CN115202079A - 高精度可调谐矩形光学滤波器 - Google Patents

高精度可调谐矩形光学滤波器 Download PDF

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应康
皮浩洋
李璇
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Abstract

一种实现带宽可重构、中心波长可调谐的高精度可调谐矩形光学滤波器的装置，包括参考激光源、光纤光栅、光电探测器、混频器、PID控制模块和压电陶瓷。本发明采用滤波器内两个非简并的模式拍频信号来精确得到光纤光栅的中心波长，通过反馈并利用压电陶瓷整体控制光纤光栅的等效长度可实现光学滤波器的中心波长的精确调谐；同时可利用微型压电陶瓷对光纤光栅进行局部拉伸，引入多点可重构相移，通过灵活控制在光纤光栅中引入相移的数量和位置，可实现光学滤波器的带宽的重构；本发明提出的高精度可调谐矩形光学滤波器具有带宽可灵活重构和中心波长可调谐的优势，可广泛应用于光通信网络和微波光子学中的可重构信号的处理。

Description

高精度可调谐矩形光学滤波器
技术领域
本发明涉及光学滤波器，特别是一种高精度可调谐矩形光学滤波器，该装置可应用于密集波分复用网络和微波光子信道化技术等一些对滤波器灵活性要求较高的场合。
背景技术
光学滤波器作为光信号处理中的重要器件，不仅保证了光通信系统的正常运行，还因其传输损耗低、工作频段高、抗电磁干扰能力强的优势被应用到对微波信号的处理中，促进了电信号处理技术的发展。随着光信息处理的精细化需求提升和微波光子学领域的蓬勃发展，光学滤波器成为了系统中不可或缺的核心器件之一，并且对其性能提出了更高的要求。为了降低与其他信道的串扰和带宽内信号失真，要求滤波器具有滤波边缘陡峭、插入损耗低且平坦的矩形频谱响应。同时，在一些对滤波器灵活性要求较高的微波光子学应用中，如密集波分复用网络和微波光子信道化技术中，需要根据信道要求来合理配置信道带宽和中心波长，从而达到资源的合理分配与充分利用，避免不必要的带宽冗余和能量损耗。因此，研究并设计带宽可重构、中心波长可调谐的窄带矩形光学滤波器具有实际意义和应用价值。
目前，常用的实现上述光学滤波器的主要方案有：光栅衍射、受激布里渊散射、微环谐振腔和光纤光栅等。其中，光纤光栅以其抗电磁干扰、插入损耗小、结构简单、成本低等优势获得了研究人员的广泛关注。光纤光栅最基本的结构为光纤布拉格光栅，通过切趾技术易于获得矩形度较好的平顶频谱响应(参见在先技术[1]：“An Efficient 0.04-nmApodized Fiber Bragg Grating and Its Application to Narrow-Band SpectralFiltering”，IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,Vol.9,No.7,934-936,1997)。但是切趾光纤布拉格光栅的带宽较大，一般为几十GHz甚至百GHz量级，难以满足一些窄带滤波的应用场合。为了克服上述方法存在的问题，邹喜华等提出了在光纤光栅中插入多个相移点，制备基于多相移光纤光栅的窄带平顶滤波器，实现了3dB带宽为650MHz，25dB带宽为1270MHz，带内平坦度大约为0.7dB的窄带矩形滤波器。(参见在先技术[2]：“All-fiberoptical filter with an ultranarrow and rectangular spectral response”，OpticsLetters,Vol.38,No.16,3096-3098,2013)。但是，受限于对相移位置和相移量的控制精度，该基于多相移光纤光栅的光学滤波器成品率比较低、滤波形状还有待进一步提升。并且，该多相移光纤光栅滤波器中的相移数目一旦确定，其带宽和频谱响应便不可改变，完全由已刻写好的光栅性质决定。
发明专利CN106596055A公开了一种基于F-P可调滤波器测量光纤色散的方法利用FP腔的多纵模，通过不同纵模间的拍频信号的微分，得到不同波长的时延，需要一连串的纵模信息，才能进行微分计算，最终得到时延或波长信息。
发明专利CN111725689A公开了一种窄线宽快调谐激光器，通过电光调制器将种子激光器的频率进行调制，进而通过改变压控振荡器改变电光调制器的输入信号，并进而影响对种子激光器的调制，实现激光器的频率调谐，在先专利中的光纤光栅仅起到滤波作用，与激光器调谐的本质无关。
发明内容
本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提出一种中心波长可调谐，滤波带宽可重构的可调谐光学滤波器装置。基于光纤光栅机制，通过腔内双模拍频信号的锁定反馈控制整体光栅的有效光程长度实现中心波长的调谐；并可通过压电陶瓷施加光栅局域应力，控制光栅相移点引入的数目可实现滤波器带宽的重构。
本发明的技术解决方案如下：
一种高精度可调谐矩形光学滤波器，包括参考激光源、光纤光栅、光电探测器、混频器、PID控制模块、和压电陶瓷，其特点在于，所述的光纤光栅采用保偏光纤制备，内部存在两个非简并的光栅模式，且两个非简并的模式频率差与所述的光纤光栅的中心波长对应；
所述的参考激光器，用于输出两个激光模式的激光，且两个激光模式分别与所述的光纤光栅的两个非简并模式对应；
所述的光电探测器，用于探测两个非简并的光栅模式的拍频信号，该拍频信号的频率等于所述光纤光栅两个非简并的模式频率差；
所述的混频器，用于探测拍频信号的频率波动，并转化成直流电压信号输入PID控制模块；
所述的PID控制模块，用于接收混频器输出的直流电压信号，并输出相对应的频率控制信号控制所述的压电陶瓷，进而控制所述的光纤光栅的中心频率。
所述的压电陶瓷与光纤光栅粘接固定。
还包括微型压电陶瓷，该粘接在所述的光纤光栅除压电陶瓷的位置；所述的微型压电陶瓷由为一组等间隔分布的压电陶瓷组成，且每个压电陶瓷的长度小于0.5mm。
所述的光电探测器是光纤耦合输入的宽带光电探测器。
本发明与在先技术相比，具有以下优点和积极效果：
1、与在先技术[1]相比，本发明中高精度可调谐矩形光学滤波器带宽更窄，可达到几个GHz甚至MHz量级。
2、与在先技术[2]相比，本发明中高精度可调谐矩形光学滤波器采用滤波器内两个非简并的模式拍频信号来精确得到光纤光栅的中心波长，通过反馈并利用压电陶瓷整体控制光纤光栅的等效长度可实现光学滤波器的中心波长的精确调谐。
3)本发明采用普通光纤光栅，利用光纤光栅内部因为偏振态产生的2个非简并模式。
附图说明
图1是本发明高精度可调谐矩形光学滤波器第一实施例的结构框图。
图2是本发明高精度可调谐矩形光学滤波器第二实施例的结构框图。
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明进行进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1：
先请参阅图1，图1是本发明高精度可调谐矩形光学滤波器第一实施例的结构框图。由图可见，高精度可调谐窄带矩形光学滤波器，包括光纤光栅1、参考激光器2、光电探测器3、混频器4、PID控制模块5、普通压电陶瓷6，
所述的参考激光器2可选用宽带激光源，包含与光纤光栅的两个非简并模式对应的两个激光模式，输入所述的光纤光栅1，经过光纤光栅1滤波后的激光信号输入光电探测器3(可选用光纤耦合输入的宽带光电探测器)，得到两个非简并的光栅模式的拍频信号，该拍频信号输入混频器4(可选用电子学乘法器)，得到拍频信号的频率波动并转化成直流电压信号输入PID控制模块5，PID控制模块输出相对应的频率控制信号控制压电陶瓷6，进而控制光纤光栅的中心频率，压电陶瓷6与光纤光栅1粘接固定。
实施例2
先请参阅图2，图2是本发明高精度可调谐矩形光学滤波器第二实施例的结构框图。由图可见，高精度可调谐矩形光学滤波器，包括光纤光栅1、参考激光器2、光电探测器3、混频器4、PID控制模块5、压电陶瓷6和微型压电陶瓷7。
其中光纤光栅1、参考激光器2、光电探测器3、混频器4、PID控制模块5、压电陶瓷6的连接关系与实施例1相同。
所述的微型压电陶瓷7为一组压电陶瓷，单个压电陶瓷的长度小于0.5mm，这一组压电陶瓷与光纤光栅1粘接固定，粘接的位置在光纤光栅1上等间隔分布，并且与压电陶瓷6的粘接位置不同。可用于在光纤光栅的多个不同位置形成局部相移，实现光学滤波器带宽变窄，并通过局部相移量的调整将改变光学滤波器的带宽。
本发明中高精度可调谐矩形光学滤波器的装置，采用滤波器内两个非简并的模式拍频信号来精确得到光纤光栅的中心波长，通过反馈并利用压电陶瓷整体控制光纤光栅的等效长度可实现光学滤波器的中心波长的精确调谐；并可利用微型压电陶瓷对光纤光栅进行局部拉伸，引入多点可重构相移，通过灵活控制在光纤光栅中引入相移的数量和位置，可实现光学滤波器的带宽的重构。本发明提出的这种高精度可调谐矩形光学滤波器具有中心波长可调谐和带宽可灵活重构的优势，可广泛应用于光通信网络和微波光子学中的可重构信号的处理。

