CN102141691A - 一种磁控可调谐光纤梳状滤波器 - Google Patents

Abstract

一种磁控可调谐光纤梳状滤波器，本发明属于光纤传感及光纤通信技术领域。由宽带光源，光纤耦合器，由左臂光纤、右臂光纤和光子晶体光纤光栅构成的光纤环镜，磁场发生单元，光电探测器组成。其特点是光子晶体光纤光栅的包层有5个单层结构的柚子型大空气孔，通过毛细管现象向其中填入磁流体，磁流体在变化磁场的作用下，折射率发生变化，导致光子晶体光纤光栅包层有效折射率改变，引起光子晶体光纤光栅基模与包层模耦合的谐振峰波长移动，从而实现滤波器输出特性的可调谐；由于光纤环镜中左右臂光纤长度不同，所以经过光子晶体光纤光栅反射的两路光信号将产生光程差，当返回光纤耦合器处时产生干涉，使得滤波器的输出光谱中产生梳状滤波的效果。

Description

一种磁控可调谐光纤梳状滤波器

技术领域

本发明涉及一种光纤滤波器，属于光纤传感及光纤通信技术领域。

背景技术

光纤滤波器是波分复用光通信系统和传感系统中基本的关键器件之一。利用光纤滤波器的波长选择特性，可以进行激光模式选择来研制光纤激光器；可以通过多信道实现多波长信号波分复用；也可以进行滤波，提取有用传感器信号等。如(狄俊安，周赢武，一种新型的窄线宽光纤滤波器特性的研究，福建工程学院学报，8，2010)提出的由一个高双折射光纤环嵌套于Sagnac环镜构成的窄线宽光纤滤波器，实现了0.015nm范围的窄带宽滤波特性。(涂兴华，刘逢清，徐宁，非连续线性啁啾取样布拉格光栅型多信道光纤滤波器的设计，光学精密工程，18，2010)提出了一种基于取样布拉格光纤光栅的梳状滤波器，在11nm的宽度范围内具有26个信道，3dB信道带宽为0.18nm。然而，上述方法一旦滤波器结构设计好后，滤波特性就是固定的，限制了其应用范围，不具灵活性。因而，目前具有通带位置可调谐、信道间隔可调谐的光纤滤波器，正受到科研工作者的青睐，也是工程实际中急需解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足之处、提出一种实用可靠、设计灵活、滤波特性可以通过磁场或者驱动电流的变化进行调谐的光纤滤波器。

本发明提出了一种磁控可调谐光纤梳状滤波器，包括Sagnac光纤环镜及螺线管电磁发生单元。其特征在于，包括以下内容：

1.一种磁控可调谐光纤梳状滤波器，包括宽带光源，光纤耦合器，由左臂光纤、右臂光纤和光子晶体光纤光栅构成的光纤环镜，磁场发生单元，光电探测器，其特征在于：由宽带光源发出从光纤耦合器输入端进入，经过光纤耦合器后分别沿顺时针和逆时针方向进入左臂光纤和右臂光纤，左臂光纤和右臂光纤的另一端分别与光子晶体光纤光栅相连，构成一个光纤环结构；顺时针和逆时针传输的两束光到达光子晶体光纤光栅后，由于光子晶体光纤光栅对光的反射作用，两束光各自以反方向返回，并在光纤耦合器处产生干涉；光电探测器与光纤耦合器的输出端相连，用于接收滤波器的输出信号；磁场发生装置中的电磁线圈放置在光子晶体光纤光栅的外面，在信号源驱动电流的作用下产生的磁场方向与光子晶体光纤光栅的轴向平行。

2.按照权利要求1所述的磁控可调谐光纤梳状滤波器，其特征在于：所述的光子晶体光纤光栅的包层由具有5个单层结构的柚子型大空气孔构成，纤芯是由掺锗的石英材料构成的实芯结构，并在纤芯中刻入长度为6mm的光纤光栅。

3.按照权利要求1所述的磁控可调谐光纤梳状滤波器，其特征在于：所述的光子晶体光纤光栅的包层空气孔直径为20.8μm，通过毛细管现象向其中填充入磁流体材料，填充磁流体部分的长度为8mm，大于所刻制的光纤光栅的长度，以保证磁流体覆盖整个光纤光栅区域。

4.按照权利要求1所述的磁控可调谐光纤梳状滤波器，其特征在于：所述的磁流体为一种CdFe₂O₄水基磁流体材料，磁性颗粒的直径为10nm，磁流体的体积比浓度为1.52％，初始折射率值为1.462。

