CN102830464A - 一种基于单模-多模光纤光栅的双重滤波微结构分束器 - Google Patents
一种基于单模-多模光纤光栅的双重滤波微结构分束器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种具有双重滤波功能的光纤光栅微结构分束器。本发明由宽谱光源（1）连接单模光纤（2）的输入端，单模光纤（2）的输出端连接多模光纤（4）的输入端，在多模光纤中写入长周期光栅，多模光纤（4）的输出端连接CCD探测器。多模光纤纤芯直径为125μm＞d≥105μm。单模光纤与多模光纤可以通过错位焊接连接在一起。多模光纤还可以由包括双芯光纤、环形芯光纤和三芯光纤在内的特种光纤代替。本发明相对于简单的在多模光纤内写入光栅将具有极高的稳定性和可控性。采用的光纤材料和器件均为标淮光纤通信元件，相对于以往的分束器具有结构简单、体积小、成本低、精度高的特点。
Description
技术领域
本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种具有双重滤波功能的光纤光栅微结构分束器。
背景技术
光子代替电子，集成光路代替集成电路将极大的提高人类处理信息的速度和能力。而研究和制作各种功能型光学器件并最终实现光学集成是光学领域研究者的重要目标之一。多模光纤是科学家们最早研制应用的光纤结构，其内部的模式干涉导致多模光纤径向光场分布随光纤轴向距离变化而呈周期变化。多模光纤内多模式干涉效应最为广泛的研究是基于单模-多模-单模（SMS）光纤结构，即利用单模光纤作为引入端将光引入到多模光纤内，接着再次利用单模光纤将光从多模光纤的另外一端引出。利用SMS结构可实现位移、折射率以及多参量同时的测量，并可以研究应变响应。在光纤通讯中，SMS结构被期望实现滤波功能，2006年Optics Letters上发表了加拿大Toronto大学的Waleed S.Mohammed博士等的利用SMS中模式干涉效应实现带通滤波的论文，展示了13nm的3dB带宽，该滤波器相对于传统的滤波器具有0.4dB低插入损耗、结构简单和成本低廉等特点。
另一方面，自从K.O.Hill等人于1978年首次研制出世界上第一个光纤光栅，即光纤布拉格光栅以来，无论是光纤光栅的写入方法、理论研究还是应用都获得了飞速发展。在光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅的基础上人们已先后研制出一些具有特殊结构的光纤光栅，比如啁啾光纤光栅、高斯光纤光栅、高斯变迹光纤光栅、相移光纤光栅、超结构光纤光栅、倾斜光纤光栅、长周期光纤光栅等。新型光子晶体光纤和微纳光纤的出现，更加为光纤光栅的发展增添了新元素，可以相信，光纤光栅必将在通信、传感及其相关领域获得进一步的发展和更加广泛的应用。通常意义上的光纤光栅一般都是在单模光纤内制作，多模光纤内制作光栅光谱响应相对复杂，不能够制作传统意义上的滤波器，但在光纤传感领域，多模光纤内写入光栅可以具有不同于单模光栅光谱响应的特点，可以用于多参量传感。多模光纤光栅还被用来提供特定要求的光纤激光反馈。但多模光纤中各种模式分布会随着激励条件、光纤弯曲等因素发生变化，因而多模光纤光栅光谱无法稳定。如果能够控制多模光纤内模式分布情况，将使得利用多模光纤光栅的光谱响应相对稳定，从而使多模光纤光栅像单模光纤光栅那样应用广泛。
本发明将SMS结构与光纤光栅技术相结合，提出一种具有双重滤波功能的光纤光栅微结构分束器。该器件不同于简单的多模光纤光栅器件，构造具有横向滤波特性的单模-多模-单模光纤结构，并在该结构中的多模光纤内写入纵向滤波光栅，实现横纵双重光纤滤波。该滤波器件在能够具备了多模光纤光栅的光谱响应特性的同时，保证了器件的稳定和可控性。利用这种结构在多模光纤段稳定激励起的数个模式与光栅的相互作用以及模式相干效应实现微结构分束，可广泛应用于光纤通信领域，作为用于波分复用的前置器件。
发明内容
本发明的目的在于提出一种结构简单、具有双重滤波功能的光纤光栅微结构分束器。
本发明的目的是这样实现的：
宽谱光源（1）连接单模光纤（2）的输入端，单模光纤（2）的输出端连接多模光纤（4）的输入端，在多模光纤中写入长周期光栅，多模光纤（4）的输出端连接CCD探测器。
多模光纤纤芯直径为125μm＞d≥105μm。
单模光纤与多模光纤可以通过错位焊接连接在一起。
多模光纤还可以由包括双芯光纤、环形芯光纤和三芯光纤在内的特种光纤代替。
本发明的有益效果在于：
本发明能够通过控制单模-多模-单模光纤结构的横向滤波特性来控制多模光纤中激励的模式，相对于简单的在多模光纤内写入光栅将具有极高的稳定性和可控性。采用的光纤材料和器件均为标淮光纤通信元件，相对于以往的分束器具有结构简单、体积小、成本低、精度高的优点。
附图说明
图1是基于单模-多模光纤光栅的双重滤波微结构分束器的结构示意图；
图2是多模光纤内部激励起的模式振幅仿真结果；
图3是单模光纤和大芯径多模光纤错位焊接示意图；
图4是单模光纤和特种光纤的双芯光纤耦合连接示意图；
图5是单模光纤和多模光纤之间的偏轴量为3μm时不同模式的激励系数仿真结果示意图。
具体实施方式
