CN102162937A - 一种基于光纤光栅环镜的可调谐光纤滤波器 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤光栅环镜的可调谐光纤滤波器，本发明属于光纤器件及测量技术领域。由宽带光源，光纤耦合器，光纤链路，由上臂光纤、下臂光纤和光纤光栅构成的光纤环镜，悬臂梁单元，电磁线圈驱动单元，微位移驱动单元及光电探测器组成。其特点是光纤光栅沿中心线粘贴在悬臂梁表面，在电磁力的作用下，悬臂梁将发生弯曲变形，使光纤光栅受应力作用而发生反射光谱移动，达到滤波器通带位置调谐的目的。光纤环镜的下臂光纤粘贴在微位移发生器表面上，当施加驱动电压时，将依据电致伸缩原理带动粘贴在其上面的下臂光纤伸长，由于上臂光纤和下臂光纤产生了长度差而使得滤波器通带内信道个数发生变化，达到滤波器信道宽度可调谐的梳状滤波效果。

Description

一种基于光纤光栅环镜的可调谐光纤滤波器

技术领域

本发明涉及一种光纤滤波器，属于光纤传感及光纤通信技术领域。

背景技术

光纤滤波器是波分复用光通信系统和传感系统中基本的关键器件之一。利用光纤滤波器的波长选择特性，可以进行激光模式选择来研制光纤激光器；可以通过多信道实现多波长信号波分复用；也可以进行滤波，提取有用传感器信号等。如(狄俊安，周赢武，一种新型的窄线宽光纤滤波器特性的研究，福建工程学院学报，8，2010)提出的由一个高双折射光纤环嵌套于Sagnac环镜构成的窄线宽光纤滤波器，实现了0.015nm范围的窄带宽滤波特性。(涂兴华，刘逢清，徐宁，非连续线性啁啾取样布拉格光栅型多信道光纤滤波器的设计，光学精密工程，18，2010)提出了一种基于取样布拉格光纤光栅的梳状滤波器，在11nm的宽度范围内具有26个信道，3dB信道带宽为0.18nm。然而，上述方法一旦滤波器结构设计好后，滤波特性就是固定的，限制了其应用范围，不具灵活性。因而，目前具有通带位置可调谐、信道间隔可调谐的光纤滤波器，正受到科研工作者的青睐，也是工程实际中急需解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足之处、提出一种实用可靠、设计灵活、滤波特性可方便调谐的光纤滤波器。

本发明提出了一种基于光纤光栅环镜的可调谐光纤滤波器，包括嵌有光纤光栅的Sagnac环镜及调谐方法。其特征在于，包括以下内容：

1.一种基于光纤光栅环镜的可调谐光纤滤波器，包括宽带光源，光纤耦合器，光纤链路，由上臂光纤、下臂光纤和光纤光栅构成的光纤环镜，悬臂梁单元，电磁线圈驱动单元，微位移驱动单元及光电探测器，其特征在于：所述的悬臂梁单元包括有机玻璃材料制成的等腰三角形等厚悬臂梁和安装在悬臂梁自由端的永久磁铁。

2.按照权利要求1所述的可调谐光纤滤波器中的光纤链路，其特征在于：所述的光纤链路为：连接宽带光源输出端的光纤与一个2×2光纤耦合器的端口21相连，光纤耦合器的端口23与光纤环镜中的上臂光纤相连，上臂光纤的另一端与光纤光栅相连，光纤光栅的另一端与下臂光纤相连，下臂光纤的另一端与光纤耦合器端口24相连，光纤耦合器的端口22通过光纤与光电探测器相连；形成“环形”光纤链路结构。

3.按照权利要求1所述的可调谐光纤滤波器中的光纤环镜，其特征在于：所述的光纤环镜中的上臂光纤、下臂光纤和光纤光栅都是同种石英材料、包层/纤芯直径都是125μm/9μm的单模光纤；上臂光纤和下臂光纤的初始长度也相同。

4.按照权利要求1所述的可调谐光纤滤波器，其特征在于：所述的电磁线圈驱动单元包括电磁线圈和给电磁线圈通电的驱动电路；电磁线圈的中轴线与悬臂梁自由端的永久磁铁的中心在一条水平线上，当电磁线圈通入驱动电流时，产生的电磁力将吸引或者排斥永久磁铁，致使悬臂梁的自由端发生弯曲。

5.按照权利要求1所述的可调谐光纤滤波器，其特征在于：所述的光纤光栅沿中心线粘贴在有机玻璃材料制成的悬臂梁的表面；在电磁线圈驱动单元产生的电磁力的作用下，悬臂梁将发生弯曲变形，使得光纤光栅受应力作用，从而使得光纤光栅的反射光谱发生移动，达到滤波器通带位置可调谐的目的。