5.按照权利要求1所述的磁控可调谐光纤梳状滤波器，其特征在于：所述的磁场发生单元包括电磁线圈和给电磁线圈提供驱动电流的信号源；电磁线圈的半径为5mm，长度为60mm，匝数为500；所述的光子晶体光纤光栅放置在电磁线圈的中轴线上。

6.按照权利要求1所述的磁控可调谐光纤梳状滤波器，其特征在于：所述的光纤环镜的左臂光纤和右臂光纤长度不同，两者的长度差为3.5mm，以保证滤波器的输出光谱中产生梳状滤波的效果。

7.按照权利要求1所述的磁控可调谐光纤梳状滤波器，其特征在于：所述的磁流体在变化的磁场作用下，其折射率将发生变化，导致光子晶体光纤光栅包层的有效折射率改变，引起光子晶体光纤光栅基模与包层模耦合的谐振峰波长的移动，从而实现滤波器输出特性的可调谐。

本发明具有如下技术特点：①通过调整电磁线圈驱动电流的大小，可以实现光纤滤波器通带位置的调谐；②滤波器的特性受温度的影响小；③可以通过在一根光子晶体光纤上以一定的间隔刻制多根光纤光栅的方法来展宽滤波器的通带范围。

附图说明

图1为本发明提供的基于磁流体填充光子晶体光纤光栅的磁控可调谐光纤梳状滤波器系统结构示意图。

图2为本发明采用的磁流体材料在外界磁场作用下折射率的变化曲线。

图3为利用本发明实现的光子晶体光栅基模与包层模耦合的谐振峰波长随磁场变化而发生移动的情况。

图4为利用本发明实现的在不同左右臂光纤长度差时通带内信道个数的变化情况。

具体实施方式

本发明提出了一种磁控可调谐光纤梳状滤波器，包括Sagnac光纤环镜及螺线管电磁发生单元，结合附图说明如下：

8.图1为本发明提供的基于磁流体填充光子晶体光纤光栅的磁控可调谐光纤梳状滤波器系统结构示意图，包括宽带光源11，光纤耦合器12，由左臂光纤13、右臂光纤14和光子晶体光纤光栅16构成的光纤环镜，磁场发生单元15，光电探测器17。由宽带光源11发出从光纤耦合器12输入端21进入，经过光纤耦合器12的输出端23和24后分别沿顺时针和逆时针方向进入左臂光纤13和右臂光纤14，左臂光纤和右臂光纤的另一端分别与光子晶体光纤光栅16相连，构成一个光纤环结构；顺时针和逆时针传输的两束光到达光子晶体光纤光栅后，由于光子晶体光纤光栅对光的反射作用，两束光各自以反方向返回，并在光纤耦合器处产生干涉；光电探测器17与光纤耦合器的另一输入端22相连，用于接收滤波器的输出信号；磁场发生装置15中的电磁线圈放置在光子晶体光纤光栅的外面，在信号源驱动电流的作用下产生的磁场方向与光子晶体光纤光栅的轴向平行。光子晶体光纤光栅的包层由具有5个单层结构的柚子型大空气孔构成，纤芯是由掺锗的石英材料构成的实芯结构，并在纤芯中刻入长度为6mm的光纤光栅。光子晶体光纤光栅的包层空气孔直径为20.8μm，通过毛细管现象向其中填充入磁流体材料，填充磁流体部分的长度为8mm，大于所刻制的光纤光栅的长度，以保证磁流体覆盖整个光纤光栅区域。磁流体为一种CdFe₂O₄水基磁流体材料，磁性颗粒的直径为10nm，磁流体的体积比浓度为1.52％，初始折射率值为1.462。磁场发生单元包括电磁线圈和给电磁线圈提供驱动电流的信号源；电磁线圈的半径为5mm，长度为60mm，匝数为500；所述的光子晶体光纤光栅放置在电磁线圈的中轴线上。光纤环镜的左臂光纤和右臂光纤长度不同，两者的长度差为3.5mm，以保证滤波器的输出光谱中产生梳状滤波的效果。磁流体在变化的磁场作用下，其折射率将发生变化(如图2所示)，导致光子晶体光纤光栅包层的有效折射率改变，引起光子晶体光纤光栅基模与包层模耦合的谐振峰波长的移动，从而实现滤波器输出特性的可调谐。

