CN1554967A - 一种基于光纤超声超结构光栅的可调滤波器及调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤超声超结构光栅的可调滤波器及调制方法。其特征在于该可调滤波器包括产生反射谱线的光纤光栅，超声辐射器，聚能器，超声吸收器，以及支架。聚能器安装在超声辐射器和光纤光栅之间，超声辐射器与与聚能器面积大的端面表面粘结，聚能器呈喇叭口形状，光纤光栅的另一端安装超声吸收器。光纤超声超结构光栅的反射谱存在多个反射峰，其反射峰的波长间隔由超声波的频率决定，反射率可由超声波的功率调节。因此，可以通过改变超声波的频率和功率，调节一阶反射谱的反射波长和反射率，从而可以实现光通道的功率监测和可重构的光上下解复用器。本发明结构紧凑，调谐速度快，调谐范围宽；对光纤光栅轴线方向不施加任何应力，延长了使用寿命。

Description

一种基于光纤超声超结构光栅的可调滤波器及调制方法

技术领域

本发明涉及一种基于光纤超声超结构光栅的可调滤波器及调制方法，更准确的说它是一种使用高频超声波产生的超声光栅对光纤光栅进行调制，从而产生波长的漂移，实现可调谐滤波。属于光通信领域。

背景技术

光纤光栅是通过在单模光纤芯部几毫米或几厘米的长度内，由紫外线曝光形成纤芯折射率周期性微小变化而形成的。近几年，随着光栅制作技术的日益成熟，光纤光栅在光通信领域得到了广泛应用，成为这个领域内的重要器件之一。在光通信方面，它可以构成分布反馈式激光器、光波分复用器、色散补偿器、滤波器等关键器件；在光纤传感方面，光纤光栅由于其内在的优点，在水电大坝、桥梁、高速公路等结构的实时监控中发挥越来越重要的作用。

通过改变栅格的间距或者光栅区域的有效折射率实现可调谐滤波器一般可以通过温度和应力等方法来调节。具体的调谐方法有：

1、电陶瓷(PZT)驱动调谐Ball等人研究可调光纤激光器(Ball G A，Morey W W.Continuously tunable single-mode erbium fiber laser.Opt.lett.，1992，17(6)：420-422)，用相同工作波长的一对FBG作为反射镜构成激光器的谐振腔，并将腔的两端固定在压电陶瓷驱动器上(PZT)，用电压控制PZT的伸缩，达到调节腔长和FBG波长，调节过程是连续的，但压电陶瓷的电致伸缩效应的非线性决定了该调谐方法为非线性调谐，而且压电陶瓷的磁滞效应会产生波长的漂移或无法归零。同时压电陶瓷的形变量是有限的，限制了调谐范围。

2、电磁力驱动调谐  通过控制电磁线圈中电流的方向，使中间的铁芯相吸或相斥，从而使两头固定在支架上的光栅被压缩或拉伸，达到调谐作用。(赵岭，蔡海文等，光纤光栅电磁调谐技术的研究。中国激光。2002.29(4).313-316和发明专利申请公开号CN 1338649A，光纤光栅的双向应力调谐装置)根据磁调谐的原理，设计了如图1所示的调谐机构，针对压缩调谐中防止光纤光栅弯曲形变的问题，设计了专用的导轨机构，保证应力沿光纤光栅轴向。光纤光栅用环氧树脂枯结在与电磁线圈的磁芯相连接的支架上，支架与底板相连。可以通过控制电磁线圈中电流的方向，使线圈中的磁芯相吸或相斥。从而使支架产生相对运动。光纤光栅受到轴向压应力或拉应力，实现“双向可调”。

3、悬臂梁调谐  将光纤光栅刚性的粘贴在均匀介质的悬臂梁的上表面，其方向和两的轴线一致，光栅与固定端有一定间隔。(余有龙，刘志国，董孝义等，基于悬臂梁的光纤光栅无啁啾线性调谐，光学学报Vol.19，No.5，May，1999)这种方法是利用悬臂梁的形变改变光纤光栅的周期，但由于需要将光纤光栅刚性的粘贴在悬臂梁上，势必导致胶的黏结应力对光栅反射谱线的影响，同时导致光纤光栅的周期在悬臂梁受里弯曲的时候不能均匀变化，因此在调谐过程中会出现啁啾现象。然而要避免这种现象的发生则需要只固定光栅的两端，这样只能实现单向的调谐，更加减少了调谐范围。