Claims (4)

1.一种高精度可调谐矩形光学滤波器，其特征在于，包括光纤光栅、参考激光器、光电探测器、混频器、PID控制模块和压电陶瓷；
所述的光纤光栅采用保偏光纤制备，内部存在两个非简并的光栅模式，且两个非简并的模式频率差与所述的光纤光栅的中心波长对应；
所述的参考激光器，用于输出两个激光模式的激光，且两个激光模式分别与所述的光纤光栅的两个非简并模式对应；
所述的光电探测器，用于探测两个非简并的光栅模式的拍频信号，该拍频信号的频率等于所述光纤光栅两个非简并的模式频率差；
所述的混频器，用于探测拍频信号的频率波动，并转化成直流电压信号输入PID控制模块；
所述的PID控制模块，用于接收混频器输出的直流电压信号，并输出相对应的频率控制信号控制所述的压电陶瓷，进而控制所述的光纤光栅的中心频率。
2.根据权利要求1所述的高精度可调谐矩形光学滤波器，其特征在于，所述的压电陶瓷与光纤光栅粘接固定。
3.根据权利要求1或2所述的高精度可调谐矩形光学滤波器，其特征在于，还包括微型压电陶瓷，该粘接在所述的光纤光栅除压电陶瓷的位置；所述的微型压电陶瓷由为一组等间隔分布的压电陶瓷组成，且每个压电陶瓷的长度小于0.5mm。
4.根据权利要求1或2所述的高精度可调谐矩形光学滤波器，其特征在于，所述的光电探测器是光纤耦合输入的宽带光电探测器。
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