CN102338908A - 全光纤滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤滤波器，包括：2×2光纤耦合器，具有位于一侧的第一端口和第二端口，以及位于另一侧的第三端口和第四端口；保偏光纤，其两端分别与第三端口和第四端口的无源光纤熔接，从而形成环形光路；其中，第三端口和保偏光纤之间的无源光纤盘绕成具有一定半径的光纤环，作为第一偏振控制器。本发明的全光纤滤波器避免了块状器件引入的插入损耗和对准困难，易于实现系统的全光纤化；滤波带宽易于调节，适合各种不同性能要求的场合。

Description

全光纤滤波器

技术领域

本发明涉及光学与激光光电子技术领域，尤其涉及一种全光纤滤波器。

背景技术

随着1970年第一根低损耗光纤问世，几十年来光纤通信、高功率光纤激光器等有了长足的发展。在光纤通信系统和光纤激光器中，光纤滤波器起到了非常重要的作用，比如光纤通信网络中的密集波分复用技术依赖于窄带梳状滤波器；光纤激光器中的可调谐技术也依赖于可调谐的滤波器。

传统的频谱滤波元件是干涉滤光片或双折射滤光片。这两种块状元件能够有效地起到滤波的作用，但由于它们是块状的，破坏了光纤系统的全光纤化结构，带来较大的插入损耗。全光纤频谱滤波器的方案主要有：光纤光栅、波分复用器和可饱和的光纤布拉格反射镜。这些方案共同的特点是滤波带宽依赖于器件本身的性能，不易控制、不可调谐。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是如何减少频谱滤波元件的插入损耗，并且使其可调谐并易于控制。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提出了一种全光纤滤波器，包括：

2×2光纤耦合器，具有位于一侧的第一端口和第二端口，以及位于另一侧的第三端口和第四端口；

保偏光纤，其两端分别与所述第三端口和所述第四端口的无源光纤熔接，从而形成环形光路；

其中，所述第三端口和所述保偏光纤之间的无源光纤盘绕成具有一定半径的光纤环，作为第一偏振控制器。

其中，所述保偏光纤与所述第四端口之间的无源光纤盘绕成具有一定半径的光纤环，作为第二偏振控制器。

其中，所述第一偏振控制器和第二偏振控制器的光纤环的半径和盘绕圈数可以改变。

其中，所述无源光纤是单包层光纤或双包层光纤。

其中，所述保偏光纤是单包层光纤或双包层光纤。

其中，所述2×2光纤耦合器的分束比是50∶50。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明的滤波器为全光纤器件，避免了块状器件引入的插入损耗和对准困难，易于实现系统的全光纤化；通过使用无源光纤环作为偏振控制器使得滤波带宽、中心波长和调制深度易于调节，适合各种不同性能要求的场合。

附图说明

图1是本发明第一个实施例的光纤环控制的全光纤滤波器的结构图；

图2是本发明第一个实施例和第二个实施例的滤波器环形光路中的光纤及所定义的坐标；

图3是本发明第一个实施例的光纤环控制的全光纤滤波器的透过率曲线；

图4是本发明第二个实施例的光纤环控制的全光纤滤波器的结构图；

图5是本发明第二个实施例的光纤环控制的全光纤滤波器的透过率曲线。

其中，1：滤波器的输入激光；2：滤波器的反射激光；3：滤波器的透射激光；4：2×2光纤耦合器；5、6、7、8：光纤耦合器的第一、第二、第三和第四端口的尾纤(无源光纤)；9、10、16：由无源光纤盘绕成的光纤环偏振控制器；11：保偏光纤；12：保偏光纤与无源光纤熔接点；13：顺时针传输的激光；14：逆时针传输的激光；15：滤波器的环形光路中的光纤(包括光纤7、8、11)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明第一个实施例的光纤环控制的全光纤滤波器的结构包括：

