專(zhuān)利名稱(chēng)：：任意占空比不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：-本發(fā)明涉及一種MichelsonGires-Tournois干涉儀型不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器的設(shè)計(jì)方法，特別是提供一種產(chǎn)生任意占空比光譜透射率方波的光交錯(cuò)復(fù)用器的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
：隨著密集波分復(fù)用技術(shù)的迅速發(fā)展，信號(hào)頻率間隔愈來(lái)愈小，需要采用更窄頻率間隔的波分復(fù)用器件來(lái)擴(kuò)容，而原有的技術(shù)很成熟的復(fù)用/解復(fù)用器，如介質(zhì)薄膜濾波器對(duì)50GHz及更小頻率間隔的信道信號(hào)很難繼續(xù)使用。光交錯(cuò)復(fù)用器能將一組波分復(fù)用信號(hào)分離成為信號(hào)間隔倍增的一組奇數(shù)系列和偶數(shù)系列兩個(gè)信道，這樣就降低了波分復(fù)用解復(fù)用器對(duì)波長(zhǎng)間隔要求的負(fù)擔(dān)，同時(shí)提高了系統(tǒng)傳輸容量，因此光交錯(cuò)復(fù)用器是一種重要的光通信核心器件。目前研究的光交錯(cuò)復(fù)用器大多屬于等帶寬器件，其兩路輸出譜帶寬相等。隨著光網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，為了擴(kuò)寬現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)容量更好地提高帶寬利用率，降低系統(tǒng)升級(jí)的成本以及有助于光分插復(fù)用(0ADM)，不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器具有較強(qiáng)的靈活性。目前實(shí)現(xiàn)不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器的方案現(xiàn)主要包括邁克爾遜Gires-Tournois干涉型(MGTI)、雙折射G-T干涉儀型(BMGTI)、馬赫-曾德?tīng)?MZ)級(jí)聯(lián)型，雙折射光纖環(huán)鏡型等方案。其中相比較而言，具有光學(xué)反饋結(jié)構(gòu)的MGTI型光交錯(cuò)復(fù)用器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、參數(shù)易調(diào)節(jié)、性能優(yōu)異等而成為該研究的熱點(diǎn)。其中結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法是該結(jié)構(gòu)研究中的重點(diǎn)之一。MGTI型結(jié)構(gòu)方案中，在先技術(shù)[l](參見(jiàn)OpticalEngineering,CHENGChi-hao，2005，44(11):115003(l-5))采用了兩個(gè)兩鏡Gires-Tournois腔(簡(jiǎn)稱(chēng)GTE)代替邁克爾遜干涉儀(簡(jiǎn)稱(chēng)MI)的兩面全反鏡得到不等帶寬輸出光譜；在先技術(shù)[2](參見(jiàn)光子學(xué)報(bào)，邵永紅等，2003,32(8):948-950)采用了兩個(gè)三鏡GTE代替邁克爾遜干涉儀(MI)的兩面全反鏡得到不等帶寬輸出光譜。在先技術(shù)[1]和[2]所得到的光譜透射率不好，其窄口輸出譜不平坦，則帶寬利用率不高。此外，當(dāng)構(gòu)成GTE的反射鏡個(gè)數(shù)較多時(shí)，由于循環(huán)變量較多，故求解結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算量較大。其它結(jié)構(gòu)方案也存在此類(lèi)不足。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種任意占空比MichelsonGires-Tournois干涉儀型不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器的設(shè)計(jì)方法，可以簡(jiǎn)便的得到兩路輸出譜均為高平坦特性的光譜透射率，且隔離度高。特別地，對(duì)于級(jí)聯(lián)多個(gè)反射鏡的情況，該方法更顯其優(yōu)越性，不僅可大大簡(jiǎn)化計(jì)算的復(fù)雜性，而且可以非常方便地得到兩路輸出譜均為高平坦度、高帶寬利用率的光交錯(cuò)復(fù)用器。