CN101963683B - 机械可调π相移周期结构带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械可调π相移周期结构带通滤波器。它包括一个π相移的周期性的施力装置以及光纤。施力装置由周期结构的夹持底板与夹持盖板组成，光纤放入所述的夹持底板的V形齿状结构中，夹持盖板与所述的放置光纤的夹持底板相互对插，在所述的两个夹持板施加压力时，光纤受到的周期性径向压力产生的周期性微弯效应和周期性弹光效应而形成长周期光纤光栅。本发明技术方案在所述的夹持底板和夹持盖板中引入一个或多个长度为

间隔，它在周期结构中引入了一个或多个π相移，使受到周期性机械压力的光纤中传播的纤芯基模与包层模之间经历了一个或多个π相移，从而形成带通滤波器。机械压力可以调节阻带的损耗率，因此，这是一种可调节的、可重构的带通光滤波器。

Description

机械可调π相移周期结构带通滤波器

技术领域

本发明涉及光纤通信与光纤传感技术领域，具体来讲，涉及光纤带通滤波器。

背景技术

自从1996年A.M.Vengsarkar提出长周期光纤光栅的概念后[1]，长周期光纤光栅得到了迅速的发展，并已广泛应用于光纤通信、光纤传感领域中。长周期光纤光栅最常用的制作方法是通过紫外光照射振幅掩膜曝光氢载掺锗光纤。由于紫外掩膜的制作设备复杂、价格昂贵，又有人提出了离子注入法、近红外飞秒脉冲辐射法、高频CO₂激光脉冲辐射法、腐蚀刻槽法、电弧微弯法等。2000年S.Savin提出了用机械方法施加周期压力形成长周期光纤光栅的新方法[2]，由于这种方法简单且损耗峰强度可调，在掺饵光纤放大器平坦增益、光纤传感等方面得到许多应用。各种方法制作出来的长周期光纤光栅都是传输型带阻滤波器，而在光纤通信、光纤激光器的实际应用中更需要光纤带通滤波器。

为了将长周期光纤光栅的带阻滤波器特性转变为带通滤波器，朱永[3]等人提出了用两个匹配长周期光纤光栅连接在一起，在第一个长周期光纤光栅后端面纤芯处加一个纤芯模吸收器吸收经过第一个长周期光纤光栅没有向包层模耦合的纤芯基模，而在第一个长周期光纤光栅耦合为包层模的部分在第二个长周期光纤光栅耦合回纤芯基模，形成带通滤波器。饶云江[4]等人也提出在两个参数完全相同的匹配长周期光纤光栅中间制作一个横截面小于纤芯面积的微槽，形成FP腔，并通过微槽将两个匹配长周期光纤光栅连接在一起，形成带通滤波器。他们的方法都需要两个参数完全相同的匹配长周期光纤光栅，这样的光纤光栅不易制作；他们的方法都需要在光纤纤芯上制作微器件，这需要复杂的设备；他们的方法都需要截断光纤，加入微器件后再进行熔接，操作复杂，且带通滤波器是不可重构的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种机械可调π相移周期结构带通滤波器。它具有结构简单、可调节、可重构的特点。

本发明技术方案如下：

一种机械可调π相移周期结构带通滤波器，包括一个机械压力产生的π相移长周期光纤光栅。光纤光栅周期为几百微米为长周期光纤光栅，它使光纤的纤芯基模与光纤的包层模发生耦合，在谐振波长处产生损耗峰，形成传输型光纤带阻滤波器。由相位匹配条件可得到光栅周期Λ与谐振波长λ_res的关系：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{res}}=(n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{co}}-n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{cl}})\mathrm{\Λ}---\left(1\right)$

其中

是光纤纤芯基模有效折射率，

是光纤包层模的有效折射率，Λ是长周期光纤光栅的周期。长周期光纤光栅中的π相移将长周期光纤光栅分为两个以上子光纤光栅。在第一段子光纤光栅中，纤芯基模的能量一部分耦合为包层模的能量；在第二段及其后的子光纤光栅中纤芯基模与包层模的能量相互耦合，并产生干涉；模式的干涉使长周期光纤光栅阻带的谐振波长转变为通带的中心波长。

