CN101551516A - 基于光纤光栅啁啾率调谐的带宽或波长间隔可变滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于光纤光栅啁啾率调谐的带宽或波长间隔可变滤波器，属于光纤滤波器技术领域，涉及光纤光栅和波分复用光纤通信系统领域。滤波器采用直角三角形等强度悬臂梁(2)调谐结构，悬臂梁(2)通过夹板(1)固定，啁啾光纤光栅或取样啁啾光纤光栅(3)倾斜3－45度粘贴在悬臂梁(2)的直角边的侧面上。通过悬臂梁(2)的自由端竖直方向施加力或挠度，使悬臂梁(2)弯曲以改变啁啾光纤光栅(3)的啁啾率，最终导致啁啾光纤光栅的反射谱带宽或取样啁啾光纤光栅的反射峰间隔的改变，从而达到选择特定波长或波长范围的反射滤波效果。此滤波器的带宽调谐范围大、精度高、结构简单、成本低，适用于各种光纤网络系统，特别是波分复用系统。

Description

基于光纤光栅啁啾率调谐的带宽或波长间隔可变滤波器

技术领域

本发明属于光纤滤波器器领域，具体涉及一种基于光纤光栅啁啾率调谐的带宽或波长间隔可变滤波器，特别适用于反射带阻和波分复用光纤通信系统。

背景技术

光纤布喇格光栅滤波器作为一种与当前光纤网络内在兼容的优良的滤波器，已经被广泛的研究，由于具有独特的滤波特性和多功能性，它们在光纤通信和光纤传感等领域得到了大量的应用。因为光纤光栅的中心波长对应变和温度变化很敏感，所以可作为波长可调谐滤波器。另外，沿着光纤光栅以一定梯度改变应变或温度，可以得到反射带宽可调谐的滤波器，因为光纤光栅的啁啾率与应变或温度的梯度成正比。这种啁啾光纤光栅可以应用于可调谐色散补偿器和对温度不敏感的传感测量。目前，已经有很多种通过啁啾率改变光纤光栅反射带宽的技术被报道，应用了热学、力学、电磁学等方法，但是利用这些方法得到的光纤光栅的反射带宽的动态变化范围通常较小(小于5nm)，有些技术手段比较复杂，导致操作不方便、成本高昂的问题。另外，存在一个很严重的不足：光纤光栅反射带宽改变的同时中心波长和反射率也被改变，造成滤波器的工作波长范围和反射率在带宽调节以后偏离实际需要的情况发生。

发明内容

本发明的目的是实现带宽调谐范围大、反射率高、结构简单、成本较低的反射带宽可调谐光纤光栅滤波器和波长间隔可调谐多波长梳状滤波器。

为了达到上述要求，我们设计了一种基于光纤光栅啁啾率调谐的带宽或波长间隔可变滤波器。利用这种设计，带宽调谐范围可以达到36nm(1.8-37.8nm)，梳状滤波器波长间隔可调谐范围为2.1nm(1.2-3.3nm)，而且反射率可以保持在99％以上，能够基本满足当前光纤网络系统的部分滤波需求。

该项发明利用直角三角形悬臂梁2作为光纤光栅啁啾率调谐的工具，将啁啾光纤光栅或取样啁啾光纤光栅3倾斜粘贴在悬臂梁2的侧面，且与悬臂梁中性面成3-45度夹角。当悬臂梁自由端受外界力影响产生竖直方向位移时，悬臂梁2弯曲产生形变，如果位移向下梁向下弯曲，则光纤光栅在梁中性面以上的部分受到拉伸应变，而中性面以下的部分受到压缩应变，在中性面上无应变。在不同的厚度层上产生的应变呈梯度分布，可引起光纤光栅啁啾率的变化，表现为光纤光栅反射带宽的变化。而且梁的曲率越大，光纤光栅的啁啾率的改变越大，反射带宽的变化就越大。在采用长度较长(大于5cm)、起始反射率较高(大于99.9％或30dB)的光纤啁啾光栅或取样啁啾光纤光栅情况下，其反射率在带宽增大和减小两种情况下的变化都很小，能维持在99％以上。

该项发明中，使啁啾光纤光栅或取样啁啾光纤光栅3的中点固定在悬臂梁侧面的中性面上，则悬臂梁弯曲时，其反射谱变化是对称的，在外界温度不改变的前提下中心波长保持不变。反射谱带宽Δλ_c与自由端的位移f成线性关系，即

Δλ_c＝A×f

式中， $A\≅C(1-p_e){\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Bc}}{L}_g{L}^{-2}\sin \left(2\mathrm{\θ}\right),$ 其中C为悬臂梁2和光纤光栅3的应变传递系数，p_e为光纤光栅的弹光系数，λ_Bc为中心波长，L_g为啁啾光纤光栅3的长度，L为悬臂梁2的长度，θ为光纤光栅3和中性面的夹角。以上各系数皆为已知或可通过测量得到，只要改变自由端的位移f，就可以线性改变光纤光栅反射谱带宽Δλ_c。

