CN103901531A - 光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器及其制作方法 - Google Patents

光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器及其制作方法 Download PDF

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刘颖洁
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Abstract

本发明涉及滤波器，提供了一种光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器，包括第一根单模光纤、光子晶体光纤和第二根单模光纤；所述的光子晶体光纤具有若干空气孔，所述空气孔内填充有流体介质，且所述光子晶体光纤的第一端与所述第一根单模光纤的第一端相熔接；所述第二根单模光纤的第一端与所述光子晶体光纤的第二端相熔接。所述的带通滤波器通过填充高折射率的液体实现了高消光比，且解决了液体填充的光子晶体光纤和普通单模光纤难熔接的问题，实现了光子晶体光纤滤波器在实际应用中的可行性。

Description

光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器及其制作方法
技术领域
本发明涉及滤波器技术，尤其涉及一种光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器及其制作方法。
背景技术
目前已经有很多种方法制作光纤滤波器，其中一种常用的是用光栅做滤波器但它对弯曲和应力敏感；另一种比较多的是用光子晶体光纤填充液体转变为带隙型光子晶体光纤来做滤波器，但现有技术很多光子晶体光纤填充的折射率较低，当温度升高时消光比急剧降低，为了改善消光比光子晶体光纤填充长度一般较长但这样又不利于实际封装。而且现有技术液体填充的光子晶体光纤滤波器在制作上还没有做到将填充好的光子晶体光纤和普通单模光纤进行熔接，而是通过将液体填充的光子晶体光纤与普通单模光纤通过对接耦合来实现实时监测，这种对接耦合方法在实际应用中可行性不大。
因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器及其制作方法，旨在解决现有技术中基于液体填充的光子晶体光纤在滤波器应用中可靠性差的问题。
本发明是这样实现的，一种光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器，包括第一根单模光纤、光子晶体光纤和第二根单模光纤；所述的光子晶体光纤具有若干空气孔，所述空气孔内填充有流体介质，且所述光子晶体光纤的第一端与所述第一根单模光纤的第一端相熔接；所述第二根单模光纤的第一端与所述光子晶体光纤的第二端相熔接。
所述的光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器，其中，所述流体介质为折射率值为1.3-1.7且可固化的液体。
所述的光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器，其中，所述填充的流体介质用紫外激光进行固化。
所述的光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器，其中，所述空气孔内填充流体介质的长度大于8mm。
所述的光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器，其中，所述光子晶体光纤为折射率引导型的光子晶体光纤。
本发明还提供一种光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器的制作方法，包括第一根单模光纤、光子晶体光纤和第二根单模光纤，该制作方法包括以下步骤：
将所述第二根单模光纤的第一端与所述光子晶体光纤的第二端相熔接；
将所述光子晶体光纤的第一端浸入流体介质中，使第一端中的若干空气孔填充有流体介质；
将填充的流体介质进行固化，并使所述光子晶体光纤的第一端与所述第一根单模光纤的第一端进行熔接。
所述的光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器的制作方法，其中，所述流体介质使用紫外激光进行固化。
所述的光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器的制作方法，其中，所述流体介质为折射率值为1.3-1.7且可固化的液体。
所述的光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器的制作方法，其中，空气孔填充的流体介质的长度大于8mm。
所述的光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器的制作方法，其中，所述光子晶体光纤的第一端与所述第一根单模光纤的第一端熔接利用藤仓单芯光纤熔接机，光纤预熔功率为标准-30bit、熔接的预熔时间为220ms、重叠为15μm、放电功率为标准-20bit、放电时间为200ms。
与现有技术相比，本发明所述的光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器通过填充高折射率的折射率匹配液体实现了高消光比，且解决了液体填充的光子晶体光纤和普通单模光纤难熔接的问题，实现了光子晶体光纤滤波器在实际应用中的可行性，且使用光子晶体光纤做滤波器不会产生对应力弯曲敏感的问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的带通滤波器结构示意图；
