CN104199139B - 一种光控调谐光纤梳状滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光控调谐光纤梳状滤波器，它包括由两只3dB光纤耦合器、一条长干涉臂和一条短干涉臂组成的M‑Z干涉仪型梳状滤波器，其特征在于，所述的M‑Z干涉仪型梳状滤波器的长干涉臂和短干涉臂至少有一条串联有依次连接的双波长波分复用器和掺镱光纤，其中所述的双波长波分复用器一个输入口和输出口串接在M‑Z干涉仪型梳状滤波器相应的干涉臂上，另一个输入口上串接一LD泵浦源。本发明光控调谐光纤梳状滤波器不仅中心波长连续可调，而且结构紧凑、制作简单、调谐方便。
Description
技术领域：
本发明涉及光耦合装置，具体涉及带有偏振选择和调节装置的光耦合装置。
背景技术：
梳状滤波器是许多按一定频率间隔相同排列的通带和阻带，只让某些特定频率范围的信号通过，其特性曲线象梳子一样，故称为梳状滤波器。梳状滤波器作为波长选择器件，在光网络、通信、光传感等领域有重要的应用。实现梳状滤波器的技术有很多，其中光纤Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪型梳状滤波器是由两个3dB光纤耦合器级联构成的，具有结构简单、插入损耗小、信道均匀性好、与光纤兼容、成本低等优点，适用于光纤波分复用通信网络、多波长光纤激光器、光纤传感等领域。但普通的光纤M-Z型梳状滤波器的中心波长不可调，因此在需要动态组网、可重构网络、灵活调节中心波长的应用中受到限制。
在2005年Qun Li等研究人员(《Demonstration of high extinction ratiomodal interference in a two-mode fiber and its applications for all-fibercomb filter and high-temperature sensor》Opt.Commun.250pp:280-285,2005)利用双模光纤构成M-Z梳状滤波器，并在双模光纤上沉积薄膜微加热器，通过调节电功率获得波长可调谐操作。2009年北京交通大学Suchun Feng等研究人员(《Compact in-fiber Mach-Zehnder interferometer using a twin-core fiber》Proceedings of thecommunications and Photonics Conference and Exhibition(ACP),29Asia；pp:7630–4,2009)采用双芯光纤结合普通单模光纤构成M-Z梳状滤波器，通过温控和应力的方法实现了滤波器波长可调谐功能。但这两种方法需要额外的温控或应力装置，这使得滤波器的结构和调谐操作复杂。
为此有必要继续研究新型的技术以获得简单结构、操作方便、成本低廉、插入损耗小、中心波长连续可调谐功能的平坦梳状滤波器，以拓展其应用前景。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是提供一种光控调谐光纤梳状滤波器，该光纤梳状滤波器不仅中心波长连续可调，而且制作简单、结构紧凑、调谐方便。
本发明解决上述技术问题的方案如下：
一种光控调谐光纤梳状滤波器，它包括由两只3dB光纤耦合器、一条长干涉臂和一条短干涉臂组成的M-Z干涉仪型梳状滤波器，其特征在于，
所述的M-Z干涉仪型梳状滤波器的长干涉臂和短干涉臂至少有一条串联有依次连接的双波长波分复用器和掺镱光纤，其中所述的双波长波分复用器一个输入口和输出口串接在M-Z干涉仪型梳状滤波器相应的干涉臂上，另一个输入口上串接一LD泵浦源。
