CN111965754B - 基于磁流体的可编程光纤光栅的大范围可调谐滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种基于磁流体的可编程光纤光栅的大范围可调谐滤波器。其特征是：它由光纤耦合器连接光纤1、基于磁流体的可编程光纤光栅2和光纤耦合器连接光纤3组成。本发明可用于波长的选择和光分插复用技术，可广泛用于光纤通信和光纤传感等领域。

Description

基于磁流体的可编程光纤光栅的大范围可调谐滤波器
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于磁流体的可编程光纤光栅的大范围可调谐滤波器，可用于波长的选择和光分插复用技术，可广泛应用于光纤通信和光纤传感等领域，属于光纤光栅滤波器技术领域。
(二)背景技术
光纤光栅是利用掺杂光纤的光敏性制作而成的新型光无源器件，具有体积小、抗腐蚀、能够进行分布式测量、与通信光纤进行良好匹配等优异的特性，在光纤通信和光纤传感等领域应用广泛。利用光纤光栅的选频特性对温度、应变和应力的敏感效应，可以实现对多种物理量的传感测量。与此同时，也可以通过控制施加在光纤光栅上的应力、温度等物理量，实现其对波长的调谐。光纤光栅的谐调特性可以应用于可调谐激光器、增益平坦器、可调谐色散补偿器和波分复用通信技术中。
从广义上讲，凡是能对光的某一参数进行选择性通过或者拒绝的光学器件，均可以称为光滤波器。狭义上的光滤波器，也就是最常见的光滤波器，这种器件可以对入射光的波长进行选择，从入射光中的众多波长中选择出需要的波长通过，而其他波长的入射光则被拒绝通过。光滤波器主要应用于波长的选择、光复用/解复用技术和光放大器的噪声滤除等方面。
同时，光滤波器广泛应用于光通信网络和光传感系统，在光通信网络中，对于传输过程中的色散和功率放大，可使用光滤波器达到色散补偿、噪声过滤和增益均衡的目的；利用可调谐滤波器可在光信号进行交换前进行选频。在传感系统方面，光滤波器同样具有很好的应用前景，其主要原理是利用波长和强度调制，检测光滤波器光谱的响应变化从而测量出外界参数以及相应改变。
光滤波器根据选频特性光滤波器可以分为：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器；按照选频功能可以分为：固定光频滤波器和可调谐光频滤波器。按照其机理可以分为干涉型滤波器、衍射型滤波器和吸收型滤波器。其中波长选择可以通过棱镜分光、干涉滤波、光栅衍射和光纤光栅光谱等方式实现滤波等方法实现。
但是一般的光滤波器均有体积大，光纤耦合复杂度高和成本昂贵等缺点，所以以光纤光栅为载体的光滤波器被研制出来，这种基于光纤光栅的滤波器具有成本低、插入损耗低和易于光纤耦合等特点。
随着5G技术和大数据物联网的不断发展，市场对于光纤光栅滤波器的需求越来越大，但是目前基于光纤光栅的滤波器均有调谐范围小和滤波带宽不够平坦等缺点，导致滤波效果不够明显，同从而使得光纤光栅滤波器的适用范围受到了限制。
本发明公开了一种基于磁流体的可编程光纤光栅的大范围可调谐滤波器，通过对该系统中的基于磁流体的可编程光纤光栅的光栅周期进行实时操控，极大的扩展了该滤波器的滤波范围，可以满足基于光纤光栅滤波器的通信网络和传感系统的应用。该发明可用于波长的选择和光分插复用技术，也可广泛应用于光纤通信和光纤传感等领域。所发明光纤光栅调谐范围大，响应速度快，且在多变环境下使用更加稳定。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、频谱利用率高的基于磁流体的可编程光纤光栅的大范围可调谐滤波器。
本发明的目的是这样实现的：
基于磁流体的可编程光纤光栅的大范围可调谐滤波器是由光纤耦合器连接光纤1、基于磁流体的可编程光纤光栅2和光纤耦合器连接光纤3组成。所述系统中基于磁流体的可编程光纤光栅2的进光口端与光纤耦合器连接光纤1 连接，出光口端与光纤耦合器连接光纤3连接，通过利用基于磁流体的可编程光纤光栅(2)在外界磁场下，内部折射率发生变化的特点，通过对该光纤光栅的光栅周期进行控制，使得特定波长的光从该光纤光栅通过，其余波长的光被反射，进而实现滤波的目的；通过控制该光纤光栅的光栅周期，可以使得不同波长的光通过，多次改变基于磁流体的可编程光纤光栅(2)的光栅周期以改变光纤光栅的中心波长，可以有效扩大滤波器的调谐范围，使得该滤波器可以满足不同的需求。所述的可编程光纤光栅(2)由用户控制端、恒流源、光栅周期控制系统、微型电磁铁控制阵列、毛细管光纤、磁流体和微型电磁铁贴片阵列组成；在纤芯内充满磁流体的毛细管光纤的表面上贴附微型电磁铁贴片阵列，微型电磁铁贴片阵列中每两个微型电磁铁贴片为一组，等间距的对称分布在毛细管光纤的两个侧表面，由恒流源供电的微型电磁铁控制阵列的每一个端口与微型电磁铁贴片阵列中的每组微型电磁铁贴片对应连接，通过用户控制端可以控制光栅周期控制系统，使得微型电磁铁贴片阵列控制微型电磁铁贴片中每组微型电磁铁贴片的通电状态，利用磁流体在有外加磁场时，具有折射率可控的特点，通过控制微型电磁铁贴片阵列中每组微型电磁铁贴片使得毛细管光纤纤芯内部的磁流体的折射率形成周期性变化，进而实现光纤光栅周期可控的目的。
