CN101915961A - 一种多级联光纤光栅滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级联光纤光栅滤波器，主要由输入光纤、输出光纤和多级联光纤光栅组成，输入光纤的第一端接入信号光源，输入光纤的第二端与多级联光纤光栅的首端相连接，多级联光纤光栅的尾端与输出光纤的第一端相连接，输出光纤的第二端输出信号光源，多级联光纤光栅主要由多个中心周期不同的光纤光栅组首尾串联连接构成，光纤光栅组主要由多个中心周期相同的单元光栅首尾串联连接构成，优点在于该滤波器对不同布拉格条件下的波长均产生反射，极大地扩展了滤波范围，同时滤波信道等间隔分布，且具有多信道(大于40个)、高密度(信道间隔小于0.5nm)、高反射(接近100％)、波段选择性好等特性，实现了超宽带可调谐的梳状滤波。

Description

一种多级联光纤光栅滤波器

技术领域

本发明涉及一种滤波器，尤其是涉及一种高密度、高反射率、超宽带宽和波段选择性好的多级联光纤光栅滤波器。

背景技术

在光纤密集型波分复用/解复用技术已经十分成熟的今天，利用各种光纤光栅制作可调谐、多信道光纤梳状滤波器，将这种滤波器作为光纤密集型波分复用/解复用器的核心器件已扮演着愈来愈重要的角色，同时这种滤波器在其它光纤通信系统、激光器及传感器中也有着广泛的应用。因此，随着信息技术的飞速发展，对高隔离度、多信道的光纤梳状滤波器提出了日益迫切的需求。

光纤光栅是最近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一，其光纤纤芯内介质折射率呈周期性调制，具有多种类型，如布拉格(Bragg)光纤光栅、啁啾光纤光栅和长周期光纤光栅等。自Ouellette于1987年首次提出啁啾光纤光栅对长距离光通信系统进行色散补偿以来，啁啾光纤光栅因体积小、结构简单、成本低廉、插入损耗低和兼容性好，且输出的信道带宽可由啁啾光纤光栅的总啁啾量进行调控等优点，因此啁啾光纤光栅可以很好地应用于色散补偿、脉冲压缩、滤波和传感等领域中。

利用啁啾光纤光栅的上述特性，可以设计出可调谐、高性能、多信道的密集梳状滤波器。目前，已有多种基于啁啾光纤光栅的光纤梳状滤波器的制作方案：一种方案为采用重叠写入线性啁啾光纤光栅，即在光纤的相同部位写入多个布拉格光纤光栅，制成啁啾光纤光栅带通型滤波器，这种滤波器具有较大的反射带宽，但是在光纤的同一位置写入多个布拉格光纤光栅并保持良好特性，技术要求比较高；另一种方案为取样光纤光栅型滤波器，如啁啾取样布拉格光纤光栅和相移取样布拉格光纤光栅，由于布拉格光纤光栅的折射率受到取样函数的调制，其反射谱为分离的周期性的波长信道，因此信道数目越多需要的折射率调制越大。上述两种方案制作的滤波器均存在反射率低、滤波带宽不够平坦、难以实现选择性波段滤波等缺点，致使滤波效果并不十分理想。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有高反射率、超宽信道带宽和滤波带宽平坦的多级联光纤光栅滤波器，且该滤波器可在选择的波长范围内实现分段梳状滤波。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种多级联光纤光栅滤波器，主要由输入光纤、输出光纤和多级联光纤光栅组成，所述的输入光纤的第一端接入信号光源，所述的输入光纤的第二端与所述的多级联光纤光栅的首端相连接，所述的多级联光纤光栅的尾端与所述的输出光纤的第一端相连接，所述的输出光纤的第二端输出信号光源，所述的多级联光纤光栅主要由多个中心周期不同的光纤光栅组首尾串联连接构成，所述的光纤光栅组主要由多个中心周期相同的单元光栅首尾串联连接构成。