上述已有技术实现可调滤波器的调谐方法可以归纳为沿轴向应力调谐，在应力调谐中，对光纤的拉伸比压缩更加容易，但是实施压缩会达到更大的调谐范围，而且压缩强度远远大于拉伸强度，但是对光纤的压缩很难避免光纤弯曲问题。无论是拉伸还是压缩，对光纤都是有损坏的，光纤的可靠性和寿命是这种调谐方法需要更加关注的，同时由于是采用力的调谐，对器件封装要求不能引入附加应力，否则会带来中心波长的漂移、啁啾、波长无法回复等问题。

发明内容

本发明提供一种基于光纤超声超结构可调滤波器及调制方法。它能够宽范围、快速、多波长调谐，不需要采用机械夹具对光纤光栅轴线方向施加应力，克服上述已有技术对光纤光栅实施应力调谐时对光栅的损伤的缺点，从而避免了由于拉伸或压缩对光纤造成的损坏，从而延长使用寿命。

当超声波在介质中传播的时候，将使介质的密度产生微小的周期性扰动，从而导致介质的折射率发生微小的周期性变化，可以将这种折射率的周期性变化认为是空间一系列以声速运动的反射镜，光在介质中传播时，被这些反射镜反射，造成了相位周期性的变化，因此称之为超声光栅。它是一种相位光栅。改变超声波的频率和功率可以快速改变光栅的特性。

光信号在光纤中传播的时候，光纤既是光波传输介质，又是声波传输介质。当将超声波平行加载在光纤上时，超声波的传播形式为超声行波(疏密波)，即光纤的分子按照一定间隔距离相互压缩和拉伸，两压缩(或拉伸)处之间的距离决定于光纤中的声波的波长。因此，光纤的密度和折射率都沿超声波传播的方向作周期变化，从而构成超声光纤光栅，在此介质中传输的光信号就会发生衍射，如衍射光栅一样。由于在光纤产生的是行波，即纵向振动，若在此段光纤上制作光纤光栅，声波将对光纤光栅产生周期性的调制。超声行波沿光纤的传播速度由下式决定：

$c_s=\sqrt{\frac{E}{\mathrm{\ρ}}}---\left(1\right)$

其中E是光纤的杨氏模量为7×10¹⁰N/m²，ρ是石英玻璃的密度。

当超声波在光纤或光波导中传播时，形成超声光栅，超声光栅调制在其中传播的光信号，使光纤或光波导的两个同向传播模式相互耦合，已实现了全光纤声光可调滤波器，基于LiNbO3的声光可调滤波器。但这种滤波器只能实现同向传播模式的耦合，其工作带宽宽，器件尺寸大。

光纤超声超结构光栅是由超声波产生的以余弦分布的超声光栅对光纤布拉格(Bragg)光栅调制的结果。超声光栅函数分布：

                      F(z)＝F₀×cos(k_s×z)        (2)

其中k_s是超声波的传输常数，k_s＝2π/Λ_s，Λ_s是声波的周期，F₀是超声波的振幅，该振幅是超声波的速度和功率的函数， $F_0=\sqrt{{2P}_s/\left({\mathrm{EA\ν}}_s\right)},$ 式中P_s是声功率，E是光纤的杨氏模量，A是光纤光栅的截面积，ν_s是超声波在介质中传播的速度。超声波在光纤上传输的时候产生的纵向波对沿光轴方向产生周期的压缩和拉伸，使光纤光栅的相位产生周期性的调制，形成光纤超声超结构光栅，其反射光谱与取样光栅类似，即周期性的多个反射峰(图3a、b、c、)，其反射峰之间的间隔取决于超声波的周期Λ_s，以及超声波系q，它们间关系为：

$q=\frac{{\mathrm{\Λ}}_s}{{\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{bragg}}}---\left(3\right)$

式中Λ_bragg是光纤布拉格(Bragg)光栅的周期。由于超声波将周期性的改变Bragg光栅的周期Λ_bragg，从而周期性的改变了光纤光栅的相位，形成超结构光栅。因此，光纤超声超结构光栅折射率分布函数n_eff(z)可表示为：

      n_eff(z)＝ δn_eff(z)[1+νcos(t·z+a·cos(k_s·z))]     (4)δn_eff(z)是折射率调制深度，对于均匀光纤布拉格光栅为常数，ν是折射率可见系数，一般ν≤1，调制后的函数变化部分，按照BESSEL函数展开有J₀(a)和J₁(a)……J_n(a)项：

