CN101846817A - 超声驱动光纤绕组滤波器 - Google Patents

Abstract

一种超声驱动光纤绕组滤波器。解决现有超声光纤窄带滤波器占用空间大，超声驱动角锥只能驱动单一光纤的问题。本发明滤波器包括一个楔形超声聚能器，粘接于楔形聚能器底部的压电驱动器(超声换能器)，粘接于压电驱动器底部的吸声材料，以及粘接于楔形角锥刃口处的光纤绕组。本发明对于特定波长在光纤中传播的光波实现滤波，解决了原有超声驱动光纤滤波器容易折断破损，超声驱动角锥不易加工的缺点，同时保持了一般的超声驱动光纤滤波器的基本特性，即滤波位置可调，滤波强度可调，可以直接应用于光纤通路的优点。

Description

超声驱动光纤绕组滤波器

【技术领域】：

本发明是对超声驱动的光纤可调滤波器的新的驱动模式，属于光通讯领域。

【背景技术】：

在光通讯领域，需要各种各样的滤波器以满足在光通讯中波长复用需要。超声驱动的光纤滤波器具有很多优点[1，2]，即滤波位置可调，滤波强度可调，可以直接接驳于光纤通路等优点。

但是一般的超声驱动方式是采用驱动单根光纤的方式，即超声波由压电陶瓷产生，经喇叭口形状(即圆锥体)的超声聚能器将能量汇集，再通过粘接胶将超声波传入单根光纤[3]。

超声波在介质中传播，使介质的密度产生微小的周期性扰动，这种传播的疏密波相当于在介质中形成一运动的光栅。当超声波的频率合适的情况下，运动光栅的周期和光波长可比拟，从而对入射其中的光波产生作用。也就是说，改变超声波的频率和功率会影响介质的光导通性质，这也是超声驱动的滤波器的基础。超声波的光纤滤波器作用机理与此大同小异，唯一区别的是，超声波的光纤滤波器所依靠的是超声波在光纤中传播造成光纤周期性微弯，使纤芯模式和包层模式之间发生耦合。这种周期性的微弯也是可以通过调整超声波的频率和功率来改变的。

目前所使用的超声驱动光纤滤波器，除去涂覆层的光纤沿垂直于圆锥形超声聚能器轴线的方向用胶粘接在超声聚能器的尖端[4，5]，或者沿超声聚能器的轴线方向的通透小孔穿过后再进行粘接[6]。压电陶瓷(也叫超声换能器)粘接在超声聚能器的圆锥底部。射频信号源驱动压电陶瓷产生特定频率的超声波，通过圆锥形的超声聚能器对超声波的能量进行汇聚后，再传导进入光纤。

测试滤波特性时一般以白光光源从滤波器一端导入光纤，另一端导出的光波引入光谱分析仪中。分别测量加载超声波驱动与不加载超声波驱动的透过曲线，从而分析其滤波性能。窄带滤波一般会在宽谱透过的基础之上产生一个低透过的向下的尖峰。

由于一般的考虑是提高超声滤波器的声光转换效能，使声波最大程度的耦合传导进入光纤，所以都采用圆锥体的聚能器，其它形状的聚能器对超声能量的聚集效果不如圆锥体聚能器。对于高频驱动电路，压电驱动器不能做得太大，要求圆锥体很小，加工困难，并且圆锥体聚能器的尖端更小，此方案一般只能驱动单根光纤，也有文献报道可驱动两根光纤[7]，但对粘接工艺的要求明显太高，不适于批量生产。上面已经说明，为了使超声波可以有效地耦合进入光纤，减小声波损耗，所驱动的光纤必须先除去涂覆层。为了达到有效的窄带滤波，所用的裸纤必须足够长。这样就带来另一个严重的问题：光纤除去涂覆层之后，单根的裸纤非常易断，不利于器件的使用与维护。

