CN102073094A - 具有带通在线滤波特性的w型色散光纤 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有带通在线滤波特性的W型色散光纤，包括纤芯、内包层和外包层，纤芯是由纯SiO2材料构成，具有纤芯折射率，外包层是由折射率随波长变化较快的材料B2O3-SiO2构成，具有外包层折射率，纤芯和外包层两种材料的色散曲线相交于波长处，纤芯和外包层形成短波截止的低通滤波器，内包层由满足W型光纤结构长波截止条件的材料构成，具有内包层折射率，其中，所述的纤芯、内包层和外包层的折射率设定成能提供W型色散光纤的特性。该光纤可与传统的单模光纤熔接，在实现在线滤波功能时不需要串接分别具有高通和低通滤波功能的色散光纤，降低了其制作成本和连接损耗；此外，该光纤还具有结构简单、制造容易、成本低廉等特点。

Description

具有带通在线滤波特性的W型色散光纤
技术领域
本发明涉及一种具有带通在线滤波特性的W型色散光纤，可用于光纤滤波器、放大器，激光器等，属于光学纤维技术领域。
背景技术
信息技术的飞速发展引起数据通信量的剧增，光纤通信的诞生与发展是电信史上一次重要革命。光纤从理论提出到技术实现和今天的高速光纤通信也不过几十年的时间，这样必然引起相应光学器件的要求。光滤波技术是光纤通信及光网络中最基础的也是最重要的技术，应用范围十分广泛，它的水平及成本将对光网络的发展产生直接影响。现在常用的光滤波技术有：介质薄膜滤波，F-P腔型滤波，光栅型滤波，熔融拉锥型滤波，M-Z干涉滤波，阵列波导光栅滤波，奇偶交错滤波，声光可调谐滤波等。随着光接入网技术的快速发展，对光纤网络互联的要求越来越多，全光纤互联器件不仅可以很好的避免昂贵的光电和电光转换，还可以提供高的数据传输速率和容量。而且全光纤滤波器具有无缝全光纤结构和低的制作成本的优点，近年来受到了极大关注。因此，开展光滤波技术的研究、发展光滤波器产业，特别是全光纤结构的光滤波技术，具有重要的意义。
W型光纤作为一种双包层光纤是由Kawakami和Nishida在1974出版的期刊《Quantum Electronics》第12期第879～887页上“Characteristics of a doubly clad optical fiber with a low-index inner cladding”一文中首先在提出的。该W型光纤与一般阶跃光纤相比，在单模工作时，可以有相对较大的纤芯，基模能更好的束缚在纤芯中，且在通信波长范围内具有低色散的优点。除此之外， W型光纤通过合适的参数设计，其内包层折射率和厚度满足一定的条件时，会出现长波长截止的特性，是一种天然的高通滤波器。