6.按照权利要求1所述的可调谐光纤滤波器，其特征在于：所述的光纤环镜的下臂光纤粘贴在微位移驱动单元中的微位移发生器表面上，当微位移驱动单元中的驱动电压施加在微位移发生器上时，微位移发生器将依据电致伸缩原理而被伸长，带动粘贴在其上面的下臂光纤被伸长，由于上臂光纤和下臂光纤产生了长度差而使得滤波器通带内信道个数发生变化，达到滤波器信道宽度可调谐的梳状滤波效果。

7.按照权利要求6所述的微位移发生器，其特征在于：微位移发生器由压电陶瓷材料构成。

本发明具有如下技术特点：①通过调整电磁线圈驱动电流的大小，可以实现光纤滤波器通带位置的调谐；②通过调整微位移发生器的驱动电压的大小，可以实现光纤滤波器通带内信道个数和信道间隔的调谐。

附图说明

图1为本发明提供的基于光纤光栅的可调谐光纤滤波器系统结构示意图。

图2为利用本发明实现的驱动电流与光纤光栅反射光谱的变化关系曲线。

图3为利用本发明实现的滤波通带位置的调谐结果。

图4为利用本发明实现的通带内信道间隔的调谐结果。

具体实施方式

本发明提出了一种基于光纤光栅环镜的可调谐光纤滤波器，包括嵌有光纤光栅的Sagnac环镜及调谐方法，结合附图说明如下：

图1为本发明提供的基于光纤光栅的可调谐光纤滤波器系统结构示意图，包括宽带光源，光纤耦合器，光纤链路，由上臂光纤、下臂光纤和光纤光栅构成的光纤环镜，悬臂梁单元，电磁线圈驱动单元，微位移驱动单元及光电探测器。悬臂梁单元包括等腰三角形等厚悬臂梁和安装在悬臂梁自由端的永久磁铁。连接宽带光源输出端的光纤与一个2×2光纤耦合器的端口21相连，光纤耦合器的端口23与光纤环镜中的上臂光纤相连，上臂光纤的另一端与光纤光栅相连，光纤光栅的另一端与下臂光纤相连，下臂光纤的另一端与光纤耦合器端口24相连，光纤耦合器的端口22通过光纤与光电探测器相连；形成“环形”光纤链路结构。光纤环镜中的上臂光纤、下臂光纤和光纤光栅都是同种石英材料、包层/纤芯直径都是125μm/9μm的单模光纤；上臂光纤和下臂光纤的初始长度也相同。电磁线圈驱动单元包括电磁线圈和给电磁线圈通电的驱动电路组成，电磁线圈的中轴线与悬臂梁自由端的永久磁铁的中心在一条水平线上，当电磁线圈通入驱动电流时，产生的电磁力将吸引或者排斥永久磁铁，致使悬臂梁的自由端发生弯曲。光纤光栅沿中心线粘贴在有机玻璃材料制成的悬臂梁的表面；在电磁线圈驱动单元产生的电磁力的作用下，悬臂梁将发生弯曲变形，使得光纤光栅受应力作用，从而使得光纤光栅的反射光谱发生移动，达到滤波器通带位置可调谐的目的。光纤环镜的下臂光纤粘贴在微位移驱动单元中的微位移发生器表面上，当微位移驱动单元中的驱动电压施加在微位移发生器上时，微位移发生器将依据电致伸缩原理而被伸长，带动粘贴在其上面的下臂光纤被伸长，由于上臂光纤和下臂光纤产生了长度差而使得滤波器通带内信道个数发生变化，达到滤波器信道间隔可调谐的梳状滤波效果。微位移发生器由压电陶瓷材料构成。

含有光纤光栅的光纤滤波器的原理是：宽带光源发出的光通过光纤进入光纤耦合器的端口21，经过耦合器后分成从端口23和端口24按顺时针和逆时针方向传播的两束光，遇到光纤光栅后每路光波中满足光纤光栅相位匹配条件的具有特定波长的那部分光都会被反射，最后在耦合器中叠加干涉，从光纤耦合器的端口22可以观察到透射波。

利用传输矩阵法来进行一般性的理论计算和分析，在不考虑损耗的前提下，光纤耦合器和光在长度为L_i的光纤中传播时的传输矩阵可以分别表示为：

$\left|\begin{array}{cc}\sqrt{1-K}& j\sqrt{K}\\ j\sqrt{K}& \sqrt{1-K}\end{array}\right|,$ $\left|\begin{array}{cc}\exp \left(\mathrm{j\β}{L}_i\right)& 0\\ 0& \exp (-\mathrm{j\β}{L}_i)\end{array}\right|---\left(1\right)$

