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CN109521518B - 基于直流调制的多通道光纤光栅滤波器及其制作方法 - Google Patents

基于直流调制的多通道光纤光栅滤波器及其制作方法 Download PDF

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CN109521518B CN201811530746.8A CN201811530746A CN109521518B CN 109521518 B CN109521518 B CN 109521518B CN 201811530746 A CN201811530746 A CN 201811530746A CN 109521518 B CN109521518 B CN 109521518B
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Abstract

本发明提出了一种直流调制的多通道光学滤波器及制作方法，在一根光纤上周期相差10倍以上的采样、种子两种光栅，种子光栅采用普通光纤光栅，采样光栅的折射率变化采用特定优化设计的具有周期性折射率变化函数，采样光栅的折射率变化对种子光栅的折射率变化直流部分起慢调制作用，以形成均匀信道间隔和信道增益的多通道光学滤波器。滤波器频率间隔由采样光栅周期设定；中心波长由种子光栅周期设定；通道数由作用于采样光栅折射率变化的优化慢变函数确定；多通道滤波器的频谱特性保持一致，由种子光栅的频谱特性决定。制作步骤为在一根光纤上制作具有折射率变化函数特性的采样光纤光栅和普通光纤特性的种子光纤光栅，种子、采样光栅制作顺序可调。

