CN104020522A - 宽带调谐啁啾倾斜光纤光栅带阻滤波器、制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带调谐啁啾倾斜光纤光栅带阻滤波器、制备装置及方法，所述装置包括啁啾相位掩模板、角度调节架、光敏光纤以及聚合物涂覆设备，光敏光纤固定在角度调节架上，啁啾相位掩模板放置在与光敏光纤平行的位置上；所述方法包括：调节啁啾相位掩模板的啁啾度，以及调节紫外入射光与啁啾相位掩模板之间的倾斜角度，并控制紫外入射光的入射时间；啁啾相位掩模板将紫外入射光分束，在光敏光纤表面产生周期非均匀干涉条纹；光敏光纤吸收紫外入射光，写制出啁啾倾斜光纤光栅；采用聚合物涂覆设备对写制好的啁啾倾斜光纤光栅进行涂覆。本发明所制备的带阻滤波器，具有微型化、滤波谱宽、调谐范围大、插入损耗小、性能稳定等优点。

Description

宽带调谐啁啾倾斜光纤光栅带阻滤波器、制备装置及方法

技术领域

本发明涉及一种宽带带阻滤波器的设计，尤其是一种宽带调谐啁啾倾斜光纤光栅带阻滤波器，属于滤波器设计领域。

背景技术

宽带带阻滤波器在光纤通信(如增益平坦、色散补偿等)、雷达系统与传感技术中发挥重要的作用，大范围(上百纳米)带宽可带阻调滤波可以有选择的屏蔽无用信号及背景噪声，对现代超宽带、大信息量光通信与光传感等领域的发展具有重要的研究意义和应用价值。

目前在全光纤带阻滤波器开发方面，主要包括光子晶体光纤填充和光纤光栅两类方法。光子晶体填充滤波方法是基于光子晶体光纤与非光子晶体光纤之间纤芯/包层模式耦合形成干涉来实现带阻滤波。在此基础上，外界环境的变化影响填充物的有效折射率，导致干涉条纹漂移，实现滤波调谐。国内外对光子晶体光纤调谐特性研究主要包括温度、液晶、磁场、电场等调制手段。例如，中国Fang Du等人设计出用电控液晶填充的光子晶体光纤来实现可调谐带阻滤波，(文献“Electrically tunable liquid-crystalphotonic crystal fiber，”Appl.Phys.Lett.，2004，85：2181-2183)。又例如，中国Peng Zu等人设计出用磁控磁流体填充的光子晶体来实现可调谐带阻滤波，(文献“Magneto-opticalfiber sensor based on bandgap effect of photonic crystal fiber infiltrated with magneticfluid，”Appl.Phys.Lett.，2012，101：241118-241120)。其共有的不足之处在于填充后的光子晶体稳定差，极易受外界环境影响。此外，上述方式调谐装置复杂，可控制性差。光纤光栅带阻滤波方法主要集中在布拉格光栅和长周期光栅。此类器件的不足在于滤波范围窄，可调谐范围有限，并且温度、抖动等外界环境的改变对滤波器的滤波特性有很大影响。例如，澳大利亚Canning等人设计出基于变迹布拉格光栅来实现带阻滤波，(文献“Characterization of apodized fiber Bragg gratings for rejection filterapplications，”Appl.Optics，1997，36：9378-9382)。此方法可现实的滤波带宽仅0.5nm，无法实现宽带滤波。又例如，美国Vengsarkar等人提出了基于长周期光纤光栅的方法来实现宽带滤波(文献“Long-period fiber grating as band-rejection filters，”IEEE J.Lightwave Technol.，1996，14：58-65)，滤波带宽可提高到10nm。在此基础之上，韩国Sohn等人利用在长周期光纤光栅上局部加热并且移动热源的方法实现了可调谐宽带带阻滤波器，(文献“Thermo-optically tunable band-rejection filters using mechanicallyformed long-period fiber gratings，”Opt.Lett.，2005，30：2688-2690)。此方法存在调谐过程复杂且不稳定的问题，在实际应用时外界折射率的变化、光纤微弯都对滤波谱有很大影响。