式中，K是光纤耦合器的耦合系数，L_i(i＝1，2)为光纤环镜中上臂光纤和下臂光纤的长度，β为光纤中的模式传播常数。一般应将光纤光栅分为很多小段，将每一小段视为均匀光纤光栅，然后把各小段的传输矩阵连乘，设各小段的长度为ΔZ，其传输矩阵可写为：

$\left|\begin{array}{cc}\cosh \left(\mathrm{\γ\ΔZ}\right)-j\frac{\widehat{\mathrm{\σ}}}{\mathrm{\γ}}\sinh \left(\mathrm{\γ\ΔZ}\right)& -j\frac{\mathrm{\κ}}{\mathrm{\γ}}\sinh \left(\mathrm{\γ\ΔZ}\right)\\ j\frac{\mathrm{\κ}}{\mathrm{\γ}}\sinh \left(\mathrm{\γ\ΔZ}\right)& \cosh \left(\mathrm{\γ\ΔZ}\right)+j\frac{\widehat{\mathrm{\σ}}}{\mathrm{\γ}}\sinh \left(\mathrm{\γ\ΔZ}\right)\end{array}\right|---\left(2\right)$

其中，κ和分别为这一段光纤光栅上的交流和直流耦合系数。

在一般情况下，这种结构的光纤环镜没有解析解，但是对于含有光纤光栅为均匀布拉格光栅时，可导出它的解析解来，它的透射率表达为：

$T=\frac{{[(1-2K)\sqrt{{\mathrm{\κ}}^2-{\mathrm{\δ}}^2}+2\mathrm{\κ}\sqrt{K(1-K)}\sinh \left(\sqrt{{\mathrm{\κ}}^2-{\mathrm{\δ}}^2}{L}_g\right)\cos \left(\mathrm{\β\ΔL}\right)]}^2}{{\mathrm{\κ}}^2{\cosh }^2\left(\sqrt{{\mathrm{\κ}}^2-{\mathrm{\δ}}^2}{L}_g\right)-{\mathrm{\δ}}^2}---\left(13\right)$

式中，ΔL＝L₁-L₂，L_g为光纤光栅长，δ为光纤光栅失调。

从式(3)可以看出，在初始的时候，上臂光纤和下臂光纤的长度相同，则ΔL＝0，此时，经过光纤光栅反射的顺时针和逆时针传播的两束反射光由于光程差相同，因而不产生干涉，则透射率正好是均匀布拉格光纤光栅的反射光谱。此时，在电磁线圈驱动单元产生的电磁力作用下，悬臂梁将发生弯曲变形，使得光纤光栅受应力作用，从而使得光纤光栅的反射光谱发生移动，也就是说光纤环镜的透射谱也会发生移动，从而达到滤波器通带位置可调谐的目的。

根据电磁理论，电磁线圈驱动单元在驱动电流I的作用下产生的电磁力可表示为：

$F=\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}s{\left(\mathrm{NI}\right)}^2}{{\mathrm{\η}}^2}---\left(4\right)$

式中，μ₀为真空中的磁导率，s为气隙的横截面面积，可简化认为是电磁线圈横截面积，η为气隙减小的距离，N为线圈匝数。

在根据材料力学原理，可以推导出悬臂梁在电磁力作用下产生的应变为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{6L\·F}{\mathrm{Eb}{h}^2}---\left(5\right)$

式中，L是悬臂梁长度，b是悬臂梁固定端的宽度，h和E分别为悬臂梁的厚度和杨氏弹性模量。

这样，由光纤光栅的特性方程可知在电磁力作用下，光纤光栅产生的反射光谱移动量为：

$\mathrm{\Δ\λ}={\mathrm{\λ}}_B(1-P_e)\mathrm{\ϵ}=\frac{6{\mathrm{\λ}}_B(1-P_e)L}{{\mathrm{Ebh}}^2}F=\frac{3{\mathrm{\λ}}_B(1-P_e)L}{{\mathrm{Ebh}}^2}\·\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}s{\left(\mathrm{NI}\right)}^2}{{\mathrm{\δ}}^2}---\left(6\right)$

式中，λ_B为光纤光栅的初始反射光谱的中心波长，P_e为光纤的弹光系数。

当μ₀＝4π×10^-7H/m，光纤光栅初始反射光谱的中心波长λ_B＝1532.96nm，悬臂梁长度L＝128mm，纤芯初始的有效折射率n_eff＝1.43，光纤弹光系数p_e＝0.22，气隙δ＝2mm，悬臂梁固定端宽度b＝25mm，悬臂梁厚度h＝1mm，电磁线圈横截面积s＝78.5mm²，匝数N＝800，悬臂梁的杨氏弹性模量E＝3.15GPa时，可得到如图2所示的驱动电流与光纤光栅反射光谱的变化关系曲线，光纤光栅的反射光谱的移动将引起滤波器透射谱中通带位置的调谐，如图3所示是在驱动电流变化的情况下，滤波器通带位置的改变情况。

