关注因而随着光通信和全光网络的迅速发展,目前有许多基于光折变全息光栅的波分复用器的工艺改进,性能优化及原理研究等方面的工作正在开展并取得了较大的进展对于光折变全息光栅波分复用器件,由于加工以及实验过程器件的废品率相对较高,而对波分复用器件综合性能的检测费用却比较昂贵,因此有效的预知记录光栅特性对器件解复用性能的影响,选择能使光栅达到最佳效果的光折变材料的尺寸和记录时的最佳角度等参量,可以适当地避免不必要的资金和人力浪费本文采用严格耦合波分析[5,6],对不同厚度的晶体,在两种偏振下以Bragg角入射时的损耗进行模拟分析,从而选取了偏振相关损耗(PDL)较低,同时又能保证较低插入损耗的最佳厚度改变入射角大小,对每个特定的入射角,可以找到相应的最佳晶体厚度对这些最佳厚度对应下的器件性能再进行综合比较,最终确定了最佳的入射角度和最佳的晶体厚度,此时器件可以获得较优越的综合性能1基本原理光折变全息应用于波分复用技术,是通过角度、空间频率复用的方法,在同一块晶体中写入不同空间频率的Bragg光栅对于一束含有多波长复用的信号光,通过光纤入射在该晶体上时,每一波长均对应于晶体内某一特定的光栅,恰好满足Bragg条件,从而在相应衍射级上得到最大的衍射效率,实现解复用功能其光栅读出和写入的原理[7]如图1通常光折变记录的光栅是电子光栅,电子常温活跃,因此性能不稳定,不能满足波分复用需要,当掺入金属离子(如铁等),利用离子常温不活跃而高温活跃的特性,通过退火,在高温下让离子补偿电子光栅,再迅速降到室温,就形成了常温稳定的离子光栅,可以满足波分复用的需要图1光折变全息Bragg光栅生成实验Fig.1Theexperimentalset-upformakingaBragggratingwithphotorefractivehologram然而,对一个波分复用器,不同偏振的插入损耗差,即PDL也是影响器件性能的一个重要参量[8]实际上,每个器件都表现为一种偏振相关传输由于传输信号的偏振不仅局限于光纤网络之内,因此器件的插入损耗随偏振状态而异这种效应会沿传输链路不可控制地增长,对传输质量带来严重影响个别器件的PDL会在系统内造成大的功率波动,从而提高了系统的比特错误率,甚至会导致网络故障结合偏振模色散(PMD),PDL可能成为脉冲失真和扩散的主要来源目前,抑制PDL的不同方法在一些文献中已经被提及[9]而在本文中,从选取适当的光束入射角和晶体厚度的方向来考虑,采用严格耦合波理论来计算对特定入射角,不同厚度体光栅在不同偏振态的插入损耗和PDL,使器件的插入损耗和偏振相关损耗综合起来达到一个最低值,以达到对器件性能进行优化的目的考虑的全息光栅如图2,以垂直入射平面偏振的电磁波(H模式)入射到光栅的衍射情形为例,则图2全息光栅衍射Fig.2Geometryforholographicgratingdiffraction电场只有y分量,可以表示为:-E=yEy(x,z)e-jt,y为y方向上的单位矢量对于TE偏振的入射平面波,电场满足下列波动方程2Ey

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