CN108388033A

CN108388033A - 一种基于微纳光纤耦合器-saganac环的全光可调谐光纤滤波器

Info

Publication number: CN108388033A
Application number: CN201810349398.8A
Authority: CN
Inventors: 于洋; 张学亮; 卞强; 杨俊波; 路阳; 彭承彦; 楼康
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2018-04-18
Filing date: 2018-04-18
Publication date: 2018-08-10

Abstract

本发明涉及一种光纤激光器技术，尤其是一种基于微纳光纤耦合器‑saganac环的全光可调谐光纤滤波器。所述可调谐光纤滤波器由微纳光纤耦合器、saganac环、波分复用器、980nm泵浦光源、泵浦驱动源及任意波形发生器组成。本发明采用基于常规双光纤拉锥的OMC双端口连接制作而成，因此结构紧凑；且因OMC为多端口功能器件，其兼具耦合、滤波、多端口输出功能，可方便与其他光纤系统集成；OMC‑Saganac环型滤波器接入光纤激光器谐振腔内，可确保光纤激光器光路全光纤无电学器件，且具备激光引出功能，因此可是光纤激光器结构简单紧凑；基于以上可见，本发明具有便于集成、宽带、紧凑、全光可调谐特点，可满足光纤激光器的多波长、多光带、可调谐、单波长等研制需求。

Description

一种基于微纳光纤耦合器-saganac环的全光可调谐光纤滤波器

技术领域

本发明涉及一种光纤激光器技术，尤其是一种基于微纳光纤耦合器(OMC)-saganac环的全光可调谐光纤滤波器。

背景技术

光纤激光器作为重要的激光光源，在军民各领域应用极其广泛，是支撑现代光纤通信网络、各类光传感系统等光电子系统的核心装备。目前，为满足军民不同应用领域的发展需求，对光纤激光器的研制提出了不同的要求。例如：为满足战术打击与反导等军事应用需求，美国将高能光纤激光器的研制作为未来激光武器系统的重要战略研究方向。而为满足干涉型光纤传感、相干光通信、高精度光谱学、光原子时钟和量子计算等领域的应用需求，需着力开发超窄线宽光纤激光器。另外，随着云计算、物联网等信息技术的飞速发展，传统网络数据互联及片上、片下数据互联量大大增加。为支撑以上“光纤到户”、“手持式”及大规模安装布放等光互连应用，并兼顾环境监测、生物传感等需求，当前对光纤激光器的研制提出了宽谱、多波长、可调谐、低成本、结构紧凑及良好光学互联特性等功能要求。

光学滤波器是激光器实现波长选择、模式选择、强度调控等功能的核心功能器件。特别是光纤可调谐滤波器，对于实现光纤激光器波长及光强可调谐输出至关重要。且因其可实现激光腔全光纤化集成，已应用于光纤调Q激光器及光纤锁模激光器等。另外，光纤可调谐滤波器作为重要的光电子器件，还被广泛应用于传感、通信等各类光电系统中。因此，为满足光纤激光器发展及传感、通信系统应用需求，开展新型可调谐光纤滤波器研究工作具有重要的现实需求与科学研究意义。

目前，已有的可调谐光纤滤波器主要是基于光纤光栅和光子晶体光纤(国家发明专利：液晶光子晶体光纤可调谐窄带滤波器及其制作方法，专利号：ZL201010559078.9)研制而成。虽然以上各型光学滤波器为光纤激光器的研制及技术进步奠定了较好的研究基础，但这些技术都或多或少存在结构笨重、复杂、成本高、甚至不可连续调控，特别很难实现光纤激光器谐振腔全光纤无电子器件等特殊应用要求。

近些年来，微纳光纤(OM)因具有大比例倏逝场传输、强光约束能量、制造成本低、体积小巧、抗电磁干扰等卓越光学性能，引起各国学者高度关注与应用研究。例如在高灵敏度光传感器、原子诱捕、微纳光子器件、与平面波导及微腔的倏逝场耦合等领域已涌现大量研究成果。另外，OM具备平面波导所不具备的优势，即其自身及与二维材料结合可以构建三维复合结构光电子器件。并且所得器件光学传输特性良好，插损较小，这使得OM可方便用于各型微型滤波器开发研制。