由于采用上述技术方案，本发明提供的光纤光栅滤波器具有以下有效增益：

1.利用三角形悬臂梁2结构，在外界温度不改变的前提下，光纤光栅3反射谱的中心波长不会漂移，只是带宽的变化，提高了滤波的精确性。

2.啁啾光纤光栅或取样啁啾光纤光栅3的啁啾率调谐范围大，反射谱带宽可调谐范围可达36nm，梳状滤波器波长间隔可调谐范围为2.1nm。

3.啁啾光纤光栅或抽样啁啾光纤光栅3是氢载后利用强紫外光刻成，反射率高达30db，反射率不会因反射谱带宽展宽而有大幅降低，且反射谱顶部非常平滑。

附图说明

图1是基于光纤光栅啁啾率调谐的带宽或波长间隔可变滤波器的结构示意图

图2是基于光纤光栅啁啾率调谐的带宽或波长间隔可变滤波器的原理图

图3是基于光纤光栅啁啾率调谐的带宽或波长间隔可变滤波器的反射谱带宽和自由端位移关系图

图4是采用普通啁啾光纤光栅啁啾率调谐的带宽或波长间隔可变滤波器的反射谱和透射谱

图5是采用抽样啁啾光纤光栅啁啾率调谐的带宽或波长间隔可变滤波器的反射谱和透射谱

图6是基于光纤光栅啁啾率调谐的带宽或波长间隔可变滤波器的改进方案结构示意图

图中，1-夹板、2-直角三角形悬臂梁、3-啁啾光纤光栅或抽样啁啾光纤光栅、4-光纤、5-普通啁啾光纤光栅、6-抽样啁啾光纤光栅、7-恒温容器

具体实施方式

以下结合附图1、2、3、4、5对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明基于光纤光栅啁啾率调谐的带宽或波长间隔可变滤波器结构示意图如图1所示。将光纤光栅3倾斜3-45度粘贴在直角三角形悬臂梁2的侧面，使光纤光栅3的中点与中性面重合，保证光纤光栅3两端的应变最大值相等，使反射谱带宽的调谐范围达到最大。如果光纤光栅3的中心未与中性面重合，则光纤光栅较长的一侧会先因应变过大而损坏。

图2是光纤光栅啁啾率调谐滤波器的原理图，图中自由端受力产生了一定的位移，导致悬臂梁2弯曲，在不同的厚度层上产生的应变呈梯度分布，此应变被传递到光纤啁啾光栅，便能调谐啁啾光纤光栅或抽样啁啾光纤光栅3的啁啾率，表现为光纤光栅的反射带的增宽。光纤光栅3反射谱带宽变化Δλ_c与自由端的位移f成线性关系，如图3所示，而且自由端位移越大，悬臂梁2的曲率就越大，光纤光栅3的啁啾率变化越强，反射带宽越宽或波长间隔也就会越大，如图4、5所示。

如图6所示，本发明也可以采用改进方案：在一根直角三角形悬臂梁2上倾斜粘贴两根光纤光栅的方案，一根为普通啁啾光纤光栅5，另一根为抽样啁啾光纤光栅6，在滤波时只需选择不同的光纤光栅，就可以满足不同的滤波需要。此外，如图6所示，将悬臂梁2放置在恒温容器7中，通过改变容器7中温度就可以调节光纤光栅的中心波长，再通过改变自由端的位移，便能得到特定的中心波长展宽的反射谱，或者波长间隔和中心波长同时可调谐的梳状滤波器。采用此方案，可使啁啾光纤光栅5的反射谱带宽或取样啁啾光纤光栅6的反射峰间隔的可调谐范围达到最大，滤波效果最好。

Claims (4)

1.本发明提出一种基于光纤光栅啁啾率调谐的带宽或波长间隔可变滤波器，其特征在于：啁啾光纤光栅(连续或取样)(3)倾斜一定角度粘贴在悬臂梁(2)的直角边的侧面上，通过梁的弯曲来达到想要的滤波效果。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅啁啾率调谐的带宽或波长间隔可变滤波器，其特征在于：悬臂梁(2)除被夹板(1)夹住的部分外，其余部分必须是完整的直角三角形，以保证其弯曲的均匀性和光纤光栅啁啾率的一致性。

3.根据权利要求1和2所述的一种基于光纤光栅啁啾率调谐的带宽或波长间隔可变滤波器，其特征在于：啁啾光纤光栅或取样啁啾光纤光栅(3)倾斜3-45度粘贴在悬臂梁(2)的较长的直角边的侧面，使光纤光栅的中心在悬臂梁(2)的中性面上，光纤光栅须全部粘贴在悬臂梁(2)的侧面。

4.根据权利要求1和2所述的一种基于光纤光栅啁啾率调谐的带宽或波长间隔可变滤波器，其特征在于：所粘贴的光纤光栅(3)为高反射率的啁啾光纤光栅或抽样啁啾光纤光栅。

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