$\cos (t\·z+a\·\cos \left(k_{s}z\right))=J_0\left(a\right)\·\cos (t\·z)+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_n\left(a\right)\·\[\cos (t\·z+n\·k_s\·z)+{(-1)}^n\·\cos (t\·z-n\·k_s\·z)\]---\left(5\right)$

由此知道光纤超声超结构光栅的反射谱线，中心波长即Bragg波长位置固定不变反射系数由零阶BESSEL函数J₀(a)决定。一阶BESSEL函数J₁(a)的反射谱线的位置由超声光栅和光纤光栅周期的系数q决定(如图3)，反射系数由J₁(a)决定。定义系数a＝t·F₀/k_s， $t=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{bragg}}},$ $k_s=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Λ}}_s}.$ 其中Λ_bragg是Bragg光纤光栅的周期，Λ_s是超声波的周期。λ是使用波长，λ_bragg是布拉格光栅的反射波长。Z是沿布拉格光栅位置分布。相位的变化改变了光栅的自耦合系数σ，从而改变了光纤光栅的反射率。光纤超声超结构光栅的自耦合系数σ为：

$\mathrm{\σ}=2\mathrm{\π}\·n_{\mathrm{eff}}(\frac{1}{\mathrm{\λ}}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{bragg}}})+\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·{\stackrel{\‾}{\mathrm{\δ}}n}_{\mathrm{eff}}-\frac{1}{2}{k}_s\·a\·\sin (k_s\·z)---\left(6\right)$

因此，只要改变超声系数q，即通过选择超声波的波长，就可以改变一阶反射谱线J₁(a)的位置，从而得到不同间隔的反射谱线，实现了波长的动态调谐。并且可以同时在光纤上加载多个不同波长的超声波，实现多个波长同时调谐。

本发明提供的可调谐滤波器是一种基于压电材料的超声波换能器实现的声光可调滤波器。包括产生反射谱线的光纤光栅，超声辐射器，聚能器，超声吸收器，以及支架。由于高频超声波在紫外写入光纤光栅上传播，产生的长周期超声光栅调制光纤光栅，形成光纤超声超结构光栅。光纤超声超结构光栅的反射谱线存在多个反射峰，其反射峰的波长间隔由超声波的频率决定，反射率由超声波的功率调节。因此，可以通过改变超声波的频率和功率，调节一阶反射谱的波长和反射率，从而可以实现光通道的功率监测和可重构的光上下载复用器。为了充分利用高频超声波的能量，在辐射器和光纤光栅之间安装了聚能器，该聚能器是一种喇叭口形状的棒材，超声辐射器与聚能器的面积大的一端表面粘结，从而把超声换能器发出的超声波聚集到光纤上，增加光纤的振动幅度。聚能器喇叭口的横截面逐渐减小，其中的质点的振幅和速度将随着喇叭口的收缩越来越大(如图2)，一般喇叭的收缩速率用β度量，

                   M＝M₀·e^-2β·l

M₀是超声辐射器的初始面积，l是距离初始面的距离。喇叭长度应该为超声辐射器材料固有频率的半波长的整数倍，将这样的超声辐射器安装在光纤光栅上，并在光栅的另一端安装超声吸收器。

为了能够提高超声波与光纤之间的能量传输效率，制作喇叭口聚能器是必要措施之外，还需要采取两个措施：一是将喇叭口与光纤之间的连接使用肖氏硬度＞75的胶水，并且胶水厚度尽量薄，通常喇叭口内的孔径比光纤纤芯大1～3um左右，二是喇叭口聚能器内这段光纤需要剥去表面涂覆层。

综上所述：本发明的特征在于通过将压电材料产生的高频超声波加载到刻有光栅的光纤上，通过高频超声波的波长或频率的变化，实现中心波成的动态调谐；采用高频超声波在光纤上产生的超声光栅对光纤上刻有的均匀光纤光栅进行调制形成的光纤超声超结构光栅，通过改变超声波的周期，改变一阶谱线的位置，实现波长的动态调谐，得到不同间隔的反射谱线；超声波在刻有光栅的光纤上传输，这种光栅或是反射式的布拉格光纤光栅，或是超周期光纤光栅。