当微位移驱动单元中的驱动电压施加在微位移发生器上时，微位移发生器将依据电致伸缩原理而被伸长，带动粘贴在其上面的下臂光纤被伸长，由于上臂光纤和下臂光纤产生了长度差，即ΔL≠0，此时，经过光纤光栅反射的顺时针和逆时针传播的两束反射光由于产生了光程差而发生干涉，光纤环镜的透射谱恰好为光纤光栅反射光谱包络受到余弦调制的结果。由式(3)中的(cosβΔL)²项可知，光纤环镜的透射谱具有周期梳状滤波特性，周期满足

2βΔL＝2π                   (7)

又，已知光纤光栅传播常数

则有

$2\frac{2n_{\mathrm{eff}}\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\ΔL}=2\frac{2n_{\mathrm{eff}}\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}^2}\mathrm{\Δ}\×\mathrm{\ΔL}=2\mathrm{\π}---\left(8\right)$

即每个滤波信道的宽度Δ可表示为

$\mathrm{\Δ}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2n_{\mathrm{eff}}\mathrm{\ΔL}}---\left(9\right)$

为设计所需滤波器通道间隔提供了很好的依据。

图4为所用光纤光栅Δn＝0.26×10^-4，光纤光栅长L_g＝2mm，光纤光栅周期P_FBG＝536nm，等效折射率n_eff＝1.43，ΔL分别为ΔL＝0(图(a))，ΔL＝1.6mm(图(b))，ΔL＝3.5mm(图(c))时，滤波器的透射谱。可见，通过调谐上臂光纤和下臂光纤的长度差，就可以实现对通带内滤波信道个数和信道间隔的调谐。

Claims (7)

1.一种基于光纤光栅环镜的可调谐光纤滤波器，包括宽带光源，光纤耦合器，光纤链路，由上臂光纤、下臂光纤和光纤光栅构成的光纤环镜，悬臂梁单元，电磁线圈驱动单元，微位移驱动单元及光电探测器，其特征在于：所述的悬臂梁单元包括有机玻璃材料制成的等腰三角形等厚悬臂梁和安装在悬臂梁自由端的永久磁铁。

2.按照权利要求1所述的可调谐光纤滤波器中的光纤链路，其特征在于：所述的光纤链路为：连接宽带光源输出端的光纤与一个2×2光纤耦合器的端口21相连，光纤耦合器的端口23与光纤环镜中的上臂光纤相连，上臂光纤的另一端与光纤光栅相连，光纤光栅的另一端与下臂光纤相连，下臂光纤的另一端与光纤耦合器端口24相连，光纤耦合器的端口22通过光纤与光电探测器相连；形成“环形”光纤链路结构。

3.按照权利要求1所述的可调谐光纤滤波器中的光纤环镜，其特征在于：所述的光纤环镜中的上臂光纤、下臂光纤和光纤光栅都是同种石英材料、包层/纤芯直径都是125μm/9μm的单模光纤；上臂光纤和下臂光纤的初始长度也相同。

4.按照权利要求1所述的可调谐光纤滤波器，其特征在于：所述的电磁线圈驱动单元包括电磁线圈和给电磁线圈通电的驱动电路；电磁线圈的中轴线与悬臂梁自由端的永久磁铁的中心在一条水平线上，当电磁线圈通入驱动电流时，产生的电磁力将吸引或者排斥永久磁铁，致使悬臂梁的自由端发生弯曲。

5.按照权利要求1所述的可调谐光纤滤波器，其特征在于：所述的光纤光栅沿中心线粘贴在有机玻璃材料制成的悬臂梁的表面；在电磁线圈驱动单元产生的电磁力的作用下，悬臂梁将发生弯曲变形，使得光纤光栅受应力作用，从而使得光纤光栅的反射光谱发生移动，达到滤波器通带位置可调谐的目的。

6.按照权利要求1所述的可调谐光纤滤波器，其特征在于：所述的光纤环镜的下臂光纤粘贴在微位移驱动单元中的微位移发生器表面上，当微位移驱动单元中的驱动电压施加在微位移发生器上时，微位移发生器将依据电致伸缩原理而被伸长，带动粘贴在其上面的下臂光纤被伸长，由于上臂光纤和下臂光纤产生了长度差而使得滤波器通带内信道个数发生变化，达到滤波器信道宽度可调谐的梳状滤波效果。

7.按照权利要求6所述的微位移发生器，其特征在于：微位移发生器由压电陶瓷材料构成。

Images