CN103091773A - 1.31微米和1.55微米双波段可调谐光子晶体光纤滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光子晶体光纤和选择性填充技术的结合，通过在光子晶体光纤中填充两种不同折射率的液体，可以得到一种类三芯结构的光子晶体光纤(PCF)。这种新型PCF可用于1.31微米和1.55微米通信波段可调谐滤波、光纤通信波分复用/解复用以及矢量传感等技术领域。这种类三芯的PCF特征在于该结构工作在常温(28.0℃)附近，在1.31微米和1.55微米通信波段具有两个对温度具有高敏感性的谐振峰，可同时进行温度调谐滤波，并且具有良好的线性调谐度。相比于以往报道的光纤型可调谐滤波器，这种类三芯PCF能够极大提高调谐速率，调谐范围宽，插入损耗小，实现方式简便，稳定性更高。

Description

1.31微米和1.55微米双波段可调谐光子晶体光纤滤波器

技术领域

本发明涉及光子晶体光纤和选择性填充技术的结合，通过填充两种不同折射率的液体进入光子晶体光纤可得到一种类似三芯的光纤结构，可用于双波段的调谐滤波，该滤波器的主要特点在于工作在室温附近，调谐速率快，调谐手段简便易行，此外该结构在光纤通信波分复用/解复用和光纤多参数矢量传感等技术领域也具有一定的潜在应用价值。

背景介绍

光子晶体光纤(Photonics Crystal Fiber，简称PCF)又被称为微结构光纤(Microstructure Optical Fiber)或多孔光纤(Holey Fiber)，是近年来受到很多关注的一种新型光纤。由于其具有传统光纤所无法比拟的导光和控光特性(如无截止波长单模传输、色散特性可控及高数值孔径等)而受到广泛的研究。光子晶体光纤按导光机理的不同可分为折射率引导型光子晶体光纤和光子带隙型光子晶体光纤，前者是通过在固体的纤芯和多层的空气孔包层之间的全内反射实现导光，后者则是利用光子带隙效应对特定波段的光实现在低折射率纤芯处传导。本专利用到的光纤即是折射率引导型光子晶体光纤。光子晶体光纤在设计上具有很大的灵活性，其后续的再处理方式也非常丰富比如选择性填充、拉锥、写制光栅等，近年来对光子晶体光纤进行选择性填充是光纤研究领域的一个热点，因为填充不同性质的物质能极大的丰富光纤的传光性能，并且能够发现一系列新的特性，因而基于选择性填充光子晶体光纤的光电子器件被广泛研究从而应用于光通信和光传感等技术领域。

可调谐滤波器是光纤通信系统中的一种重要光学器件，一直是人们研究的热点。随着光纤通信和光纤传感技术的发展，在复用和解复用以及传感系统中需要大量的滤波器，用来选择特定的波长，因而可调谐滤波器已经成为光纤网络中不可或缺的关键器件。此外，可调谐滤波还可以用于半导体激光器或光纤激光器的反射腔镜和窄带滤波、光放大器中的噪声抑制、波长选择器、波长转换器以及色散补偿器等。当前，可调谐滤波器虽然种类很多，但是可同时工作在1.31微米和1.55微米通信波段的可调谐滤波尚未见报道。本发明提供了一种可在上述双波段同时工作的可调谐滤波技术。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是理论设计并且实际制作出一个双通道的PCF可调谐滤波器。通过控制温度变化实现PCG调谐滤波功能，并且具有调谐速率高、实现方式简便以及稳定性高等优点。

该滤波器的实现手段是在折射率引导型的光子晶体光纤的包层中选择两个空气孔，将不同折射率的折射率匹配液(1.454，1.456)分别进行填充，从而实现了一个类三芯的PCF，并可用于调谐滤波。

对于这种新型光纤结构，其工作原理如下：PCF纤芯中能传输基模LP₀₁和高阶模LP₁₁。由于填充的液体折射率大于基底折射率，因此在有液体的两个空气孔附近及其中心也能够激起局域包层LP₀₁和LP₁₁模式。因为该PCF高阶模能量很小，所以仅需要考虑其纤芯基模LP₀₁和两个局域包层模LP₀₁的相互耦合。通过选择合适的折射率匹配液，可以使得该PCF两个局域包层基模和纤芯基模的有效折射率在不同波长处相等。并且，基于折射率匹配耦合原理，在该PCF两个不同的波长处可得到两个性质不同的谐振峰。根据这一机理，能够设计出基于上述双通道的PCF可调谐滤波器。

本发明所述的双通道可调谐滤波器的两个谐振波长，可以设计成分别位于1.31微米和1.55微米波段内，该滤波器工作在常温附近(28℃)。并且，它们的两个谐振峰具有不同的温度灵敏度。相比于以往报道的光纤型可调谐滤波器，这种类三芯PCF具有调谐速率快、工作范围宽、插入损耗小、实现方式简便、稳定性更高等优点。