本发明提供的光纤超声超结构光栅可调滤波器，其优点是显而易见的：

1)更快的调谐速度，更宽的调谐范围；

2)由于不需要采用机械夹具对光纤光栅轴线方向施加应力，，从而避免了由于拉伸或压缩对光纤造成的损坏，延长了使用寿命。

3)结构紧凑。

附图说明

图1本发明的光纤超声超结构光栅可调滤波器结构图

101超声辐射器，102聚能器，103光纤，104光纤光栅，105支架，106超声吸收器，107填料，108信号源。

图2喇叭口和光纤的连接方式示意图

图3超声超结构光纤光栅的反射谱线

(a)是a＝0.5，q＝50，L＝20mm， δn_eff(z)＝5×10^-4时的反射谱线

(b)是a＝0.5，q＝100，L＝20mm， δn_eff(z)＝5×10^-4时的反射谱线

(c)是a＝0.5，q＝100，L＝20mm， δn_eff(z)＝5×10^-4时，一阶反射谱线的细节图

301为一阶BESSEL函数J₁(a)的反射谱线，302为中心波长，303为二级谱线。图4基于光纤超声超结构光栅可调滤波器的光上下载复用器(OADM)

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步说明本发明实质性特点和显著的进步，以及其作为光上/下载复用器的应用：

实施例1  如图1所示一种基于压电材料的超声波换能器实现的声光可调滤波器(AOTF)。为了充分利用超声波的能量，在辐射器101和光纤光栅104之间安装了聚能器102，即一种喇叭形状的棒材，将辐射器101与聚能器102面积大的一端表面粘接，使用肖氏硬度为80的胶水。从而把超声换能器发出的超声波聚集到光纤上103，从而增加光纤的振动幅度。又如图2所示，喇叭口内的孔径201比光纤103的直径大2um，且喇叭口聚能器内这段光纤需剥去表面涂覆层，以提高超声波与光纤之间的能量传输效率。

实施例2  其结构如图4所示。基于光纤超声超结构可调滤波器的光上/下载复用器的应用。它是采用了将超声波加载到光纤布拉格光栅上的方案，因此在可调滤波器404的前后连接了环行器402、405，当从输入通道401进入的通信波长通过可调谐滤波器404时，通过调谐超声波的周期(即波长或频率)，将所需要的波长反射，并从环行器402的下载通道403下载；同时可以通过环行器405将所需要的波长通过上载通道406上载到输出通道407，从而实现动态的光波长上/下载复用器的功能，而同时其上下载波长可以根据光纤超声超结构光栅可调滤波器所调谐波长的改变而改变，实现了可重构的光上下路复用器(ROADM)。

Claims (7)

1.一种基于光纤超声超结构光栅的声光可调滤波器，启特征在于它由产生反射谱线的光纤光栅、超声辐射器、聚能器、超声吸收器、声吸收材料以及支架构成；在超声辐射器和光纤光栅之间安装聚能器，超声辐射器与聚能器面积大的一端表面粘结；光纤光栅的另一端安装超声吸收器。

2.按权利要求1所述的一种基于光纤超声超结构光栅的声光可调滤波器，其特征在于所述的聚能器是一种喇叭口形状的棒材，喇叭口的横截面逐渐减小，且其中的质点的振幅和速度将随喇叭口的收缩越来越大。

3.按权利要求1或2所述的一种基于光纤超声超结构光栅的声光可调滤波器，其特征在于所述的聚能器喇叭口与光纤之间的连接使用肖氏硬度＞75的胶水；喇叭口内的孔径比光纤纤芯大1～3um；聚能器内的光纤需剥去表面涂覆层。

4.一种基于光纤超声超结构光栅的声光可调滤波器的调制方法，其特征在于采用高频超声波在光纤上产生的超声光栅对光纤上刻有均匀光栅进行调制形成光纤超声超结构光栅，通过改变超声波的周期，改变一阶反射谱线的位置，从而实现波长的动态调谐，得到不同间隔的反射谱线。

5.按权利要求4所述一种基于光纤超声超结构光栅的声光可调滤波器的调制方法，其特征在于所述的反射谱线的间隔取决于超声波的周期Λ_s，以及超声波系数q，它们间的关系为 $q=\frac{{\mathrm{\Λ}}_s}{{\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{bragg}}},$ 式中Λ_bragg是光纤布拉格(bragg)光栅的周期。

6.按权利要求4所述的一种基于光纤超声超结构光栅的声光可调滤波器及调制方法，其特征在于所述的光纤超声超结构光栅是高频超声波在紫外线写入的光纤光栅上传播，产生的长周期超声光栅调制光纤光栅形成的。

7.一种基于光纤超声超结构的声光可调滤波器，其特征在于所述的可调滤波器可用于光上下载复用器，可根据光纤超声超结构光栅可调滤波器调谐波长的改变而改变，实现可重构的光上下路复用器。

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