因此，需要提供一种开发成本低廉、稳定可靠、带宽调谐范围大、插入损耗低、全光纤集成的宽带带阻滤波器的制备方法及装置。

发明内容

本发明的第一个目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种宽带调谐啁啾倾斜光纤光栅带阻滤波器的制备装置，该装置通过灵活改变倾斜角度并配合使用不同啁啾度相位掩模板来实现带宽大范围调谐带阻滤波，制备出的滤波器具有结构微型化、制备成本低廉、插入损耗低、性能稳定的特点。

本发明的第二个目的在于提供一种宽带调谐啁啾倾斜光纤光栅带阻滤波器的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供一种宽带调谐啁啾倾斜光纤光栅带阻滤波器。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

宽带调谐啁啾倾斜光纤光栅带阻滤波器的制备装置，其特征在于：包括啁啾相位掩模板、角度调节架、光敏光纤以及聚合物涂覆设备，所述光敏光纤固定在角度调节架上，所述啁啾相位掩模板放置在与光敏光纤平行的位置上，其中：

所述啁啾相位掩模板，用于将紫外入射光分束并在光敏光纤表面产生周期非均匀干涉条纹；

所述角度调节架，用于在紫外入射光与啁啾相位掩膜板之间引入倾斜角度，即在紫外入射光与啁啾相位掩膜板的法线方向引入夹角；

所述光敏光纤，用于吸收透过啁啾相位掩模板的紫外入射光，在纤芯内形成永久性折射率改变，写制出啁啾倾斜光纤光栅；

所述聚合物涂覆设备，用于对写制好的啁啾倾斜光纤光栅进行涂覆。

作为一种优选方案，所述聚合物涂覆设备为中间向上凹、左右两边向下延伸的倒凹形结构，该倒凹形结构的中间部分放置有聚合物涂覆材料，所述光敏光纤的两端分别穿过倒凹形结构的左右两边，以光敏光纤的中心轴匀速旋转，使光敏光纤表面经过聚合物涂覆材料涂覆后的涂覆层厚度均匀一致。

作为一种优选方案，所述聚合物涂覆材料的折射率大于光敏光纤包层折射率，所述光敏光纤包层折射率为1.45。

作为一种优选方案，所述角度调节架的角度调节范围是0～30°。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

宽带调谐啁啾倾斜光纤光栅带阻滤波器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将光敏光纤固定在角度调节架上，并将啁啾相位掩模板放置在与光敏光纤平行的位置上；

2)调节啁啾相位掩模板的啁啾度，以及通过角度调节架调节紫外入射光与啁啾相位掩模板之间的倾斜角度，并控制紫外入射光的入射时间；

3)在入射时，紫外入射光通过一个与紫外入射光方向为45°的反射镜后，经过聚焦透镜聚焦到啁啾相位掩模板上；

4)啁啾相位掩模板将紫外入射光分束，在光敏光纤表面产生±1级干涉条纹，啁啾相位掩模板的周期线性变化，导致干涉条纹间距非均匀变化；

5)光敏光纤吸收透过啁啾相位掩模板的紫外入射光，在光敏光纤的纤芯内形成永久性折射率变化，写制出光栅栅格倾斜且栅格周期非均匀的啁啾倾斜光纤光栅；

6)采用聚合物涂覆设备对写制好的啁啾倾斜光纤光栅进行涂覆，得到透射谱谱线平滑的宽带调谐啁啾倾斜光纤光栅带阻滤波器。

作为一种优选方案，所述紫外入射光通过激光器产生，所述激光器是准分子激光器，该激光器产生的紫外入射光是波长为193nm、能量为3mj、频率为200Hz的紫外脉冲激光。

本发明的第三个目的可以通过采取如下技术方案达到：

宽带调谐啁啾倾斜光纤光栅带阻滤波器，其特征在于：所述滤波器由上述制备方法制备而成。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明装置的制备工艺简单、成本低、全光纤集成，所制备的带阻滤波器，与现有光纤带阻滤波器相比，具有微型化(1～2cm)、滤波谱宽(10～150nm)、调谐范围大(20～250nm)、插入损耗小(小于1dB)、性能稳定(对温度、应力、折射率、偏振不敏感)等优点。

