CN103605187A

CN103605187A - 一种基于选择性填充的类双芯光子晶体光纤可调谐滤波器

Info

Publication number: CN103605187A
Application number: CN201310629687.0A
Authority: CN
Inventors: 张昊; 刘波; 杨春雪; 梁鹄; 苗银萍; 王志; 刘艳格
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2013-12-02
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2033-12-02
Also published as: CN103605187B

Abstract

一种基于选择性填充的类双芯光子晶体光纤可调谐滤波器，其特征在于通过在固芯光子晶体光纤包层空气孔中填充高折射率液体得到一种类双芯结构，在液体柱和石英纤芯区域构成两个波导，在满足折射率匹配耦合条件时能够实现从纤芯到液柱的光场能量耦合，进而在透射光谱中产生一系列的谐振峰。该装置可应用于多波段可调谐滤波、波分复用/解复用、多参量同时感测以及矢量传感等领域。与以往报道的基于液体填充的光子晶体光纤滤波器相比，本发明具有对外界参量的感测范围广、在多个波段同时存在具有不同温度和应力特性的谐振峰、良好的谐振波长线性调谐度等特点，并具有谐振波长调谐速率高、调谐范围宽、插入损耗低、实现方式简便、光谱稳定性高等优点。

Description

一种基于选择性填充的类双芯光子晶体光纤可调谐滤波器

技术领域

本发明属于光纤通信和光纤传感技术领域，涉及光子晶体光纤的选择性填充，得到一类双芯光子晶体光纤可调谐滤波器。该滤波器的主要特点在于工作波长范围广、波长调谐速快、调谐手段简便易行，此外该结构在波分复用/解复用、多参量同时感测以及光纤矢量传感等领域也具有很好的潜在应用价值。

背景技术

光子晶体光纤（Photonics Crystal Fiber，PCF）又称微结构光纤（Microstructured Optical Fiber，MOF），是基于光子晶体理论提出的一类新型光纤。由于其光纤截面存在周期性的空气微孔，与传统光纤相比，其结构设计更为灵活，且具有传统光纤无法比拟的无截止单模传输、大模场尺寸/小模场尺寸、高非线性以及色散可控等一系列新奇的光学特性，近年来成为光纤光学领域的研究热点，极大地促进了光纤通信和光纤传感领域的发展和进步。

光子晶体光纤根据其导光机理可分为两类：折射率引导型和光子带隙引导型。折射率引导型是纤芯折射率大于包层折射率的一类光纤，其传导机制类似于传统光纤，是由全内反射形成波导，被广泛应用于色散控制、非线性光学、多芯光纤、有源光纤器件和光纤传感等领域。光子带隙引导型是利用光子带隙效应把光场束缚在比包层折射率低的纤芯内传播的一类光纤，可用于高功率导光等。本发明中使用的光子晶体光纤属于上述第一类光纤，即折射率引导型光纤，其光场能量能被很好地限制在光纤纤芯中传播。通过对其次近邻包层中的一个空气微孔进行选择性填充高折射率液体，不会改变光在纤芯中的传输方式，此外由于液体折射率远高于光纤基底折射率，因此液体柱也能形成一个光学波导，且同样具有折射率引导型的导光机制，因此通过上述选择性填充过程固芯光子晶体光纤会转变为同时具有固芯和液芯的类双芯光子晶体光纤，其与常规的双芯光子晶体光纤传导特性的不同之处在于由于液体对光的吸收作用，在满足折射率匹配耦合条件下其透射光谱会在多个波段同时出现耦合谐振峰。

随着光纤通信技术和光纤传感技术的迅速发展，波分复用（WDM）技术被广泛使用，而光纤滤波器是波分复用系统中的关键器件之一。在光纤传感网络中，可调谐滤波器可用于WDM的解复用和信号解调等，具有极其重要的作用，此外可调谐滤波器还可用于半导体激光器或光纤激光器中的腔反射镜和窄带滤波、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，近年来可调谐光纤滤波器一直是光纤光学领域的研究热点之一，如声、光、电致可调谐滤波器等。目前为止已报道的可调谐光纤滤波器普遍存在波长调谐速率较慢、调谐范围窄、调谐线性度较差等问题。

发明内容

本发明的目的是解决现有可调谐光纤滤波器普遍存在波长调谐速率较慢、调谐范围窄、调谐线性度较差等问题，提供一种基于选择性填充的类双芯光子晶体光纤可调谐滤波器，通过控制光纤的环境温度和施加于光纤上的应力可实现调谐滤波功能。该滤波器可在多波段同时工作，具有波长调谐速率高、调谐范围广以及光谱稳定性高等优点，可用于对温度、应力等参量的同时感测。