【发明内容】：

本发明的目的是解决现有一般超声驱动的光纤窄带滤波器占用空间大，超声角锥只能驱动单根光纤，光纤滤波器容易折断破损和加工困难的问题，提供一种超声驱动光纤绕组滤波器。

本发明重新设计了楔形超声聚能器，新的滤波器中由楔形聚能器驱动光纤绕组，用以解决单根裸纤容易折断的问题。

本发明提供的超声驱动光纤绕组滤波器，包括一个楔形超声聚能器，光纤绕组的除去涂覆层的裸纤部分粘接在楔形超声聚能器的楔形角锥刃口处，楔形超声聚能器的底部粘接用于驱动光纤绕组的压电驱动器(超声换能器)，压电驱动器与射频信号源连接，压电驱动器的底部粘接有吸声材料。

所述的光纤绕组呈单层紧密排列，并且固定区域的涂覆层全部被除去，即绕组中裸纤都是相邻且单层排列的，以便于和楔形角锥刃口完全接触。

所述的压电驱动器为压电陶瓷。

所述的光纤绕组中的部分光纤可换成其它光纤器件以形成新式的滤波器。

和现有技术相比，本发明具有以下特点：

一般的超声驱动光纤窄带滤波器所采用的超声聚能器为圆锥状，这样可以使超声波有效地汇聚到一点，从而在同一射频输出功率下达到对单根光纤最大的驱动效率。采用新设计的楔形超声聚能器之后，如果只驱动一根光纤，则效率会有所下降。但是楔形超声聚能器由于与光纤接触的地方为刃口，不是一个尖端，可以同时驱动多根光纤，实践表明，超声驱动的光纤绕组的滤波实际上可以近似看作每根光纤的单独滤波的叠加(具体见实施例)。这样既可以完美地弥补楔形超声聚能器对单根光纤驱动效率不足的缺点，也不会造成射频驱动源太大的负担——即在相同的射频输出功率下，可以达到甚至超过圆锥形超声聚能器对单根光纤驱动的效果。

楔形超声聚能器驱动的光纤绕组呈单层排列，并且固定区域的涂覆层(如图1所示)全部被除去，即绕组中裸纤都是相邻且单层排列的，以便于和楔形角锥刃口完全接触，单层并列的裸纤使它的强度要比单根裸纤强得多。

通过在压电陶瓷上加载合适的射频驱动功率，超声波可以通过楔形聚能器将能量汇聚在楔形角锥刃口，并对粘接于楔形角锥刃口处的光纤绕组进行驱动。并对于特定波长在光纤中传播的光波实现滤波。

由于滤波器可以驱动多根光纤，光纤绕组中的光纤中的一根或几根可以换成其它光纤型器件，而仅由剩余的光纤提供滤波功能，可以便利地实现功能拓展。

本发明的优点和积极效果：

本发明解决了原有超声驱动的光纤滤波器裸纤部分容易损伤，角锥不易加工的缺点，并且增加了滤波器的功能拓展性。虽然同是用超声驱动裸纤，但是光纤绕组的裸纤由于是多根并列在一起，这样的设计其强度自然比单根裸纤要强很多倍，且不易损伤。而小尺度加工中，楔形超声聚能器的加工远比锥形的要简单得多，粘接起来也因为端口面积增大而更加易于操作。在光纤已经量产的现在，将单独的光纤变成光纤绕组并不会引起加工成本的变化。更重要的是，由于滤波作用是多根光纤协同完成的，可以仅利用部分光纤完成滤波任务而将剩余的光纤换成功能性的光纤器件，这样更加有利于拓展该滤波器的应用。

引入以上优点的同时，本发明还保持了一般超声驱动光纤滤波器的基本特性，即滤波位置可调，滤波强度可调，可以直接应用于光纤通路的优点。

【附图说明】：

图1是超声驱动光纤绕组滤波器的原理示意图，1吸声材料，2压电陶瓷(超声换能器)，3射频信号源，4除去涂覆层的裸纤，5楔形超声聚能器，6光纤绕组，7光输入端口，8光输出端口。