含有光纤光栅的光纤滤波器的原理是：宽带光源发出的光通过光纤进入光纤耦合器的端口21，经过耦合器后分成从端口23和端口24按顺时针和逆时针方向传播的两束光，遇到光纤光栅后每路光波中满足光纤光栅相位匹配条件的具有特定波长的那部分光都会被反射，最后在耦合器中叠加干涉，从光纤耦合器的端口22可以观察到透射波。

利用传输矩阵法来进行一般性的理论计算和分析，在不考虑损耗的前提下，光纤耦合器和光在长度为L_i的光纤中传播时的传输矩阵可以分别表示为：

$\left|\begin{array}{cc}\sqrt{1-K}& j\sqrt{K}\\ j\sqrt{K}& \sqrt{1-K}\end{array}\right|,\left|\begin{array}{cc}\exp \left(\mathrm{j\β}{L}_i\right)& 0\\ 0& \exp (-\mathrm{j\β}{L}_i)\end{array}\right|---\left(1\right)$

式中，K是光纤耦合器的耦合系数，L_i(i＝1，2)为光纤环镜中上臂光纤和下臂光纤的长度，β为光纤中的模式传播常数。一般应将光纤光栅分为很多小段，将每一小段视为均匀光纤光栅，然后把各小段的传输矩阵连乘，设各小段的长度为ΔZ，其传输矩阵可写为：

$\left|\begin{array}{cc}\cosh \left(\mathrm{\γ\ΔZ}\right)-j\frac{\widehat{\mathrm{\σ}}}{\mathrm{\γ}}\sinh \left(\mathrm{\γ\ΔZ}\right)& -j\frac{\mathrm{\κ}}{\mathrm{\γ}}\sinh \left(\mathrm{\γ\ΔZ}\right)\\ j\frac{\mathrm{\κ}}{\mathrm{\γ}}\sinh \left(\mathrm{\γ\ΔZ}\right)& \cosh \left(\mathrm{\γ\ΔZ}\right)+j\frac{\widehat{\mathrm{\σ}}}{\mathrm{\γ}}\sinh \left(\mathrm{\γ\ΔZ}\right)\end{array}\right|---\left(2\right)$

其中，

κ和分别为这一段光纤光栅上的交流和直流耦合系数。

在一般情况下，这种结构的光纤环镜没有解析解，但是对于含有光纤光栅为均匀布拉格光栅时，可导出它的解析解来，它的透射率表达为：

$T=\frac{{[(1-2K)\sqrt{{\mathrm{\κ}}^2-{\mathrm{\δ}}^2}+2\mathrm{\κ}\sqrt{K(1-K)}\sinh \left(\sqrt{{\mathrm{\κ}}^2-{\mathrm{\δ}}^2}{L}_g\right)\cos \left(\mathrm{\β\ΔL}\right)]}^2}{{\mathrm{\κ}}^2\cos h^2\left(\sqrt{{\mathrm{\κ}}^2-{\mathrm{\δ}}^2}{L}_g\right)-{\mathrm{\δ}}^2}---\left(3\right)$

式中，ΔL＝L₁-L₂，L_g为光纤光栅长，δ为光纤光栅失调。

从式(3)可以看出，如果上臂光纤和下臂光纤的长度相同，则ΔL＝0，此时，经过光纤光栅反射的顺时针和逆时针传播的两束反射光由于光程差相同，因而不产生干涉，则透射率正好是均匀布拉格光纤光栅的反射光谱。此时，在磁场发生单元的作用下，磁流体的折射率将发生变化，使得光子晶体光纤光栅包层的有效折射率改变，引起光子晶体光纤光栅基模与包层模耦合的谐振峰波长的移动，从而实现滤波器输出特性的可调谐，如图3所示。

由于磁流体折射率n_MF在环境温度为T时，受外磁场强度H作用下的函数表达式为：

$n_{\mathrm{MF}}(H,T)=[n_s-n_o][\cosh \left(\mathrm{\α}\frac{H-H_{\mathrm{cn}}}{T}\right)-\frac{T}{\mathrm{\α}(H-H_{\mathrm{cn}})}]+n_o,\mathrm{forH}>H_{\mathrm{cn}}---\left(4\right)$

式中，H_cn为阈值；n_o为在无外磁场(或外磁场未达到阈值之前)情况下磁流体体系的折射率；n_s为外磁场增大到一定程度后，磁流体体系折射率趋于“饱和”的值。n_o与n_s都仅仅与磁流体材料有关，在实验中可看作常参数。