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是借助于數(shù)字信號(hào)處理知識(shí)，將^變換引入到光交錯(cuò)復(fù)用器兩路輸出端n傳輸函數(shù)的表達(dá)式中，在此基礎(chǔ)上，借助橢圓濾波器函數(shù)形式，利用傳遞函數(shù)的極點(diǎn)值就可以直接計(jì)算出所需要求的臂長(zhǎng)差，GT腔的各腔長(zhǎng)和各鏡面的反射率的參數(shù)值。根據(jù)上述的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明的具體技術(shù)解決方法如下.-一種任意占空比MichelsonGires-Tournois干涉儀型不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，首先，令各腔長(zhǎng)分別為d,'，4'=;12^，…，《'-A,d，J,2-;^'t/，d22=/22.t/，…，《2二P2".d:臂長(zhǎng)差為AZ二『d，這里化、A2、..？lm、_p21、；22、一/72和為非負(fù)整數(shù)，J=C/(2.A/)，C為光速，A/為光譜周期；具體設(shè)計(jì)步驟如下(1)、引入Z變換，計(jì)算光交錯(cuò)復(fù)用器兩個(gè)輸出端口傳輸函數(shù)的表達(dá)式；(2)、選取所有的p值，即化、a,.;^，A,、；^、…;^的值均為1，則各腔長(zhǎng)大小均相等，為C/(2.A/);(3)、選取9的值，其滿(mǎn)足如下關(guān)系式《=(P21+A2+.-'+/^)—Ou+A2+…十/^)+l，取值范圍為-lq《l的整數(shù)；則臂長(zhǎng)差為AL:^^;(4)、利用數(shù)字信號(hào)處理中的橢圓濾波器設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)一個(gè)橢圓濾波器，其階數(shù)等于光交錯(cuò)復(fù)用器輸出端口傳遞函數(shù)表達(dá)式的最高負(fù)次冪，使其滿(mǎn)足所要設(shè)計(jì)的的光交錯(cuò)復(fù)用器的光譜特性要求；(5)、計(jì)算上步設(shè)計(jì)出的橢圓濾波器的傳輸函數(shù)的極點(diǎn)，通過(guò)使該極點(diǎn)和第一步計(jì)算出的輸出端口傳遞函數(shù)的極點(diǎn)相等，即可求出GT腔1和GT腔2的各個(gè)鏡面反射率；(6)、畫(huà)出該光交錯(cuò)復(fù)用器的兩路輸出光譜透射率函數(shù)，從而完成該結(jié)構(gòu)不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器的設(shè)計(jì)。對(duì)一個(gè)給定階數(shù)的奇數(shù)階光交錯(cuò)復(fù)用器，令《值為0，通過(guò)將兩路傳輸函數(shù)分別分解成兩個(gè)相鄰階數(shù)的全通濾波器的和和差，來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)任意占空比光交錯(cuò)復(fù)用器。具體設(shè)計(jì)步驟如下〈D.選取g值為0，即臂長(zhǎng)差為零；〈2〉.通過(guò)將該光交錯(cuò)復(fù)用器的階數(shù)分解成兩個(gè)相鄰非負(fù)整數(shù)的和來(lái)確定兩干涉臂中的GT腔結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)干涉臂的GT腔的鏡子個(gè)數(shù)分別等于分解得到的兩個(gè)非負(fù)整數(shù)加一；如對(duì)一個(gè)3階的光交錯(cuò)復(fù)用器，可將3分解成2和1的和，則該3階光交錯(cuò)復(fù)用器結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)GT腔分別由2+1=3和1+1=2個(gè)鏡子級(jí)聯(lián)構(gòu)成；<3〉.選取上步確定的兩個(gè)GT腔各腔長(zhǎng)相等，大小等于C/(2.A/);〈4〉.在上面確定了兩個(gè)干涉臂的臂長(zhǎng)差及GT腔各腔長(zhǎng)后，再按所述的設(shè)計(jì)步驟(1)~(6)，首先引入Z變換，計(jì)算兩個(gè)輸出端口的傳輸函數(shù)表達(dá)式；其次設(shè)計(jì)一個(gè)階數(shù)和所要設(shè)計(jì)的光交錯(cuò)復(fù)用器階數(shù)相等的橢圓濾波器，使其滿(mǎn)足所要設(shè)計(jì)的光交錯(cuò)復(fù)用器的光譜特性要求；然后計(jì)算上步設(shè)計(jì)出的橢圓濾波器的傳輸函數(shù)的極點(diǎn)，通過(guò)使該極點(diǎn)和前面第一步計(jì)算得出的輸出端口傳遞函數(shù)的極點(diǎn)相等，即可求出GT腔1和GT腔2的各個(gè)鏡面反射率；最后畫(huà)出該光交錯(cuò)復(fù)用器的兩路輸出光譜透射率函數(shù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)-本發(fā)明方法所設(shè)計(jì)的不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器，具有兩路輸出譜均為高平坦度、高帶寬利用率及高隔離度等的特性，優(yōu)于現(xiàn)有的在先技術(shù)。