第35卷 第12期2008年12月
中 国 激 光
C H IN ESE J OU RNAL O F L ASERS
Vol.35,No.12
December ,2008
文章编号:025827025(2008)1221919205
李淳飞 臧志刚
(哈尔滨工业大学理学院物理系，黑龙江哈尔滨150001)
摘要 提出用一根掺铒光纤连接两个对称的长周期光纤光栅(EDF 2L PF G )对构成的新型全光开关。数值模拟了在交叉相位调制下对应于不同抽运功率的信号光的透射谱；还研究了在不同光栅的有效折射率调制幅度和光纤吸收系数下，信号光透射率随抽运光功率的变化。导出了器件的阈值开关功率公式。ED
F 2L PF G 对光开关的阈值开关功率比单L PF G 光开关的开关功率降低了5个数量级，不到25mW 。关键词 光纤光学；全光开关；长周期光纤光栅；掺铒光纤；低阈值开关功率
中图分类号 TN 929.11 文献标识码 A doi :10.3788/CJL20083512.1919
Optical Switching in a Nonlinear 2Fiber Connected
Long 2Period Fiber G rating Pair
Li Chunfei Zang Zhigang
(De partment of Physics ,H arbin I nstitute of Technolog y ,Harbin ,Heilong j iang 150001,China )
Abstract A new all 2optical switching device ,which is constructed by connecting an erbium 2doped fiber with two symmetrical long 2period fiber gratings (EDF 2L PF G )pair was proposed.The transmission spectra of signal light for different pump powers in cross 2phase modulation are simulated ,and the transmissions of signal light as a function of the pump power under different effective index change and absorption coefficients are also discussed.The formula for threshold switching power of EDF 2L PF G pair switch is derived.Compared with the single L PF G switch ,the threshold switching power of EDF 2L PF G pair switch is dramatically reduced by 5orders ,less than
25mW.Such kind all 2optical switch is hopef ul to be used in f uture all 2optical communication.K ey w ords fiber optics ;all 2optical switching ;long period fiber grating ;Er 3+2doped fiber ;low threshold switching power
收稿日期:2008203214；收到修改稿日期:2008204230
作者简介：李淳飞(1938—)，男，江西人，教授，主要从事非线性光学、光子技术以及广泛应用于光通信、光计算和光传感
中的光开关器件方面的研究。E 2mail :cfli @yahoo
1 引 言
长周期光纤光栅(L PF G )具有插入损耗小、背向反射弱、传感特性好以及制作成本较低等优点，在光纤通信和光纤传感领域有着广泛的应用前景，它可以使掺铒光纤放大器获得理想的平坦增益谱[1,2]，可以做成高性能的滤波器[3]和传感器[4～6]，还可以用来做全光开关。J.Eggleton 等[7]提出用单个L PF G 构成全光开关，并进行实验验证。其原理是用强光改变光纤光栅的折射率，进而改变光栅的中心波长，当光栅中心波长移动半个谱宽，即可实现对信号光输出功率的开关转换。然而单个L PF G 的透射谱较宽(一般大于20nm )，而且石英光栅的非线性系数很小(n 2≈10-20esu )，需要大到
20GW/cm 2(200W/μm 2)的激光光强才能移动半
个谱宽，对于截面为50μm 2的石英光纤，相当于阈值开关功率达到104W 。这样高的开关功率，在实际
光通信中是不实用的。因此本文提出:1)将一对L PF G 组成一个马赫2曾德尔(M 2Z )干涉仪，其透射
光谱变成多个窄带组成的干涉峰，每峰的带宽很窄，可以成十倍地降低阈值开关功率。2)以非线性光纤，如掺铒光纤(EDF )(n 2≈10-15esu )代替普通光纤连接两个光栅，使介质的非线性系数增加5个数量级，由于阈值开关功率与非线性折射率成反比，阈值开关功率将降低5个数量级。采取以上两个措施，将使阈值开关功率降低5个数量级，即降为毫瓦量级，这与光通信中光信号的功率接近，因此这种光