上述技术方案中，所述的机械可调π相移周期结构带通滤波器包括一个施力装置。所述的施力装置如图1所示，它由夹持底板、夹持盖板组成：所述的夹持底板为一面平整，另一面具有周期性凸出的V形齿状结构，如图2所示；所述的夹持盖板为一面平整，另一面具有周期性凸出的齿状结构，如图3所示。所述的夹持底板、夹持盖板的凸出部分厚度为a，相邻两个齿状结构的距离为所述的长周期光纤光栅的光栅周期Λ，并且Λ在0.1毫米～1毫米之间，占空比a/Λ取值范围为[0.1，0.4)。如图1所示，光纤放入所述的夹持底板的V形齿状结构中，夹持盖板与所述的放置光纤的夹持底板相互对插，在所述的两个夹持板施加压力时，光纤受到的周期性径向压力产生的周期性微弯和弹光效应而形成长周期光纤光栅。

所述的施力装置的夹持底板和夹持盖板在第n个齿与第n+1个齿之间有一个间隔，其长度为

$d=\mathrm{\Λ}/2=0.5\·{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{res}}/(n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{co}}-n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{cl}})---\left(2\right)$

所述的间隔在周期结构中引入了π相移，它使受到周期性机械压力的光纤中传播的纤芯基模与包层模之间产生了π相移。

上述技术方案中，所述的施力装置中采用重物置于对插于夹持底板上的夹持盖板上、或采用具有弹性力的夹子夹在对插的夹持底板和夹持盖板的方式施加除夹持板自身重力以外的压力。改变施加在所述的夹持板上的重量或夹持板上夹子的弹性力，可调节长周期光纤光栅通带两侧阻带的损耗峰强度；撤除夹持板上的重量或夹子的弹性力，并去掉夹持盖板后，光纤中的π相移长周期光纤光栅消失。

上述技术方案中，所述的夹持底板和夹持盖板中可以有多个间隔，分别位于第n个齿与第n+1个齿之间、第n+m个齿与第n+m+1个齿之间、第n+m+j个齿与第n+m+j+1个齿之间...；受到所述的施力装置压力作用下的光纤形成的长周期光纤光栅具有与间隔数相等的π相移个数；所述的施力装置中的π相移个数增加时，压力形成的长周期光纤光栅带通滤波器的通带宽度增加。

本发明所述的机械可调π相移周期结构带通滤波器在应用时，可以先将光纤放入所述的具有p个相移的周期施力装置中；再将光纤放入另一个所述的具有q个相移的周期相同的施力装置中，其中p≠q，将所述的机械压力产生的p个π相移的长周期光纤光栅与q个π相移的长周期光纤光栅串联在一起，使滤波器传输特性叠加得到阻带宽度大于所述的p个π相移或q个π相移周期结构带通滤波器。采用本发明所述的施力方法，分别在有p个相移的周期施力装置上、有q个相移的周期施力装置上施加不同大小的压力，使滤波器通带两侧的阻带的损耗强度得到调节。

本发明的技术方案可在各种光纤上实现，例如：普通单模光纤，弯曲不灵敏光纤、色散位移光纤、光子晶体光纤等；所述的光纤可以保留涂覆层，也可去掉涂覆层。

附图说明

图1机械可调π相移周期结构施力装置示意图

图2施力装置夹持底板

图3施力装置夹持盖板

图4机械可调π相移周期结构施力装置立体图

图5机械可调π相移周期结构带通滤波器透射谱

图6机械可调6级π相移周期结构带通滤波器透射谱

图7机械可调9级π相移周期结构带通滤波器透射谱

图8采用6级π相移与9级π相移周期结构带通滤波器串联的透射谱

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当采用已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这儿将被忽略。

实施例1：

机械可调π相移周期结构带通滤波器按照以下步骤实施：

(1)机械加工制作图2、图3所示夹持盖板1、夹持底板5。夹持底板、夹

持盖板的凸出部分厚度：a＝0.2mm，周期：Λ＝0.58mm，占空比：a/Λ＝0.345，齿深：e＝3.6mm，夹持底板V形槽夹角：

夹持底板、夹持盖板的周期数：200，在第100个周期处与第101个周期之间有一个间隔：d＝0.29mm。

(2)如图4所示，将G.657光纤放入所述的夹持底板的V形齿状结构中，将夹持盖板1置于上方，将夹持盖板、夹持底板对插，并压住光纤2。光纤2包括纤芯21，包层22，涂覆层23。

(3)用所述的施力方法对夹持盖板、夹持底板施加压力时，光纤受到的有一个间隔的周期性径向压力产生的周期性微弯效应和周期性弹光效应而形成π相移长周期光纤光栅。

(4)放入所述施力装置的光纤输入端与宽谱光源相接、输出端与光谱分析仪相接，测量不同压力下的透射谱，结果如图5所示：图中P₄＞P₃＞P₂＞P₁。

从图5的测量结果可知，随着压力的增加，阻带的损耗强度增加，通带宽度减小。在压力P₄下，滤波器的3dB通带宽度为12nm，插入损耗小于0.8dB，阻带最大损耗：11.5dB-14dB.

