CN110007403A - 一种全保偏型宽带可控光纤滤波器 - Google Patents

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冯素娟
尚亮
马任德
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    • G02B6/24—Coupling light guides
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    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
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Abstract

本发明公开一种全保偏型宽带可控光纤滤波器。滤波器包括：保偏型耦合器、保偏型波片式偏振控制器、第一高双折射光纤和第二高双折射光纤。保偏型耦合器为3dB耦合器，其尾纤为结构参数相同的保偏光纤。保偏型耦合器的一条光纤尾纤、第一高双折射光纤、保偏型波片式偏振控制器和第二高双折射光纤依次连接后，与位于同一侧的另一条光纤尾纤连接。实际应用中能够根据应用需求调节保偏型耦合器的耦合比、两段高双折射光纤的长度和双折射方向、以及保偏型波片式光纤偏振控制器三个波片的倾斜角度来调节滤波特性，光谱特性精确可控。且所述滤波器各组成器件均为保偏型器件，能够有效减小温度、振动等环境因素对滤波性能的影响，提高了滤波器的稳定性。

Description

一种全保偏型宽带可控光纤滤波器
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，特别是涉及一种全保偏型宽带可控光纤滤波器。
背景技术
全光纤型宽带滤波器在增益均衡稀土掺杂光纤放大器、光谱平坦的宽带放大自发辐射光纤激光光源(ASE光源)等方面具有重要应用。在实际应用中，对于稀土掺杂光纤放大器和宽带ASE光纤激光光源，当泵浦方式，泵浦光功率，或掺杂光纤长度、掺杂浓度等参数改变时，光纤放大器的增益谱形状和ASE光纤激光光源的光谱形状就会随之改变，这就要求所使用的宽带光纤型滤波器的透射率(或反射率)、透射光谱(或反射光谱)形状等随之改变，即宽带滤波器的滤波特性应随稀土掺杂光纤放大器的放大特性或宽带ASE光纤激光光源的光谱形状的改变而改变。目前，长周期光纤光栅(LPFG)作为常用的光纤型宽带滤波器，可实现掺杂光纤放大器的增益均衡，也可增加宽带ASE光纤激光光源的光谱平坦度，但是，LPFG的折射率分布、周期、长度等参数一经设计确定，将很难改变，故其透射光谱和反射光谱特性也已确定，LPFG无法根据实际应用需求而灵活改变其滤波特性。
发明内容
本发明的目的是提供一种全保偏型宽带可控光纤滤波器，能够根据实际应用需求灵活改变滤波器的光谱特性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种全保偏型宽带可控光纤滤波器，所述滤波器包括：保偏型耦合器、保偏型波片式偏振控制器、第一高双折射光纤和第二高双折射光纤；其中，
所述保偏型耦合器为四端口的3dB耦合器，所述保偏型耦合器四个端口的尾纤为结构参数相同的保偏光纤；
所述保偏型耦合器的一条光纤尾纤与所述第一高双折射光纤的一端连接，所述第一高双折射光纤的另一端与所述保偏型波片式偏振控制器的一端连接，所述保偏型波片式偏振控制器的另一端与所述第二高双折射光纤的一端连接，所述第二高双折射光纤的另一端与所述保偏型耦合器的另一条光纤尾纤连接，其中，所述保偏型耦合器和所述保偏型波片式偏振控制器的保偏光纤尾纤的快轴方向与水平方向一致。