开关器件有望在光通信中获得应用。
2 非线性L PF G 对光开关的工作原理
新的全光开关的工作原理如图1所示，波长为1550nm 的信号光与波长为980nm 的抽运光，通过波分复用器(WDM )一起耦合进入在两个L PF G 之间连接一根非线性光纤组成的器件———非线性L PF G 对。设两L PF G 是线性器件，非线性光纤采
用掺铒光纤。输出端装有一个滤波器，用以滤除抽运光，后面有一个电光探测器,
将光信号变为电信号，再送入示波器。抽运光引起掺铒光纤的折射率发生变化，使通过器件的信号光中的纤芯模和包层模间产生附加的相位差，致使器件的透射谱向长波方向移动半个谱宽，从而实现对信号光强的开关作用。
图1非线性掺铒光纤连接的长周期光栅对
全光开关原理图
Fig.1Schematic of all 2optical switch in a nonlinear
EDF connected L PF G pair
3 无抽运光作用时L PF G 对的透射谱
只考虑信号光对L PF G 对的作用，根据长周期
光纤光栅对的模式耦合理论，第一个L PF G 将入射的信号光的纤芯模部分地耦合为包层模(模式2)，它与剩余的纤芯基模(模式1)同向传输，两者在第二个L PF G 处干涉，再被耦合回纤芯中。可以把两光栅的作用视为耦合器,L PF G 对则如同M 2Z 干涉仪，模式1和模式2分别在M 2Z 干涉仪的两臂中传播。假设在两个L PF G 间同向传输的纤芯模和包层模在输出端的场振幅分别为A 1(z )和A 2(z )，设初
始条件为A 1(0)=1,A 2(0)=0,d 和L 分别为光栅长度和两L PF G 的间隔，则信号光通过L PF G 对的透射光振幅可用传输矩阵来描述
A 1(L +2d )A 2(L +2d )
=e
i (β1+β2)d
e i K
2d 0
e -i K
2d t r
r t
3
×e i β
1L 00e i β
2L e -α1L
00
e
-α2L
×
e
i K
2d
00
e
-
i K
2d
t r
r t 3
10
,(1)
式中K 为光栅波矢,K =2
π/Λ，其中Λ为光栅常数。α1和α2分别为纤芯模和包层模的吸收系数。β1和β2分别为纤芯模和包层模的传播常数:β1=(2π/λ)n ′和β2=(2
π/λ)n ″,n ′和n ″分别为介质对纤芯模和包层模的有效折射率,λ为入射光的波长。t 和r 分别为入射光通过单个L PF G 的透射系数和反射系数，由耦合方程可求得
t =cos (κ2+δ2
d )+i
δκ2+
δ2
sin (κ2+δ2
d ),(2)r =i
κκ2+δ
2
sin (κ2+δ2
d ),(3)
式中κ为两模式间的耦合系数，有κ=软母排
πδn eff
λ
,δn eff 为光栅模式平均有效折射率调制幅度。
(2),(3)式的t 和r 主要由参数δ决定,δ是失谐量，定义为
δ=12(β1-β2)-2πΛ=πΔn 01λ-1λD ,(4)式中Δn 0=n ′-n ″，表示在线性情况下介质对纤芯模和包层模的有效折射率之差;λD =Δn 0Λ为谐振波长。
可以推得入射光通过L PF G 对的透射率公式为[8]
T pair =
T exp (i Δ<)-γR
2
=
提前放电避雷针T 2
+γ2酒精壁炉
R 2
-2
γT R co s Δ<,(5)
式中T =
t
2
和R =r
2
,γ为光在非线性光纤中
的损耗系数,γ=exp [-(α1+α2)]L 。一般α2µα1。在无抽运光条件下，其中Δ<=Δ<0,Δ<0为纤芯模和包层模经过L PF G 对后的相位差。若两光栅中点间
的距离为L +d (见图1)，则Δ<0为
Δ<0=2π
λ
Δn 0(L +d ),
(6)
取Λ=300μm ,Δn 0=5×10-3,λD =Δn 0Λ=1550nm ,γ=0.8,d =50mm ,L =35cm ,δn eff =0.75×10-5，由(2)～(6)式算得L PF G 对的透射谱
如图2所示。图2中还画出了同参数的单个L PF G 的透射谱(虚线)，以供比较。
从图2可见,L PF G 对的透射谱是在原单个L PF G 的宽透射谱范围内形成的等间隔的、线宽极
窄的多个干涉峰，这些干涉峰是周期性的余弦函数
谱。由于两干涉峰的间距S 对应于相位差Δ<0为2π时的波长变化Δ
λ，即S =Δ
λ2
πΔ<0
,(7)
0291中 国 激 光 35卷
图2当光栅谐振波长为λD =1550nm 时L PF G 对
的透射谱与单个L PF G 透射谱比较
Fig.2When the resonance wavelength is λD =1550nm ,
the transmission spectra for both the L PF G
pair and the single L PF G
由(6)式，有Δ<0=
d <0霓虹灯变压器
d
λΔλ=-2πλ2Δn 0(L +d )Δλ，再利用(7)式可求出干涉峰的间距为
S =λ
2Δn 0(L +d )
。
(8)
可见干涉峰间距与有效折射率差及两光栅中心的距离成反比。图3给出了波长λ=1550
nm ,Δn 0=5×10-3和d =50mm 时，干涉峰的间距S 与两光栅间隔的关系。可见当两光栅间隔小于10cm 时，峰间距对光栅间距很敏感，两光栅间隔越小，峰间距越大。而当两光栅间隔L 大于30cm 时，峰间距的变化不大。