特別是，該方法設(shè)計(jì)中無(wú)需編程計(jì)算做循環(huán)，因而計(jì)算簡(jiǎn)單，對(duì)于級(jí)聯(lián)多個(gè)反射鏡的情況該方法則更顯其優(yōu)越性。圖1為MGTI型光交錯(cuò)復(fù)用器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為實(shí)施例1中的橢圓濾波器的輻頻特性曲線(xiàn)圖。圖3為實(shí)施例1中的橢圓濾波器零極點(diǎn)分布圖。圖4為實(shí)施例1的兩路輸出端口的光譜透射率曲線(xiàn)圖(以dB表示)。圖5(a)和(b)分別為實(shí)施例2中占空比為1:3的橢圓濾波器的輻頻特性曲線(xiàn)和零極點(diǎn)分布圖。圖6(a)和(b)分別為實(shí)施例2中占空比為1:4的橢圓濾波器的輻頻特性曲線(xiàn)和零極點(diǎn)分布圖。圖7(a)和(b)分別為實(shí)施例2中占空比為1:5的橢圓濾波器的輻頻特性曲線(xiàn)和零極點(diǎn)分布圖。圖8(a)、(b)和(c)為實(shí)施例2中占空比分別為1:3、1:4和1:5的光交錯(cuò)復(fù)用器的兩路輸出端口的光譜透射率曲線(xiàn)圖。具體實(shí)施例方式輸出端口傳輸函數(shù)的表達(dá)式相鄰第z'面鏡與第/-1面鏡處光場(chǎng)振幅滿(mǎn)足如下關(guān)系'<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(1)其中，￡,°和《分別代表第纟面鏡左側(cè)處向左和向右方向傳輸光的場(chǎng)振幅，《,和i^分別代表第z-1面鏡左側(cè)處向左和向右方向傳輸光的場(chǎng)振幅。A為兩面鏡間對(duì)應(yīng)的相位變化，和^分別代表第,'面鏡的振幅透射系數(shù)和反射系數(shù)。則/面鏡級(jí)聯(lián)所構(gòu)成GT腔的振幅反射系數(shù)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(2)其中為GTE所引起的相位變化。通過(guò)(2)式可以求出任意個(gè)反射鏡級(jí)聯(lián)構(gòu)成GTE的相位轉(zhuǎn)移表達(dá)式。由于GTE僅改變光波電矢量的相位，是一個(gè)全通濾波器，加之這里僅考慮輸出光譜透射率的幅頻特性，幅頻特性?xún)H與兩干涉臂的臂長(zhǎng)差有關(guān)，所以為分析方便可令"-O。則兩個(gè)輸出端口的傳輸函數(shù)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(3)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(4)其中d-C/(2.AO，A/為光頻率間隔；AL=il-丄2，z=。4(力和分別為對(duì)應(yīng)GTE1At和GTE2的全通濾波器函數(shù)，zrf也是一個(gè)全通濾波器函數(shù)。實(shí)施例1:不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合附圖詳述如下這里選取附圖l中m=2，n=2，即以GTE1取三鏡，GTE2取三鏡結(jié)構(gòu)說(shuō)明一個(gè)25GHz，隔離度<-30dB的不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器(其中r。'和^為全反鏡)的具體設(shè)計(jì)。按設(shè)計(jì)步驟第一步按照(2)(3)(4)式計(jì)算輸出端口傳輸函數(shù)的表達(dá)式為—1-G1-"Vi_r22_++Z_(P2'，)，—21+廠-A2-_rz).Z一l+r2Vz-ft2-r2z,—r22z-(P2'+P22)-第二步A,、Pl2、A,和;^都為1，則各腔長(zhǎng)均為t^C/(2.A/^3mm;第三歩《,'+"22)—(Al+A2)+l=l，則則臂長(zhǎng)差為A丄二g.fl^3咖;第四步按該光譜透射率的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)5階橢圓濾波器，其輻頻特性曲線(xiàn)如圖2所示.第五步求出圖2橢圓濾波器的極點(diǎn)，其零極點(diǎn)分布圖如圖3所示，則極點(diǎn)分別為0、0.08士0.41i和0.24土0.76i。令該極點(diǎn)等于(6)(7)式的極點(diǎn)，則可得各GT腔的鏡面振幅反射系數(shù)分別為r=0.6352，r卩=0.2935，r22=0.1745,r,2=0.1362。