光纤型热光可调光衰减器的设计及其衰减分析

1
引
言
可调光 衰 减器 [ 3~ 5] 、 微机 电 系统 ( M EM S) 光 衰减 器[ 6 , 7] 和平面波导型光衰减器[ 8, 9] 等。其中 , 光纤可 调光衰减器具有结构简单、 插入损耗小、 成本低、 可 直接与光纤或作为尾纤与其它波导器件对接等突出
可调光衰减器 ( V OA ) 的用途是降低或 控制光 信号 , 按其工作原理大致可分为以下几类: 机械型分 立式微光学衰减器[ 1] 、 液晶型可调光衰减器[ 2] 、 光纤
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相当。 使用数值解法求解 ( 7) 式得到 w 后 , 代入( 1 ) 式 可得到相应 的衰减量 , 各 参量取为 a 1 = 4 . 1 m, w 0 = 4. 6 m, n 1 = 1. 4675 , 1 = 0. 36% 。 计算结果 表明 : 当涂覆材料折射率改变时 , 求解得到的 w 值 和衰减值也相应改变。 当 s 分别取 0 、 1 m、 2 m和 4 m 时 , 不同涂覆材料折射率时的衰 减如图 2 所 示。 从图中可看出, 在涂覆材料折射率与包层折射率 的关系为 n3 < n2 时 , 同一曲线上的衰减值变化很 小, 不同 s 的曲线之间的衰减差别也不大 ; 当 n3 = n2 时, 无论 s 的 取 值 范 围如 何 , 衰 减 均 为 最 小; 当 n3 > n2 后 , 随着 n3 的小范围变化衰减迅速增加。
: ( 1)
其中 k 0 = 2 / 为真空中的波数。 由于 定值, 因而满足 d 对 ( 5) 式求导得 1 + 2k 0 r
0 2 2 2
是一个稳
.
/ dw = 0,
2
可调光衰减器的基本结构和可调原理 光纤模场可调衰减器的基本结构如图 1 所示 :
单模光纤纤芯直径为 a1 , 折射率为 n1 ; 将单模光纤 上一段长度为 Z 的包层腐蚀 , 其剩余厚度为 s, 称为 内包层, 折射率为 n2 ; 在内包层外涂覆上热光系数 大的聚合物材料外包层, 折射率为 n 3 :
1788
光
学
学
报
26 卷
的优点而具有广泛的应用前景 , 但有关光纤模场( 热 光) 控制的可调光衰减器研究却很少。 光波导的光场分布主要是由折射率的空间分布 和波导的几何结构所决定, 因此改变光纤包层折射 率, 将改变光纤中光束的传输特性。据此本文提出 一种结构简单的光纤型热光可调光衰减器的设计方 案: 通过腐蚀光纤包层, 使包层剩余厚度少于一定值 后, 在其表面涂覆较大热光系数的聚合物材料得到。
图 1 可调光衰 减器基本结构示意图 F ig . 1 Diagr am of va riable o pt ical attenuato r
1
, 由 ( 7 ) 可推 导出
当 s 较大时, 涂覆材料对光纤内光能分布的影 响可忽略不 计, 此时 w 值与普通单模 阶跃型光纤
12 期
黄旭光等 :
光纤型热光可调光衰减器的设计及其衰减分析
2* *
张小康
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
冯金垣
2
罗
坚
2
1 华南师范大 学光子信息技术广东省高校重点实验室 , 广州 510630 2 华南理工大 学物理科学与技术学院 , 广州 510640 摘要 : 提出了一种基于热光调节的可调光衰减器结构。该衰减器通过 腐蚀光纤包层到一 定厚度和长度后 , 在表面
涂覆较大热光系数的聚合物材料得到。从模场变化角度分析了传输光束的衰减与涂覆材料折射率的关 系, 并从实验 上测试了使用不同涂覆材料时的衰减。理论分析与实验结果均表明 在涂覆材料折射率 略大于原光纤包层 材料折射 率时 , 涂覆材料折射率微小的变化将引起传播光束衰 减的大幅度变化 , 并且光纤被腐蚀 的长度越长或包层 材料剩余 厚度越小 , 衰减越大。因此 , 由热光系数大、 折射率略 大于光纤包层的聚 合物材料所组成的 可调光纤衰减器 , 具有衰 减调节范围大且功耗小、 插入损耗小、 成本低、 低偏振特性、 易于与其它光纤器件耦合或集成等特点。 关键词 : 光纤通信; 可调光衰减器 ; 热光效应 ; 聚合物 ; 光波导器件 文献标识码 : A 中图分类号 : T N253
n 3 = n3 +
n,
n3 为初始温度 t0 时聚合物折射率, n 由材料热光系 数 n/ T 和温度变化范围 T 决定 : n= n T. T
调节涂覆材料温度, 将使其折射率变化 , 光纤 模场 w 也产生相应变化 , 从而可实现传输光束的衰 减调节。 2. 2 可调光衰减器的模场变化分析 下面将使用双包层光纤模型 ( DCM ) 对模场变 化情况进行分析。 令
Design and Attenuation Analysis for Fiber - Typed Variable Optical Attenuator Based on Thermo -Optic Effect
H uang Xuguang 1 Ye Xiaojing 2 Zhang Xiaokang 2 Feng Jingyuan2 L uo Jian 2
1 L abor ator y o f Photonic I nf or mation T echnolog y , South China N or mal Univ er sity , Guangz ho u 510630 2 Schoo l of P hy sics , S outh China Univer sity of T echnology , Guangz ho u 510640 Abstract: A fiber - ty pe v ariable o pt ical attenuator ( V OA ) based o n thermo - o pt ic effect is proposed. T he V OA is fabr icated by etching dow n a cer tain depth and leng th o f t he cladding of optical fiber and cov ering w ith po ly mer