光通过光纤耦合器连接光纤1的进光口端输入至基于磁流体的可编程光纤光栅2中，该系统中光纤耦合器连接光纤1的接口封装可以是FC/PC光纤接口和FC/APC光纤接口中的任意一种。
此时基于磁流体的可编程光纤光栅2的光栅周期是一个固定值，通过计算可以得到该光纤光栅的此时的中心波长，光纤光栅的中心波长可以表示为：
λB＝2·neff·Λ (1)
式中，neff为光纤光栅的有效折射率，Λ为光栅周期。
只有处于中心波长的光才可以透过该光纤光栅，其他波长的光发生反射，从而实现滤波的目的。
通过基于磁流体的可编程光纤光栅2后，透射光通过出光口端从光纤耦合器连接光纤3中输出。
通过利用基于磁流体的可编程光纤光栅2中的磁流体在外界磁场下，其内部折射率发生变化的特点，从而达到控制光栅周期的目的。具体来说，如图2 所示，用户控制端21通过光栅周期控制系统23控制微型电磁铁控制阵列24，由恒流源22供电的微型电磁铁控制阵列24与贴附在毛细管光纤25表面的微型电磁铁贴片阵列27相连，毛细管光纤25的纤芯内部充满磁流体26。通过操控用户控制端21控制贴附在毛细管光纤25表面的微型电磁铁贴片阵列27中各个微型电磁铁贴片的通电状态，使得毛细管光纤25纤芯内部的磁流体的折射率形成周期性变化，从而达到控制光纤光栅周期的目的。
多次改变基于磁流体的可编程光纤光栅2的光栅周期以改变光纤光栅的中心波长，可以使得滤波器的滤波范围有效扩大，也就是说当已知光纤光栅的中心波长λB，就可以通过公式(1)计算出所需要的的光栅周期Λ，通过这种方式满足了不同光栅周期对于器件的使用需求，扩大了滤波器的使用范围。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的发明效果：
本发明成本低、易于光纤耦合，通过使用基于磁流体的可编程光纤光栅 2，利用该光纤光栅中磁流体在外界磁场的作用下，其内部折射率会发生变化的特点，从而使得该光纤光栅的光栅周期可以被控制。通过控制基于磁流体的可编程光纤光栅2的光栅周期，使得满足该光栅周期对应中心波长的光被透射，其他波长的光被反射，从而实现滤波的作用，通过多次改变光纤周期，可以满足需要大范围调谐滤波器的使用要求。同时，该滤波器具有插入损耗低、响应迅速、结构紧凑和可用于多变环境下等特点。
(四)附图说明
图1是基于磁流体的可编程光纤光栅的大范围可调谐滤波器的系统结构图，该系统由光纤耦合器连接光纤1、基于磁流体的可编程光纤光栅2和光纤耦合器连接光纤3组成。
图2是基于磁流体的可编程光纤光栅的结构示意图。由用户控制端21、恒流源22、光栅周期控制系统23、微型电磁铁控制阵列24、毛细管光纤25、磁流体26和微型电磁铁贴片阵列27组成。用户控制端21通过光栅周期控制系统23控制微型电磁铁控制阵列24，由恒流源22供电的微型电磁铁控制阵列24 与贴附在毛细管光纤25表面的微型电磁铁贴片阵列27相连，毛细管光纤25的纤芯内部充满磁流体26。通过操控用户控制端21控制贴附在毛细管光纤25表面的微型电磁铁贴片阵列27中各个微型电磁铁贴片的通电状态，使得毛细管光纤25纤芯内部的磁流体的折射率形成周期性变化，从而达到控制光纤光栅周期的目的。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
图1给出了基于磁流体的可编程光纤光栅的大范围可调谐滤波器的实施例。系统是由光纤耦合器连接光纤1、基于磁流体的可编程光纤光栅2和光纤耦合器连接光纤3组成。所述系统中基于磁流体的可编程光纤光栅2的进光口端与光纤耦合器连接光纤1连接，出光口端与光纤耦合器连接光纤3连接，通过利用基于磁流体的可编程光纤光栅(2)在外界磁场下，内部折射率发生变化的特点，通过对该光纤光栅的光栅周期进行控制，可以使得不同波长的光通过，多次改变基于磁流体的可编程光纤光栅(2)的光栅周期以改变光纤光栅的中心波长，可以有效扩大滤波器的调谐范围，使得该滤波器可以满足不同的需求。
本实施例中光通过FC/APC光纤接口的进光口端输入至基于磁流体的可编程光纤光栅2中。
通过用户控制端21控制光栅周期控制系统22使得微型电磁铁控制阵列24对应的N个微型电磁铁贴片的通电状态，使得该光纤光栅产生不同的光栅周期。当N＝1(在改光纤表面上有N个微型电磁铁贴片)时，则该光纤光栅中的微型电磁铁贴片均处于通电状态，从而使得此时的光栅周期最小，通过计算得到该光纤光栅此时的中心波长。
此时只有处于中心波长处的光才可以透过该光纤光栅，其他波段的光发生反射，从而达到在该波长处滤波的目的。
当N＝2时，则基于磁流体的可编程光纤光栅中的第2、4、6…2N处于通电状态，此时光栅周期变大，使得在其对应中心波长处的光发生透射，其他波长的光发生反射。
对于不同的滤波条件，通过控制基于磁流体的可编程光纤光栅的光栅周期，也就是通过控制N的变化(N＝1、2、3、…、n)，从而计算得到该光栅周期对应的中心波长，使其从该光纤光栅中的中心波长波段处透射，其他波长的光发生反射，使得该滤波器的调谐范围扩大，从而满足不同条件下的需求。
通过基于磁流体的可编程光纤光栅2的滤波后，透射光通过FC/APC出光口端中输出，通过该系统可以实现对不同波长的滤波，同时该滤波器具有插入损耗低、响应迅速、结构紧凑和可用于多变环境下等特点。