上述光控调谐光纤梳状滤波器可以是中心波长可双向漂移的光纤梳状滤波器，也可以是中心波长往长波方向漂移的光纤梳状滤波器或中心波长往短波方向漂移的光纤梳状滤波器。
当所述光控调谐光纤梳状滤波器是中心波长可双向漂移的光纤梳状滤波器时，所述的M-Z干涉仪型梳状滤波器的长干涉臂和短干涉臂上串联有依次连接的双波长波分复用器和掺镱光纤，且串联在长干涉臂上的掺镱光纤和串联在短干涉臂上的掺镱光纤的长度相等。
当所述光控调谐光纤梳状滤波器是中心波长往长波方向漂移的光纤梳状滤波器时，所述的M-Z干涉仪型梳状滤波器的长干涉臂上串联有依次连接的双波长波分复用器和掺镱光纤。
当所述光控调谐光纤梳状滤波器是中心波长往短波方向漂移的光纤梳状滤波器时，所述的M-Z干涉仪型梳状滤波器的短干涉臂上串联有依次连接的双波长波分复用器和掺镱光纤。
上述光控调谐光纤梳状滤波器中，所述的LD泵浦源的波长为980nm。
上述光控调谐光纤梳状滤波器中，所述的3dB光纤耦合器为1×2或2×2的3dB光纤耦合器。
本发明的上述方案中，所述的LD泵浦源产生泵浦光时，在掺镱光纤中产生非线性相移，以调节梳状滤波器的中心波长偏移量，该偏移量与非线性相移量直接相关，中γ为掺镱光纤的非线性系数，P为LD泵浦源的泵浦功率，L为掺镱光纤的长度。
本发明所述的光控调谐光纤梳状滤波器较现有技术不仅中心波长连续可调，而且具有结构紧凑、简单，只需调节LD泵浦源的泵浦功率就可以实现调谐操作方便的优点。
附图说明：
图1为本发明所述的光控调谐光纤梳状滤波器的一个具体实施例的原理图。
图2为本发明所述的光控调谐光纤梳状滤波器的第二个具体实施例的原理图。
图3为本发明所述的光控调谐光纤梳状滤波器的第三个具体实施例的原理图。
图4为检测图3所示光控调谐光纤梳状滤波器输出特性的原理图
图5和图6为图3所示方案在不同泵浦功率下的输出光谱，其中，图5为泵浦第一掺镱光纤4，图6为泵浦第二掺镱光纤7。
图7和图8为图3所示方案的中心波长漂移随着泵浦功率变化的曲线，其中，图7为泵浦第一掺镱光纤4，图8为泵浦第二掺镱光纤7。
图9和图10为图3所示方案中的滤波器在泵浦功率固定的情况下其中两个波长的功率波动(左图)和波长偏移(右图)的测试曲线，其中，图9为泵浦第一掺镱光纤4，图10为泵浦第二掺镱光纤7。
具体实施方式
例1
本例为本发明所述中心波长往长波方向漂移的光纤梳状滤波器。
参见图1，第一3dB光纤耦合器1、第二3dB光纤耦合器8、长干涉臂9和短干涉臂10组成常规的M-Z干涉仪型梳状滤波器；其中，
长干涉臂9与其连接的第二3dB光纤耦合器8的入口之间串联有依次连接的第一双波长波分复用器3和第一掺镱光纤4；第一双波长波分复用器3的一个输入口和输出口串接在所述的M-Z干涉仪型梳状滤波器的长干涉臂9上，另一个输入口上串接第一LD泵浦源2。
参见图1，本例中，第一3dB光纤耦合器1和第二3dB光纤耦合器8均由常规两段SMF-28单模光纤构成的1×2的3dB光纤耦合器；第一LD泵浦源2为980nm LD泵浦源；长干涉臂9由SMF-28单模光纤和掺镱光纤组成，短干涉臂10为SMF-28单模光纤，二者的长度差，即ΔLt＝Ll-Ls＞0，式中的Ll为长干涉臂9的长度，Ls为短干涉臂10的长度。
例2
本例为本发明所述中心波长往短波方向漂移的光纤梳状滤波器。
参见图2，第一3dB光纤耦合器1、第二3dB光纤耦合器8、长干涉臂9和短干涉臂10组成常规的M-Z干涉仪型梳状滤波器；其中，
短干涉臂10与其连接的第二3dB光纤耦合器8的入口之间串联有依次连接的第二双波长波分复用器6和第二掺镱光纤7；第二双波长波分复用器6的一个输入口和输出口串接在所述的M-Z干涉仪型梳状滤波器的短干涉臂10上，另一个输入口上串接第二LD泵浦源5。