w ith lar ge thermo - optic co efficient. T he relat ionship of the at tenuatio n and the r efractiv e index o f the substitute is theo retically analyzed in terms of the mode field distr ibution ( M FD ) of the fiber . T he attenuation of the V OA is measured in differ ent substitutes of cladding . It is sho wn theo retically and ex perimentally that the att enuation var ies significantly w hen the refr act ive index o f the substitute has a little chang e, as lo ng as the refr act ive index is slig htly lar ger t han that of the cladding . M o reov er, the longer t he etched fiber o r the thinner t he cladding is, t he larg er the attenuatio n o f the VO A is. T her efore, this fiber - ty pe V O A, w hich is substituted by a po ly mer w ith larg e thermo optic coefficient and r efractiv e index slig htly hig her than that o f the cladding, is of larg e dynamic range, low inser tion loss, low po lar ization - dependent lo ss, lo w pow er consumption and easily co upled or integ rated w ith ot her fiber - optic components. Key words: optical fiber communication; var iable optical attenuat or; ther mo - optic effect; po ly mer ; optical waveg uide co mpo nent
[ 10, 11]
单模光纤的主要横场分量可以表示为 = 2
1/ 2
2 1 ex p - r ex p( - j z ) , w2 w
( 4)
式中 为导模传播常量。 通过变分运算, 可表示为
2
=
4 k2 0 2r 2 rn 2 ( r ) exp - 2 d r - 22 , 2 w w 0 w
2
( 5)
* 广东省自然科学基金 ( 04010398) 资 助课题。
作者简介 : 黄旭光 ( 1962~ ) , 男 , 华南师范大学信息光电 子科技 学院教授 , 理 学博士 , 美国 迈阿密 大学和 Rensselaer 工 学 院 ( RP I) 博士后 , 主要从事微纳光子学、 光通信和光传感方面的研究。E - mail: huang x g@ scnu. edu. cn * * 通信联系人。E - mail: y exj@ scut. edu. cn 收稿日期 : 2006 - 01 - 10; 收到修改 稿日期 : 2006 - 05 - 26
当 s = 0 时, 是直接调制光纤包层折射率的情况。 参 考文献 [ 11] 中的结果为 1 - 2 n2 1
2 2 k2 0 a 1 exp -
2a2 1 = 0, w2
2
( 8)
( 8 ) 式的数值计算结果与 ( 7) 式中 s = 0 的结果一 致。 因 为 s → 0 时, 有 ( 8 ) 式。
第 26 卷 第 12 期 2006 年 12 月
光 学 学 报 ACT A OPT ICA SINICA
V ol. 26, No . 12 December, 2007
文章编号 : 0253 - 2239( 2006) 12 - 1787 -5
光纤型热光可调光衰减器的设计及其衰减分析*
黄旭光
1
叶晓靖
2 [ 10]
=
2 n2 1 - n2 , 2 2n1
2
=
2 n2 1 - ( n 3) , 光纤径向折 2 2n 1
射率分布为 n2 1, n (r) =
2
r < a1
1 2
n (1- 2 n (1- 2
2 1
2 1
), ),
( a1 + s) > r > a1 r > ( a1 + s) ( 3)
2r - 1 2 2r 2 n ( r ) exp - 2 dr = 0, ( 6) w w 2 a2 1 w2 2( a1 + s) w2
2
将 ( 3) 式代入 ( 6) 并化简后有
2 1 - 2n2 1 k0 1
a2 1 ex p -
(
1
-
2
) ( a1 + s) 2 ex p -
= 0, ( 7)
1
2
工作原理
将单模光纤中某一段的包层腐蚀到一定厚度以
后, 在其外部涂覆上折射率热光可调的材料。当材 料折射率受热光调节发生变化时 , 经过上述处理的 光纤模场发生变化 , 从而引起模场失配甚至导模能 量泄漏衰减。下面从模场变化的角度分析涂覆材料 折射率与衰减的关系。 通常用高斯模型来近似描述单模光纤中光能量 的分布。模 场直 径 ( MF D) 定义 为光 能 量降 低 到 ex p( - 2) 时的光斑直径, 用符号 2w 0 表示, r 为离开 光轴的距 离 , 则 光 纤 截 面上 的 光 强 I ( r ) 按 下 式 分布 : 2r 2 I ( r) = I ( 0) ex p - 2 . w0 如果在模场半径为 w 0 的光纤中插入一段模场 半径为 w 的光纤 , 将共带来模场失配损耗 A A = - 20lg 2. 1 2w 0 w 2 2 w0 + w