2×2光纤耦合器4，具有位于一侧的第一端口和第二端口，以及位于另一侧的第三端口和第四端口；

保偏光纤11，其端部分别与第三端口和第四端口的无源光纤7，8熔接，熔接点为12，从而形成环形光路；

其中，第三端口和保偏光纤11之间的无源光纤7盘绕成具有一定半径的光纤环，作为第一光纤环偏振控制器9。

其中，保偏光纤11与第四端口之间的无源光纤8盘绕成具有一定半径的光纤环，作为第二光纤环偏振控制器10。

本发明的第一个实施例的全光纤滤波器的工作原理如下，输入激光1通过光纤耦合器4的第一端口的无源光纤5进入滤波器，按照光纤耦合器4的分光比分成顺时针传播的激光13和逆时针传播的激光14，分别从第三端口的无源光纤7和第四端口的无源光纤8输出。顺时针传输的激光13先后经过第一光纤环偏振控制器9、保偏光纤11和第二光纤环偏振控制器10，从第四端口的无源光纤8回到光纤耦合器4中；逆时针传输的激光14先后经过第二光纤环偏振控制器10、保偏光纤11和第一光纤环偏振控制器9，从第三端口的无源光纤7回到光纤耦合器4中。两束光在光纤耦合器4中发生干涉，一部分光从第二端口的无源光纤6输出，成为透射光3；另一部分光从第一端口的无源光纤5输出，成为反射光2。

第一和第二光纤环偏振控制器9和10对光纤偏振态的调节与光纤的双折射度、光纤环的总周长有关。经过光纤环后，沿快慢轴传输激光所积累的相移差为：

$\mathrm{\Δ\Φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\left(2\mathrm{n\πR}\right)(n_{\mathrm{slow}}-n_{\mathrm{fast}})$

其中，n_fast和n_slow分别为光纤快轴和慢轴的折射率，λ为激光波长，R为光纤环的缠绕半径，n为光纤环的缠绕圈数。改变光纤环的缠绕半径和缠绕圈数，能够改变光纤环造成的相移差，从而使光纤环等效为二分之一波片、四分之一波片或其他任意相位差波片。

定义如图2所示的坐标系，图2中的光纤15为图1中的光纤7、8、或11。图2中的顺时针指沿光纤环的顺时针方向，x轴沿光纤横截面的径向且平行于纸面，y轴沿光纤横截面的径向且垂直于纸面，z轴沿光纤的中心轴线。控制第一和第二光纤环偏振控制器9和10的缠绕半径和缠绕圈数，使其分别等效为二分之一波片，波片的快轴与x轴的夹角分别为θ₁和θ₂。定义保偏光纤的快轴沿x轴，慢轴沿y轴。光纤耦合器4可以是各种分束比的，下面仅以分光比为50∶50的光纤耦合器4为例计算滤波器的性能。

设入射激光1的功率为P_in，经过光纤耦合器4后，分成功率相同的两束激光13和14，分别沿顺时针(CW：Clockwise)和逆时针(CCW：Counter-Clockwise)传输，两者的电场用琼斯矩阵表示为：

$E_{\mathrm{cw}}=\sqrt{\frac{P_{\mathrm{in}}}{2}}\left[\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right],$ $E_{\mathrm{ccw}}=i\sqrt{\frac{P_{\mathrm{in}}}{2}}\left[\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right]$

激光通过保偏光纤11时，由于光纤的快、慢轴的折射率不同，使得激光经过保偏光纤11时，沿快慢轴方向所积累的相移不同，两个方向的相移差Δφ为：

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}L(n_{\mathrm{slow}}-n_{\mathrm{fast}})$

其中，n_fast和n_slow分别为快轴和慢轴的折射率，λ为激光波长，L为保偏光纤11的长度。

经过第一光纤环偏振控制器9、保偏光纤11和第二光纤环偏振控制器10后，顺时针传输激光13的电场变为：

$E_{\mathrm{cw}}^{\′\′}=\left[\begin{array}{cc}\cos 2{\mathrm{\θ}}_2& \sin 2{\mathrm{\θ}}_2\\ \sin 2{\mathrm{\θ}}_2& -\cos 2{\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& \exp \left(\mathrm{i\Δ\φ}\right)\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{cc}\cos 2{\mathrm{\θ}}_1& \sin 2{\mathrm{\θ}}_1\\ \sin 2{\mathrm{\θ}}_1& -\cos 2{\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right]\×\sqrt{\frac{P_{\mathrm{in}}}{2}}\left[\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right]$

同样的，逆时针传输激光14经过第二光纤环偏振控制器10、保偏光纤11和第一光纤环偏振控制器9后的电场为：

$E_{\mathrm{ccw}}^{\′\′}=\left[\begin{array}{cc}\cos 2{\mathrm{\θ}}_1& -\sin 2{\mathrm{\θ}}_1\\ -\sin 2{\mathrm{\θ}}_1& -\cos 2{\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& \exp \left(\mathrm{i\Δ\φ}\right)\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{cc}\cos 2{\mathrm{\θ}}_2& -\sin 2{\mathrm{\θ}}_2\\ -\sin 2{\mathrm{\θ}}_2& -\cos 2{\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right]\×i\sqrt{\frac{P_{\mathrm{in}}}{2}}\left[\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right]$