Claims (2)

1.一种基于磁流体的可编程光纤光栅的大范围可调谐滤波器，其特征是：它由第一光纤耦合器连接光纤(1)、基于磁流体的可编程光纤光栅(2)和第二光纤耦合器连接光纤(3)组成；所述可编程光纤光栅(2)的进光口端与第一光纤耦合器连接光纤(1)连接，出光口端与第二光纤耦合器连接光纤(3)连接，通过利用可编程光纤光栅(2)在外界磁场下，内部折射率发生变化的特点，通过对该光纤光栅的光栅周期进行控制，使得不同波长光通过，多次改变可编程光纤光栅(2)的光栅周期以改变光纤光栅的中心波长，有效扩大滤波器的调谐范围，使得该滤波器可以满足不同的需求；所述的可编程光纤光栅(2)由用户控制端、恒流源、光栅周期控制系统、微型电磁铁控制阵列、毛细管光纤、磁流体和微型电磁铁贴片阵列组成；在纤芯内充满磁流体的毛细管光纤的表面上贴附微型电磁铁贴片阵列，微型电磁铁贴片阵列中每两个微型电磁铁贴片为一组，等间距的对称分布在毛细管光纤的两个侧表面，由恒流源供电的微型电磁铁控制阵列的每一个端口与微型电磁铁贴片阵列中的每组微型电磁铁贴片对应连接，通过用户控制端可以控制光栅周期控制系统，使得微型电磁铁贴片阵列控制微型电磁铁贴片中每组微型电磁铁贴片的通电状态，利用磁流体在有外加磁场时，具有折射率可控的特点，通过控制微型电磁铁贴片阵列中每组微型电磁铁贴片使得毛细管光纤纤芯内部的磁流体的折射率形成周期性变化，进而实现光纤光栅周期可控的目的。
2.根据权利要求1所述的基于磁流体的可编程光纤光栅的大范围可调谐滤波器，其特征是：第一光纤耦合器连接光纤(1)和第二光纤耦合器连接光纤(3)的接口封装是FC/PC光纤接口或者FC/APC光纤接口中的任意一种。
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Tunable Characteristics and Mechanism Analysis of the Magnetic Fluid Refractive Index With Applied Magnetic Field;Yong Zhao等;《EEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS》;20140311;第50卷(第8期);全文 *
Yong Zhao等.Tunable Characteristics and Mechanism Analysis of the Magnetic Fluid Refractive Index With Applied Magnetic Field.《EEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS》.2014,第50卷(第8期), *
刘婷.基于磁流体的长周期光纤光栅磁光可调谐光滤波器.《中国知网硕士电子期刊》.2008,正文第38页-第46页. *
基于磁流体的长周期光纤光栅电压传感器研究;赵勇等;《中国仪器仪表学会第十二届青年学术会议》;20110620;全文 *
基于磁流体的长周期光纤光栅磁光可调谐光滤波器;刘婷;《中国知网硕士电子期刊》;20080615;正文第38页-第46页 *

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