Description

基于直流调制的多通道光纤光栅滤波器及其制作方法
技术领域
本发明涉及光通信和光传感技术领域，尤其涉及到在该领域中的一种基于直流调制的多通道光纤光栅滤波器及其制作方法。
背景技术
信道间隔和信道增益具有均匀特性的多通道光纤光栅滤波器是光通信和光传感领域中的重要器件。传统的通过光栅折射率变化的交流部分的周期性调制实现多通道滤波器的方案虽然简单易行，但是无法保证不同通道增益的一致性。通过分层剥皮算法或多参量优化算法，可以计算出实现均匀多通道光纤光栅滤波器所需要的折射率变化的幅度和相位(或周期)的制作条件，但这种制作要求对于光纤光栅制作中的幅度和相位的控制精度要求极高，在实际光纤光栅生产工艺中很难实现，或者实现成本很高，比如需要昂贵的高精度相位模板。
国内外涉及到多通道光纤光栅的专利如下：
基于硅基石墨烯布拉格光栅结构可调谐多通道滤波器(中国专利CN107390306A)；
高速高精度多通道布拉格光栅解调仪(中国专利CN106404015A)；
一种同步多通道光纤光栅传感调解系统(中国专利CN102589586A)；
一种采用波分复用器的光纤多通道周界传感系统(中国专利CN102519501A)；
一种并行分布式计算的多通道光纤光栅振动信号智能传感系统(中国专利CN106404153A)。
国内外论文中也有通过折射率变化的交流部分的周期性调制函数实现多通道光纤光栅滤波器的方法，有些方法虽然简单，但无法实现多通道的增益一致；有的虽能实现多通道的增益一致，但需要复杂的工艺，特别是需要价格昂贵的高精度相位模板；没有能够既实现均匀多通道光学滤波器特性，并同时满足“均匀特性好、加工工艺要求低”的基于普通光纤光栅的设计和制作方法，也没有采用周期性直流调制的均匀光纤光栅滤波器的设计和制作方法。
发明内容
发明目的：针对以上技术问题，本发明提出了一种基于直流调制的多通道光纤光栅滤波器及其制作方法，以克服传统周期性多通道光学滤波器难以实现或实现成本高的缺点。
技术方案：本发明采用了一种在一根光纤上共存周期相差10倍以上的采样、种子光栅的结构；其中的种子光栅采用常规光纤光栅(同向耦合光栅或反向耦合光栅)，采样光栅的折射率变化采用特定优化设计的周期性折射率变化函数，采样光栅的折射率变化最终对种子光栅的折射率变化的直流部分起到慢调制作用，最终形成均匀的信道间隔和信道增益多通道光学滤波器。采用的采样光栅为均匀周期光栅，无需精准的相位控制，也就在制作中不需要价格昂贵的相位模板。实现的滤波器频率间隔由采样光栅的周期任意设定；其中心波长由种子光栅的周期任意决定；通道数大于2，由不同种类的特殊优化折射率慢变函数决定；多通道滤波器的频谱特性保持一致，并由种子光栅的频谱特性决定。获得的通道间隔或频率间隔特性分别为：
对应于反向模式耦合的种子光栅(典型为布拉格光纤光栅)：获得的通道波长间隔为
Figure BDA0001905591150000021
获得的频率间隔为
Figure BDA0001905591150000022
其中P为采样光栅的周期，Λ为种子光栅的周期，λ为设定的中心波长，c为真空中的光速，neff为反向耦合的两个模式的平均有效折射率，s为波导色散修正因子，该因子与反向耦合的不同模式的波导色散有关，对于一定波长范围内的不同同向耦合模式可近似为不同常数，对于反向耦合的同一模式取s＝1。最终的频率间隔与波长无关。
对应于同向模式耦合的种子光栅(典型为长周期光纤光栅)：获得的通道波长间隔为
Figure BDA0001905591150000023
获得的频率间隔为
Figure BDA0001905591150000024
其中Λ为种子光栅周期，c为真空中的光速，s为波导色散修正因子，该因子与同向耦合的不同模式的波导色散有关，对于一定波长范围内的不同同向耦合模式可近似为不同常数。最终的频率间隔与波长无关。
光纤光栅包含任意同一或不同反向模式耦合光栅(典型为布拉格光纤光栅)及任意同向模式耦合光栅(典型为长周期光纤光栅)，但不限于长周期光纤光栅和布拉格光纤光栅。光纤光栅包含各类可以形成光纤光栅的光纤，可以是单模光纤、多模光纤和其他特殊光纤。
采样光栅和种子光栅制作工艺包含各类光纤光栅工艺，可以是紫外、CO2照射、加热扭转及各类物理现象引发的光纤光栅，如布里渊光栅。
本发明提出的制作方法对于光纤光栅制备折射率变化的幅度和周期控制精度要求仅为普通均匀光栅精度要求，无需相位模板。实现的多通道光学滤波器的特性为：通道数大于2；通道间隔在频率域为等间隔；对于反向模式耦合光栅(典型为布拉格光栅)形成的带通光学滤波器(指的是反射谱)的通道增益不一致性(不一致性指的是不同通道最大和最小通道增益的dB功率差)小于1dB，对于同向模式耦合光栅(典型为长周期光纤光栅)形成的带阻光学滤波器(指的是透射谱)的通道增益不一致性小于3dB(不一致性指的是不同通道最大和最小阻带衰减的dB功率差)；多通道滤波器的频谱特性保持一致，并由种子光栅的频谱特性决定。
其中，单个通道滤波器特性是由种子光栅的频谱决定。则当种子光栅为均匀光栅，则多通道中每个通道滤波器的特性都是均匀光栅滤波器特性。但若种子光栅为非均匀光栅，具有特殊滤波器频谱特性，比如平顶滤波器，则多通道滤波器也具有相应滤波器特性。
当种子光栅为同向模式耦合光栅(典型为长周期光栅)时，滤波器为多通道带阻滤波器(对应于透射谱)；种子光栅为反向模式耦合光栅(典型为布拉格光栅)时，滤波器为多通道带通滤波器(对应于反射谱)。
本发明的设计步骤如下：
第一步，根据特殊设计的一种周期性折射率慢变函数，加工周期长度较长的采样光纤光栅，其折射率变化选择特定设计的周期性慢变函数，采样光栅的周期将确定最终形成的多通道滤波器的通道频率间隔。对应于不同的信道数，采用不同优化设计的周期性慢变函数。若第二个种子光栅为反向耦合的光栅(典型为布拉格光栅)，优化设计的采样光栅折射率变化函数表示如下:
Figure BDA0001905591150000031