第六步畫(huà)出兩路輸出端口的光譜透射率曲線(xiàn)，如圖4所示。從圖4可見(jiàn)，所得光譜透射率滿(mǎn)足原設(shè)計(jì)要求。實(shí)施例2:任意占空比光交錯(cuò)復(fù)用器的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例說(shuō)明如下這里以設(shè)計(jì)一個(gè)3階25GHz、隔離度〈-30dB的任意占空比光交錯(cuò)復(fù)用器進(jìn)行說(shuō)明，占空比任選三種，即l:3、1:4、1:5。按設(shè)計(jì)方法第一步令《=0，則臂長(zhǎng)差為0。第二步由于3=2+1，則該3階光交錯(cuò)復(fù)用器結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)GT腔分別由2+1=3和1+1=2個(gè)鏡子級(jí)聯(lián)構(gòu)成。第三步選取兩個(gè)GT腔的各腔長(zhǎng)相等，均為rf^C/(2.A/產(chǎn)3mm;第四步令附圖l中m=2，n=l，計(jì)算該結(jié)構(gòu)光交錯(cuò)復(fù)用器的傳輸函數(shù)表達(dá)式為F_1『—^—riV1+r—1+z—2-V+z—121+z—&1—r2lzz1-,1—1—一l,—1丄一1,_—2—2,—-l21+'-q'z'—^'z1—r/z設(shè)計(jì)一個(gè)3階的橢圓濾波器，使其滿(mǎn)足所設(shè)計(jì)的光譜特性要求。圖5、6和7分別為滿(mǎn)足所要設(shè)計(jì)光譜特性要求的占空比分別為1:3、1:4、1:5的橢圓濾波器的輻頻特性曲線(xiàn)和其零極點(diǎn)分布圖。求出圖5、6和7的極點(diǎn)，通過(guò)使該極點(diǎn)和(7)(8)兩式的極點(diǎn)相等，可求得各GT腔的鏡面振幅反射系數(shù)，結(jié)果如表l所示。最后畫(huà)出占空比分別為l:3、1:4、1:5的光交錯(cuò)復(fù)用器的兩路輸出端口的光譜透射率曲線(xiàn)，如圖8所示。從圖8可見(jiàn)，所得光譜透射率滿(mǎn)足原設(shè)計(jì)要求。表l不同占空比光交錯(cuò)復(fù)用器的各腔鏡面振幅反射系數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>權(quán)利要求1.一種任意占空比MichelsonGires-Tournois干涉儀型不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理中的z變換簡(jiǎn)化多鏡GT腔復(fù)雜的透射和反射方向光波電矢量的表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上計(jì)算光交錯(cuò)復(fù)用器兩路輸出端口傳輸函數(shù)的表達(dá)式，然后結(jié)合橢圓濾波器的設(shè)計(jì)原理，利用傳遞函數(shù)的極點(diǎn)值就可得到臂長(zhǎng)差、GT腔的各腔長(zhǎng)和各鏡面的反射率；這里首先令各腔長(zhǎng)d11＝p11·d，d21＝p12·d，...，dm1＝p1m·d，d12＝p21·d，d22＝p22·d，...，dn2＝p2n·d；臂長(zhǎng)差ΔL＝q·d，其中p11、p12、...p1m、p21、p22、...p2n和q為非負(fù)整數(shù)，d＝C/(2·Δf)，C為光速，Δf為光譜周期；具體設(shè)計(jì)步驟如下(1)、引入Z變換，計(jì)算光交錯(cuò)復(fù)用器兩個(gè)輸出端口傳輸函數(shù)的表達(dá)式；(2)、選取所有的p值，即p11、p12、...p1m，p21、p22、...p2n的值均為1，則各腔長(zhǎng)大小均相等，為C/(2·Δf)；(3)、選取q的值，其滿(mǎn)足如下關(guān)系式q＝(p21+p22+…+p2n)-(p11+p12+…+p1m)+1，取值范圍為-1≤q≤1的整數(shù)；則臂長(zhǎng)差為ΔL＝q·d；(4)、利用數(shù)字信號(hào)處理中的橢圓濾波器設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)一個(gè)橢圓濾波器，其階數(shù)等于光交錯(cuò)復(fù)用器輸出端口傳遞函數(shù)表達(dá)式的最高負(fù)次冪，使其滿(mǎn)足所要設(shè)計(jì)的的光交錯(cuò)復(fù)用器的光譜特性要求；(5)、計(jì)算上步設(shè)計(jì)出的橢圓濾波器的傳輸函數(shù)的極點(diǎn)，通過(guò)使該極點(diǎn)和第一步計(jì)算出的輸出端口傳遞函數(shù)的極點(diǎn)相等，即可求出GT腔1和GT腔2的各個(gè)鏡面反射率；(6)、畫(huà)出該光交錯(cuò)復(fù)用器的兩路輸出光譜透射率函數(shù)，從而完成該結(jié)構(gòu)不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