可选的，所述保偏型波片式偏振控制器由在光路上同光轴依次排列的第一四分之一波片、二分之一波片和第二四分之一波片组成，所述第一四分之一波片、所述二分之一波片和所述第二四分之一波片均垂直于光路放置。
可选的，所述第一四分之一波片、所述二分之一波片和所述第二四分之一波片均为缠绕有保偏光纤的刚性圆盘。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明体用的全保偏型宽带可控光纤滤波器包括：保偏型耦合器、保偏型波片式偏振控制器、第一高双折射光纤和第二高双折射光纤。保偏型耦合器为四端口的3dB耦合器，保偏型耦合器四个端口的尾纤为结构参数相同的保偏光纤。保偏型耦合器的一条光纤尾纤、第一高双折射光纤、保偏型波片式偏振控制器和第二高双折射光纤依次连接后，与位于同一侧的另一条光纤尾纤连接。其中，保偏型耦合器和保偏型波片式偏振控制器的保偏光纤尾纤的快轴方向与水平方向一致，能够根据实际应用需求调节保偏型耦合器的耦合比、两段高双折射光纤的长度和双折射方向、以及保偏型波片式光纤偏振控制器三个波片的倾斜角度来调节光谱滤波器的滤波特性。而且，本发明提供的宽带可控光纤滤波器的各组成器件均为保偏型器件，能够有效减小温度、振动等环境因素对滤波性能的影响，提高了滤波器的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种全保偏型宽带可控光纤滤波器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种全保偏型宽带可控光纤滤波器的测试连接图；
图3为本发明实施例提供的全保偏型宽带可控光纤滤波器的测试结果图；
图4为本发明实施例提供的滤波器的反射光谱图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种全保偏型宽带可控光纤滤波器，能够根据实际应用需求灵活改变滤波器的光谱特性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的一种全保偏型宽带可控光纤滤波器的结构示意图。如图1所示，所述滤波器包括：保偏型耦合器1、保偏型波片式偏振控制器、第一高双折射光纤3和第二高双折射光纤4。
所述保偏型耦合器1为四端口的3dB耦合器，分光比为50：50，所述保偏型耦合器1四个端口的尾纤为结构参数相同的保偏光纤，分光后两束光的偏振状态保持一致。
所述保偏型耦合器1的一条光纤尾纤与所述第一高双折射光纤3的一端连接，所述第一高双折射光纤3的另一端与所述保偏型波片式偏振控制器的一端连接，所述保偏型波片式偏振控制器的另一端与所述第二高双折射光纤4的一端连接，所述第二高双折射光纤4的另一端与所述保偏型耦合器1的另一条光纤尾纤连接，其中，所述保偏型耦合器1和所述保偏型波片式偏振控制器的保偏光纤尾纤的快轴方向与水平方向一致。
所述保偏型波片式偏振控制器由在光路上同光轴依次排列的第一四分之一波片21、二分之一波片22和第二四分之一波片23组成，所述第一四分之一波片21、所述二分之一波片22和所述第二四分之一波片23均垂直于光路放置。
出于实施成本考虑，本实施例中的所述第一四分之一波片21、所述二分之一波片22和所述第二四分之一波片23均为缠绕有保偏光纤的刚性圆盘。通过旋转刚性圆盘，改变缠绕在圆盘上的保偏光纤的双折射，从而实现偏振态的控制。
具体实施时，保偏型光纤耦合器可构成一普通结构的Sagnac环，再将两段高双折射光纤插入Sagnac环内，最后将保偏型波片式偏振控制器插入两段高双折射光纤中间，再将各器件的尾纤通过保偏型熔接机进行熔接。保偏型耦合器和保偏型波片式偏振控制器的保偏光纤尾纤的快轴方向与水平方向一致，即两双折射主轴方向与自然坐标系的主轴重合，且通过设计其尾纤长度以确保不改变光的偏振状态。