所述的输入光纤的第二端与第1个所述的光纤光栅组中的第1个所述的单元光栅相连接，第1个所述的光纤光栅组中的最后一个所述的单元光栅与第2个所述的光纤光栅组中的第1个所述的单元光栅相连接，第2个所述的光纤光栅组中的最后一个所述的单元光栅与第3个所述的光纤光栅组中的第1个所述的单元光栅相连接，依次首尾连接，直至最后第2个所述的光纤光栅组中的最后一个所述的单元光栅与最后一个所述的光纤光栅组中的第1个所述的单元光栅相连接，最后一个所述的光纤光栅组中的最后一个所述的单元光栅与所述的输出光纤的第一端相连接。

所述的单元光栅为线性啁啾光纤光栅。

一个所述的光纤光栅组由m个所述的单元光栅组成，该所述的光纤光栅组和构成该所述的光纤光栅组的各个所述的单元光栅的中心周期相同，记为Λ₀，所述的中心周期Λ₀由布拉格条件决定；一个所述的单元光栅的周期沿轴向线性变化，记周期为Λ，Λ(z)＝Λ₀(1-cz)，-l/2＜z＜l/2，其中，c表示所述的单元光栅的啁啾系数，l表示所述的单元光栅的长度；将一个所述的单元光栅的周期沿轴向线性变化的总变化量表示为总啁啾量C，C＝Λ₀cl，C∈[0.9，2.2]。

各个所述的光纤光栅组的中心周期沿轴向等差递减，令第1个至最后一个所述的光纤光栅组的中心周期分别为Λ₀₁，Λ₀₂，…，Λ_0I，…，Λ_0(M-1)，Λ_0M，Λ₀₁＞Λ₀₂＞…＞Λ_0I＞…＞Λ_0(M-1)＞Λ_0M，且Λ₀₁-Λ₀₂＝Λ₀₂-Λ₀₃＝Λ_0(M-1)-Λ_0M＝c1，其中，c1表示常数，M表示所述的光纤光栅组的总个数，1≤I≤M。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过将多个中心周期相同的单元光栅串联连接构成光纤光栅组，使得光纤光栅组具有很好的滤波特性，通过将多个中心周期各不相同的光纤光栅组串联连接构成滤波器，使得该滤波器对不同布拉格条件下的波长均产生反射，极大扩展了滤波范围，同时滤波信道等间隔分布，且具有多信道(大于40个)、高密度(信道间隔小于0.5nm)、高反射(接近100％)、波段选择性好、与偏振状态无关等特性，实现了超宽带可调谐的梳状滤波器。本发明的滤波器特别适合用作多波长输出激光器的反馈谐振腔、光纤光栅复用/解复用器和光放大器中的噪声抑制。

附图说明

图1为本发明的多级联光纤光栅滤波器的结构示意图；

图2为包含有15个单元光栅的一个光纤光栅组(Λ₀＝5.338μm)构成的滤波器的反射谱；

图3为图2中波长范围在1.549μm～1.551μm之间的反射谱精细图；

图4为由3个中心周期分别为Λ₀₁＝0.531μm，Λ₀₂＝0.530μm和Λ₀₃＝0.529μm的光纤光栅组1、2、3串联连接构成的多级联光纤光栅滤波器，当每个单元光栅的总啁啾量C＝1nm时，单元光栅的周期随多级联光纤光栅滤波器的长度变化的示意图；

图5为由3个中心周期分别为Λ₀₁＝0.531μm，Λ₀₂＝0.530μm和Λ₀₃＝0.529μm的光纤光栅组1、2、3串联连接构成的多级联光纤光栅滤波器，当每个单元光栅的总啁啾量C＝1nm时，多级联光纤光栅滤波器的反射谱；