顺时针和逆时针传输的激光在光纤耦合器4中发生干涉，在第二端口的无源光纤6透射的输出电场为：

$i\frac{\sqrt{2}}{2}{E}_{\mathrm{ccw}}^{\′\′}+\frac{\sqrt{2}}{2}{E}_{\mathrm{cw}}^{\′\′}$

$=\frac{\sqrt{P_{\mathrm{in}}}}{2}\sin \left[2({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)\right][1-\exp \left(\mathrm{i\Δ\φ}\right)]\left[\begin{array}{c}{E}_y\\ E_x\end{array}\right]$

则滤波器的透过率为：

$T=\frac{1}{2}{\sin }^2\left[2({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)\right](1-\cos \mathrm{\Δ\φ})$

滤波器的透过率曲线如图3所示，其中两个二分之一波片的转角和(θ₁+θ₂)＝0～π/4，相移差Δφ＝0～8π。滤波器的透过率随Δφ的改变而周期性变化，在合适的波片转角下((θ₁+θ₂)＝π/4)，最大透过率能够达到100％，滤波器的调制深度为100％。在保偏光纤长度L和双折射度(n_slow-n_fast)固定时，相移差Δφ的大小只与激光波长λ有关，滤波器的滤波带宽近似为：

$\mathrm{\Δ\λ}\≅=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{L(n_{\mathrm{slow}}-n_{\mathrm{fast}})}$

如图4所示，本发明的另一个实施例的全光纤滤波器的结构除了包括第一个实施例中的2×2光纤耦合器4以及保偏光纤11之外，还具有第三端口的无源光纤盘绕而成的光纤环偏振控制器16，而第四端口的无源光纤直接与保偏光纤11熔接，没有无源光纤盘绕而成的光纤环偏振控制器，其工作原理如下：

输入激光1通过光纤耦合器4的第一端口的无源光纤5进入滤波器，按照光纤耦合器4的分光比分成顺时针传播的激光13和逆时针传播的激光14，分别从第三端口的无源光纤7和第四端口的无源光纤8输出。顺时针传输的激光13先后经过光纤环偏振控制器16和保偏光纤11，从第四端口的无源光纤8回到光纤耦合器4中；逆时针传输的激光14先后经过保偏光纤11和光纤环偏振控制器16，从第三端口的无源光纤7回到光纤耦合器4中。两束光在耦合器4中发生干涉，一部分光从第二端口的无源光纤6输出，成为透射光3；另一部分光从第一端口的无源光纤5输出，成为反射光2。

定义如图2所示的坐标系，图2中的光纤15为图4中的光纤7、8、或11。图2中的顺时针指沿光纤环的顺时针方向，x轴沿光纤横截面的径向且平行于纸面，y轴沿光纤横截面的径向且垂直于纸面，z轴沿光纤的中心轴线。控制光纤环偏振控制器16的缠绕半径和缠绕圈数，使其等效为四分之一波片，波片的快轴与x轴的夹角分别为θ₁和θ₂。定义保偏光纤的快轴沿x轴，慢轴沿y轴。以分束比为50∶50的光纤耦合器4为例计算滤波器的性能。

设入射激光1的功率为P_in，经过光纤耦合器4后，分成功率相同的两束激光13和14，分别沿顺时针(CW：Clockwise)和逆时针(CCW：Counter-Clockwise)传输，两者的电场用琼斯矩阵表示为：

$E_{\mathrm{cw}}=\sqrt{\frac{P_{\mathrm{in}}}{2}}\left[\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right],$ $E_{\mathrm{ccw}}=i\sqrt{\frac{P_{\mathrm{in}}}{2}}\left[\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right]$

激光通过保偏光纤时，由于光纤的快、慢轴的折射率不同，使得激光经过保偏光纤时，沿快慢轴方向所积累的相移不同，两个方向的相移差Δφ为：

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}L(n_{\mathrm{slow}}-n_{\mathrm{fast}})$