OM自身具备模式滤波功能，将其置于光纤激光器谐振腔内，可抑制均匀增益介质(如掺铒光纤EDFs)的模式竞争，使光纤激光器实现多波长输出功能，而多波长光纤激光器可高效满足通信、微波和太赫兹产生及光纤传感系统等应用需求。同样，基于OM所构成的其他类型滤波器，也可为实现激光器多波长激光输出发挥重要作用。例如：微结型谐振器(MKRs)，在线非绝热微纳光纤干涉仪(IN-MIs)，和微纳光纤Sagnac环型反射镜等。另外，微纳光纤与微球组合可构建3D谐振腔型滤波器，该器件不但可以实现滤波功能，还可实现量子点发光、激光、传感等功能。

在实际应用中，单一端口输出光学器件并不完全满足传感通信等光学系统需求，因此刺激了多端口设备的发展。而微纳光纤耦合器(OMC)恰好满足多输出端要求，其可以通过微纳光纤搭接或通过两根(或多根)光纤直接拉锥而成。值得关注的是，OMC自身为波长滤波器型功能器件，其耦合可以视为两耦合超模间的干涉。而OMC耦合传输特性又由耦合区的耦合长度及波导折射率决定。基于这一特性，通过在OMC上施加应力，可实现光纤调Q激光器的输出波长调控。利用OMC的多端口传输特性和耦合输出光谱可调谐性，既实现了激光提取，又同时实现了光纤激光器输出光波长的在线调谐。而通过对OMC的结构优化设计，有望实现增益谱全覆盖滤波调谐，这将拓宽光纤激光器输出光带和调谐带宽。另外，OMC光传输特性极度依赖其腰区波导折射率，而其腰区波导折射率又对温度极其敏感。因此，通过内光加热OMC腰区可以实现对OMC输出特性的全光调制。这为研制利用光吸收致热效应的全光可调谐OMC滤波器提供了思路。

发明内容

本发明针对光纤激光器发展及传感、通信系统实际应用需求，克服现有滤波器的技术不足，研制一种基于OMC和saganac环的便于集成、宽带、紧凑、全光、可调谐的光纤滤波器。该发明兼具光耦合器、滤波器、多端口光传输等功能于一体，可为紧凑型、多光带、可调谐环形光纤激光器研制提供有力的硬件支撑，还可满足通信及传感系统的良好光互联应用需要。

本发明要解决的技术问题是：

设计一种基于微纳光纤耦合器-saganac环的全光可调谐光纤滤波器，采用OMC两输出臂直连来构建saganac环，通过内光注入加热OMC腰区实现对OMC-Saganac环型滤波器的全光可调谐功能。所述全光可调光纤谐滤波器的OMC采用基于常规双光纤拉锥制作而成(根据实际光纤系统需要可采用两根(或多根)光纤拉锥制作OMC)，因此便于接入光纤激光器谐振腔内，且方便与其他光纤系统集成；所述可调谐光纤滤波器采用泵浦调制光内光注入滤波器来实现调控功能，部分泵浦光会被OMC腰区波导材料吸收转换成热量，而热光效应会引起OMC腰区波导折射率及结构发生变化，进而对OMC-Saganac环输出的特征光谱产生调控作用，因此该可调谐滤波器为全光调谐功能器件，可实现光路全光无电集成；通过优化OMC 腰区结构参数，可以实现宽带、多光带调谐功能；在窄带工作光条件下，该滤波器还可实现强度调制功能；该滤波器具有便于集成、宽带、紧凑、全光、全光可调谐特点，可满足光纤激光器的多波长、多光带、可调谐、单波长等研制需求。

本发明采用的技术方案为：

一种基于微纳光纤耦合器-saganac环的全光可调谐光纤滤波器，所述可调谐光纤滤波器由微纳光纤耦合器(OMC)、saganac环、波分复用器(WDM)、980nm泵浦光源、泵浦驱动源及任意波形发生器组成；所述微纳光纤耦合器-saganac环由OMC两输出端口尾纤直接连接而成；所述980nm泵浦光源经WDM与OMC一注入端口相连，进而实现内光注入加热调制滤波器；980nm泵浦光源由泵浦驱动源控制，通过任意波形发生器在泵浦驱动源加载不同调制信号，以实现对980nm泵浦光源输出激光的强度调制，进而实现对可调谐光纤滤波器的全光调控；外接光学系统工作光通过OMC另一注入端口注入全光可调谐光纤滤波器，并经与OMC相连的WDM输出端口输出。

