X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

В настоящее время особый интерес представляют оптические фильтры в качестве важных компонентов для мультиплексированных оптических сетей с разделением по длине волны, поскольку их динамическое свойство ее выбора может обеспечить высокую производительность системы. Поэтому было предложено множество технологий для внедрения волоконно-оптических фильтров.

В работе приведен обзор современных систем преобразования спектров оптического излучения и приведены результаты опытных исследований.

Поляризованный независимый от длины волны волоконно-гребенчатый фильтр с плоской вершиной. Предлагаемый фильтр имеет достаточно плоскую полосу пропускания и резкую вырезку. Гребенчатый фильтр первого порядка на основе PDLS (системы динамического поворотного освещения) может обеспечить уникальные характеристики пропускания, такие как плоские или узкие полосы пропускания.

Рисунок 1. (а) Принципиальная схема предлагаемого фильтра и (б) схема распространения пути света на основе объемно-оптического представления.

В основе данного фильтра лежит интерферометр Саньяка. Фильтр полосы пропускания можно сделать более узким или более плоским, вводя тип Solc в петлю двулучепреломления обычного SBF. Однако в обычном SBF любая регулировка волновых пластин (которые расположены по обе стороны от цепи PMF) не может играть ту же роль, что и при вращении анализатора на 90° в объемном Solc-фильтре. Хотя, спектры пропускания без присущих вносимых потерь не могут быть получены путем простого управления волновыми пластинами внутри фильтра, этот вопрос можно решить, приняв PDLC. Если мы будем вводить PDLC в качестве структуры фильтра, волновые пластины могут эффективно вращать главные оси PMF по отношению к горизонтальной оси PBS, что делает возможным эффективный поворот на 90° анализатора с точки зрения стационарных PMF.

Комбинация типа Solc из PMF в предлагаемом фильтре может быть легко заменена на сложенную или вентиляторную конструкцию. Перемежения спектра с плоской вершиной можно достичь, просто регулируя HWP в петлю фильтра.

Рисунок 2. Расчетная функция переключения полосы фильтра.

− Поляризационно-независимый гребенчатый фильтр второго порядка, основанный на PDLC, может сделать полосу пропускания намного шире или уже. В реализованном фильтре спектры плоской вершины и узкополосной передачи могут быть получены путем правильной настройки двух HWP.

Рисунок 3. (а) Принципиальная схема предлагаемого фильтра и (b) распространяющийся путь света, когда входной свет передает через выходной порт.

На рисунке показана схема предлагаемого гребенчатого фильтра на основе PDLC, который состоит из PBS, двух HWP (HWP 1 и 2) и трех разделов PMF с одинаковой длиной. На основе типа Solc BC три секции PMF были объединены под углом 30° между соседними главными осями. Для простоты предположим, что горизонтальная и вертикальная оси PBS обозначаются как x и y-оси соответственно. Во-первых, давайте предположим также, что свет, введенный в порт 1 фильтра, представляет собой x-поляризованный свет ( x- поляризация). Затем, как показано по пути по часовой стрелке (CW) на фиг.1 (b) , входной свет распространяется через поляризатор HWP 1, PMF 1, PMF 2, PMF 3, и анализатор HWP 2, вращающийся в направлении CW.

В этой структуре фильтра, с одной стороны, если два угла ориентации HWP 1 и 2 настроены для эффективного поворота поляризатора и анализатора относительно x-оси, можно сделать геометрическое расположение поляризатора, трех PMF и анализатора таким, что это сформирует форму фильтра Solc с тремя BP и поворотным анализатором на 90°, что в свою очередь даст плоскую верхнюю часть второго порядка спектр передачи.

С другой стороны, если поляризатор и анализатор эффективно вращаются относительно x-оси при помощью правильной регулировки HWP, возможно сделать геометрическое расположение оптических компонентов таким, что по сравнению с фильтром Solc с тремя BP, это даст спектр узкополосного пропускания второго порядка, свободный спектральный диапазон сдвигается на половину периода.

То есть, комбинация Solc-типа из трех разделов PMF в предлагаемом фильтре может давать гораздо более плоскую или более узкую полосу пропускания в спектрах выходной передачи, чем фильтр на основе PDLC первого порядка, то есть выходной сигнал фильтра более высокого порядка может быть достигнут посредством простой регулировки HWP в петле волокна фильтра.

Рисунок 4. Расчет спектров пропускания плоской вершины (синей линии) и узкополосной (красной линии) предложенного фильтра.

Поляризационно-независимый гребенчатый фильтр с полосой пропускания. В изготовленном фильтре значение длины волны спектра пропускания с плоской вершиной может быть непрерывно сдвинуто путем соответствующего выбора углов волновой пластинки. Функция непрерывной настройки фильтра может быть выгодно использована в различных приложениях, включая микроволновую и оптическую обработку сигналов, коммутацию волн в многоградусных сетях, многоволновую генерацию и демодуляцию оптического датчика.

