CN110879487A - 一种基于孔助光纤的可调谐光纤滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于孔助光纤的可调谐光纤滤波器。所述的滤波器包括依次相连的光源1、单模光纤2、光纤锥3、填充有磁流体的孔助光纤4、光谱分析仪5以及磁场发生装置6。所述的孔助光纤为双芯多孔光纤，在光纤锥的作用下，孔助光纤的两个纤芯构成马赫曾德干涉仪。当施加磁场时，孔内磁流体的折射率发生变化，由于填充磁流体的空气孔与光纤的一根纤芯接触，因此磁流体折射率的变化会引起该纤芯有效折射率的变化，进而导致输出的光谱发生改变，通过调节施加磁场的大小，可以控制输出的干涉谱，从而实现可调谐滤波的功能。本发明的滤波器具有结构紧凑，响应快，成本低廉，稳定性好等优点，在光纤传感领域有重要应用。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种基于孔助光纤的可调谐光纤滤波器，具体涉及一种基于磁流体填充的双芯多孔光纤干涉型磁光滤波器，属于光纤传感技术领域。
(二)背景技术
可调谐滤波器是一类只允许特定波长的光通过而阻止其他波长的光通过并且通带波长可以调节的器件，利用可调谐滤波器可从众多的波长中挑选出所需要的波长，并对该波长进行信号处理，因此可调谐滤波器可用于调谐与选择波长，滤除光放大器的噪声，均衡放大器的增益，复用、解复用光信号等方面，从而简化光通信网络的架构，提高通信系统的灵活性和效率，推动全光网络发展。
磁流体是将包裹着表面活性剂的磁性纳米粒均匀稳定地分散在载液中形成的暗黑褐色胶体溶液。其具有磁光效应、磁致折变效应、磁致双折射效应等特性。不仅既具有液体的流动性，能够充分的渗透进微结构当中，还具有超顺磁性和磁化可逆性。磁光开关及其集成的研究已经成为国内外全光网络和光无源器件的重要研究热点和关键技术难点。国内外许多大学、研究所和厂家竞相开展了磁光产品的研制。
在现有光纤系统的滤波器主要是基于干涉、光栅、耦合等技术手段实现，存在带宽窄、应用波段固定、无法调谐的问题。另外基于干涉、光栅、耦合等技术手段的滤波器在加工、耦合器件、调节使用等方面存在成本高、加工复杂等问题。专利CN 102141691 A提出了一种基于光子晶体光栅的磁控滤波器，但其易受外界形变的影响，且光子晶体光栅价格较为高昂。专利CN 109471274 A提出了一种基于马赫曾德结构的可调谐滤波器，通过在调制臂外加二维材料层，利用光热效应实现调谐滤波功能，但其结构集成度较低，所用二维材料层成本较高。因而一种集成度高、价格低廉的可调谐滤波器显得非常必要。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑，价格低廉、集成度高的可调谐光纤滤波器。
为达到上述目的，本发明采用的方案是：
基于孔助光纤的可调谐光纤滤波器，包括依次相连的光源、单模光纤、光纤锥、孔内填充有磁流体的孔助光纤、光谱分析仪以及磁场发生装置。所述的孔助光纤为双芯多孔光纤，由两个纤芯及多个空气孔构成。在光纤锥的作用下，孔助光纤的两个纤芯构成马赫曾德干涉仪，当施加磁场时，孔内磁流体的折射率发生变化，由于填充磁流体的空气孔只与光纤的一根纤芯接触，因此磁流体折射率的变化会引起该纤芯有效折射率的变化，进而导致两纤芯光程差的改变，通过调节施加磁场的大小，可以控制输出的干涉谱，从而实现可调谐滤波的功能。
磁流体在没有外磁场作用的情况下，其纳米颗粒随机分布在载液中，是一种可以长期保持均匀稳定分布状态的胶体溶液。在外磁场作用下，磁流体内部磁性粒子的沿着磁场方向团聚成链，形成有序排列的结构，引起溶液的介电常数不同。由磁流体的介电常数与折射率关系可知
介电常数不同会引起磁流体折射率改变。当撤去外磁场时，各向异性的磁流体就会恢复均一稳定的状态，这种没有磁滞现象的性质称为超顺磁性。
当对磁流体施加磁场时时，毛细管内磁流体的折射率发生变化，由于磁流体与孔助光纤的一根纤芯接触，因此磁流体折射率的变化会引起该纤芯有效折射率的变化，进而导致沿两个纤芯传输的光产生光程差，根据马赫曾德干涉理论，输出的光谱发生改变，从而实现滤波的功能。
本发明的工作原理：
在对磁流体施加磁场的情况下，磁流体的折射率发生变化，由于孔助光纤的空气孔内填充由磁流体，所以磁流体折射率的变化会导致与之相近的纤芯的有效折射率的变化。
根据Mach-Zehnder干涉原理，输出光
其中，相位
两干涉光路的有效折射率差Δneff＝n1,eff-n2,eff。由上述公式可知，输出光的光强与两干涉光路的光强和相位有关。在两干涉臂长度和光强的一定的情况下，输出的光只与相位有关，即与两干涉臂的有效折射率差有关。
由于磁流体折射率的变化导致两个纤芯之间产生有效折射率差，因此导致输出光谱的变化，通过控制施加的磁场可以灵活地实现滤波功能。