参见图2，本例中，第一3dB光纤耦合器1和第二3dB光纤耦合器8均由常规两段SMF-28单模光纤构成的2×2的3dB光纤耦合器，第二LD泵浦源5也为980nm LD泵浦源，长干涉臂9为SMF-28单模光纤，短干涉臂10由SMF-28单模光纤和掺镱光纤组成，二者的长度关系与例1相同。
例3
本例为本发明所述中心波长可双向漂移的光纤梳状滤波器。
参见图3，本例相当于例1和例2所述光控调谐光纤梳状滤波器的组合。具体的组合方法如下所述：
长干涉臂9与其连接的第二3dB光纤耦合器8的入口之间串联有依次连接的第一双波长波分复用器3和第一掺镱光纤4；第一双波长波分复用器3的一个输入口和输出口串接在所述的M-Z干涉仪型梳状滤波器的长干涉臂9上，另一个输入口上串接第一LD泵浦源2；
短干涉臂10与其连接的第二3dB光纤耦合器8的入口之间串联有依次连接的第二双波长波分复用器6和第二掺镱光纤7；第二双波长波分复用器6的一个输入口和输出口串接在所述的M-Z干涉仪型梳状滤波器的短干涉臂10上，另一个输入口上串接第二LD泵浦源5；
上述串接在长干涉臂9上的第一掺镱光纤4的长度与串接在短干涉臂10上的第二掺镱光纤7的长度相等。
参见图3，本例中，第一3dB光纤耦合器1、第二3dB光纤耦合器8与实施例1相同；第一LD泵浦源2和第二LD泵浦源5与例1和例2对应相同；长干涉臂9和短干涉臂10均由SMF-28单模光纤和掺镱光纤组成，二者的长度差也为ΔLt。
以下结合附图简要说明本发明所述光控调谐光纤梳状滤波器的工作原理。
参见图3，信号光从输入端口输入，经过第一个3dB光纤耦合器1后，被分成两路光分别在M-Z干涉仪型梳状滤波器的两个臂9和10上传输，因为在M-Z干涉仪型梳状滤波器的两个臂9和10上分别熔接了一段第一掺镱光纤4和第二掺镱光纤7，所以在泵浦掺镱光纤时会使信号光产生非线性相移，在第一掺镱光纤4末端与第二个3dB光纤耦合器8的一个入口处的光场E1可由下式(1)表示，在第二掺镱光纤7末端与第二个3dB光纤耦合器8的另一个入口处的光场E2可由下式(2)表示，
上式(1)和(2)中，i表示虚数，A0为输入光场的幅度，β1为光在常规单模光纤中的传输常数，(n1为常规单模光纤中基模传输的有效折射率)，β为光在掺镱光纤中的传输常数，(n为掺镱光纤中基模传输的有效折射率)，L1为长干涉臂9中SMF-28单模光纤的长度，L2为短干涉臂10中SMF-28单模光纤的长度；P1为第一LD泵浦源2所提供的泵浦功率，P2为第二LD泵浦源5所提供的泵浦功率，γ为第一掺镱光纤4与第二掺镱光纤7的非线性系数，L为第一掺镱光纤4与第二掺镱光纤7的长度。上述符号的物理意义下述公式(3)～(7)继续延用。
由上式(1)和(2)可知，两路光在第二个3dB光纤耦合器8中发生干涉后的光场E为：
由上式(3)可以求出两路光在第二个3dB光纤耦合器8中发生干涉后的光强度I为：
式(4)中，E*为E的共轭，ΔL＝L1-L2。
那么，当两个LD泵浦源2和5交替工作时，图3所示的光控调谐光纤梳状滤波器输出函数为：
式(5)中，I0为输入光强度；P表示P1或P2，即当±为+时，P为P1，当±为-时，P为P2。
同理，上述实施例1所述的光控调谐光纤梳状滤波器(见图1)的输出函数为：
式(6)中ΔL＝ΔLt。
上述实施例2所述的光控调谐光纤梳状滤波器(见图2)的输出端上端口的输出函数为：
式(7)中ΔL＝ΔLt。