2、本发明装置及方法融合了传统啁啾光纤光栅和倾斜光纤光栅的特点，其采用啁啾相位掩膜板取代传统均匀周期相位掩模板，并通过角度调节架在紫外入射光与啁啾相位掩膜板之间引入倾斜角度，从而在光敏光纤的纤芯内写入与光敏光纤轴向存在一定倾斜角度的啁啾倾斜光纤光栅，通过啁啾效应与倾斜效应的引入，使得光敏光纤的纤芯模式有效激发至光纤包层(倾斜效应)，形成上百个包层模的同时，每个包层模光谱展宽(啁啾效应)，得到一个谱宽展宽、谱形平滑的透射谱，该透射谱的中心波长、光谱谱宽、光谱深度可通过光栅倾斜角度、啁啾相位掩膜板的啁啾度、光栅写入时间等参量有效调制，因此，啁啾效应的引入将进一步加大倾斜光纤光栅的带宽滤波范围，带宽调制更为灵活。

3、本发明装置及方法通过聚合物紫外涂覆技术对写制好的啁啾倾斜光纤光栅进行涂覆，得到透射谱谱线平滑的宽带调谐啁啾倾斜光纤光栅带阻滤波器，使所制备的带阻滤波器对环境折射率干扰不敏感。

附图说明

图1为本发明的宽带调谐啁啾倾斜光纤光栅带阻滤波器的制备装置俯视结构示意图。

图2为本发明的宽带调谐啁啾倾斜光纤光栅带阻滤波器的制备装置在进行涂覆时的结构示意图。

图3为本发明所制宽带调谐啁啾倾斜光纤光栅带阻滤波器的设计原理示意图。

图4a为本发明在啁啾度为10nm/cm时，倾斜角度为0°、4°、6°、8°、10°所制啁啾倾斜光纤光栅阻带滤波器的光谱图；图4b为本发明在啁啾度为20nm/cm时，倾斜角度为0°、10°、15°、20°、15°、30°所制啁啾倾斜光纤光栅阻带滤波器的光谱图。

具体实施方式

实施例1：

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1和图2所示，本实施例的制备装置包括啁啾相位掩模板1、角度调节架2、光敏光纤3以及聚合物涂覆设备4，所述光敏光纤3固定在角度调节架2上，所述啁啾相位掩模板1放置在与光敏光纤3平行的位置上，其中：

所述啁啾相位掩模板1，用于将紫外入射光分束，并在光敏光纤表面产生±1级(0级被抑制)干涉条纹，由于啁啾相位掩模板1的周期线性变化，导致干涉条纹间距非均匀变化，即在光敏光纤表面产生周期非均匀干涉条纹；

所述角度调节架2，用于在紫外入射光与啁啾相位掩膜板1之间引入倾斜角度，即在紫外入射光与啁啾相位掩膜板1的法线方向引入夹角，破坏光纤光栅径向的对称性，从而在光敏光纤3的纤芯内写入与光敏光纤3轴向存在一定倾斜角度的啁啾倾斜光纤光栅；其角度调节范围是0～30°；

所述光敏光纤3，用于吸收透过啁啾相位掩模板1的紫外入射光，在光纤纤芯内形成永久性折射率改变，写制出光栅栅格倾斜(倾斜光栅)且栅格周期非均匀(啁啾光栅)的啁啾倾斜光纤光栅；

所述聚合物涂覆设备4，用于对写制好的啁啾倾斜光纤光栅进行涂覆，该设备为中间向上凹、左右两边向下延伸的倒凹形结构，该倒凹形结构的中间部分放置有聚合物涂覆材料，光敏光纤3的两端分别穿过倒凹形结构的左右两边，以光敏光纤3的中心轴匀速旋转，使光敏光纤表面经过聚合物涂覆材料涂覆后的涂覆层厚度均匀一致，涂覆层厚度可以通过涂覆时间及光敏光纤旋转速度有效控制。