其中，D为采样光栅折射率变化直流常量部分，J为通道数设定因子，P为采样光栅的周期，λ为种子光栅周期确定的设定中心波长，neff为反向耦合种子光栅中的两个耦合模式的平均有效折射率，z为光纤光栅的位置，αn、θn为针对不同通道数函数的最优化参数。获得的通道波长间隔为
Figure BDA0001905591150000032
获得的频率间隔为
Figure BDA0001905591150000033
其中Λ为种子光栅的周期，c为真空中的光速，s为波导色散修正因子，该因子与反向耦合的不同模式的波导色散有关，对于一定波长范围内的不同同向耦合模式可近似为不同常数，对于反向耦合的同一模式取s＝1。最终的频率间隔与波长无关。
若第二个种子光栅为同向耦合的光栅(典型为长周期光栅)，采样光栅的折射率变化函数表示如下:
Figure BDA0001905591150000034
其中，D为采样光栅折射率变化直流部分，该参数用于减小采样光栅制作难度，J为通道数设定因子，P为采样光栅的周期，λ为设定的中心波长，Δneff为同向耦合的两个模场的有效折射率之差，z为光纤光栅的位置，αn、θn为针对不同通道数函数的最优化参数。获得的通道波长间隔为
Figure BDA0001905591150000035
获得的频率间隔为
Figure BDA0001905591150000036
其中Λ为种子光栅周期，c为真空中的光速，s为波导色散修正因子，该因子与同向耦合模式的波导色散有关，对于一定波长范围内的不同同向耦合模式可近似为不同常数。最终的频率间隔与波长无关。
第二步，在已形成周期性缓慢折射率变化的采样光纤光栅上，加工具有设定频谱特性的种子光栅(同向耦合或者反向耦合光栅)，种子光栅的周期小于采样光栅的1/10。如果第二步的种子光栅为同向耦合光栅，可以进一步制作幅度切趾，以降低反射带来的带外辐射，对于切趾函数没有特别的要求。
最后形成的多通道带通滤波器(对应于反向耦合光栅的反射谱)或多通道带阻滤波器(对应于同向耦合光栅的传输谱)的通道增益强度主要取决于种子光栅的折射率变化(交流耦合系数)，而多通道光学滤波器的间隔和增益的一致性主要取决于第一次加工形成的采样光纤光栅的折射率变化控制精度。第二次形成的种子光栅需要和第一次形成的采样光纤光栅空间位置重合，种子光纤光栅形成区域可以小于采样光纤光栅，种子、采样光栅的开始和结束位置不需要完全对准。
以上第一步和第二步步骤可以交换顺序。
有益效果：本发明结构和制作方法简单，能在传统光纤光栅加工设备上实现，克服了传统周期性交流调制实现的多通道光学滤波器无法获得等信道增益特性，及分层剥皮或多参量优化方法设计的多通道光学滤波器难以实现或实现成本高，需要昂贵的高精度相位模板的缺点。
附图说明
图1为直流调制光纤光栅的结构图，图中包含周期相差较大的采样、种子两个光栅；
图2为以同向耦合光栅(以长周期光纤光栅为例)为种子光栅，实现3通道均匀光纤光栅滤波器需要的周期性慢变函数，即采样光栅折射率变化函数；
图3为以同向耦合光栅(以长周期光纤光栅为例)为种子光栅，实现的3通道均匀光纤光栅滤波器；
图4为以反向耦合光栅(以布拉格光纤光栅为例)为种子光栅，实现的3通道均匀光纤光栅滤波器需要的周期性慢变函数，即采样光栅折射率变化函数；
图5为以反向耦合光栅(以布拉格光纤光栅为例)为种子光栅，实现的3通道均匀光纤光栅滤波器；
图6为以反向耦合光栅(以布拉格光纤光栅为例)为种子光栅，实现的9通道均匀光纤光栅滤波器需要的周期性慢变函数，即采样光栅折射率变化函数；
图7为以反向耦合光栅(以布拉格光纤光栅为例)为种子光栅，实现的9通道均匀光纤光栅滤波器。
具体实施方式
以下结合附图和实施案例对本发明进一步详细阐述。
实施例1：在以同向耦合光栅，以长周期光纤光栅为例，为种子光栅实现的3通道均匀光学滤波器。
采用图1结构，其中种子光栅采用周期为300um的同向耦合的长周期光纤光栅，其谐振波长为1560nm(其谐振波长位置可以由种子光栅周期做调整)，光栅长度为L＝6cm。
采样光栅采用如下折射率变化函数：
ΔnDC-LPG(z)＝2.9342×10-4·sin(2πz/P)
其中采样光栅周期为P＝1.5cm，采样光栅的折射变化函数如图2所示。最终形成的多通道滤波器波长间隔Δλ为31.2nm，频谱如图3所示，带阻滤波器的透射谱的信道不一致性约为0.2dB，图中交叉谱用于对比参考。
实施例2：在反向耦合光栅(以布拉格光纤光栅为例)上实现的3通道均匀光学滤波器
采用图1结构，其中种子光栅采用周期为0.5345um的反向耦合的布拉格光纤光栅，光栅长度为L＝1.07cm，其谐振波长为λ＝1550nm(其谐振波长位置可以由种子光栅周期做调整)，切趾函数选择为sin2(πz/L)。
采用的采样光纤光栅的折射率变化公式为：
ΔnDC-FBG(z)＝5.85×10-4·sin(2πz/P)
其中采样光栅周期为P＝1mm，采样光栅的折射变化函数如图4所示。
最终形成的多通道滤波器波长间隔Δλ为0.8nm，频谱如图5所示，带通滤波器的反射谱的信道不一致性为0.02dB，图中透射谱用于对比参考。
实施例3：在反向耦合光栅(以布拉格光纤光栅为例)上实现的9通道均匀光学滤波器
采用图1结构，其中种子光栅采用周期为0.5345um的反向耦合的布拉格光纤光栅，光栅长度为L＝1.07cm，其谐振波长为1550nm(其谐振波长位置可以由种子光栅周期做调整)，切趾函数选择为sin2(πz/L)。
采用的采样光纤光栅的折射率变化公式为：
ΔnDC(z)＝3.8751×10-4[-2.935cos(W)-1.16sin(2W)-1.26cos(3W)+1.272sin(4W)+0.855cos(5W)]
采样光栅周期为P＝2mm，采样光栅的折射变化函数如图6所示。
最终形成的多通道滤波器波长间隔Δλ为0.4nm，频谱如图7所示，反射谱(带通滤波器)的信道不一致性为约0.02dB，图中透射谱用于对比参考。
以上举例说明了各种参数下的制作情况，分别实现在在同向耦合光栅(以长周期光栅为例)的多通道带阻滤波器和反向耦合光栅(以布拉格光栅为例)的多通道带通滤波器设计效果，但本专利不受限以上举例情况。