根据上述发明构思和工作原理，本发明采用下述技术方案：
首先将孔助光纤内填充磁流体，随后将孔助光纤的两端分别与一段单模光纤焊接，并在焊点处通过熔融拉锥的方式制作光纤锥，使入射的光能够在第一个光纤锥处按比例耦合进双芯光纤的两个纤芯中，并在第二个光纤锥处进行干涉，输出的光通过光谱分析仪接收，由此构成马赫曾德干涉仪并实现滤波功能。
所使用的磁流体由磁性纳米颗粒构成，可以是水基磁流体也可以是油基磁流体。
所使用孔助光纤的两个纤芯可以是对称式的双芯光纤，也可以是非对称式的双芯光纤，如图4所示。两个纤芯的直径及折射率大小可以相同也可以不相同。
所使用孔助光纤的空气孔个数为两个或多个，如图7所示，9-1、10-1为纤芯，9-2、10-2为空气孔；每个空气孔的大小和形状可以是相同的，也可以是不同的，如图6所示，7-1、8-1为纤芯，7-2、8-2为空气孔，且空气孔折射率的变化对一个纤芯的有效折射率产生较大影响。
(四)附图说明
图1是基于孔助光纤的可调谐光纤滤波器装置示意图。
图2是双芯双孔光纤的可调谐光纤滤波器的结构示意图。
图3是双芯双孔光纤截面示意图。
图4是非对称式双芯双孔光纤(a)与对称式双芯双孔光纤(b)截面示意图。
图5是空气空位置不同的双芯双孔光纤截面示意图。
图6是不同空气孔形状的双芯双孔光纤截面示意图。
图7是多个空气孔的孔助双芯光纤截面示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图对本发明的纤维集成磁光开关的具体实施方式加以说明：
实施例1
如图1所示，一种基于双芯双孔光纤的可调谐光纤滤波器。
其装置如图1所示，包括依次相连的光源1、单模光纤2、光纤锥3、填充有磁流体的孔助光纤4、光谱分析仪5以及磁场发生装置6。由双芯双孔光纤构成的马赫曾德干涉仪的结构如图2所示，包括入射单模光纤2-1、填充由磁流体的双芯双孔光纤4、出射单模光纤2-2，以及光纤锥3-1、3-2。双芯双孔光纤的截面如图3所示，包括两个纤芯4-1-1、4-1-2以及两个空气孔4-2-1、4-2-2。空气孔在其中一个纤芯的两侧，孔内磁流体折射率变化只对该纤芯的有效折射率产生影响，空气孔的位置可以为任意位置，如图5所示。
制作方法如下：首先利用熔接机将双芯双孔光纤的一端与单模光纤焊接，并利用拉锥装置在焊接处进行拉锥，在另一端通过监测装置对两个纤芯的分光比进行实时监测，当两个纤芯的分光比为1:1时停止拉锥；之后在双芯双孔光纤的另一端同样焊接一根单模光纤，并在焊接处进行拉锥，在输出端通过光谱仪进行监测，当观测到明显的干涉谱时停止拉锥，至此，基于双芯双孔光纤的马赫曾德干涉仪就制作完成了。
随后，在双芯双孔光纤的两个空气孔上利用激光刻蚀、化学腐蚀、加压吹孔等方法各制作两个微槽，利用液体的虹吸将磁流体填充到两个空气孔中，之后将微槽进行封堵。
双芯双孔光纤的两个纤芯作为马赫曾德干涉仪的两个干涉臂，在光纤锥3-2处进行干涉，在对磁流体施加磁场的情况下，磁流体的折射率发生变化，与之相近的那根纤芯的有效折射率发生变化，由此导致两个纤芯产生光程差，根据干涉原理，输出的光谱发生变化，以此实现滤波功能。
Claims (7)
1.一种基于孔助光纤的可调谐光纤滤波器，其特征在于：包括依次相连的光源、单模光纤、光纤锥、填充有磁流体的孔助光纤、光谱分析仪以及磁场发生装置。所述的孔助光纤为双芯多孔光纤，在光纤锥的作用下，孔助光纤的两个纤芯构成马赫曾德干涉仪。当施加磁场时，孔内磁流体的折射率发生变化，由于填充磁流体的空气孔与光纤的一根纤芯接触，因此磁流体折射率的变化会引起该纤芯有效折射率的变化，进而导致输出的光强发生改变，通过调节施加磁场的大小，可以控制输出的干涉谱，从而实现可调谐滤波的功能。
2.根据权利要求1所述的一种基于孔助光纤的可调谐光纤滤波器，其特征在于所述的孔助光纤由两个纤芯构成。
3.根据权利要求1所述的一种基于孔助光纤的可调谐光纤滤波器，其特征在于所述的孔助光纤两个纤芯的直径及折射率大小可以是相同的也可以是不相同的。
4.根据权利要求1所述的一种基于孔助光纤的可调谐光纤滤波器，其特征在于所述的孔助光纤的空气孔为两个或多个。
5.根据权利要求1所述的一种基于孔助光纤的可调谐光纤滤波器，其特征在于所述的孔助光纤各个空气孔的形状可以相同也可以不相同。
6.根据权利要求1所述的一种基于孔助光纤的可调谐光纤滤波器，其特征在于所述的孔助光纤的空气孔内磁流体折射率的变化只对一个纤芯产生影响。
7.根据权利要求1所述的一种基于孔助光纤的可调谐光纤滤波器，其特征在于所述的空气孔内填充的磁流体可以是水基磁流体也可以使油基磁流体。
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