本实施例的制备方法，包括以下步骤：

1)将光敏光纤3固定在角度调节架2上，并将啁啾相位掩模板1放置在与光敏光纤3平行的位置上；

2)调节啁啾相位掩模板1的啁啾度，以及通过角度调节架2调节紫外入射光与啁啾相位掩模板1之间的倾斜角度，并控制紫外入射光的入射时间；

3)在入射时，紫外入射光通过一个与紫外入射光方向为45°的反射镜后，经过聚焦透镜聚焦到啁啾相位掩模板1上；

4)啁啾相位掩模板将紫外入射光分束，在光敏光纤3表面±1级干涉条纹，啁啾相位掩模板1的周期线性变化，导致干涉条纹间距非均匀变化；

5)光敏光纤3吸收透过啁啾相位掩模板1的紫外入射光，在光敏光纤3的纤芯内形成永久性折射率变化，即在纤芯内写入明暗相间的永久性折射率的调制条纹，进而写制出光栅栅格倾斜且栅格周期非均匀的啁啾倾斜光纤光栅；

6)采用聚合物涂覆设备4对写制好的啁啾倾斜光纤光栅进行涂覆，得到透射谱谱线平滑的宽带调谐啁啾倾斜光纤光栅带阻滤波器。

步骤2)所述调节啁啾相位掩模板1的啁啾度，以及通过角度调节架2调节紫外入射光与啁啾相位掩模板1之间的倾斜角度，通过调节紫外入射光与相位掩膜板之间的倾斜角度和选择不同啁啾度的啁啾相位掩模板两种方式的有机组合，可以实现大范围可调谐带阻滤波：首先，通过旋转角度调节架2，使紫外入射光以不同的倾斜角度照射相位掩模板，从而在光敏光纤3的纤芯内刻写倾斜角度不同的倾斜光纤光栅，由于光栅倾斜角度将决定光敏光纤3的纤芯模与特定包层模之间的耦合效率，因此可灵活控制基于包层模滤波的倾斜光纤光栅带阻滤波带宽范围；在此基础上，使用不同啁啾度的啁啾相位掩模板1，使所刻写的倾斜光纤光栅具有不同的栅格间距，这样每一个光纤包层模带宽将展宽，其带宽展宽度取决于相位掩模板的啁啾度。因此，啁啾效应的引入将进一步加大倾斜光纤光栅的带宽滤波范围，带宽调制更为灵活。

步骤5)所述啁啾倾斜光纤光栅中，如图3所示，由于倾斜角度的引入使基模有效耦合到包层模，而啁啾效应的引入又使得后向激发的大量包层模谱宽展宽，从而将分离的各阶包层模整合为一个谱形整体展宽的透射谱包络，此展宽透射谱包络用以实现可调带阻滤波。

步骤6)所述聚合物涂覆设备4，所使用的聚合物涂覆材料的折射率大于光敏光纤包层折射率(n＝1.45)，目的是吸收啁啾倾斜光纤光栅透射谱中高阶包层模引入的波形抖动，使得高阶包层模倏释出光纤包层，变为辐射模，从而得到透射谱谱线平滑的宽带调谐啁啾倾斜光纤光栅带阻滤波器，使带阻滤波器对环境折射率干扰不敏感。

上述步骤中，所述紫外入射光通过激光器产生，所述激光器是准分子激光器，该激光器产生的紫外入射光是波长为193nm、能量为3mj、频率为200Hz的紫外脉冲激光。

图4a和4b给出了不同的倾斜角度、不同啁啾度的啁啾度相位掩模板对滤波带宽和滤波波段的调制实验结果。其中图4a给出了在啁啾度为10nm/cm时，倾斜角度为0°、4°、6°、8°、10°所制啁啾倾斜光纤光栅阻带滤波器的光谱图，其滤波带宽可从10nm展宽至50nm，滤波范围可从1510nm调谐到1560nm；图4b给出了在啁啾度为20nm/cm时，倾斜角度为0°、10°、15°、20°、25°、30°所制啁啾倾斜光纤光栅阻带滤波器的光谱图，其滤波带宽可从50nm展宽至150nm，滤波范围可从1300nm调谐到1550nm。从图中可以看到，透射谱具有平滑的滤波曲线和中心波长及滤波带宽灵活可调的滤波特性，其滤波特性可通过调整紫外入射光与啁啾相位掩模板之间的倾斜角度(即光栅的倾斜角度)、啁啾度相位掩模板的啁啾度以及紫外入射光的入射时间(即光栅的写入时间)得到有效控制。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (7)