Рисунок.5. (а) Предложенный фильтр, (b) путь оптического распространения входного пучка, введенного в фильтр, и (c) эквивалентное расположение двулучепреломляющих элементов для непрерывной настройки спектра пропускания.

Поляризационно-независимый фильтр с гребенчатым профилем основан на PDLS. Предлагаемый фильтр состоит из четырехпортового PBS и двух BE-групп HWP, QWP и PMF. Длины двух сегментов PMF равны. Один конец PMF во второй группе BE соединен стыком с одним портом PBS, так что его медленная ось должна быть ориентирована на 22,5° относительно горизонтальной оси PBS, а другой ее конец связан с QWP во второй группе BE. Спектральная настройка фильтра может выполняться непрерывно с использованием двух сегментов PMF и путем надлежащего управления ориентацией углов волновой пластины вместо дорогостоящих модуляторов двулучепреломления.

Одна из альтернативных технологий для осуществления периодической фильтрации оптического излучения предлагала применение продольных дифракционных решеток Брегга [6]. При этом сама область продольной дифракционной решетки может формироваться многими способами (от механических напряжений и акустических волн, до ультрафиолетовой засветки специализированного волокна). Продольная периодическая структура обычно четко фиксируется в оптическом волокне или другой основе и не подвергается внешним изменениям. Тем не менее для оптимальной работы волоконно-оптических компонент необходимо предусмотреть возможность модуляции и самой формы гребенчатого спектра и ширины пропускания. Для решения этой проблемы разрабатываются схемы распределенных бреговских решеток с неодинаковыми флуктуациями показателя преломления или с переменным периодом. Настраиваемый гребенчатый фильтр с использованием интерферометра Майкельсона, включающий две идентичные аподизированные линейно неоднородные брэгговские решетки (ALC-BG). Интервал каналов можно непрерывно настраивать, изменяя эффективный показатель преломления одного ALC-BG через термооптический эффект. Этот гребенчатый фильтр может предложить большой диапазон настройки интервалов между каналами из-за эффекта медленного света брэгговских решеток.

Рисунок 6 Схема и спектр передачи кремниевого гребенчатого фильтра с перестраиваемым интервалом между каналами

Две встроенные изменяющиеся решетки Брегга подключаются с помощью мультимодового разветвителя 2 × 2 3 дБ для формирования интерферометра Майкельсона. Входной свет в равной степени разделяется 3-дБ мультимодовым разветвителем-соединителем, а лучи с расщепленным светом отражаются обратно, когда они сталкиваются с распределенными решетками Брегга, если длина волны находится в пределах полосы отражения. Следует отметить, что линейная модуляция решетки генерирует линейную групповую задержку, где более короткие длины волн отражаются на переднем конце, тогда как на заднем конце отражаются более длинные волны. Аподирование решетки заключается в подавлении спектральных помех, возникающих при линейной групповой задержке. Если обе линии с продольными дифракционными решетками идентичны, два световых пучка всегда будут конструктивно вмешиваться, чтобы дать единичную передачу. Спектральная ширина единицы передачи определяется полосой отражения фильтра Брегга. Когда показатель преломления одной из дифракционных решеток изменяется, кривая групповой задержки этого элемента сдвигается, что приводит к фиксированной разнице в групповой задержке, испытываемой двумя лучом света. Последовательная интерференция приводит к косинусной модуляции спектра передачи. Если показатель преломления аподированной решетки Брегга непрерывно настраивается, разность групповой задержки и, следовательно, результирующий период модуляции могут непрерывно меняться. Чем больше изменение индекса, тем плотнее становятся гребенчатые каналы. Таким образом, расстояние между каналами гребенчатого фильтра зависит от настройки одной из продольных дифракционных решеток с переменным периодом. [7]. Например, если показатель преломления решетки настраивается Δ n_e = 1,1 × 10 ^-3 через эффект FCD, дополнительные потери составляют около 21 дБ / см, и, следовательно, коэффициент отклонения снижается до 5 дБ. Напротив, эффект TO не вызывает никаких дополнительных потерь и более подходит для настройки фильтра. При использовании резистивного микронагревателя на основе p- i – p структуры, встроенной в волновод тепло будет генерироваться в микронагревателе, что приводит к изменению показателя преломления волновода из - за температурного эффекта.

Другая схема гребенчатого фильтра сформирована на кремниевой основе с использованием интервала Фабри-Перо [8]. Фотонный гребенчатый фильтр представляет собой полость FP, изготовленную на структуре из кремния и изолятора (SOI), которая состоит из двух каскадных зеркальных петлей Саньяка (SLM) с многомодовым интерферометром (MMI) -ассистентными интерферометрами Маха-Цендера (MZI) [7]. Волновод с поперечным сечением 500 нм и толщиной 220 нм покрыт слоем SiO₂. Пять микроэлементов TiN длиной 100 мкм изготавливаются вдоль рукавов MZI (два микроотвода для каждого MZI) и полости FP (один микропереход) для настройки фазовых сдвигов. Учитывая, что два микроотвода вдоль двух плеч каждого MZI имеют одинаковые функции, на самом деле используется только один микроперегреватель для каждого MZI. Следовательно, в эксперименте настраиваются только три микроперегревателя для выполнения настраиваемых операций.