图2是本发明实施例提供的带通滤波器的制作步骤流程图；
图3是本发明实施例提供的带通滤波器的传输谱图；
图4是室温、30℃至100℃每隔10℃记录一次液体填充后的光子晶体光纤的传输光谱图；
图5a是在-25dB时对应Gap1、Gap2、Gap3的左边缘、右边缘随温度变化的波长变化图；
图5b是在-25dB时对应Gap1、Gap2、Gap3的带隙宽度随温度变化的波长变化图；
图6是填充液体后的光子晶体光纤弯曲的结构示意图；
图7是不同曲率下记录的液体填充后的光子晶体光纤的传输光谱图；
图8a是在-25dB时对应Gap1、Gap2、Gap3的左边缘、右边缘随曲率变化的波长变化图；
图8b是在-25dB时对应Gap1、Gap2、Gap3的带隙宽度随曲率变化的波长变化图；
图9是应力从0到500με每隔50με记录一次液体填充后的光子晶体光纤的传输光谱图；
图10a是在-25dB时对应Gap1、Gap2、Gap3的左边缘、右边缘随拉伸应力变化时波长的变化图；
图10b是在-25dB时对应Gap1、Gap2、Gap3的带隙宽度随拉伸应力变化时波长的变化图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器，包括第一根单模光纤101、光子晶体光纤102和第二根单模光纤103；所述光子晶体光纤102具有若干空气孔，所述若干空气孔内填充有流体介质，且所述光子晶体光纤102的第一端与所述第一根单模光纤101的第一端相熔接；所述第二根单模光纤103的第一端与所述光子晶体光纤102的第二端相熔接。图1中所示，1021为光子晶体光纤102中的空气孔填充流体介质后的部分，1022为光子晶体光纤102未填充有流体介质的部分。
与上述实施例相结合，所述流体介质为折射率值为1.3-1.7且可固化的液体。所述光子晶体光纤102填充的流体介质可以用紫外激光进行固化。优选的，所述光子晶体光纤102的长度为70mm。所述流体介质的折射率为1.698、热光系数为-4.79×10-4/℃。所述空气孔内填充流体介质的长度大于8mm。优选的，所述空气孔内填充流体介质的长度为9mm。
与上述各个实施例相结合，所述若干空气孔间隔设置，所述光子晶体光纤为折射率引导型的光子晶体光纤。优选的，空气孔的直径设计为3.3μm、孔间距为7.4μm。
如图2所示，本发明还提供一种光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器的制作方法，包括第一根单模光纤101、光子晶体光纤102和第二根单模光纤103，该制作方法包括以下步骤：将第二根单模光纤103的第一端与光子晶体光纤102的第二端相熔接；将光子晶体光纤102的第一端浸入流体介质中，使第一端中的若干空气孔内填充有流体介质；将填充的流体介质用紫外激光进行固化，并使光子晶体光纤102的第一端与第一根单模光纤101的第一端进行熔接。
其中一个较佳的实施例为，使用一个NKT的大模场光子晶体光纤(Photoniccrystal fibers，PCF)，型号为ESM-12，光子晶体光纤的直径为125μm，测得空气孔直径为3.3μm、孔间距为7.4μm。然后利用藤仓单芯光纤熔接机将长度为70mm的光子晶体光纤和一段标准单模光纤（Corning SMF-28）熔接。为了降低熔接损耗和增强熔接点的强度，需要修改熔接机的放电参数。优选的，修改后的参数为：光纤预熔功率：标准-10bit、预熔时间：240ms、重叠：15μm、放电功率：标准-10bit、放电时间：1000ms。然后将光子晶体光纤的另一端浸入一种流体介质中，优选的，流体介质的折射率为n=1.698、热光系数为-4.79×10-4/℃。由于毛细管现象，液体逐步填入光子晶体光纤的腔体，即空气孔内。实验表明液体填充的空气孔的长度与空气孔的直径和液体的粘稠度密切相关。优选的，被填充的空气孔的液体长度为9mm。然后再次利用藤仓单芯光纤熔接机将光子晶体光纤填充有流体介质的一端和另外一根标准单模光纤（Corning SMF-28）进行熔接。为了降低熔接损耗和增强熔接点的强度，优选的，熔接机的放电参数为，光纤预熔功率：标准-30bit、预熔时间：220ms、重叠：15μm、放电功率：标准-20bit、放电时间：200ms。
将带通滤波器的两标准单模光纤分别接上超连续谱光源和光纤光谱仪，测试得到被填充液体后的光子晶体光纤的传输谱如图3所示。从图3可知，在800nm至1700nm的光谱范围内有三个明显的带隙，带隙的消光比约为40dB。
本发明所述的带通滤波器具备的功能和优点，可以从以下几个具体的实施例中得出。
基于温度调节的带通滤波器：
为了实时监测传输谱随温度的变化，我们将和光子晶体光纤两端连接的标准单模光纤分别接上超连续谱光源(NKT SuperK Compact)和光纤光谱仪(YOKOGAWA AQ6370C)。然后将填充后的光子晶体光纤放置在一台管式加热炉中，所述管式加热炉的温度调节范围是从室温到100度，精度为0.1度，温度稳定性+/-0.5度。调节管式加热炉的温度，当温度在室温、30℃至100℃每隔10℃记录一次液体填充后的光子晶体光纤的传输光谱。不同温度下记录的传输谱如图4所示。