本发明提供的全保偏型宽带可控光纤滤波器，基于等效光路和传输矩阵理论，能够定量改变滤波器的光谱滤波特性，其具体设计过程如下：
首先，定义KPM-OC为保偏型光纤耦合器的耦合系数，R为全保偏型宽带可控光纤滤波器的反射率，T为全保偏型宽带可控光纤滤波器的透射率，λ为光波波长，Δn为高双折射光纤快慢轴上等效折射率之差，Δn大于10-4。lHBF1为第一高双折射光纤3的长度，lHBF2为第二高双折射光纤4的长度，ΩHBF为高双折射光纤快轴取向与水平方向的夹角，ΩPM-PC为保偏型波片式偏振控制器快轴取向与水平方向的夹角，δHBF为高双折射光纤快慢轴之间的相位差，δPM-PC为保偏型波片式偏振控制器快慢轴之间的相位差，θ1、θ2、θ3依次为构成保偏型波片式偏振控制器的第一四分之一波片21、二分之一波片22和第二四分之一波片23相对水平方向的倾斜角度。
接着，结合以上定义，利用公式(1)，并根据两段高双折射光纤的长度lHBF1和lHBF2，两段高双折射光纤与水平方向的夹角ΩHBF1和ΩHBF2，计算获得两段高双折射光纤的精确双折射特性ΩHBF1、δHBF1和ΩHBF2、δHBF2；然后，根据保偏型波片式偏振控制器的第一四分之一波片21、二分之一波片22和第二四分之一波片23相对水平方向的倾斜角度θ1、θ2和θ3，利用公式(2)计算确定保偏型波片式偏振控制器的双折射特性ΩPM-PC和δPM-PC；最后，根据两段高双折射光纤和保偏型波片式偏振控制器的双折射特性ΩHBF1与δHBF1、ΩHBF2与δHBF2和ΩPM-PC与δPM-PC，利用公式(3)和公式(4)确定全保偏型宽带精确可控光纤滤波器的透射谱特性，同时，也可利用公式(4)和公式(5)数值模拟确定全保偏型宽带精确可控光纤滤波器的透射谱特性。
R＝(1-γ)2exp[-2α(l1+l2)]×4KPM-OC(1-KPM-OC)(1-M2) (3)
T＝(1-γ)2exp[-2α(l1+l2)]×[M2+(2KPM-OC-1)2(1-M2)] (5)
本发明提供的全保偏型宽带精确可控光纤滤波器的设计方法包括两大步骤，第一步，确定滤波器各器件的参数，及滤波器的滤波特性；第二步，根据确定的各器件参数，设计各保偏型光纤器件并利用保偏光纤熔接机进行低损耗熔接，制作保偏型宽带光纤滤波器，实现其滤波功能。
步骤1：根据公式(1)-(5)，首先，确定两段高双折射光纤的长度和双折射参数lHBF1与lHBF2、ΩHBF1与δHBF1和ΩHBF2与δHBF2；接着，确定保偏型光纤偏振控制器尾纤的长度，以及三个波片双折射快轴取向与水平方向的夹角θ1、θ2和θ3，及其双折射参数ΩPM-PC和δPM-PC；然后，根据保偏型耦合器和偏振控制器的保偏光纤尾纤的参数，计算其尾纤长度，使其不改变传输光的偏振状态；最后，理论模拟获得全保偏型宽带精确可控光纤滤波器的反射和透射谱特性。
步骤2：根据确定的尾纤长度设计保偏型耦合器和偏振控制器，同时根据光纤长度设计两段结构参数相同的高双折射光纤；进而将保偏型耦合器一端的两个保偏光纤尾纤在双折射方向与自然坐标系重合的状态下分别与设计的两段高双折射光纤进行手动低损耗熔接，且熔接过程中两段高双折射光纤的快轴取向与水平方向的夹角保持ΩHBF1和ΩHBF2；最后将设计好的保偏型光纤偏振控制器熔接在两段高双折射光纤中间，且偏振控制器保偏光纤的尾纤快轴方向与水平方向一致，两高双折射光纤的快轴取向仍保持与水平方向的夹角ΩHBF1和ΩHBF2，并且将保偏型光纤偏振控制器三个波片旋转至设计的角度θ1、θ2和θ3。