实施例2：

机械可调6级π相移周期结构带通滤波器按照以下步骤实施：

(1)机械加工制作图2、图3所示夹持盖板1、夹持底板5。夹持底板、夹持盖板的凸出部分厚度：a＝0.2mm，周期：人＝0.58mm，占空比：a/Λ＝0.345，齿深：e＝3.6mm，夹持底板V形槽夹角：

夹持底板、夹持盖板的周期数：210，分别在第30个周期处与第31个周期之间、第60个周期处与第61个周期之间、在第90个周期处与第91个周期之间、第120个周期处与第121个周期之间、在第150个周期处与第151个周期之间、第180个周期处与第181个周期之间有一个间隔：d＝0.29mm，共有六个间隔。

(2)如图4所示，将G.652光纤放入所述的夹持底板的V形齿状结构中，将夹持盖板1置于上方，将夹持盖板、夹持底板对插，并压住光纤2。光纤2包括纤芯21，包层22，涂覆层23。

(3)用所述的施力方法对夹持盖板、夹持底板施加压力时，光纤受到的有六个间隔的周期性径向压力产生的周期性微弯效应和周期性弹光效应而形成6级π相移长周期光纤光栅。

(4)放入所述施力装置的光纤输入端与宽谱光源相接、输出端与光谱分析仪相接，测量不同压力下的透射谱，结果如图6所示：图中P₄＞P₃＞P₂＞P₁。

从图6的测量结果可知，随着压力的增加，阻带的损耗强度增加，通带宽度减小。在压力P₄下，滤波器的3dB通带宽度为18nm，插入损耗小于3dB，阻带最大损耗：27.5dB-29dB.

实施例3：

机械可调9级π相移周期结构带通滤波器按照以下步骤实施：

(1)机械加工制作图2、图3所示夹持盖板1、夹持底板5。夹持底板、夹持盖板的凸出部分厚度：a＝0.2mm，周期：Λ＝0.58mm，占空比：a/Λ＝0.345，齿深：e＝3.6mm，夹持底板V形槽夹角：

夹持底板、夹持盖板的周期数：210，分别在第20个周期处与第21个周期之间、分别在第40个周期处与第41个周期之间、第60个周期处与第61个周期之间、在第80个周期处与第81个周期之间、第100个周期处与第101个周期之间、第120个周期处与第121个周期之间、在第140个周期处与第141个周期之间、在第160个周期处与第161个周期之间、第180个周期处与第181个周期之间、第200个周期处与第201个周期之间有一个间隔：d＝0.29mm，共有九个间隔。

(2)如图4所示，将G.652光纤放入所述的夹持底板的V形齿状结构中，将夹持盖板1置于上方，将夹持盖板、夹持底板对插，并压住光纤2。光

纤2包括纤芯21，包层22，涂覆层23。

(3)用所述的施力方法对夹持盖板、夹持底板施加压力时，光纤受到的有九个间隔的周期性径向压力产生的周期性微弯效应和周期性弹光效应而形成9级π相移长周期光纤光栅。

(4)放入所述施力装置的光纤输入端与宽谱光源相接、输出端与光谱分析仪相接，测量在压力P4下的透射谱，结果如图7所示。

从图7的测量结果可知，在压力P4下，滤波器的3dB通带宽度为26nm，插入损耗小于4.3dB，阻带最大损耗：21.8dB-24.5dB.

实施例4：

本实施例将实施例2的6级π相移周期结构带通滤波器与实施例3的9级π相移周期结构带通滤波器串联，得到这两个π相移周期结构带通滤波器透射特性叠加，使得滤波器的阻带加宽。图8所示的是6级π相移周期结构带通滤波器与9级π相移周期结构带通滤波器串联后的透射谱，由图可见阻带得到明显的加宽。本实施例说明利用不同级数π相移周期结构带通滤波器的串联使用，使设计的带通滤波器更加灵活，可以满足不同的实际需求。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

参考文献：

[1]A.M.Vengsarkar，et al..Long-period fiber gratings as band-rej ection filters.J.Lightwave Technol.，1996，14(1)：58-65.