进一步地，所述全光可调光纤谐滤波器的OMC采用基于常规双光纤拉锥制作而成，其由一个均匀腰区、两个锥形过度区和四个带有常规光纤的输出端口组成。

进一步地，所述全光可调光纤谐滤波器的OMC可以通过改变其均匀腰区及锥形过渡区结构参数，以获得不同滤波功能的全光可调光纤谐滤波器(OMC的滤波特性由其均匀腰区直径、长度及锥形过渡区锥角等结构参数决定)。

进一步地，所述全光可调光纤谐滤波器OMC的腰区直径应小于10μm，以使全光可调谐光纤滤波器满足全光可调谐功能，并具备较高的调制效率和调制速率。

进一步地，所述全光可调光纤谐滤波器的OMC可采用多根光纤拉锥制作而成，以满足多端口光路集成及输出要求。

进一步地，所述全光可调光纤谐滤波器的微纳光纤耦合器-saganac环，也可通过在OMC 的两输出端口尾纤之间接入保偏光纤构建而成，以使滤波器具备偏振滤波功能。

本发明基于以下工作原理：

本发明所述全光可调谐光纤滤波器通过将OMC的两输出端口直接相连来构成Saganac 环，该滤波器为复合结构滤波器。对于OMC，可采用局部模式耦合理论对其耦合特性进行定性分析，即在OMC耦合区较小的局部区域内，可视为两根独立波导(光纤)之间的耦合，其能量由该位置z前面所有能量耦合的叠加决定。OMC总的耦合是过渡区耦合和均匀腰区耦合的叠加，且其耦合输出特性由较细的锥形过渡区和腰区决定，OMC两输出端口(P₃，P₄)的功率表示为：

式中，P₀为输入光功率，l为耦合区长度，c(z)为微纳光纤耦合器不同位置耦合系数， c(λ,n₂,z)可表示为：

其中：

其中：r为耦合光纤的半径；d为两光纤中心距离；Δ为相对折射率差；k为真空中的波数；λ为光波长；n₂和n₃分别为光纤包层和空气包层(或外层介质)折射率；V为导模的归一化频率。由(1)、(2)式可见，OMC耦合比由包层、或外层介质包层、工作波长、耦合区长度及耦合光纤半径共同决定，改变以上各参量将对OMC输出光谱产生调控作用。

对于OMC-Saganac环，其一输出端口的光强P₂可表示为：

上式设定注入OMC的总光功率P₀为1，并设OMC样品初始光分束比为1：1。

当泵浦调制光注入OMC腰区时，部分泵浦光将被OMC腰区波导材料吸收，而吸收的泵浦光部分将转化成热量，进而会加热OMC腰区波导材料。具体光吸收致热满足一下转换公式：

Q＝CmΔT＝Cρπr²LΔT＝ηαLI_p (5)

其中，Q为OMC腰区温度升高ΔT所需热量，C为波导材料比热容，ρ为波导材料密度，α泵浦光为在OMC腰区的损耗系数，η为光吸收转化为热量的转化系数，I_p为泵浦调制光强。则由(5)试可得光热效应引起OMC腰区折射率变化为：

其中，γ为光纤热光系数。OMC腰区折射率变化会引起OMC-Saganac环输出光谱及波长滤波特性发生变化。其中，折射率变化引起谐振波长变化量可表示为：

由(6)、(7)式可见，光吸收致热效应会使OMC腰区折射率发生变化，这会引起 OMC-Saganac环谐振波长发生偏移，进而会对OMC-Saganac环型滤波器的波长滤波特性产生调控作用。由(2)、(4)及6)式可见，当OMC-Saganac环注入窄带工作光时，由于泵浦光的光吸收致热效应，将使OMC-Saganac环产生强度调制作用。基于以上原理，OMC-Saganac环实现了全光可调谐滤波功能。