其中，n_fast和n_slow分别为快轴和慢轴的折射率，λ为激光波长，L为PM光纤长度。

经过光纤环偏振控制器16、保偏光纤11后，顺时针传输激光13的电场变为：

$E_{\mathrm{cw}}^{\′\′}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& \exp \left(\mathrm{i\Δ\φ}\right)\end{array}\right]\×\frac{\sqrt{2}}{2}\left[\begin{array}{cc}1-i\cos 2\mathrm{\θ}& -i\sin 2\mathrm{\θ}\\ -i\sin 2\mathrm{\θ}& 1+i\cos 2\mathrm{\θ}\end{array}\right]\×\sqrt{\frac{P_{\mathrm{in}}}{2}}\left[\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right]$

同样的，逆时针传输激光14经过保偏光纤11、光纤环偏振控制器16后的电场为：

$E_{\mathrm{ccw}}^{\′\′}=\frac{\sqrt{2}}{2}\left[\begin{array}{cc}1-i\cos 2\mathrm{\θ}& i\sin 2\mathrm{\θ}\\ i\sin 2\mathrm{\θ}& 1+i\cos 2\mathrm{\θ}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& \exp \left(\mathrm{i\Δ\φ}\right)\end{array}\right]\×i\sqrt{\frac{P_{\mathrm{in}}}{2}}\left[\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right]$

顺时针和逆时针传输的激光在光纤耦合器4中发生干涉，第二端口的无源光纤6的透射输出电场为：

$i\frac{\sqrt{2}}{2}{E}_{\mathrm{ccw}}^{\′\′}+\frac{\sqrt{2}}{2}{E}_{\mathrm{cw}}^{\′\′}$

$=-i\frac{\sqrt{P_{\mathrm{in}}}}{2\sqrt{2}}\sin 2\mathrm{\θ}[1+\exp \left(\mathrm{i\Δ\φ}\right)]\left[\begin{array}{c}{E}_y\\ E_x\end{array}\right]$

则滤波器的透过率为：

$T=\frac{P_t}{P_{\mathrm{in}}}=\frac{1}{4}{\sin }^{2}2\mathrm{\θ}(1+\cos \mathrm{\Δ\φ})$

滤波器的透过率曲线如图5所示，其中四分之一波片的转角θ＝0～π/4，相移差Δφ＝0～8π。滤波器的透过率随Δφ的改变而周期性变化，在合适的波片转角下(θ＝π/4)，最大透过率为50％，同时滤波器的调制深度为50％。在保偏光纤长度L和双折射度(n_slow -n_fast)固定时，相移差Δφ的大小只与激光波长λ有关，滤波器的滤波带宽近似为：

$\mathrm{\Δ\λ}\≅\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{L(n_{\mathrm{slow}}-n_{\mathrm{fast}})}$

在上述实施例中，无源光纤和保偏光纤是单包层光纤或双包层光纤。

综上所述，通过转动保偏光纤两侧的光纤环，能够控制两束相向传播激光进入保偏光纤时的偏振态和偏振方向，进而改变两个正交偏振态积累的相移，从而控制滤波器的透过率。通过改变保偏光纤的长度，可以控制滤波器的滤波带宽，通过控制光纤环的缠绕半径和缠绕圈数，可以改变光纤环对光纤偏振态的调节性能，进而改变滤波器的调制深度、中心波长等。

以上所述仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种全光纤滤波器，其特征在于，包括：

2×2光纤耦合器，具有位于一侧的第一端口和第二端口，以及位于另一侧的第三端口和第四端口；

保偏光纤，其两端分别与所述第三端口和所述第四端口的无源光纤熔接，从而形成环形光路；

其中，所述第三端口和所述保偏光纤之间的无源光纤盘绕成具有一定半径的光纤环，作为第一偏振控制器。

2.如权利要求1所述的全光纤滤波器，其特征在于，所述保偏光纤与所述第四端口之间的无源光纤盘绕成具有一定半径的光纤环，作为第二偏振控制器。

3.如权利要求2所述的全光纤滤波器，其特征在于，所述第一偏振控制器和第二偏振控制器的光纤环的半径和盘绕圈数可以改变。

4.如权利要求3所述的全光纤滤波器，其特征在于，所述无源光纤是单包层光纤或双包层光纤。

5.如权利要求3所述的全光纤滤波器，其特征在于，所述保偏光纤是单包层光纤或双包层光纤。

6.如权利要求1-5中任一所述的全光纤滤波器，其特征在于，所述2×2光纤耦合器的分束比是50∶50。

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