[2]S.Savin，M.J.F.Digonnet，G.S.Kino，et al..Tunable mechanically inducedlong-period fiber gratings.Opt.Lett.，2000，25(10)：710～712.A.M.Vengsarkar，et al..Long-period fiber gratings as band-rej ection filters.J.Lightwave Technol.，1996，14(1)：58-65.

[3]朱永，符欲梅，陈伟民，长周期光纤光栅带通滤波方法及实现该方法的带通滤波器，发明专利，申请号：200610095324.3，申请日：2006年.12月22日，专利号：zl200610095324.3。

[4]饶云江，冉曾令，徐兵，长周期光纤光栅带通滤波器，发明专利，申请号：200810306613.2，申请日：2008年.12月29日。

Claims (5)

1.一种机械可调π相移周期结构带通滤波器，包括一个由于机械压力产生的π相移长周期光纤光栅，长周期光纤光栅的谐振波长为

其中

是光纤纤芯基模有效折射率，是光纤包层模的有效折射率，Λ是长周期光纤光栅的周期；长周期光纤光栅中的π相移将长周期光纤光栅分为两个以上子光纤光栅；在所述的子光纤光栅中的模式耦合与干涉效应使长周期光纤光栅阻带的谐振波长转变为通带的中心波长；

所述的机械可调π相移周期结构带通滤波器还包括一个施力装置：所述的施力装置由夹持底板、夹持盖板组成；所述的夹持底板为一面平整，另一面具有周期性凸出的V形齿状结构；所述的夹持盖板为一面平整，另一面具有周期性凸出的齿状结构；

所述的夹持底板、夹持盖板的凸出部分厚度为a，相邻两个齿状结构的距离为所述的长周期光纤光栅的光栅周期Λ，且Λ在0.1毫米～1毫米之间，占空比a/Λ取值范围为[0.1，0.4)；

光纤放入所述的夹持底板的V形齿状结构中，夹持盖板与所述的放置光纤的夹持底板相互对插，在所述的两个夹持板施加压力时，光纤受到的周期性径向压力产生的周期性微弯效应和周期性弹光效应而形成长周期光纤光栅；

所述的夹持底板和夹持盖板在第n个齿与第n+1个齿之间有一个长度为

间隔，所述的间隔在周期结构中引入了π相移，它使受到周期性机械压力的光纤中传播的纤芯基模与包层模之间产生了π相移。

2.根据权利要求1所述的机械可调π相移周期结构带通滤波器，其特征在于，所述的施力装置采用重物置于对插于夹持底板上的夹持盖板上、或采用具有弹性力的夹子夹在对插的夹持底板和夹持盖板的方式施加除夹持板自身重力以外的压力；

改变施加在所述的夹持板上的重量或夹持板上夹子的弹性力，可调节长周期光纤光栅通带两侧阻带的损耗峰强度；撤除所述的夹持板上的重量、或夹子的弹性力，并去掉夹持盖板后，光纤中的π相移长周期光纤光栅消失。

3.根据权利要求1所述的机械可调π相移周期结构带通滤波器，其特征在于，所述的夹持底板和夹持盖板中有多个间隔，分别在第n个齿与第n+1个齿之间、第n+m个齿与第n+m+1个齿之间、第n+m+j个齿与第n+m+j+1个齿之间...，受到所述的施力装置压力作用下的光纤形成的长周期光纤光栅具有与间隔数相等的π相移个数；所述的施力装置中的π相移个数增加时，压力形成的长周期光纤光栅带通滤波器的通带宽度增加。

4.根据权利要求2或3所述的机械可调π相移周期结构带通滤波器，其特征在于，先将光纤放入具有p个相移的周期施力结构中；再将光纤放入另一个具有q个相移的周期相同的施力结构中，其中p≠q；使p个π相移周期结构带通滤波器与q个π相移周期结构带通滤波器串联在一起；通过串联的π相移周期结构带通滤波器的光信号，由于传输特性叠加得到阻带宽度大于p个π相移或q个π相移周期结构带通滤波器。

5.根据权利要求2或3所述的机械可调π相移周期结构带通滤波器，其特征在于，所述的机械可调π相移周期结构带通滤波器可用于各种光纤。

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