图6为图5中任意一个光纤光栅组1、2或3的反射谱；

图7为图5中波长范围在1.5365μm～1.5385μm之间的反射谱精细图；

图8为由3个中心周期分别为Λ₀₁＝0.531μm，Λ₀₂＝0.530μm和Λ₀₃＝0.529μm的光纤光栅组1、2、3串联连接构成的多级联光纤光栅滤波器，当每个单元光栅的总啁啾量C＝0.7nm时，单元光栅的周期随多级联光纤光栅滤波器的长度变化的示意图；

图9为由3个中心周期分别为Λ₀₁＝0.531μm，Λ₀₂＝0.530μm和Λ₀₃＝0.529μm的光纤光栅组1、2、3串联连接构成的多级联光纤光栅滤波器，当每个单元光栅的总啁啾量C＝0.7nm时，多级联光纤光栅滤波器的反射谱；

图10为由3个中心周期分别为Λ₀₁＝0.531μm，Λ₀₂＝0.530μm和Λ₀₃＝0.529μm的光纤光栅组1、2、3串联连接构成的多级联光纤光栅滤波器，当每个单元光栅的总啁啾量C＝2.5nm时，单元光栅的周期随多级联光纤光栅滤波器的长度变化的示意图；

图11为由3个中心周期分别为Λ₀₁＝0.531μm，Λ₀₂＝0.530μm和Λ₀₃＝0.529μm的光纤光栅组1、2、3串联连接构成的多级联光纤光栅滤波器，当每个单元光栅的总啁啾量C＝2.5nm时，多级联光纤光栅滤波器的反射谱；

图12为图5和图11中波长范围在1.5425μm～1.5445μm之间的反射谱精细图；

图13为具有92个信道的多级联光纤光栅滤波器的反射谱；

图14为具有分段选择性滤波功能的多级联光纤光栅滤波器的反射谱。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：

本发明提出的一种多级联光纤光栅滤波器，如图1所示，其主要由输入光纤81、输出光纤82和多级联光纤光栅83组成，输入光纤81的第一端接入信号光源，输入光纤81的第二端与多级联光纤光栅83的首端相连接，多级联光纤光栅83的尾端与输出光纤82的第一端相连接，输出光纤82的第二端输出信号光源，多级联光纤光栅83主要由M个中心周期不同的光纤光栅组1、2、……、I、……、M首尾串联连接构成，每个光纤光栅组主要由m个中心周期相同的单元光栅首尾串联连接构成，如第1个光纤光栅组主要由m个中心周期相同的单元光栅11、……、1i、……、1m首尾串联连接构成，如第M个光纤光栅组主要由m个中心周期相同的单元光栅M1、……、Mi、……、Mm首尾串联连接构成，输入光纤81的第二端与第1个光纤光栅组1中的第1个单元光栅11相连接，第1个光纤光栅组1中的最后一个单元光栅1m与第2个光纤光栅组2中的第1个单元光栅21相连接，第2个光纤光栅组2中的最后一个单元光栅2m与第3个光纤光栅组3中的第1个单元光栅31相连接，依次首尾连接，直至最后第2个光纤光栅组M-1中的最后一个单元光栅(M-1)m与最后一个光纤光栅组M中的第1个单元光栅M1相连接，最后一个光纤光栅组M中的最后一个单元光栅Mm与输出光纤82的第一端相连接。通过多次优化设计，结果表明一般取1≤M≤7，5≤m≤15，如果m太小，则会导致本发明的多级联光纤光栅滤波器的反射率低、反射谱带宽窄；同时，M和m取值也不宜太大，否则不实用，且成本较高。

在此具体实施例中，单元光栅采用线性啁啾光纤光栅。

在此具体实施例中，一个光纤光栅组由m个单元光栅组成，该光纤光栅组和构成该光纤光栅组的各个单元光栅的中心周期相同，记为Λ₀，中心周期Λ₀由布拉格条件决定。一个单元光栅的周期沿轴向线性变化，记周期为Λ，Λ(z)＝Λ₀(1-cz)，-l/2＜z＜l/2，其中，c表示单元光栅的啁啾系数，l表示单元光栅的长度。将一个单元光栅的周期沿轴向线性变化的总变化量表示为总啁啾量C，C＝Λ₀cl，C∈[0.9，2.2]。