K.Morishita等人在1987年出版的杂志《ELECTRONICS LETTERS》第 7期第534～535页上“In-line optical fiber filters using dispersive materials”一文中公开了多组分玻璃(multi-component glasses, MCG)作为纤芯和包层，利用两种不同MCG材料的折射率随波长变化快慢不同的色散特性来实现光纤在线滤波，纤芯和包层的折射率曲线在某个波长                                                
Figure 494767DEST_PATH_IMAGE001
处相交，在前后，纤芯和包层折射率大小关系相反，从而可以得到结构简单的高通或低通滤波器。但是，上述多组分玻璃MCG色散光纤的熔点与传统的单模光纤的熔点不同，因此二种光纤熔接时，熔接和散射损耗很大，从而导致多组分玻璃MCG色散光纤不能在光纤通信和传感领域中实际应用，而且多组分玻璃MCG色散光纤要实现带通滤波功能时，需要分别使用一个高通和低通滤波器的进行串接，无疑增加其制作成本和连接损耗。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的具有滤波功能的色散光纤存在的缺点，提出了一种具有带通在线滤波特性的W型色散光纤，该光纤结构简单，各部分分别采用纯石英、掺杂B2O3或F元素的高硅石英，不仅可与传统的单模光纤熔接，而且实现带通滤波功能不需要分别串接具有高通和低通滤波功能的色散光纤滤波器，从而降低了制作成本和熔接损耗。
为达到上述目的，本发明的构思是：该光纤结合色散光纤和W型光纤的性质，利用W型光纤的长波截止特性，在短波截止的色散光纤中加入一个低折射率的内包层(2)形成W型色散光纤，实现带通在线滤波。
根据上述构思，本发明采用下述技术方案：
一种具有带通在线滤波特性的W型色散光纤，它包括纤芯、内包层和外包层，纤芯、内包层和外包层构成同心圆柱体，其特征在于上述纤芯的材料是由折射率随波长变化较慢的纯SiO2材料构成，具有纤芯折射率，记为n1，外包层的材料是由折射率随波长变化较快的B2O3- SiO2材料构成，具有外包层折射率，记为n3，纤芯和外包层两种材料的色散曲线相交于波长
Figure 496538DEST_PATH_IMAGE002
处，纤芯和外包层分别形成了一个短波截止的低通滤波器；内包层夹在纤芯和外包层之间，其材料是由满足W型光纤结构长波截止条件的材料构成，具有内包层折射率，记为n2，其中，所述的纤芯、内包层和外包层的折射率能提供如下W型色散光纤的特性：
在波长分别小于和大于
Figure 513036DEST_PATH_IMAGE001
时，其折射率满足：
（i）波长小于
Figure 11013DEST_PATH_IMAGE002
时，外包层折射率n3 > 纤芯折射率n1 > 内包层折射率n2 ，
（ii）波长大于
Figure 782660DEST_PATH_IMAGE002
时，纤芯折射率n1 > 外包层折射率n3 > 内包层折射率n2 ； 
在预选择的纤芯和内包层半径分别为a，b，满足W型光纤具有长波长截止性质的条件：
                    