附图说明

图1是本发明的光纤横截面的理论结构示意图以及填充前后的光纤端面图，图1(a)是理论设计，图1(b)是填充前的光纤端面图，图1(c)是填充后的光纤端面图，填充以后的小孔用红色箭头标明了位置和折射率值，光纤结构参数为Λ＝5.8微米，d＝3.5微米，填充的折射率匹配液分别为1.456和1.454，填充1.456的液柱用红色表示并简称为液柱1，填充1.454的液柱用绿色表示并简称为液柱2。

图2是28.2℃下的纤芯和两个液柱内的LP₀₁的色散曲线以及在两个谐振耦合点附近的模场分布图。

图3是本发明中选择性填充以后的光纤结构在28.2℃下的透射光谱图。

图4是本发明的类三芯结构在不同温度下的光谱变化图，图4(a)是在27.0-29.0℃下的两个谐振峰的漂移图；图4(b)是两个谐振峰漂移量的线性拟合图。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明：

本发明的双波段PCF可调谐滤波器，它是基于选择性填充两种不同折射率的液体进入PCF，光纤包层由石英玻璃构成的基底材料上按六角对称形网格结构排列的空气孔形成，空气孔的形状是圆形，直径在微米量级，中间纤芯由实心石英柱形成，位于六角形网格的结点上，同时位于所述光子晶体光纤的几何中心区域。填充以后的光纤的特征在于：在纤芯中能激起基模LP₀₁和高阶模LP₁₁，但是高阶模LP₁₁能量非常低，所以耦合主要是发生在纤芯基模和局域包层模式之间，其中存在一点不足就是如果光纤端面和单模光纤熔接不好的时候，纤芯中的两个模式可能会发生干涉，这在一定程度上会影响透射谱的平滑度。上述横截面结构沿光纤轴向不发生变化。

图1为本发明所述的理论设计和填充前后的光纤结构。其中，红色柱表示填充1.456的液体，绿色柱表示填充1.454的液体。由填充后的光纤横截面图可以看出，此时光纤已变成一个类三芯结构的PCF，即在三个芯(包括光纤纤芯和两个液体柱)中均能激起LP₀₁和LP₁₁模式。由于LP₁₁模式的能量非常低，因此光波耦合主要发生在三个芯中激起的LP₀₁模式之间，这也是本发明PCF滤波器调谐速率快的原因所在。

图2为本发明在温度为28.2℃时的理论计算色散曲线图及其模场图。图中三条色散曲线之间存在两个交点，分别为纤芯的LP₀₁模式色散曲线与液柱1的LP₀₁模式色散曲线相交于1.38微米附近，与液柱2的LP₀₁模式色散曲线交于1.55微米附近。

图3为本发明在温度为28.2℃时的实验测量透射谱图。对比图2和图3可以看出，实验结果与理论分析是相符的。

图4为本发明在温度27.0-29.0℃区间变化时，实验测量的谐振峰变化图。从图4(a)可见，上述两个谐振峰均发生红移；从图4(b)可见，两个谐振峰均具有很高的温度灵敏度，二者存在一定差异但均具有很好的线性响应。调控温度，能够使两个谐振峰分别位于1.31微米和1.55微米波段。由图4(b)实验测量曲线可知，当温度为27.47℃时，液柱1与纤芯基模耦合产生的谐振峰位于1.31微米；而在当温度为28.32℃时，液柱2与纤芯基模耦合产生的谐振峰位于1.55微米。

理论和实验表明，本发明PCF滤波器具有很高的调谐速率，由于工作在常温条件下且具有良好的线性响应，因此其调谐手段很简便。并且，因其调谐精度很高，温度微小变化可产生明显反应。

虽然结合目前认为最实际且最佳的实施例描述了本发明，但本发明不限于所公开的实施例，而意在覆盖所附权利要求的精神和范围之内所包括的多种变型及其等效装置。

Claims (5)

1.一种可同时工作在1.31微米和1.55微米双波段的可调谐滤波器，通过对光子晶体光纤(PCF)包层中两个小孔进行选择性填充不同折射率的液体，得到的类三芯PCF具有可调谐滤波功能。基于光波谐振耦合原理，这种类三芯PCF在1.31微米和1.55微米通信波段分别产生两个具有不同特性的谐振峰，双峰均具有很高的温度灵敏度但有一定差异。

2.根据权利要求1所述的双波段PCF可调谐滤波器，其特征在于：所使用的PCF基底材料为石英玻璃，包层空气孔形状是圆形，直径在3.5微米左右，按六角形网格排列；中间纤芯位于六角形网格的结点上，同时位于所述PCF的几何中心区域。

3.根据权利要求1所述的双波段PCF可调谐滤波器，其特征在于：在PCF包层中选择与纤芯对称的两个空气孔，分别填充具有不同折射率的液体。

4.根据权利要求1所述的双波段PCF可调谐滤波器，其特征在于：产生的谐振峰双峰温度灵敏度有一定差异，它们可同时分别工作在1.31微米和1.55微米通信波段。

5.根据权利要求1所述的双波段PCF可调谐滤波器，其特征在于：该滤波器线性工作温度范围为27.0℃～29.0℃。

Images