在此具体实施例中，各个光纤光栅组的中心周期沿轴向等差递减，等差递减的量可根据设计要求确定，假设令第1个至最后一个光纤光栅组的中心周期分别为Λ₀₁，Λ₀₂，..，Λ_0I，..，Λ_0(M-1)，Λ_0M，则有Λ₀₁＞Λ₀₂＞…＞Λ_0I＞…＞Λ_0(M-1)＞Λ_0M，且Λ₀₁-Λ₀₂＝Λ₀₂-Λ₀₃＝Λ_0(M-1)-Λ_0M＝c1，其中，c1表示常数，1≤I≤M。

实施例二：

本实施例给出了由一个光纤光栅组构成的滤波器的滤波特性，在此所使用的参数为：每个单元光栅的有效折射率为1.45，每个单元光栅的有效折射率调制深度为0.0002，该光纤光栅组和构成该光纤光栅组的各个单元光栅的中心周期Λ₀＝5.338μm，单元光栅的总啁啾量C＝2nm，单元光栅的长度l＝4mm，该光纤光栅组包含的单元光栅的总个数m＝15，光纤光栅组长度L＝6cm。

每个单元光栅相同周期所对应位置处的光栅截面可以看作是反射同一波长光的反射镜，相邻的两个反射镜构成法布里-珀罗谐振腔(F-P谐振腔)，则在光纤光栅滤波器中形成多F-P谐振腔干涉。由于单元光栅的周期线性啁啾变化，所以该光纤光栅组反射谱的信道位置等间隔分布。在总啁啾量相同时，单元光栅的长度越长，导致啁啾系数c减小，光栅滤波信道间隔也就越小，反之增大。当单元光栅的长度相同时，信道间隔大小相等，信道位置取决于总啁啾量引起的单元光栅的周期变化及布拉格条件λ_B＝2n_effΛ₀，其中，λ_B为布拉格波长，n_ef为每个单元光栅的有效折射率。

图2给出了由一个包含有15个单元光栅的光纤光栅组(Λ₀＝5.338μm)构成的滤波器的反射谱。从图2中可以看出该光纤光栅滤波器的反射峰在中心耦合波长1.550μm附近具有强烈的反射，自由光谱带宽为5.20nm，信道数为31，该多级联光纤光栅滤波器反射谱的特点是反射率大、通道平坦、信道间隔相等。图3给出了图2中波长范围在1.549μm～1.551μm之间的反射谱精细图，从图3中可以看出，通道宽度为0.02867nm，通道间隔为0.208nm，在m＝15时，该光纤光栅滤波器的反射率接近100％。

实施例三：

本实施例给出了由3个光纤光栅组构成的多级联光纤光栅滤波器的滤波特性，在本实施例中，只考虑总啁啾量C变化时该滤波器的反射谱特性。本实施例所使用的参数如下：每个单元光栅的有效折射率1.48，每个单元光栅的有效折射率调制深度为3.5×10^-4，单元光栅的长度l＝4mm，3个级联的光纤光栅组的中心周期分别为Λ₀₁＝0.531μm，Λ₀₂＝0.530μm和Λ₀₃＝0.529μm，每个光纤光栅组包含的单元光栅的总个数m＝10，多级联光纤光栅滤波器的总长度L_total＝m×l×3＝12cm。