OMC的自由频谱范围(FSR)由其腰区直径、长度及波导折射决定。通过增大OMC腰区直径，可使其自由频谱范围(FSR)大于光纤激光器增益介质(例如EDF)增益带宽，这可使光纤激光器实现单波长激光输出。当适当降低OMC腰区直径时，其自由频谱范围(FSR)大于光纤激光器增益介质增益带宽，则可使光纤激光器实现多波长激光输出。而当OMC腰围很细时，其可具备抑制高阶模式能力，进而可实现稳定有效的基模传输与分束。因此，通过优化OMC腰区结构结构参数，OMC-Saganac环型滤波器可实现不同滤波功能。并且，基于光吸收致热效应，OMC可是现实宽谱全光调制(调制带宽可覆盖整个C波段)。因此，OMC-Saganac 环型滤波器可实现宽带、多光带调谐功能。为使OMC-Saganac环型滤波器满足全光可调谐功能，并具备较高的调制效率和调制速率，本发明所用OMC腰区直径小于10μm。另外，为使本发明滤波器具备偏振滤波功能，可在OMC两输出端口尾纤之间接入保偏光纤。本发明所述OMC-Saganac环型可调谐光纤滤波器功能可拓展性强，只需合理调整OMC腰区结构参数，即可实现多种滤波功能。

采用本发明可以达到以下技术效果：

1.本发明通过内光加热调制方式实现滤波调谐，因此可实现光路全光无电集成；

2.本发明通过优化OMC腰区结构参数，可以实现宽带、多光带调谐功能；

3.本发明在窄带工作光条件下，该滤波器还可实现强度调制功能；

4.本发明具有便于集成、宽带、紧凑、全光可调谐特点，可满足光纤激光器的多波长、多光带、可调谐、单波长等研制需求；

5.本发明采用基于常规双光纤拉锥的OMC制作而成(根据实际光纤系统需要还可采用两根或多根光纤拉锥制作OMC)，因此便于接入光纤激光器谐振腔内，且方便与其他光纤系统集成。

附图说明

图1是本发明基于微纳光纤耦合器saganac环的全光可调谐光纤滤波器工作系统示意图；

图2是OMC结构及光热全光调控原理示意图；

图3是OMC-Saganac环型滤波器光致热调控下局部光带变化测试图；

图4是不同腰区半径OMC的光谱滤波特性测试图；

图5是OMC-Saganac环型滤波器光致热调控下宽光带变化测试图；

图6是OMC-Saganac环型滤波器强度调制功能实验系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图1所示，本发明所述基于微纳光纤耦合器saganac环的全光可调谐光纤滤波器由微纳光纤耦合器(OMC)1、saganac环2、波分复用器(WDM)3、980nm泵浦光源4、泵浦驱动源5及任意波形发生器6组成；所述微纳光纤耦合器saganac环可由OMC输出端口1-3 通过单模光纤与输出端口1-4直接相连而成(也可由OMC输出端口1-3通过保偏光纤与输出端口1-4直接相连，该方法可使滤波器具备偏振滤波功能)；所述可调谐光纤滤波器采用980 nm泵浦光源4经WDM 3与OMC注入端口1-2相连，进而实现内光注入加热调制滤波器； 980nm泵浦光源4由泵浦驱动源5控制，通过任意波形发生器6在泵浦驱动源5加载不同调制信号，以实现对980nm泵浦光源4输出激光的强度调制，进而实现对OMC-Saganac环型滤波器不同形式的全光调控；外接光学系统工作光通过OMC注入端口1-1注入OMC-Saganac 环型滤波器，并经与OMC相连的WDM 3输出端口输出。