Figure 670982DEST_PATH_IMAGE003
                 <1>
其中，n1 、n2 、n3分别为纤芯、内包层、外包层的折射率,    a、b 分别为纤芯、内包层的半径。
该具有带通在线滤波功能的W型色散光纤的带宽主要由短波和长波截止波长分别决定，其中，短波截止波长由纤芯和外包层两种材料色散曲线的交点波长
Figure 553487DEST_PATH_IMAGE002
决定，但同时因为在交点波长附近纤芯和外包层折射率差很小，光还不能很好的被束缚在纤芯中，损耗较大，所以其实际短波截止波长比交点波长值
Figure 905971DEST_PATH_IMAGE002
大；长波截止波长主要是由W型结构决定，在满足一定参数条件的基础上，通过光场的电磁边界连续条件建立解析模型得到特征方程，通过求解特征方程可以得到截止波长。此外，纤芯半径对W型色散光纤滤波性能也有影响，随着纤芯半径的减小，其短波截止波长变大，而长波截止波长变小，因此其通带带宽减小。
本发明的具有带通在线滤波特性的W型色散光纤与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出性特点和显著优点：该W型色散光纤的材料没有采用多组分玻璃(multi-component glasses, MCG) ，采用的是高硅石英，因此，可与传统的单模光纤熔接，不会出现因光纤材料的熔点与常规单模光纤材料不同而导致的不能熔接和散射损耗过大等问题，从而可以在光纤通信和传感领域中实际应用。同时，W型色散光纤可以一次性的实现带通滤波功能，不需要分别串接具有高通和低通滤波功能的色散光纤滤波器，降低了其制作成本和连接损耗；此外，该色散光纤还具有结构简单、制造容易，成本低廉等特点。
附图说明
图1是本发明的具有带通在线滤波特性的W型色散光纤的横截面结构示意图；
图2是本发明的具有带通在线滤波特性的W型色散光纤在波长小于
Figure 786203DEST_PATH_IMAGE001
时的折射率分布示意图，图中n1、n2、n3分别表示为纤芯(1)、内包层(2) 、外包层(3)的折射率，a、b分别表示是纤芯(1)和内包层(2)的半径；
图3是本发明的具有带通在线滤波特性的W型色散光纤在波长大于
Figure 224137DEST_PATH_IMAGE001
时的折射率分布示意图，图中n1、n2、n3分别表示为纤芯(1)、内包层(2)、外包层(3)的折射率，a、b分别表示是纤芯(1)和内包层(2)的半径；
图4是本发明的具有带通在线滤波特性的W型色散光纤中纯SiO2，分别掺杂2.8mol.% B2O3和6.1 mol.%F的石英玻璃折射率随波长变化的色散曲线图，图中横轴表示为波长，单位为μm，纵轴表示为折射率；
图5是本发明具体实施例所获得的结果，一个10cm长的W型色散光纤的传输谱，图中横轴表示波长，单位为μm，纵轴表示为归一化传输功率，单位为dB；
图6为掺杂B2O3和 F的石英玻璃的Sellmeier系数。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明：如图1、图2、图3所示，本发明的一种具有带通在线滤波特性的W型色散光纤，它包括纤芯1、内包层2和外包层3，纤芯1、内包层2和外包层3构成同心圆柱体，所述纤芯1的材料是由折射率随波长变化较慢的纯SiO2材料构成，具有纤芯折射率，记为n1 ，外包层3 的材料是由折射率随波长变化较快的B2O3- SiO2材料构成，具有外包层折射率，记为n3 ，纤芯1 和外包层3两种材料的色散曲线相交于波长
Figure 582437DEST_PATH_IMAGE001
处，因此，当波长小于
Figure 55007DEST_PATH_IMAGE001
时，纤芯1折射率小于外包层3折射率，光不能在纤芯1中传播；而当波长不断增大超过
Figure 168456DEST_PATH_IMAGE001
时，纤芯1折射率大于外包层3折射率，光能够被束缚在纤芯1中传播，纤芯1和外包层3分别形成了一个短波截止的低通滤波器，内包层2夹在纤芯1和外包层3之间，其材料是由满足W型光纤结构长波截止条件的材料构成，具有内包层折射率，记为n2  ，其中，所述的纤芯1、内包层2和外包层3的折射率设定成能提供W型色散光纤的特性：
在波长分别小于和大于
Figure 31370DEST_PATH_IMAGE001
时，其折射率满足：
(i)波长小于
Figure 255678DEST_PATH_IMAGE001
时，外包层(3)折射率n3 > 纤芯1折射率n1 > 内包层2折射率n2 ，如图2所示，图中横轴表示以光纤中心为起点的径向半径，纵轴表示折射率；
(ii)波长大于
Figure 317175DEST_PATH_IMAGE001
时，纤芯1折射率n1 > 外包层3折射率n3 > 内包层2折射率n2 ，如图3所示，图中横轴表示以光纤中心为起点的径向半径，纵轴表示折射率，
在预选择的纤芯1和内包层2半径分别为a，b，满足W型光纤具有长波长截止性质的条件：
                 