Возможно настраивать три микроперегревателя самостоятельно или одновременно для осуществления операции настройки, что повышает гибкость настройки устройства. Отражающую способность каждой петлевой структуры эффективную длину полости FP можно динамически настраивать путем регулирования термооптических фазовращателей вдоль плечей интерферометра Маха-Цендера и полости Фабри-Перо соответственно. Когда в устройство подключен световой сигнал непрерывной волны (CW), непрерывный спектр света CW формируется в ряд гребенчатых линий. Независимо или одновременно настраивая три микропереключателя, настройка центральной длины волны с эффективностью настройки ~0,017 нм / мВт и в эксперименте достигнута настройка полосы пропускания от 4,37 до 27,6 ГГц. [8]

Таким образом можно резюмировать, что интегрированные оптические разработки и исследования находят широкое применение в инфокоммуникационной отрасли. Поскольку системы передачи информации находятся в постоянном развитии. Модулирующие оптические системы хорошо согласуются с требованиями современного уровня техники к шагу дискретизации длин волн оптической несущей и ширине передаваемого спектра. Разработки в области модуляции спектра являются приоритетными и перспективными.

Исследование анизотропных кристаллов с двойным лучепреломлением [3], в частности четверть и полуволновых пластин различной конфигурации позволяют разрабатывать перспективные схемы модуляции профиля спектра широкополосного инфракрасного излучения. Дробноволновые кристаллические пластины могут быть произведены различными способами. При этом основным требованием является высокая точность геометрических размеров и качества поверхности. Формирование плоскопараллельной кристалинской пластины толщиной примерно 0,8 мкм сопряжено с её высокой хрупкостью. Поэтому в качестве модификации можно предложить использовать парные пластины в противофазе. При этом углы вращения плоскости поляризации проходящего излучения будут противонапралены, и эффективная длина фазовращательной пластинки будет вычитаться. Используя пирамидальные пластинки можно построить фильтры переменной толщины, способные придавать спектру проходящего излучения необходимую форму.

Из-за простой конструкции, легкости использования и хорошей совместимости волокон гребенчатые фильтры считаются полезными элементами, которые могут использоваться для маршрутизации и обработки оптических сигналов или блокирования нежелательных сигналов, вызывающих перекрестные помехи в плотном мультиплексировании с разделением по длине волны (DWDM). Они также могут быть применены к многоволновым волоконным лазерам или источникам волн, микроволновым фотонным фильтрам и другим устройствам.

Список литературы:

«Интерференционные поляризационные светофильтры в спектральных системах» Попова А.В., Гончарова П.С., Криштоп В.В. Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке. 2017. Т. 2. С. 319-324.

«Развитие интерференционных поляризационных светофильтров» Попова А.В., Гончарова П.С., Криштоп В.В. «Современные проблемы физики и технологий» тезисы докладов VI международной молодежной научной школы-конференции, посвященной 75-летию НИЯУ МИФИ и 95-летию академика Н.Г. Басова. 2017. С. 287-288

«Интерференционный управляемый светофильтр для широкополосного излучения» Криштоп В.В., Гончарова П.С., Толстов Е.В., Максименко В.А., Ливашвили А.И., Литвинова М.Н., Киреева Н.М., Ефременко В.Г., Сюй А.В., Попова А.В. В сборнике VI международная конференция по фотонике и информационной оптике сборник научных трудов . 2017. С. 32-33.

Wavelength-switchable flat-top fiber comb filter based on a Solc type birefringence combination Lee, Yong Wook; Kim, Hyun-Tak; Jung, Jaehoon; Lee, Byoungho 2005 Optics Express 13(3) 1039-1048

«Second-order all-fiber comb filter based on polarization-diversity loop configuration» Yong Wook Lee, Hyun-Tak Kim, and Yong Wan Lee Optics Express Vol. 16, Issue 6, pp. 3871-3876 (2008)

«Исследование длиннопериодных волоконных дифракционных решеток» Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке: под ред. О. Л. Рудых. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС. Т.6. - 2009. С 135-139

«Channel-spacing tunable silicon comb filter using two linearly chirped ragg gratings» Zhi Zou, Linjie Zhou, Xinwan Li, and Jianping Chen. Optics Express Vol. 22, Issue 16, pp. 19513-19522 (2014)

Compact tunable photonic comb filter on a silicon platform Shuang Zheng, Nan Zhou, Yun Long, Zhengsen Ruan, Jing Du, Xiao Hu, Li Shen, Shuhui Li, and Jian Wang Opt. Lett. 42(14) 2762-2765 (2017)

Гребенчатый фильтр/ПроAV [Электронный ресурс]/Москва. URL: http://www.proavtoday.ru/theory/sound_systems/comb-filter.

Код для цитирования: Скопировать