1.宽带调谐啁啾倾斜光纤光栅带阻滤波器的制备装置，其特征在于：包括啁啾相位掩模板、角度调节架、光敏光纤以及聚合物涂覆设备，所述光敏光纤固定在角度调节架上，所述啁啾相位掩模板放置在与光敏光纤平行的位置上，其中：

所述啁啾相位掩模板，用于将紫外入射光分束并在光敏光纤表面产生周期非均匀干涉条纹；

所述角度调节架，用于在紫外入射光与啁啾相位掩膜板之间引入倾斜角度，即在紫外入射光与啁啾相位掩膜板的法线方向引入夹角；

所述光敏光纤，用于吸收透过啁啾相位掩模板的紫外入射光，在纤芯内形成永久性折射率改变，写制出啁啾倾斜光纤光栅；

所述聚合物涂覆设备，用于对写制好的啁啾倾斜光纤光栅进行涂覆。

2.根据权利要求1所述的宽带调谐啁啾倾斜光纤光栅带阻滤波器的制备装置，其特征在于：所述聚合物涂覆设备为中间向上凹、左右两边向下延伸的倒凹形结构，该倒凹形结构的中间部分放置有聚合物涂覆材料，所述光敏光纤的两端分别穿过倒凹形结构的左右两边，以光敏光纤的中心轴匀速旋转，使光敏光纤表面经过聚合物涂覆材料涂覆后的涂覆层厚度均匀一致。

3.根据权利要求2所述的宽带调谐啁啾倾斜光纤光栅带阻滤波器的制备装置，其特征在于：所述聚合物涂覆材料的折射率大于光敏光纤包层折射率，所述光敏光纤包层折射率为1.45。

4.根据权利要求1所述的宽带调谐啁啾倾斜光纤光栅带阻滤波器的制备装置，其特征在于：所述角度调节架的角度调节范围是0～30°。

5.宽带调谐啁啾倾斜光纤光栅带阻滤波器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将光敏光纤固定在角度调节架上，并将啁啾相位掩模板放置在与光敏光纤平行的位置上；

2)调节啁啾相位掩模板的啁啾度，以及通过角度调节架调节紫外入射光与啁啾相位掩模板之间的倾斜角度，并控制紫外入射光的入射时间；

3)在入射时，紫外入射光通过一个与紫外入射光方向为45°的反射镜后，经过聚焦透镜聚焦到啁啾相位掩模板上；

4)啁啾相位掩模板将紫外入射光分束，在光敏光纤表面产生±1级干涉条纹，啁啾相位掩模板的周期线性变化，导致干涉条纹间距非均匀变化；

5)光敏光纤吸收透过啁啾相位掩模板的紫外入射光，在光敏光纤的纤芯内形成永久性折射率变化，写制出光栅栅格倾斜且栅格周期非均匀的啁啾倾斜光纤光栅；

6)采用聚合物涂覆设备对写制好的啁啾倾斜光纤光栅进行涂覆，得到透射谱谱线平滑的宽带调谐啁啾倾斜光纤光栅带阻滤波器。

6.根据权利要求5所述的宽带调谐啁啾倾斜光纤光栅带阻滤波器的制备方法，其特征在于：所述紫外入射光通过激光器产生，所述激光器是准分子激光器，该激光器产生的紫外入射光是波长为193nm、能量为3mj、频率为200Hz的紫外脉冲激光。

7.宽带调谐啁啾倾斜光纤光栅带阻滤波器，其特征在于：所述滤波器由权利要求5或6所述的制备方法制备而成。