器的設(shè)計(jì)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的任意占空比MichelsonGires-Tournois干涉儀型不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于對(duì)一個(gè)確定階數(shù)的奇數(shù)階光交錯(cuò)復(fù)用器，令臂長(zhǎng)差為0，通過(guò)將光交錯(cuò)復(fù)用器的兩路傳輸函數(shù)分別分解成兩個(gè)相鄰階數(shù)的全通濾波器的和及差，即可設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)任意占空比光交錯(cuò)復(fù)用器；具體設(shè)計(jì)步驟如下〈1〉.選取g值為0，即臂長(zhǎng)差為零；〈2〉.通過(guò)將該光交錯(cuò)復(fù)用器的階數(shù)分解成兩個(gè)相鄰非負(fù)整數(shù)的和來(lái)確定兩干涉臂中的gt腔結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)干涉臂的gt腔的鏡子個(gè)數(shù)分別等于分解得到的兩個(gè)非負(fù)整數(shù)加一；如對(duì)一個(gè)3階的光交錯(cuò)復(fù)用器，可將3分解成2和1的和，則該3階光交錯(cuò)復(fù)用器結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)GT腔分別由2+1=3和1+1=2個(gè)鏡子級(jí)聯(lián)構(gòu)成；<3>.選取上歩確定的兩個(gè)GT腔各腔長(zhǎng)相等，大小等于C/(2.A/);<4>.在上面確定了兩個(gè)T鄰臂的臂長(zhǎng)差及GT腔各腔長(zhǎng)后，再按所述的設(shè)計(jì)歩驟(1)(6)，首先引入Z變換，計(jì)算兩個(gè)輸出端口的傳輸函數(shù)表達(dá)式；其次設(shè)計(jì)一個(gè)階數(shù)和所要設(shè)計(jì)的光交錯(cuò)復(fù)用器階數(shù)相等的橢圓濾波器，使其滿(mǎn)足所要設(shè)計(jì)的光交錯(cuò)復(fù)用器的光譜特性要求；然后計(jì)算上步設(shè)計(jì)出的橢圓濾波器的傳輸函數(shù)的極點(diǎn)，通過(guò)使該極點(diǎn)和前面第一步計(jì)算得出的輸出端口傳遞函數(shù)的極點(diǎn)相等，即可求出GT腔1和GT腔2的各個(gè)鏡面反射率；最后畫(huà)出該光交錯(cuò)復(fù)用器的兩路輸出光譜透射率函數(shù)。全文摘要本發(fā)明涉及一種任意占空比MichelsonGires-Touruois干涉儀型不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器的設(shè)計(jì)方法。本方法通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理中的z變換簡(jiǎn)化多鏡GT腔復(fù)雜的透射和反射方向光波電矢量的表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上計(jì)算光交錯(cuò)復(fù)用器兩路輸出端口傳輸函數(shù)的表達(dá)式，然后結(jié)合橢圓濾波器的設(shè)計(jì)原理，利用傳遞函數(shù)的極點(diǎn)值就可得到GT腔的腔長(zhǎng)、臂長(zhǎng)差和GT腔各鏡面的反射率。特別的，對(duì)于一個(gè)確定階數(shù)的奇數(shù)階MichelsonGires-Tournois干涉儀型光交錯(cuò)復(fù)用器，只要通過(guò)將光交錯(cuò)復(fù)用器的兩路傳輸函數(shù)分別分解成兩個(gè)相鄰階數(shù)的全通濾波器的和及差，即可設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)任意占空比光交錯(cuò)復(fù)用器。本發(fā)明方法所設(shè)計(jì)的不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器，具有兩路輸出譜均為高平坦度、高帶寬利用率及高隔離度等的特性，特別是設(shè)計(jì)中無(wú)需編程計(jì)算做循環(huán)，計(jì)算簡(jiǎn)單，對(duì)于級(jí)聯(lián)多個(gè)反射鏡的情況該方法則更顯其優(yōu)越性，在特殊波形濾波、增益均衡等領(lǐng)域也有著廣闊的應(yīng)用前景。文檔編號(hào)G02B6/34GK101520529SQ20091004615公開(kāi)日2009年9月2日申請(qǐng)日期2009年2月13日優(yōu)先權(quán)日2009年2月13日發(fā)明者娟張,楊小偉申請(qǐng)人:上海大學(xué)