图3λ=1550nm 时，干涉峰间距S 与两光栅的
间距L 的关系
Fig.3Dependence of the f ringe spacing on the interval between two L PF Gs when the wavelength is 1550nm
4 不同参量对透射率与抽运功率关系
的影响
4.1 不同抽运光功率下的透射谱
根据光克尔效应，抽运光会引起介质折射率发生变化。这里假设抽运光强度引起线性光栅折射率
的变化可以忽略，只考虑掺铒光纤折射率的变化。在z 点处掺铒光纤折射率的变化为
Δn (z )=2n 2P (z )A =2n 2P (0)e -αz
A
,(9)
式中P (0)为z =0处入射抽运光的功率,α为掺铒光纤对抽运光的吸收系数,A 为抽运光在光纤中的
模平均面积,n 2为非线性折射率系数，对掺铒光纤,
n 2=2.7×10
-15
m 2/W [9]。因此当信号光通过非线
性L PF G 对后，其相位变化可分为线性与非线性两部分
Δ<=Δ<0+Δ<NL ,(10)
其中Δ<0由(6)式表述;Δ<NL 是在信号光传输间隔L 后的非线性相位变化(这里假设L µd )，则有
Δ<NL =∫L 02π
λΔn (z )d z =4πn 2P (0)αλA
(1-e -αL ),(11)
可见相位变化与入射抽运光强度及非线性折射系数成正比。将(6),(10)和(11)式代入(5)式，以算出在不同抽运光功率下，信号光波长在1548～1552nm 范围内非线性L PF G 对的透射谱如图4所示。数值模拟时选取数据:λ=1550nm ,A =50μm 2,n 2=2.7×10-15m 2/W ,d =50mm ,α=0.012cm -1,
δn eff =0.75×10-5。可见当抽运光功率P (0)增大时，非线性L PF G 对的透射谱向长波方向移动
。对比图4(a )和图4(e )可以看出，当P (0)增大到23.89mW 时，实现了相位差Δ<=π，透射谱移动了半
个干涉峰间隔(S/2)，也就是完成了开关动作。
图4在不同抽运光功率下L PF G 对的透射谱
Fig.4Transmission spectra of the L PF G pair under
different pump powers.(a )0mW ;(b ) 5.31mW ;(c )10.16mW ;(d )16.28mW ;(e )23.89mW
4.2 光栅的有效折射率调制幅度
δn eff 对透射谱的影响
在数值模拟中，发现光栅的有效折射率调制幅度δn eff 对透射谱和开关特性有明显的影响，如图5
1
29112期 李淳飞等：用非线性光纤连接的长周期光栅对的光开关特性
所示。图5(a )～(d )表示δn eff 分别为0.75×10-5,0.96×10-5,1.11×10-5,1.25×10-5时的透射谱,
其所取参数与图4相同。表明随着δn eff 的增大，在
1550nm 谐振波长附近的干涉峰的消光比逐渐减小，这对光开关不利
。
图5在不同有效折射率调制幅度δn eff 下的非线性
L PF G 对的透射谱
Fig.5Transmission spectra of the nonlinear L PF G pair
under different
δn eff
图6在不同的δn eff 下，波长为λ=1550nm 的信号光
的透射率随抽运光功率的变化
Fig.6Transmission of the signal light at λ=1550nm as a f unction of the pump power under different δn eff
手机滑轨图6为在不同光栅有效折射率调制幅度δn eff
下,λ=1550nm 时信号光的透射率随抽运功率的变化规律，可以看出，在抽运光功率范围相同的情况下，随着δn eff 的增大，对于相同波长的信号光(λ=1550nm )，其开关的对比度(开启和关闭的透射率
之比)变小，甚至会使开关现象消失。
4.3 不同损耗系数下透射率与抽运功率间的关系
图7给出了信号光波长为λ=1550nm 时，对于不同损耗系数γ，信号光的透射率随抽运光功率的变化规律。可以看出，随光纤掺杂浓度的增大，吸收增大,γ=exp (-α2d )
减少，开关的对比度也减小。
图7信号光波长λ=1550nm 时，在不同损耗系数下
信号光透射率随抽运光功率的变化
Fig.7Transmission of the signal light at λ=1550nm as
a f unction of the pump power under different loss
coefficients γ
4.4 非线性LPFG 对的阈值开关功率
非线性L PF G 对实现开关的必要条件是Δ<NL
=π，由(11)式可得，实现开关所需要的阈值开关功率P th 为
P th =λA α4n 2(1-e -α
L )
。(12) 从图6和图7可见，对于本文设计的用掺铒光纤连接的L PF G 对，开关的阈值功率仅为23.89m
W 。与单个长周期光纤光栅的光开关功率[7]相比，非线性L PF G 对的开关功率降低了约5个数量级。从(12)式可见，阈值功率P th 与光纤的非线性折射系数n 2成反比，与光纤的有效截面成正比。若减少光纤的横截面，提高光纤的非线性系数可进一步降低阈值开关功率。阈值功率P th 与吸收系数α