本发明所述OMC-Saganac环型滤波器由OMC的两输出端口直接相连构成Saganac环制作而成，其实现全光可调谐滤波功能主要依赖OMC自身的全光可调谐特性。对于OMC，其实现全光调制功能基本工作原理是采用用一路自身带有特定调制信号的调制光注入OMC，使OMC腰区波导材料产生相对应的热效应或非线性效应等，进而对调制器中传输的另一路工作信号光产生相位调制、开关、强度调制或信号加载等作用。本发明主要利用OMC的内光注入光吸收致热效应来实现相应全光调制功能。如图2所示，OMC全光调控器件工作原理是：采用一路强度调制泵浦光经port2端口(1-2)注入OMC，部分泵浦光会被波导材料吸收，进而对OMC较细腰区产生加热作用；而热光效应会使OMC腰区波导折射率发生变化，进而使 OMC耦合系数发生变化，因此会对port1端口(1-1)注入的工作光产生调控作用，从而对 OMC的port3端口(1-3)和port4端口(1-4)输出工作光产生调控作用。如图2所示，OMC 的耦合区包含锥形过渡区和均匀腰区，而对于OMC较粗的锥形过渡区，因单位长度加热体积较大，热光调制效率较低，因此该区域对OMC全光调控影响可以忽略不计。另外，OMC 较细的腰区对OMC耦合输出特性起主导作用，故此可只考虑OMC均匀腰区光吸收致热对其耦合输出的调制作用。因此，对OMC全光调制功能器件进行性能优化设计时，需重点考虑其腰区结构。为使OMC-Saganac环型滤波器满足全光可调谐功能，并具备较高的调制效率和调制速率，本发明所用OMC腰区直径小于8μm。

由图1所示本发明基于微纳光纤耦合器saganac环的全光可调谐光纤滤波器工作系统示意图和图2所示OMC结构及光热全光调控原理示意图，以及上述分析可见，本发明通过内光加热调制方式实现滤波调谐，因此可实现光路全光无电集成功能。

光吸收致热效应会使OMC腰区折射率发生变化，这会引起OMC-Saganac环谐振波长发生偏移，进而会对OMC-Saganac环型滤波器的波长滤波特性产生调控作用，图3所示 OMC-Saganac环型滤波器光致热调控下局部光带变化测试图。

OMC的自由频谱范围(FSR)由其腰区直径、长度及波导折射决定，因此可以通过设计 OMC腰区直径，直接获得不同光谱滤波特性的OMC-Saganac环型滤波器，图4所示为不同腰区半径OMC的光谱滤波特性测试图。由图可见，OMC腰区直径越小的样品，其自由频谱范围(FSR)越小，谐振波长的半波宽也越窄，即频率梳更为密集。实际应用中，通过增大OMC 腰区直径，可使其自由频谱范围(FSR)大于光纤激光器增益介质(例如EDF)增益带宽，可使光纤激光器实现单波长激光输出；适当降低OMC腰区直径时，其自由频谱范围(FSR)大于光纤激光器增益介质增益带宽，则可使光纤激光器实现多波长激光输出；而当OMC腰区直径很细时，其可具备抑制高阶模式能力，进而可实现稳定有效的基模传输与分束。因此，通过优化OMC腰区结构参数，OMC-Saganac环型滤波器可实现不同滤波功能。另外，为使本发明滤波器具备偏振滤波功能，可在OMC两输出端口尾纤之间接入保偏光纤。可见，本发明所述OMC-Saganac环型可调谐光纤滤波器功能可拓展性强，通过调整OMC腰区结构参数即可实现多种滤波功能。

基于光吸收致热效应，OMC可以实现宽谱全光调制(调制带宽可覆盖整个C波段)。因此，OMC-Saganac环型滤波器可实现宽带、多光带调谐功能，图5所示OMC-Saganac环型滤波器光致热调控下宽光带变化测试图。由图5可见，在光热调控下，OMC-Saganac环型滤波器可以实现1520nm到1580nm的快带调谐能力。

当OMC-Saganac环注入窄带工作光时，由于泵浦光的光吸收致热效应，将使 OMC-Saganac环产生强度调制作用。将OMC-Saganac环接入光纤激光器中，可以实现光强可调谐激光输出。本发明所述OMC-Saganac环型滤波器强度调制具体应用的一个实施例如下：