从图4可知，室温时在800nm至1700nm的光谱范围内有三个明显的带隙谱Gap1（带隙1）、Gap2（带隙2）、Gap3（带隙3），同时也可以看到随着温度升高时带隙谱向短波方向漂移（也叫做蓝移）。为了定量分析温度导致带隙边缘的变化，图5a，表明在-25dB时对应Gap1、Gap2、Gap3的左边缘和右边缘随温度变化时的波长变化。Gap1、Gap2、Gap3左边缘漂移的灵敏度分别是K1=-1.200nm/℃、K2=-1.432nm/℃、K3=-1.832nm/℃，Gap1、Gap2、Gap3右边缘漂移的灵敏度分别是K4=-1.432nm/℃、K5=-1.783nm/℃、K6=-2.194nm/℃。图5b所示，表明在-25dB对应Gap1、Gap2、Gap3的带隙谱宽度随温度变化谱图，如图可看出Gap1、Gap2、Gap3的带隙宽度随温度变化时基本没变化。
所述的带通滤波器对弯曲不敏感：
液体填充后的光子晶体光纤弯曲的结构示意图如图6所示，把和光子晶体光纤两端连接的标准单模光纤的左端固定，右端逐渐沿着光纤轴方向向左推移，每改变一次曲率记录一次液体填充后的光子晶体光纤的传输光谱，不同曲率下记录的传输谱如图7所示。
从图7中可知，室温时在800nm至1700nm的光谱范围内有三个明显的带隙谱Gap1、Gap2、Gap3，同时也可以看到随曲率变化时带隙谱基本不变。为了定量分析曲率导致带隙边缘的变化，图8a所示，表明了在-25dB时对应Gap1、Gap2、Gap3的左边缘和右边缘随曲率变化时波长的变化情况，从图中可知带隙边缘不随曲率变化而变化。图8b所示，表明了在-25dB时对应Gap1、Gap2、Gap3的带隙谱宽度随曲率变化的谱图，从图中可以看出Gap1、Gap2、Gap3的带隙宽度随曲率变化时基本不变，因此从图8a、图8b可得知此液体填充后的光子晶体光纤对弯曲不敏感。
所述的带通滤波器对应力不敏感：
为了测试应力对液体填充后的光子晶体光纤传输谱的影响，将把和光子晶体光纤两端连接的标准单模光纤的左端固定，右端固定在一维位移平台上，该一维平台精度为10μm，固定的标准单模光纤左端、右端和被液体填充后的光子晶体光纤总共长400mm，然后将固定好了的光纤沿着光纤轴向拉伸，拉伸应力从0到500με每隔50με记录一次液体填充后的光子晶体光纤的传输光谱。不同应力下记录的传输谱如图9所示。
从图9中可知，拉伸应力从0到500με变化时，液体填充后的光子晶体光纤的传输光谱图基本不变。为了定量分析应力导致带隙边缘的变化，如图10a所示，表明在-25dB时对应Gap1、Gap2、Gap3的左边缘和右边缘随应力变化时波长的变化情况，从图中可知带隙边缘不随应力改变而变化。如图10b所示，为在-25dB时对应Gap1、Gap2、Gap3的带隙谱宽度随应力变化的谱图，从图中可看出Gap1、Gap2、Gap3的带隙宽度随应力变化时基本不变，因此从图10a、图10b可得知此液体填充后的光子晶体光纤对拉伸应力不敏感。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器，其特征在于，包括第一根单模光纤、光子晶体光纤和第二根单模光纤；所述的光子晶体光纤具有若干空气孔，所述空气孔内填充有流体介质，且所述光子晶体光纤的第一端与所述第一根单模光纤的第一端相熔接；所述第二根单模光纤的第一端与所述光子晶体光纤的第二端相熔接。
2.根据权利要求1所述的光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器，其特征在于，所述流体介质为折射率值为1.3-1.7且可固化的液体。
3.根据权利要求1所述的光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器，其特征在于，所述填充的流体介质用紫外激光进行固化。
4.根据权利要求1所述的光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器，其特征在于，所述空气孔内填充流体介质的长度大于8mm。
5.根据权利要求1所述的光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器，其特征在于，所述光子晶体光纤为折射率引导型的光子晶体光纤。
6.一种光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器的制作方法，其特征在于，包括第一根单模光纤、光子晶体光纤和第二根单模光纤，该制作方法包括以下步骤：
将所述第二根单模光纤的第一端与所述光子晶体光纤的第二端相熔接；
将所述光子晶体光纤的第一端浸入流体介质中，使第一端中的若干空气孔填充有流体介质；
将填充的流体介质进行固化，并使所述光子晶体光纤的第一端与所述第一根单模光纤的第一端进行熔接。
7.根据权利要求6所述的光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器的制作方法，其特征在于，所述流体介质使用紫外激光进行固化。
8.根据权利要求6所述的光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器的制作方法，其特征在于，所述流体介质为折射率值为1.3-1.7且可固化的液体。
9.根据权利要求6所述的光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器的制作方法，其特征在于，空气孔填充的流体介质的长度大于8mm。
10.根据权利要求6所述的光子晶体光纤紧凑型可调谐的带通滤波器的制作方法，其特征在于，所述光子晶体光纤的第一端与所述第一根单模光纤的第一端利用藤仓单芯光纤熔接机熔接，光纤预熔功率为标准-30bit、熔接的预熔时间为220ms、重叠为15μm、放电功率为标准-20bit、放电时间为200ms。
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