本发明提供的基于选择性填充的类双芯光子晶体光纤可调谐滤波器的实现手段是，对固芯光子晶体光纤（PCF）次近邻包层的一个空气微孔选择性填充高折射率液体，形成兼具液体柱和石英柱波导的类双芯光子晶体光纤结构；在满足折射率匹配耦合条件（Δβ=β₁-β₂=0，β₁、β₂分别为纤芯和液柱中模式的传输常数）的情况下，这种光纤在多个波段同时具有多组不同温度、应力特性的谐振峰，能够实现基于温度或应变调谐的可调谐滤波，也能够应用于对温度、应力等外界参量的同时感测。

本发明所使用的PCF基底材料为纯石英，包层空气孔形状为圆形，直径为3.67微米，相邻空气孔的间距为6.36微米，且按六角形网格状排列；纤芯位于六角形网格的结点处，同时位于所述PCF截面的几何中心区域。

这种新型光纤结构的工作原理如下：基于全内反射原理，在光子晶体光纤纤芯中可同时传输LP₀₁基模和LP₁₁高阶模，但与纤芯基模相比，纤芯LP₁₁高阶模式的能量很弱，可以忽略，因此仅考虑纤芯基模的作用。由于填充液体的折射率远大于石英基底的折射率，即满足全内反射传输条件，因此在液体柱区域能够激起多个局域化包层模式。理论计算表明液柱区域存在包括LP₀₁、LP₁₁、LP₀₂、LP₃₁和LP₂₁等系列模式。比较光纤纤芯基模和液柱中的局域化包层模式的色散曲线可以发现，能够满足折射率匹配耦合条件的包层模式只有LP₀₂、LP₃₁和LP₂₁模式，并且在三个波段理论上存在数个谐振耦合峰。由于来源于纤芯基模和不同高阶液柱模式之间的谐振耦合，这些谐振峰对温度、应力等参量具有不同的传感特性，利用这一特点可以实现基于类双芯光子晶体光纤的温度/应力调谐的光纤滤波器，也可将其应用于对温度、应力等外界参量的同时感测。

实验研究结果表明在800nm~1400nm的波长范围内可以获得4个谐振耦合峰，且各谐振波长的位置及温度灵敏度与理论计算符合。与已有报道的其它类型可调谐光纤滤波器相比，这种基于类双芯PCF的可调滤波器具有调谐速率快、调谐范围宽、插入损耗小、实现方式简便、稳定性高以及多波段滤波等优良特性。

本发明的优点和有益效果：

该滤波器的波长调谐范围非常广，可达100nm，并随观测条件改善还可进一步提高；且调谐线性度很高，光谱稳定性好。能够实现基于温度、应力调谐的高灵敏度光学滤波和对温度、应力的外界参量的同时感测。

附图说明

图1为本发明中光子晶体光纤截面的结构示意图，其中黑色标注为选择性填充液体的空气微孔，即在光子晶体光纤次近邻空气孔包层中选择其中一个微孔进行填充。该光纤的结构参数为Λ=6.36微米，d=3.67微米。

图 2 为理论计算得到的25.0°C时光纤纤芯和液柱区域各阶模式色散曲线以及液柱附近局域化包层模式的模场分布图。

图 3 为本发明中选择性填充后的类双芯光子晶体光纤在25.0°C时的透射光谱图。

图4为本发明中类双芯光子晶体光纤在不同温度下的光谱图，其中(a)是温度分别为25°C 、30°C 、35°C 、40°C时的透射光谱图； (b)是各谐振峰波长随温度变化的线性拟合图。

图5为本发明的类双芯光子晶体光纤在不同应力下的透射光谱图， (a)为光纤轴向应力分别为0.41376N、0.51176N、.0.60976N、0.70776N时的透射光谱图； (b)为各谐振峰波长随应力变化的线性拟合图。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

具体实施方式

本发明通过对固芯光子晶体光纤（PCF）次近邻包层的一个空气微孔选择性填充折射率为1.52的温敏液体，如Cargille Labs公司生产的标准折射率匹配液，实现类双芯光子晶体光纤结构；在满足折射率匹配耦合条件的情况下，这种光纤在多个波段同时具有多组不同温度、应力特性的谐振峰。与以往报道的基于液体填充的光子晶体光纤滤波器相比，本发明具有对外界参量的感测范围广、在多个波段同时存在具有不同温度和应力特性的谐振峰、良好的谐振波长线性调谐度等特点，并具有谐振波长调谐速率高、调谐范围宽、插入损耗低、实现方式简便、光谱稳定性高等优点。

本发明所用光子晶体光纤包层由石英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，空气孔为圆形，直径在微米量级，光纤纤芯由石英柱形成，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。填充后的光纤结构特征在于光纤纤芯区域能够存在LP₀₁基模和 LP₁₁高阶模式，液柱区域能够存在多个包层模式，包括基模和一些高阶模式，光场能量能够通过谐振耦合效应从光纤纤芯耦合到液柱中传播，由于纤芯中LP₁₁高阶模式的能量很低，且其与液柱中各阶模式的耦合强度很低，因此在满足折射率匹配耦合条件的前提之下，谐振耦合主要发生在纤芯基模和液柱中的某些特定模式之间。