的关系如图8所示。
图8阈值开关功率P th 随吸收系数α的变化
Fig.8Variation of the threshold switching power P th as
a f unction of the parameter α
吸收系数α与光纤中掺铒离子浓度有关，一般
铒离子掺杂浓度越大，吸收系数α越大，由图8可见，对于同样长度的掺铒光纤，阈值功率P th 也就要求越高。但是铒离子掺杂浓度大也意味着非线性折射
2291中 国 激 光 35卷
系数n2越大，由(12)式可见，这有利于降低阈值开关功率，因此适当地选择掺铒光纤的掺杂浓度是重要的，这对光开关器件阈值功率有很大的影响。
5 结 论
提出了一种含有非线性光纤的双长周期光纤光栅的全光开关。其工作原理是通过抽运光对非线性光纤
的光克尔效应，实现对信号光的交叉相位调制。用数值模拟方法，研究了在不同失谐量与不同吸收系数下信号光的透射率随抽运光功率的变化规律。还推导了器件的阈值开关功率公式，讨论了非线性折射率和吸收系数对开关功率的影响。计算结果表明，与单个长周期光纤光栅全光开关相比，设计的掺铒光纤连接的L PF G对的开关阈值功率比单L PF G 开关器件降低了5个数量级。
参考文献
1 M.Harurnoto,M.Shigehara,H.Suganurna.Gain2flattening filter using long2period fiber gratings[J].J.Li ght w ave
Technol.,2002,20(6):1027～1033
电脑视保屏2 I.B.Sohn,J.W.Song.Gain flattened and improved double2 pass two2stage EDFA using microbending long2period fiber gratings[J].Opt.Commun.,2004,236:141～1443 Liu Bo,Tong Zhengrong,Chen Shaohua et al..A novel met hod of edge filter linear demodulation long2period grating in fiber sensor system[J].Acta Optica S inica,2004,24(2):199～202
刘 波，童峥嵘，陈少华等.一种长周期光纤光栅边沿滤波线性解调新方法[J].光学学报,2004,24(2):199～202
4 Gao Kan,Zhou Y ingwu,Lin Feng et al..A novel pressure sensor based on long period fiber grating[J].Chinese J.
L asers,2004,31(8):997～1000
高 侃，周赢武，林 峰等.基于长周期光纤光栅的压力传感器[J].中国激光,2004,31(8):997～1000
5 Xu Yanping,Gu Zhengtian,Chen Jiabi et al..Structure optimization of long2period fiber grating gas2sensing film sensors [J].Acta O ptica S inica,2006,26(3):326～330
徐艳平，顾铮 ，陈家璧等.长周期光纤光栅气敏薄膜传感器结构优化[J].光学学报,2006,26(3):326～330
6 Wang Jiuling,Rao Yunjiang,Zhu Tao.High2temperature and strain characteristics of long period grating wit h asymmetric refractive index profile in t he cross section of fiber[J].Chinese J.Lasers,2007,34(3):389～392
王久玲，饶云江，朱 涛.截面折变非对称型长周期光栅高温应变特性[J].中国激光,2007,34(3):389～392
7 J.Eggleton,R. E.Slusher,J. B.J udkins et al..All2optical switching in long2period fiber gratings[J].Opt.Lett.,1997, 22(12):883～885
8 H.L.Byeong,Nishii J unji,Dependence of fringe spacing on t he grating separation in a long2period fiber grating pair[J].
A p pl.Opt.,1999,38(16):3450～3459
9 R.H.Pantell,M.J. F.Digonnet,R.W.Sadowski.
Analysis of nonlinear optical switching in an erbium2doped fiber [J].J.Li ght w ave Technol.,1993,11(9):1416～1424
3291
12期 李淳飞等：用非线性光纤连接的长周期光栅对的光开关特性
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议