由于光子晶体光纤包层的特殊的多孔结构使它的包层折射率不能够单独算做二氧化硅的折射率，这就需要建立一种计算有效折射率的模型。

由于我们将包层的折射率看做了有效折射率，那么基模与包层模谐振波长的相位匹配条件就应变为：

λ_FBG＝(n_co+n_eff)P_FBG                    (5)

可见，磁流体折射率的改变使得光子晶体光纤的包层有效折射率的变化，从而导致基模与包层模谐振波长的移动。

当光纤环镜中，左臂光纤和右臂光纤长度不等，即ΔL≠0，此时，经过光纤光栅反射的顺时针和逆时针传播的两束反射光由于产生了光程差而发生干涉，光纤环镜的透射谱恰好为光纤光栅反射光谱包络受到余弦调制的结果。由式(3)中的(cosβΔL)²项可知，光纤环镜的透射谱具有周期梳状滤波特性，周期满足

2βΔL＝2π                            (7)

又，已知光纤光栅传播常数

则有

$2\frac{2n_{\mathrm{eff}}\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\ΔL}=2\frac{2n_{\mathrm{eff}}\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}^2}\mathrm{\Δ}\×\mathrm{\ΔL}=2\mathrm{\π}---\left(8\right)$

即每个滤波信道的宽度Δ可表示为

$\mathrm{\Δ}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2n_{\mathrm{eff}}\mathrm{\ΔL}}---\left(9\right)$

为设计所需滤波器通道间隔提供了很好的依据。

图4为ΔL分别为ΔL＝0(图(a))，ΔL＝3.5mm(图(b))时，滤波器的透射谱。可见，通过改变左臂光纤和右臂光纤的长度差，就可以实现对通带内滤波信道个数和信道间隔的调整。

Claims (7)

1.一种磁控可调谐光纤梳状滤波器，包括宽带光源，光纤耦合器，由左臂光纤、右臂光纤和光子晶体光纤光栅构成的光纤环镜，磁场发生单元，光电探测器，其特征在于：光由宽带光源发出从光纤耦合器输入端进入，经过光纤耦合器后分别沿顺时针和逆时针方向进入左臂光纤和右臂光纤，左臂光纤和右臂光纤的另一端分别与光子晶体光纤光栅相连，构成一个光纤环结构；顺时针和逆时针传输的两束光到达光子晶体光纤光栅后，由于光子晶体光纤光栅对光的反射作用，两束光各自以反方向返回，并在光纤耦合器处产生干涉；光电探测器与光纤耦合器的输出端相连，用于接收滤波器的输出信号；磁场发生装置中的电磁线圈放置在光子晶体光纤光栅的外面，在信号源驱动电流的作用下产生的磁场方向与光子晶体光纤光栅的轴向平行。

2.按照权利要求1所述的磁控可调谐光纤梳状滤波器，其特征在于：所述的光子晶体光纤光栅的包层由具有5个单层结构的柚子型大空气孔构成，纤芯是由掺锗的石英材料构成的实芯结构，并在纤芯中刻入长度为6mm的光纤光栅。

3.按照权利要求1所述的磁控可调谐光纤梳状滤波器，其特征在于：所述的光子晶体光纤光栅的包层空气孔直径为20.8μm，通过毛细管现象向其中填充入磁流体材料，填充磁流体部分的长度为8mm，大于所刻制的光纤光栅的长度，以保证磁流体覆盖整个光纤光栅区域。

4.按照权利要求1所述的磁控可调谐光纤梳状滤波器，其特征在于：所述的磁流体为一种CdFe₂O₄水基磁流体材料，磁性颗粒的直径为10nm，磁流体的体积比浓度为1.52％，初始折射率值为1.462。

5.按照权利要求1所述的磁控可调谐光纤梳状滤波器，其特征在于：所述的磁场发生单元包括电磁线圈和给电磁线圈提供驱动电流的信号源；电磁线圈的半径为5mm，长度为60mm，匝数为500；所述的光子晶体光纤光栅放置在电磁线圈的中轴线上。

6.按照权利要求1所述的磁控可调谐光纤梳状滤波器，其特征在于：所述的光纤环镜的左臂光纤和右臂光纤长度不同，两者的长度差为3.5mm，以保证滤波器的输出光谱中产生梳状滤波的效果。

7.按照权利要求1所述的磁控可调谐光纤梳状滤波器，其特征在于：所述的磁流体在变化的磁场作用下，其折射率将发生变化，导致光子晶体光纤光栅包层的有效折射率改变，引起光子晶体光纤光栅基模与包层模耦合的谐振峰波长的移动，从而实现滤波器输出特性的可调谐。

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