基于单模-多模光纤光栅的双重滤波微结构分束器的结构如图1所示，包括宽谱光源1、单模光纤2、单模与多模光纤对接面3、多模光纤4、写入长周期光栅5、CCD探测装置6。
宽谱光源1连接单模光纤2的输入端，单模光纤2的输出端连接多模光纤4的输入端，二者耦合形成单模与多模光纤对接面3，在多模光纤4中写入长周期光栅，多模光纤4的输出端连接CCD探测器。
宽谱光源1发出的光进入单模光纤2后，单模光纤内的单模光场将耦合进多模光纤4中，由于多模光纤的模式传输特性，光在大芯径多模光纤中有选择的激励起数个模式，各个模式的激励强度取决于单模光纤内光波模式和多模光纤内各模式的模场匹配情况，可以借助耦合模理论给出分析，个别几个满足匹配条件的模式会耦合具有较大的强度，不满足匹配条件的模式耦合获得的强度较小。当多模光纤内写入光栅后，被激励起的各模式将和光栅之间再次发生模式耦合，也是具有选择性的，并且不同波长的光在多模光纤中激励不同的模式，导致耦合后的强度各不相同。与光栅再次耦合的模式也取决于入射光的波长，不同模式进行选择性耦合，形成不同的自聚焦光斑，用CCD根据光斑大小形状判别对应的波长，达到实现分束的目的。
本发明首先是结构参数的选取。单模光纤是标准的单模光纤SMF-28，纤芯直径8.2μm，包层直径125μm；多模光纤是阶跃型MMF，纤芯直径105μm，包层直径125μm。在基于单模-多模光纤光栅的双重滤波微结构分束器结构中，多模光纤内部所激励的模式主要受波长和结构参数的控制，为了实现微结构分束，波长是个可变的参数，而结构参数则是固定的。结构参数主要包括：大芯径多模光纤参数、单模光纤和多模光纤焊接时纤芯对准的尺寸，刻写光栅的参数。其中大芯径多模光纤的长度是个非常重要的参数，它决定了CCD所探测到光斑的质量，不同波长的光在多模光纤中激励不同的模式。当单模光纤正轴对接多模光纤时，内部激励起的模式振幅结果（图中为耦合系数）如图2所示。由图可知，一定半径的多模光纤，其耦合系数的峰值都对应一个特定的模式，激励起的数个模式与光栅相互作用产生模式间干涉，导致形成的自聚焦光斑因波长而异，从而实现微结构分束。
其次是多模光纤内光栅的写入。多模光纤光栅的成栅过程与普通光纤光栅的制备过程类似，利用紫外激光和位相掩模板，与普通光纤光栅的制备过程差别在于多模光纤光栅在制作过程中相位掩膜板的焦点需要进行优化调整，同时必须利用具备自动旋转功能的光纤支架。在写入光栅时，通过沿光纤轴旋转单模-多模光纤来实现光栅的均匀写入，从而实现长周期光纤光栅的高质量写入。
多模光纤内部模场激励的控制方法还可以利用单模光纤与大芯径多模光纤错位焊接来实现，其中起主要作用的多模光纤还可以采用特种光纤。图3为单模光纤和大芯径多模光纤错位焊接示意图，图4为单模光纤与特种光纤耦合连接示意图。图3的结构包括宽谱光源1、单模光纤2、多模光纤3、写入长周期光栅4、CCD探测装置5。在进行数值求解时中心波长取1550nm，单模光纤和多模光纤之间的偏轴量为3μm时不同模式的激励系数如图5所示。图4的结构包括宽谱光源1、单模光纤2、特种光纤3、写入长周期光栅4、CCD探测装置5，特种光纤主要采用双芯光纤，除此之外采用环形芯光纤和三芯光纤也可实现。若特种光纤为双芯光纤，等效于单模光纤与两个光纤进行错位焊接；若特种光纤为环形芯光纤，等效于单模光纤与多个光纤进行错位焊接；若特种光纤为三芯光纤，等效于单模光纤与三个光纤进行错位焊接。
本发明的优点和特点是：
(1)本发明利用单模-多模-单模光纤光栅制成双重滤波器件，拓展光纤光栅种类，并给出了这种光纤光栅的制备方法。该光栅不同于普通的多模光纤光栅，能够通过控制单模-多模-单模光纤结构的横向滤波特性来控制多模光纤中激励的模式，相对于简单的在多模光纤内写入光栅将具有极高的稳定性和可控性。
(2)本发明利用单模-多模-单模光纤光栅双重滤波结构制成光纤光栅微结构分束器，该结构利用不同波长的光在多模光纤中激励起不同的模式，各模式间进行选择性耦合，同时获得不同尺寸的光斑，实现微结构分束。
(3)本发明采用特种光纤，将特种光纤引入微结构分束器的制作中，拓展了特种光纤的应用领域。
(4)本发明采用的光纤材料和器件均为标淮光纤通信元件，相对于以往的分束器具有结构简单、体积小、成本低、精度高的特点，容易获得，有利于推广。
Claims (4)
1.一种基于单模-多模光纤光栅的双重滤波微结构分束器，其特征在于：宽谱光源（1）连接单模光纤（2）的输入端，单模光纤（2）的输出端连接多模光纤（4）的输入端，在多模光纤中写入长周期光栅，多模光纤（4）的输出端连接CCD探测器。
2.根据权利要求1所述的一种基于单模-多模光纤光栅的双重滤波微结构分束器，其特征在于：所述的多模光纤纤芯直径为125μm＞d≥105μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于单模-多模光纤光栅的双重滤波微结构分束器，其特征在于：所述的单模光纤与多模光纤可以通过错位焊接连接在一起。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于单模-多模光纤光栅的双重滤波微结构分束器，其特征在于：所述的多模光纤还可以由包括双芯光纤、环形芯光纤和三芯光纤在内的特种光纤代替。
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