图2是绕组中四匝光纤单独的滤波谱和串成绕组后的滤波谱，实线为每根光纤单独的滤波谱，虚线是绕组的滤波谱。

图3是改变新型滤波器驱动频率后滤波器的滤波谱。

图4是改变新型滤波器驱动功率后滤波器的滤波谱。

【具体实施方式】：

实施例1：

本发明提供的超声驱动光纤绕组滤波器包括一个楔形超声聚能器5，光纤绕组6的除去涂覆层的裸纤部分4(呈单层紧密排列)粘接在楔形超声聚能器的楔形角锥刃口处，楔形超声聚能器的底部粘接用于驱动光纤绕组的压电驱动器2(超声换能器)，压电驱动器与射频信号源3连接，压电驱动器的底部粘接有吸声材料1。所述的压电驱动器2为压电陶瓷。

所述的光纤绕组中的部分光纤可换成其它的光纤器件(比如光纤布拉格光栅)以形成新式的滤波器。

本实施例所为原型，按照测试的需要，进行了原理性的测试。实验的设置如图1所示。所用楔形超声聚能器材质为铝，楔形超声聚能器尺寸为8mm×8mm×5mm，吸声材料为黄铜，压电陶瓷尺寸为10mm×10mm，谐振频率为2.8MHz，粘接之后谐振频率为2.794MHz。为了方便记录数据，楔形超声聚能器上并列粘接了四根单独的光纤，这样我们可以把每根光纤单独的滤波谱测量出来，然后再和四根光纤顺次首尾相接形成的绕组的滤波谱进行比较。

射频信号源加载2.794MHz的驱动功率后，所测量的每根光纤单独的滤波特性与将光纤顺次连接起来形成绕组的滤波特性如图2所示。从图中可以看出，虽然每根光纤的滤波性能不是很强，如图2中的实线分别代表四根光纤的单独滤波谱，最高只有5.24dB的滤波性能，但是连接形成绕组之后，滤波性能为所有单根光纤滤波性能的叠加，达到了13.46dB，可以满足实际应用。增加光纤绕组的绕数(在楔形超声聚能器端面空间允许及驱动能力范围内)可以提高滤波器的性能。

当改变加载的射频信号频率时，我们发现绕组的滤波谱会整体移动，并在一定的频率范围内衰减不大，具有相同的带宽，如图3所示。改变加载的射频信号功率时，滤波的能力也会相应的发生改变，如图4所示，完全保留了原有的超声驱动光纤滤波器的调谐特性。

参考文献：

1.B Y Kim，J N Blake，H E Engan，and H J Shaw.All-fiber acousto-optic frequency shifter.Opt Lett，11，389～391(1986).

2.厉群，刘小明，李佟，彭江得，周炳琨.基于单模光纤的可调谐声光滤波器.中国激光，28，541～544(2001).

3.刘国祥，胡力，叶昆珍.用于光纤声光器件的超声换能器与模式转换器.压电与声光，28，275～277(2006).

4.Dan Ostling and Helge E Engan.Narrow-band acousto-optic tunable filtering in a two-mode fiber.OptLett，20，1247～1249(1995).

5.屈红昌，吴亚明，杨建义，王文辉.一种基于光纤超声超结构光栅的可调滤波器及调制方法.专利号：200310122869.

6.H S Kim，S H Yun，I K Kwang，and B Y Kim.All-fiber acousto-optic tunable notch filter withelectronically controllable spectral profile.Opt Lett，22，1476～1478(1997).

7.Hao Li，Tong Liu，Changyun Wen，and Yeng Chai Soh.All-fiber acousto-optical tunable filter withloop structure.Opt Eng，42，3409～3410(2003).

Claims (4)

1.一种超声驱动光纤绕组滤波器，其特征在于该滤波器包括一个楔形超声聚能器，光纤绕组的除去涂覆层的裸纤部分粘接在楔形超声聚能器的楔形角锥刃口处，楔形超声聚能器的底部粘接用于驱动光纤绕组的压电驱动器，压电驱动器与射频信号源连接，压电驱动器的底部粘接有吸声材料。

2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于所述的光纤绕组呈单层紧密排列，并且固定区域的涂覆层全部被除去，即绕组中裸纤都是相邻且单层排列的，以便于和楔形角锥刃口完全接触。

3.根据权利要求1或2所述的滤波器，其特征在于所述的压电驱动器为压电陶瓷。

4.根据权利要求1或2所述的滤波器，其特征在于光纤绕组中的部分光纤可换成其它光纤器件以形成新式的滤波器。

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