河北科技大学 李和林 胡淋川 刘天恩 韩辉云

为改善传统的马赫－曾德尔干涉型（MZI）滤波器的输出特性，在滤波器的一干涉臂上增加微环结构，实现了平顶的滤波光谱输出，为克服微环结构对周长敏感，抗干扰能力弱的缺点，在滤波器的另一干涉臂上加入一偏振控制器。构成了基于微环辅助的可调节型全光纤MZI滤波器。本文利用耦合模理论和传输矩阵的方法推导了该滤波器的传输函数，并进行了数值模拟与分析。结果表明：改进后的MZI滤波器可实现平顶的透射形态输出，当微环的周长发生微小变化时，可通过调节偏振控制器，实现稳定的滤波输出。

密集波分复用（DWDM）技术是目前光纤传输网络增容的主要技术手段，光学波长交错滤波器能够将分布的信道按照奇数和偶数分为两组，从奇偶信道交错复用的角度进行波长间隔压缩，从而成为了DWDM系统中的重要器件。因此，滤波器输出性能的优劣对整个DWDM系统有着显著的影响。目前常用的滤波器主要有法布里-泊罗滤波器、介质薄膜型、光纤光栅型和马赫-曾德尔干涉仪型（MZI）滤波器。其中MZI滤波器由于其兼容性好、结构简单、插入损耗小等优点而被广泛的应用和研究。

由于常规MZI型滤波器，通带形状为余弦型，当外界的环境引起光源的波长发生漂移时，滤波器会引入额外的功率上的波动，容易使通信系统的信号产生串扰。为满足实际应用滤波需求，可增加滤波器输出光谱的顶部平坦度。2010年，Ai-Ping Luo等人搭建了双通的MZI滤波器，该滤波器包括两个耦合器，一个偏振光旋转器和一个偏振控制器。通过调整偏振控制器的方向，获得了平顶梳状滤波输出特性。2015年，Hongchu Wang等利用两个3dB耦合器构成的MZI滤波器和一个偏振旋转器以及两个法拉第旋转镜相级联实现了准平顶的梳状谱响应。近年来，微环谐振器以其结构紧凑，集成度高等优点受到了国内外研究者的高度关注。以微环谐振器为辅助元件，可实现滤波器、光开关、延时器、光波导传感器、光学激光器等集成光电子器件。晏崇宇等人，将微环谐振器应用于常规的MZI型滤波器中，构建了新型滤波器。该滤波器与常规的MZI滤波器相比，在消光比、精细度以及自由光谱范围等方面都有了显著改善。最近，宫原野等人，采用2×2耦合器将微环谐振器与MZI相连接，设计了一种新型的微环辅助MZI型滤波器，并获得了顶部平坦、边沿滚降明显、形状类似于矩形的输出谱。

本文提出一种改进的基于微环谐振器的MZI滤波器，可通过调节偏振控制器有效的克服微环结构的滤波器易受周围环镜的影响，抗干扰能力弱的缺点。数值模拟的结果表明：通过调节入射光与主轴的夹角，微环的周长和耦合系数等参数可实现平顶梳状的输出光谱曲线。当微环的周长发生微小变化时，输出光谱发生畸变，中心波长发生偏移，但可通过调节偏振控制器，使得输出光谱形状恢复到平顶状态，实现的稳定滤波输出。

1 结构原理

基于微环辅助的可调节型MZI滤波器，是由两个3dB的耦合器和一个微环谐振器和一个偏振控制器构成，将两个3dB的耦合器串联，构成常规的单通MZI滤波器，为实现稳定的平顶的滤波光谱，在滤波器的两个干涉臂上分别加入微环谐振器和偏振控制器，结构如图1所示。

图1 基于微环辅助的可调节型全光纤MZI滤波器

当一束振幅为A，与光纤主轴夹角为α的线偏光从耦合器1的一个端口入射，滤波器的传输特性可由以下琼斯矩阵可表示为：

其中，E1in=[Acosa;ASina]和E2in=[0;0]表示从第一个耦合器两个输入端的输入光场。

[Cm](m=1,2)，[P]和[F]分别表示两个耦合器，偏振控制器和滤波器两干涉臂的臂长差的传输矩阵。[I]为单位矩阵。各矩阵具体表示如下：

由于滤波器使用的两耦合器均为3-dB耦合器，因此c1=c2=1/2。

θ是光通过偏振控制器的旋转角度。

其中，φx=knxΔL，φy=knyΔL，nx，ny为光纤中两个正交方向的折射率，ΔL为两干涉臂的臂长差。Tr为微环谐振腔的传输函数：

θr为干涉臂与微环间的耦合系数，τ和Φr分别为光在谐振环内绕行一周后的损耗因子和相位偏移。由(1)-(5)式可得，E1in端口到E2out端口的传输函数。

2 数值模拟与分析

基于前文推导得出的传输函数，对滤波器的输出性进行数值模拟与分析。改变滤波器各器件的参数。转动偏振控制器，当θ=0.3π，两臂臂长差CL=1550nm，微环谐振腔的损耗为零，即τ=1。微环耦合系数θr=0.13π时入射光偏振角a=-0.3π时，滤波器的透射曲线为余弦型，类似于常规的单通MZI滤波器的输出曲线。如图2所示。

图2 滤波器余弦型的透射曲线

保持滤波器其它参数不变，仅调整入射光角度和偏振控制器的位置。当a=1.21π，θ=0.7π，透射曲线的顶部变得平整，如图3所示。与常规的MZI滤波器的余弦型输出谱线相比，滤波器通带的带宽明显的提高。

图3 滤波器平顶型的透射曲线

然而，由于微环谐振腔的传输特性对环的周长变化很敏感，例如，当由于周围环镜温度发生变化导致周长微变时，滤波器的中心波长将会发生偏移，输出曲线的形状也会发生畸变。如图4中蓝色虚线所示的输出曲线为图3中输出谱线对应的微环的周长由960nm减小至900nm，滤波器的输出光谱。由图可明显看出，输出光谱的中心波长发生了漂移，输出光谱不再具有平顶特性。为克服这一缺点，我们在滤波器的另一干涉臂增加了一偏振控制器，改变光通过偏振控制器旋转的角度，当入射光偏振角和偏振控制器附加相位角分别为a=1.33π，θ=0.15π时，即可恢复平顶的透射光谱（如图4中绿色实线所示）。这在实际的滤波器系统中相当于旋转偏振控制器就可恢复平顶的透射光谱，因此，该滤波器可以很方便的克服传统的基于微环谐振腔MZI滤波器对环周长敏感，易受周围环镜影响的缺点。

图4 微环周长变化时透射光谱（蓝色虚线）及调整偏振控制器后平顶的透射光谱（绿色实线）

本文提出一种改进的基于微环辅助的MZI滤波器。数值模拟的结果表明：在传统的MZI滤波器的一干涉臂上增加微环结构，可实现平顶的滤波光谱输出。通过调节偏振控制可有效的克服微环结构的滤波器易受周围环镜的影响，抗干扰能力弱的缺点，保证稳定滤波输出。