由公式(5)～(7)可以看出，本发明所述光控调谐光纤梳状滤波器的传输函数是一个与波长相关的梳状光谱，其中的非线性相移或可用来调节梳状滤波器的中心波长偏移。泵浦第一掺镱光纤4时，波长往长波方向漂移，泵浦第二掺镱光纤7时，波长往短波方向漂移。可见，只需简单调节泵浦功率即可实现波长连续调谐，而且可让波长往两个方向各漂移半个通道宽度，从而达到在低泵浦功率的情况下实现覆盖整个通道宽度的调谐。
例4(效果实验)
一、泵浦功率与中心波长漂移宽度的研究
参见图4，在图3所示的光控调谐光纤梳状滤波器的入口连接宽带光源ASE，出口连接光谱仪OSA，设定输入光源为C波段光源(1530nm-1560nm)并进行光谱检测。掺镱光纤长度为16cm。参见图4，分别将第一LD泵浦源2功率调至0mW、8.6mW和17.2mW时，光谱仪OSA输出光谱如图5所示；分别将第二LD泵浦源5功率调至0mW、8.6mW和17.2mW时，光谱仪OSA输出光谱如图6所示。由图5和图6可见，图3所示的光控调谐光纤梳状滤波器的泵浦功率为17.2mW时，中心波长就可漂移到半个通道宽度。而且综合这两个方向的波长漂移就可以使滤波器在低泵浦功率的情况下实现覆盖整个通道宽度的中心波长漂移。
二、调谐特性的研究
参见图4，设定输入光源为C波段光源(1530nm-1560nm)，然后，在泵浦功率为30mW内自零开始等分为8个量级分别设定第一LD泵浦源2和第二LD泵浦源5的功率，进而获得不同功率下所对应的输出光谱的中心波长偏移量，最后利用所获得不同功率下所对应的输出光谱的波长偏移量在直角坐标中绘制出光控调谐光纤梳状滤波器的调谐特性如图7和图8所示。由图7和图8可见，在0～30mW范围内，泵浦功率与输出光谱的中心波长偏移量呈线性变化。
三、稳定性的研究
参见图4，设定输入光源为C波段光源(1530nm-1560nm)，然后分别测量了第一LD泵浦源2和第二LD泵浦源5的功率为17.2mW时滤波器的稳定性(功率波动和波长偏移)。测量时间间隔为5分钟，一共测量了一个小时，根据测量的光谱记录下其中两个波长的功率和波长位置，最后获得的功率和波长的稳定性如图9和图10所示，左图为功率波动曲线，右图为波长偏移中心位置的曲线。由图9和图10可见，滤波器的功率波动在一小时内低于0.25dB，波长偏移低于0.02nm，具有较好的稳定性。
Claims (6)
1.一种光控调谐光纤梳状滤波器，它包括由两只3dB光纤耦合器、一条长干涉臂和一条短干涉臂组成的M-Z干涉仪型梳状滤波器，其特征在于，
所述的M-Z干涉仪型梳状滤波器的长干涉臂和短干涉臂至少有一条串联有依次连接的双波长波分复用器和掺镱光纤，其中所述的双波长波分复用器一个输入口和输出口串接在M-Z干涉仪型梳状滤波器相应的干涉臂上，另一个输入口上串接一LD泵浦源。
2.根据权利要求1所述的一种光控调谐光纤梳状滤波器，其特征在于，所述的M-Z干涉仪型梳状滤波器的长干涉臂和短干涉臂上串联有依次连接的双波长波分复用器和掺镱光纤，且串联在长干涉臂上的掺镱光纤和串联在短干涉臂上的掺镱光纤的长度相等。
3.根据权利要求1所述的一种光控调谐光纤梳状滤波器，其特征在于，所述的M-Z干涉仪型梳状滤波器的长干涉臂上串联有依次连接的双波长波分复用器和掺镱光纤。
4.根据权利要求1所述的一种光控调谐光纤梳状滤波器，其特征在于，所述的M-Z干涉仪型梳状滤波器的短干涉臂上串联有依次连接的双波长波分复用器和掺镱光纤。
5.根据权利要求1～4之一所述的一种光控调谐光纤梳状滤波器，其特征在于，所述的LD泵浦源的波长为980nm。
6.根据权利要求5所述的一种光控调谐光纤梳状滤波器，其特征在于，所述的3dB光纤耦合器是1×2或2×2的3dB光纤耦合器。
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