当每个单元光栅的总啁啾量C＝1nm，单元光栅的周期随多级联光纤光栅滤波器的长度变化如图4所示。图4中，光纤光栅组1由10个单元光栅级联而成，每个单元光栅的中心周期为Λ₀₁＝0.531μm，总啁啾量为C＝1nm，该光纤光栅组的长度L＝m×l＝4cm；光纤光栅组2和光纤光栅组3的结构与光纤光栅组1相同，而中心周期分别为Λ₀₂＝0.530μm和Λ₀₃＝0.529μm。图5给出了对应图4的多级联光纤光栅滤波器的反射谱，从图5中可以看出，每个单元光栅的总啁啾量C＝1nm时，在1.533μm～1.545μm波长范围内，反射谱平坦匀称，自由光谱带宽为9.00nm，信道数为45，信道间隔为0.20nm。为便于分析结果，将光纤光栅组1、2和3各自的反射谱同时绘制于图6中，每个光纤光栅组等同于实施例一所给出的滤波器，自由光谱带宽为3.80nm，信道数20，信道间隔为0.20nm。当所有的单元光栅的长度相同时，信道间隔相同，信道位置取决于单元光栅的总啁啾量引起的周期变化及布拉格条件。图7给出了对应于图6的光纤光栅组1和光纤光栅组2在1.5365μm～1.5385μm波长范围的反射谱精细图。从图7可以看出，光纤光栅组1和光纤光栅组2的反射谱在边缘处的信道位置彼此重合，叠加后使得反射增强，即形成图5所示的反射率大、通道平坦、信道间隔相等且高信噪比的滤波谱。因此，多个光纤光栅组的级联可以有效扩展滤波器的滤波带宽。

当每个单元光栅的总啁啾量C＝0.7nm，单元光栅的周期随多级联光纤光栅滤波器的长度变化如图8所示。与图4相比，由于单元光栅的总啁啾量减小，导致每个光纤光栅组中单元光栅的周期较小。图9给出了对应图8的多级联光纤光栅滤波器的反射谱，由于单元光栅的总啁啾量减小，单元光栅的周期变化范围变小，单元光栅轴向不同位置可反射的光波长的范围相应减少，使得反射谱带宽减小，信道数目减少，导致两个相邻光纤光栅组的反射谱在重叠处的反射率减小，滤波效果变差。

当每个单元光栅的总啁啾量C＝2.5nm，单元光栅的周期随多级联光纤光栅滤波器的长度变化如图10所示。与图4相比，由于单元光栅的总啁啾量增大，导致每个光纤光栅组中单元光栅的周期较大。图11给出了对应图10的多级联光纤光栅滤波器的反射谱，由于单元光栅的总啁啾量增大，单元光栅的周期变化范围变大，单元光栅轴向不同位置可反射的光波长的范围相应增大，反射谱滤波带宽变大，但同时反射谱在边缘处的反射率下降。为比较起见，将图5和图11中波长范围在1.5425μm～1.5445μm之间的反射谱精细图同时绘制于图12中。从图12看出，单元光栅的总啁啾量由C＝1nm增加到C＝2.5nm时，虽然可以增加带宽，提高信道数目，但信道顶部出现缺陷，同时反射率降低，致使滤波效果变差。

因此，根据优化设计结果，当总啁啾量C取值较小或较大时，对应多级联光纤光栅滤波器的滤波效果变差，而总啁啾量C在0.9nm～2.2nm范围取值时，可以达到很好的滤波效果。

实施例四：

在本实施例中所使用的参数，除以下给出的以外，其它参数与实施例三相同。在本实施例中，该多级联光纤光栅滤波器中光纤光栅组的级联数M＝6，每个光纤光栅组中的单元光栅的级联数m＝10，滤波器的总长度L_total＝24cm，6个光纤光栅组的中心周期分别为0.534μm、0.533μm、0.532μm、0.531μm、0.530μm和0.529μm，每个单元光栅的总啁啾量C＝1nm。

在实施例三的基础上，在1.5345μm～1.5520μm的滤波范围内，设计一种92信道超宽带梳状多级联光纤光栅滤波器，其反射谱如图13所示。从图13看出，本实施例的滤波器为谱型光滑、顶部平坦、边沿陡峭，频率间隔为25GHz(0.20nm的信道间隔)的92信道超宽带梳状多级联光纤光栅滤波器，完全适用于频率间隔为50/100/200GHz的WDM光通信系统的应用要求。