如图6所示，本发明所OMC-Saganac环型滤波器在强度调制时，其光路及信号处理系统由1550nm可编程控制高相干半导体激光器7、光纤环形器8、两980/1550nm波分复用器(980/1550nm-WDM)3-1、3-2、两光电探测器9-1、9-2、示波器10、信号采集卡11、数字信号处理计算机12及传输光纤组成；激光器7经光纤环形器8直通端与OMC-Saganac环型滤波器P1输出端口(即OMC的port1端口(1-1))相连；光纤环形器8返回端与第一980/1550 nm-WDM 3-1公共端相连，而第一980/1550nm-WDM 3-1的1550nm输出端与第一光电探测器9-1相连，进而实现对OMC-Saganac环型滤波器P1输出端口返回的1550nm信号调制光的信号监测；OMC-Saganac环型滤波器P2输出端口(即OMC的port2端口(1-2))与第二 980/1550nm-WDM 3-2公共端相连，而第二980/1550nm-WDM 3-2的1550nm输出端与第二光电探测器9-2相连，进而实现对OMC-Saganac环型滤波器P2输出端口返回的1550nm信号调制光的信号监测；第二980/1550nm-WDM 3-2的980nm输出端与980nm泵浦光源4相连，进而将强度调制的980nm泵浦光注入OMC-Saganac环型滤波器，以实现内光注入加热强度调制功能；980nm泵浦光源4由泵浦驱动源5控制，通过任意波形发生器6在泵浦驱动源5加载不同调制信号，以实现对980nm泵浦光源4输出激光的强度调制；第一光电探测器 9-1及第二光电探测器9-2与示波器10相连实现初步信号观测，再经信号采集卡11输入数字信号处理计算机12完成相应信号处理。

本发明采用基于常规双光纤拉锥的OMC双端口连接制作而成(根据实际光纤系统需要还可采用两根或多根光纤拉锥制作OMC)，因此结构紧凑。且因OMC为多端口功能器件，其兼具耦合、滤波、多端口输出功能，可方便与其他光纤系统集成。OMC-Saganac环型滤波器接入光纤激光器谐振腔内，可确保光纤激光器光路全光纤无电学器件，且具备激光引出功能，因此可是光纤激光器结构简单紧凑。基于以上可见，本发明具有便于集成、宽带、紧凑、全光可调谐特点，可满足光纤激光器的多波长、多光带、可调谐、单波长等研制需求。

Claims

1.一种基于微纳光纤耦合器-saganac环的全光可调谐光纤滤波器，其特征在于：所述可调谐光纤滤波器由微纳光纤耦合器、saganac环、波分复用器、980nm泵浦光源、泵浦驱动源及任意波形发生器组成；所述微纳光纤耦合器-saganac环由微纳光纤耦合器两输出端口尾纤直接连接而成；所述980nm泵浦光源经波分复用器与微纳光纤耦合器一注入端口相连，进而实现内光注入加热调制滤波器；980nm泵浦光源由泵浦驱动源控制，通过任意波形发生器在泵浦驱动源加载不同调制信号，以实现对980nm泵浦光源输出激光的强度调制，进而实现对可调谐光纤滤波器的全光调控；外接光学系统工作光通过微纳光纤耦合器另一注入端口注入全光可调谐光纤滤波器，并经与微纳光纤耦合器相连的波分复用器输出端口输出。

2.根据权利要求1所述基于微纳光纤耦合器-saganac环的全光可调谐光纤滤波器，其特征在于：所述全光可调光纤谐滤波器的微纳光纤耦合器采用基于常规双光纤拉锥制作而成，其由一个均匀腰区、两个锥形过度区和四个带有常规光纤的输出端口组成。

3.根据权利要求1所述基于微纳光纤耦合器-saganac环的全光可调谐光纤滤波器，其特征在于：所述全光可调光纤谐滤波器的微纳光纤耦合器可以通过改变其均匀腰区及锥形过渡区结构参数，以获得不同滤波功能的全光可调光纤谐滤波器。

4.根据权利要求3所述基于微纳光纤耦合器-saganac环的全光可调谐光纤滤波器，其特征在于：所述全光可调光纤谐滤波器微纳光纤耦合器的腰区直径应小于10μm，以使全光可调谐光纤滤波器满足全光可调谐功能，并具备较高的调制效率和调制速率。

5.根据权利要求1至4任一条所述基于微纳光纤耦合器-saganac环的全光可调谐光纤滤波器，其特征在于：所述全光可调光纤谐滤波器的微纳光纤耦合器可采用多根光纤拉锥制作而成，以满足多端口光路集成及输出要求。

6.根据权利要求1所述基于微纳光纤耦合器-saganac环的全光可调谐光纤滤波器，其特征在于：所述全光可调光纤谐滤波器的微纳光纤耦合器-saganac环，可通过在微纳光纤耦合器的两输出端口尾纤之间接入保偏光纤构建而成，以使滤波器具备偏振滤波功能。