图2为本发明实施例提供的一种全保偏型宽带可控光纤滤波器的测试连接图。采用图2所示的测试方法对图1所示的全保偏型宽带可控光纤滤波器进行测试。首先，利用60mW的980nm半导体激光泵浦源(Pump)经波分复用器(WDM)抽运5m的掺铒光纤(EDF)，并从环形器(CIR)的(2)端口处利用Agilent 86140B光谱分析仪检测无滤波器时的输出光谱，EDF为标准单模结构，数值孔径为0.19，截止波长为955nm，在1532nm处的吸收系数为7.2dB/m。图3中曲线1为检测到的无滤波器时的ASE光谱。
然后，根据图3中曲线1所示的ASE光谱特性，理论计算并设计全保偏型宽带精确可控光纤滤波器，图4为依据图3中曲线1所示光谱，由公式(1)至(5)计算获得的滤波器反射光谱，滤波器各器件的计算参数如下：
KPM-OC＝0.5，lHBF1＝0.3m，lHBF2＝0.7m，Δn＝10-4，ΩPM-PC＝7π/20，δPM-PC＝7π/10，ΩHBF1＝π/14，ΩHBF2＝π/7，θ1＝θ3＝3π/5，θ2＝5π/4。保偏型波片式偏振控制器和保偏型光纤耦合器的保偏光纤尾纤双折射参数Δn＝10-4，其长度由公式计算所得，其中λ的值取1550nm，因此，各尾纤长度约为9.3厘米。
接着，利用藤仓FSM-100P+熔接机将保偏型光纤耦合器、两段高双折射光纤和保偏型偏振控制按照图1所示结构相连接，构成全保偏型宽带精确可控光纤滤波器，并按照理论计算结果设置保偏型耦合器与两段高双折射光纤的参数，调节保偏型波片式偏振控制器各波片的倾斜角度。最终，利用全保偏型宽带精确可控光纤滤波器平滑图3中曲线1所示的ASE光谱，最终得到图3中曲线2所示的滤波后的宽带ASE光谱。对比图3中两条光谱曲线，图1所示的全保偏型宽带精确可控光纤滤波器可平滑ASE光谱。
本发明提供的全保偏型宽带精确可控光纤滤波器由一个保偏型光纤耦合器、两段高双折射光纤和一个保偏型光纤偏振控制器构成，能够对1.55um波段、1.06um波段和2um波段等任意波段的光谱进行滤波，其光谱特性可控，即滤波器的滤波带宽、滤波深度、滤波波形可控，能够实现对应波段ASE光源光谱的精确控制和纤光放大器的增益均衡，而且全保偏型结构抗环境干扰能力强，结构简单，调节灵活，工作带宽宽。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种全保偏型宽带可控光纤滤波器，其特征在于，所述滤波器包括：保偏型耦合器、保偏型波片式偏振控制器、第一高双折射光纤和第二高双折射光纤；其中，
所述保偏型耦合器为四端口的3dB耦合器，所述保偏型耦合器四个端口的尾纤为结构参数相同的保偏光纤；
所述保偏型耦合器的一条光纤尾纤与所述第一高双折射光纤的一端连接，所述第一高双折射光纤的另一端与所述保偏型波片式偏振控制器的一端连接，所述保偏型波片式偏振控制器的另一端与所述第二高双折射光纤的一端连接，所述第二高双折射光纤的另一端与所述保偏型耦合器的另一条光纤尾纤连接，其中，所述保偏型耦合器和所述保偏型波片式偏振控制器的保偏光纤尾纤的快轴方向与水平方向一致。
2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述保偏型波片式偏振控制器由在光路上同光轴依次排列的第一四分之一波片、二分之一波片和第二四分之一波片组成，所述第一四分之一波片、所述二分之一波片和所述第二四分之一波片均垂直于光路放置。
3.根据权利要求2所述的滤波器，其特征在于，所述第一四分之一波片、所述二分之一波片和所述第二四分之一波片均为缠绕有保偏光纤的刚性圆盘。
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