Claims (8)

1.一种基于直流调制的多通道光纤光栅滤波器，其特征在于：在一根光纤上分别形成周期长度相差为10倍以上的采样、种子两种光纤光栅，所述种子光纤光栅采用同向耦合光纤光栅或反向耦合光纤光栅，所述采样光纤光栅的折射率变化根据同向耦合种子光纤光栅或反向耦合种子光纤光栅的不同采用对应的周期性折射率变化函数，其折射率变化对种子光纤光栅的折射率变化的直流部分起慢调制作用，以形成均匀的信道间隔和信道增益的多通道光学滤波器；
所述采样光纤光栅中采用的折射率变化函数，其对应于反向模式耦合的种子光纤光栅为优化幅度和相位的周期性正弦或余弦函数和直流常量的组合，表示为：
Figure FDA0002443863930000011
其中，D为采样光纤光栅折射率变化直流部分，J为通道数设定因子，P为采样光纤光栅的周期，λ为由种子光纤光栅周期确定的设定中心波长，neff为反向耦合种子光纤光栅中的两个耦合模式的平均有效折射率，z为采样光纤光栅的位置，αn、θn为针对不同通道数函数的最优化参数；获得的通道波长间隔为
Figure FDA0002443863930000012
获得的频率间隔为
Figure FDA0002443863930000013
其中Λ为种子光纤光栅周期，c为真空中的光速，该频率间隔与波长无关；
所述采样光纤光栅中采用的折射率变化函数，其对应于同向模式耦合的种子光纤光栅为优化幅度和相位的周期性正弦或余弦函数和直流常量的组合，表示为：
Figure FDA0002443863930000014
其中，D为采样光纤光栅折射率变化直流部分，J为通道数设定因子，P为采样光纤光栅的周期，λ为由种子光纤光栅周期确定的设定中心波长，Δneff为同向耦合的两个模式的有效折射率之差，z为采样光纤光栅的位置，αn、θn为针对不同通道数函数的最优化参数；获得的通道波长间隔为
Figure FDA0002443863930000015
获得的频率间隔为
Figure FDA0002443863930000016
其中Λ为种子光纤光栅周期，c为真空中的光速，s为波导色散修正因子，该频率间隔与波长无关。
2.根据权利要求1所述的基于直流调制的多通道光纤光栅滤波器，其特征在于：所述滤波器频率间隔由采样光纤光栅的周期设定，所述滤波器的中心波长由种子光纤光栅的周期设定。
3.根据权利要求1所述的基于直流调制的多通道光纤光栅滤波器，其特征在于：所述通道之间的间隔在频率域为等间隔。
4.根据权利要求1所述的基于直流调制的多通道光纤光栅滤波器，其特征在于：所述通道滤波器的频谱特性与种子光纤光栅频谱特性一致。
5.根据权利要求1所述的基于直流调制的多通道光纤光栅滤波器，其特征在于：所述种子光纤光栅包含任意同向模式耦合的光纤光栅。
6.根据权利要求1所述的基于直流调制的多通道光纤光栅滤波器，其特征在于：所述种子光纤光栅包含任意同一或不同反向模式耦合的光纤光栅。
7.根据权利要求1所述的基于直流调制的多通道光纤光栅滤波器，其特征在于：所述制作种子光纤光栅的光纤包括单模光纤、多模光纤和其他特殊光纤。
8.一种采用如权利要求1至7中任一项所述的基于直流调制的多通道光纤光栅滤波器的制作步骤，其特征在于：在同一根光纤上分别制作具有特殊周期性折射率变化函数特性的采样光纤光栅和普通光纤光栅特性的种子光纤光栅，种子、采样光纤光栅的制作顺序可交换。
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