实施例五：

本实施例在实施例四的基础上，设计在波长范围1.5345μm～1.5437μm和1.5487μm～1.5520μm内进行分段滤波的多信道分段滤波器。该滤波器的光纤光栅组的级联数M＝4，每个光纤光栅组中的单元光栅的级联数m＝10，滤波器的总长度L_total＝16cm，4个光纤光栅组的中心周期分别为0.534μm、0.531μm、0.530μm、和0.529μm，每个单元光栅的总啁啾量C＝1nm。

在本实施例中，该多信道分段滤波器的反射谱如图14所示。与图13所示的92信道多级联光纤光栅滤波器的反射谱相比，本多信道分段滤波器由于缺少中心周期为0.533μm和0.532μm的两个光纤光栅组，对应在图14中缺少1.5437μm～1.5487μm波长范围的反射谱。因此，实现了波段为1.5345μm～1.5437μm和1.5487μm～1.5520μm的多信道分段梳状滤波。从图14还可以看出，反射谱的顶部平坦、边沿陡峭、频率间隔为25GHz(信道间隔0.20nm)。

Claims (5)

1.一种多级联光纤光栅滤波器，其特征在于主要由输入光纤、输出光纤和多级联光纤光栅组成，所述的输入光纤的第一端接入信号光源，所述的输入光纤的第二端与所述的多级联光纤光栅的首端相连接，所述的多级联光纤光栅的尾端与所述的输出光纤的第一端相连接，所述的输出光纤的第二端输出信号光源，所述的多级联光纤光栅主要由多个中心周期不同的光纤光栅组首尾串联连接构成，所述的光纤光栅组主要由多个中心周期相同的单元光栅首尾串联连接构成。

2.根据权利要求1所述的一种多级联光纤光栅滤波器，其特征在于所述的输入光纤的第二端与第1个所述的光纤光栅组中的第1个所述的单元光栅相连接，第1个所述的光纤光栅组中的最后一个所述的单元光栅与第2个所述的光纤光栅组中的第1个所述的单元光栅相连接，第2个所述的光纤光栅组中的最后一个所述的单元光栅与第3个所述的光纤光栅组中的第1个所述的单元光栅相连接，依次首尾连接，直至最后第2个所述的光纤光栅组中的最后一个所述的单元光栅与最后一个所述的光纤光栅组中的第1个所述的单元光栅相连接，最后一个所述的光纤光栅组中的最后一个所述的单元光栅与所述的输出光纤的第一端相连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种多级联光纤光栅滤波器，其特征在于所述的单元光栅为线性啁啾光纤光栅。

4.根据权利要求3所述的一种多级联光纤光栅滤波器，其特征在于一个所述的光纤光栅组由m个所述的单元光栅组成，该所述的光纤光栅组和构成该所述的光纤光栅组的各个所述的单元光栅的中心周期相同，记为Λ₀，所述的中心周期Λ₀由布拉格条件决定；一个所述的单元光栅的周期沿轴向线性变化，记周期为Λ，Λ(z)＝Λ₀(1-cz)，-l/2＜z＜l/2，其中，c表示所述的单元光栅的啁啾系数，l表示所述的单元光栅的长度；将一个所述的单元光栅的周期沿轴向线性变化的总变化量表示为总啁啾量C，C＝Λ₀cl，C∈[0.9，2.2]。

5.根据权利要求4所述的一种多级联光纤光栅滤波器，其特征在于各个所述的光纤光栅组的中心周期沿轴向等差递减，令第1个至最后一个所述的光纤光栅组的中心周期分别为Λ₀₁，Λ₀₂，…，Λ_0I，…，Λ_0(M-1)，Λ_0M，Λ₀₁＞Λ₀₂＞…＞Λ_0I＞…＞Λ_0(M-1)＞Λ_0M，且Λ₀₁-Λ₀₂＝Λ₀₂-Λ₀₃＝Λ_0(M-1)-Λ_0M＝c1，其中，c1表示常数，M表示所述的光纤光栅组的总个数，1≤I≤M。

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