Figure 539209DEST_PATH_IMAGE003
             <1>
其中，n1 、n2 、n3分别为纤芯1、内包层2、外包层2的折射率,    a、b 分别为纤芯1、内包层2的半径。
本发明的具有带通在线滤波特性的W型色散光纤采用纯的、B2O3和F元素掺杂的高硅石英材料，使用这种材料的色散光纤，不仅具有在线滤波所需要的良好折射率色散特性，而且大大减小了光纤损耗以及与标准单模光纤SMF的连接损耗，并可通过传统的改进化学汽相沉积法MCVD制作。对应不同掺杂元素及浓度，其折射率n随波长变化的关系用Sellmeier公式计算，它表示为：
                    
Figure 951736DEST_PATH_IMAGE004
                 <2>
式<2>中含有一系列谐振波长
Figure 914488DEST_PATH_IMAGE005
，因材料不同而异，通常取3个谐振波长即可。从已有文献中可得到，掺杂不同浓度的B2O3和F的石英玻璃的Sellmeier系数
Figure 96071DEST_PATH_IMAGE006
在0.4μm~1.7μm范围内，如图6所示，其中：A—100SiO2 ，B—3B2O3:97 SiO2 ，C —3.5 B2O3: 96.5 SiO2 ，D—13.3 B2O3: 86.7 SiO2  ，E—3.1 F: 96.9 SiO2 ，F—6.1 F: 93.9 SiO2 ，单位mol%。把图6的数据代入Sellmeier公式得到折射率随波长
Figure 285744DEST_PATH_IMAGE007
变化的色散曲线，得到掺杂相应元素和浓度的色散曲线。
参见图4，纯SiO2与掺杂3%的B2O3的SiO2的交点波长为0.508μm，而掺杂6.1% F元素的SiO2在所有波长处都具有最低折射率。故选择纯SiO2作为纤芯1，掺杂6.1% F元素的SiO2作为内包层2，掺杂3%的B2O3的SiO2作为外包层3，如图1所示。
按照在计算式<1>的条件基础上，并考虑纤芯1半径对W型色散光纤滤波性能，设计选择纤芯1半径a 为5μm，内包层2半径b为8μm，即内包层2厚度为3μm。 通过光场的电磁边界连续条件建立解析模型，得到特征方程，基模截止时，传播常数
Figure 689360DEST_PATH_IMAGE008
，其中，
Figure 991028DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 289286DEST_PATH_IMAGE010
为自由空间波长，n3为外包层3的折射率，通过求解特征方程可以得到截止波长
Figure 676405DEST_PATH_IMAGE011
，因此得出带宽大致为：。
通过有限元法仿真及数值计算，得到一个10cm长的W型色散光纤的传输谱，如图5所示，该光纤的中心波长在0.8μm附近，其3dB带宽为0.28μm。

Claims (1)

1.一种具有带通在线滤波特性的W型色散光纤，它包括纤芯(1)、内包层(2)和外包层(3)，纤芯(1)、内包层(2)和外包层(3)构成同心圆柱体，其特征在于：上述纤芯(1)的材料是由折射率随波长变化较慢的纯SiO2材料构成，具有纤芯折射率，记为n1，外包层(3) 的材料是由折射率随波长变化较快的B2O3- SiO2材料构成，具有外包层折射率，记为n3，纤芯(1) 和外包层(3)两种材料的色散曲线相交于波长                                                
Figure 769111DEST_PATH_IMAGE001
处，纤芯(1)和外包层(3)分别形成了一个短波截止的低通滤波器，内包层(2)夹在纤芯(1)和外包层(3)之间，其材料是由满足W型光纤结构长波截止条件的材料构成，具有内包层折射率，记为n2 ，其中，所述的纤芯(1)、内包层(2)和外包层(3)的折射率设定成能提供W型色散光纤的特性：
在波长分别小于和大于时，其折射率满足：
(i)波长小于
Figure 964262DEST_PATH_IMAGE001
时，外包层(3)折射率n3 > 纤芯(1)折射率n1 > 内包层(2)折射率n2
(ii)波长大于
Figure 394106DEST_PATH_IMAGE001
时，纤芯(1)折射率n1 > 外包层(3)折射率n3 > 内包层(2)折射率n2 ；
在预选择的纤芯(1)和内包层(2)半径分别为a，b，满足W型光纤具有长波长截止性质的条件：
                 
Figure 307836DEST_PATH_IMAGE002
             <1>
其中，n1 、n2 、n3分别为纤芯(1)、内包层(2)、外包层(3)的折射率,a、b 分别为纤芯(1)、内包层(2)的半径。
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