图1为本发明中光子晶体光纤截面的结构示意图，其中黑色标注为选择性填充液体的空气微孔，即在光子晶体光纤次近邻空气孔包层中选择其中一个微孔进行填充。该光纤的结构参数为Λ=6.36微米，d=3.67微米。在光纤纤芯和液体填充的微孔处分别缺失一个空气孔使其由单固芯光子晶体光纤转变为兼具石英纤芯和液芯的类双芯光子晶体光纤，光场能量能够在两芯之间相互耦合传播。不同于传统双芯光子晶体光纤，类双芯光子晶体光纤的光场能量在石英纤芯和液芯的耦合过程中由于液体对光的吸收作用而存在透射损耗，在特定的波长下呈现不同的模式耦合作用，进而产生具有不同传感特性的谐振耦合峰。

图 2 为理论计算得到的25.0°C时光纤纤芯和液柱区域各阶模式色散曲线以及液柱附近局域化包层模式的模场分布图。图2(a)中液芯区域的LP₀₁基模和 LP₁₁高阶模式在800nm~1400nm的波长范围内不能与纤芯LP₀₁基模发生耦合，而满足折射率匹配耦合条件的更高阶LP₀₂、LP₃₁和LP₂₁模式分别能与纤芯基模在919.13nm、 1212.42nm、 1262.95nm 和1279.52nm附近发生谐振耦合并在透射光谱中出现相应的谐振峰。图2(b)为液芯区域各阶模式的模场分布图。

图 3 为本发明中选择性填充后的类双芯光子晶体光纤在25.0°C时的透射光谱图。在考虑实际填充标准折射率液体液折射率和理论模拟参数存在差异的前提下，对比图2和图3可以发现实验结果与理论分析相符，并且谐振峰分布于多个波段。

图4为本发明中类双芯光子晶体光纤在不同温度下的透射光谱图，图4(a)是温度分别为25°C 、30°C 、35°C 、40°C时的透射光谱图。由图4(a)可以看到，温度升高时上述谐振峰波长均发生蓝移。线性拟合结果表明各谐振波长均具有很高的温度灵敏度，且由于不同波段谐振峰来源于纤芯基模与液芯区域不同高阶模式间的耦合，其温度灵敏度之间存在一定的差异但均具有很好的线性响应。

图5为本发明的类双芯光子晶体光纤在不同应力下的透射光谱图。由图5(a)可以看到随着应力增加，谐振峰波长出现红移。线性拟合结果表明同样由于不同波段的谐振峰来源于纤芯基模与液芯区域不同高阶模式间的耦合，各谐振波长具有不同的应力灵敏度。

理论计算和实验结果表明，本发明提供的基于选择性填充的多波段可调谐光子晶体光纤滤波器具有很高的调谐速率，且其调谐范围宽、稳定性好、谐振波长对温度和应力呈现不同的传感特性，此外由于各谐振峰源于纤芯基模与液柱区域不同的高阶模式间的耦合，因此其在对于外界参量同时感测方面具有潜在的应用价值。

Claims

1.一种基于选择性填充的类双芯光子晶体光纤可调谐滤波器，其特征在于通过对固芯光子晶体光纤（PCF）次近邻包层的一个空气微孔选择性填充高折射率液体，实现类双芯光子晶体光纤结构；在满足折射率匹配耦合条件时，即Δβ=β₁-β₂=0，β₁、β₂分别为纤芯和液柱中模式的传输常数，这种光纤在多个波段同时具有多组不同温度、应力特性的谐振峰，能够实现基于温度或应变调谐的可调谐滤波。

2.根据权利要求1所述的可调谐滤波器，其特征在于所使用的PCF基底材料为纯石英，包层空气孔形状为圆形，直径为3.67微米，相邻空气孔的间距为6.36微米，且按六角形网格状排列；纤芯位于六角形网格的结点处，同时位于所述PCF截面的几何中心区域。

3.根据权利要求1所述的可调谐滤波器，其特征在于在多个波段同时具有多组不同温度、应力特性的谐振峰，能够应用于对温度、应力参量的同时感测。

4.根据权利要求1所述的可调谐滤波器，其特征在于所述可调谐滤波器透射光谱中出现的谐振峰是纤芯模式和液柱模式之间谐振耦合作用的结果，且在不同波段能够同时出现具有不同温度、应变特性的多组谐振峰，因此基于波长解调能够实现基于温度、应力调谐的高灵敏度光学滤波和对温度、应力参量的同时感测。

5.根据权利要求1所述的可调谐滤波器，其特征在于该滤波器的波长调谐范围非常广，且调谐线性度很高，光谱稳定性好。