CN201796157U - 一种基于多光纤光栅的多波长通道的带宽可调谐滤波器 - Google Patents
一种基于多光纤光栅的多波长通道的带宽可调谐滤波器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及一种基于多光纤光栅的多波长通道的带宽可调谐滤波器，其特征在于：包括光纤光栅1、聚合物2、两段金属套筒3和金属软管4；光纤光栅1同轴穿入两段金属套筒3之中，光纤光栅1与两段金属套筒3之间填充聚合物2，光纤光栅1两端与聚合物2衔接的界面套装用于保护光纤光栅尾纤的金属软管4；所述两段金属套筒3的内径为16～20mm，长度为15mm，相距10mm。该滤波器当光纤光栅的栅区部分中点封装在零应变处时，光纤光栅反射光谱的中心波长不变，带宽随着压力的增加而展宽。具有带宽调谐范围大，结构简单小巧，易于系统集成等优点，可广泛应用于光纤通信和光纤传感系统中。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种带宽可调谐滤波器，属于光纤滤波器领域，特别涉及一种基于多光纤光栅的多波长通道的带宽可调谐滤波器。
背景技术
光纤光栅因其优异的选频特性以及容易实现全光纤网络，在光纤通信领域得到广泛的应用。由于外界环境的温度和应变均会引起光纤光栅中心波长的漂移，因此，光纤光栅可作为波长可调谐滤波器应用在光纤通信与传感网络中。此外，通过在光纤光栅的栅区建立应变或温度梯度场，也可以实现对光纤光栅的带宽调谐，即可得到带宽可调谐滤波器，且带宽的调谐范围与应变或温度场的梯度成正比。利用折射率调制周期或调制深度不均匀的啁啾光纤光栅，通过啁啾率调谐，同样可以实现带宽的可调滤波，但是啁啾光纤光栅比均匀光纤光栅的制作工艺要复杂得多。目前，已经有许多相关的利用光纤光栅啁啾化实现带宽可调谐滤波器，这些滤波器应用了力学、电磁学、热学等方法，其中包括多种梁型结构，为了产生梯度应变分布，通常需要制作成特殊的梁型结构，因此其制作工艺相对较复杂；还有在光纤光栅外镀上不等厚的金属薄膜，通过改变金属薄膜的电流使得光纤光栅产生啁啾现象，其镀膜工艺本身就比较复杂，成本较高，且在带宽调谐的同时中心波长也会发生改变；采用步进电机驱动两端固定压杆的啁啾光纤光栅带宽调谐，若要获得高精度的带宽调谐，需采用高精度的步进电机驱动，其价格比较昂贵。因此，采用以上各种结构制成的光纤光栅带宽调谐滤波器，有些制作工艺要求较高，有些操作复杂或成本较高，或者在带宽调谐的同时中心波长也会发生改变，从而限制了其实际应用。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足，本实用新型提出一种基于多光纤光栅的多波长通道的带宽可调谐滤波器，通过改变作用在聚合物上的压力，引起光纤光栅产生啁啾效应，从而达到光纤光栅反射谱带宽可调谐的目的，最终实现一种中心波长不变的带宽可调谐滤波器。
本实用新型的思想在于：将光纤光栅封装在聚合物的中心轴线上，聚合物侧面与两段金属套筒紧密连接，外界均匀分布的压力作用于聚合物和金属套筒，由于聚合物部分受限于金属套筒，因此沿光纤光栅轴向会产生梯度应变，且应变值大小由中心向两边递减，从而使得光纤光栅反射光谱产生啁啾现象和带宽的展宽。当光纤光栅的栅区部分中点封装在零应变处时，光纤光栅反射光谱的中心波长不变，带宽随着压力的增加而展宽。
技术方案
一种基于多光纤光栅的多波长通道的带宽可调谐滤波器，其特征在于：包括光纤光栅1、聚合物2、两段金属套筒3和金属软管4；光纤光栅1同轴穿入两段金属套筒3之中，光纤光栅1与两段金属套筒3之间填充聚合物2，光纤光栅1两端与聚合物2衔接的界面套装用于保护光纤光栅尾纤的金属软管4；所述两段金属套筒3的内径为16～20mm，长度为15mm，相距10mm。
所述的光纤光栅的栅区距聚合物一端的端面10～20mm。
所述的光纤光栅采用两个相互串联的光纤光栅，两光纤光栅的栅区分别距聚合物的不同端面10～20mm。两光纤光栅的中心反射波长间隔大于每个光纤光栅的最大带宽展宽量。
在两段金属套筒3的中间加入一段金属套筒，与两端金属套筒相距10mm；光纤光栅采用4个相互串联的光纤光栅，两端的光纤光栅的栅区分别距聚合物的不同端面10～20mm，中间两根光纤光栅栅区部分与对应两端的光纤光栅栅区相连。每两根光纤光栅之间的中心反射波长间隔大于每个光纤光栅的最大带宽展宽量。
所述光纤光栅为折射率调制周期均匀的光纤布拉格光栅，其栅区长度为10mm，反射率大于90％。
所述聚合物为聚氨酯、丙烯酸酯或硅橡胶。
有益效果
本实用新型提出的一种基于多光纤光栅的多波长通道的带宽可调谐滤波器，当外界环境温度一定时，随着压力的增加仅会引起光纤光栅反射谱带宽的展宽，而中心波长不会发生变化，提高了滤波的稳定性和精确性。采用两个中心波长不同的光纤光栅封装在聚合物中，可实现在相同压力的作用下产生双波长通道的带宽可调谐滤波器。同时，容易将该结构扩展到聚合物受限于相距恒定距离的多段相同金属套筒中，并且选择中心波长相距一定值的光纤光栅封装在聚合物中，从而实现多波长通道的带宽可调谐滤波器或梳状滤波器。此外，该滤波器具有带宽调谐范围大，结构简单小巧，易于系统集成等优点，可广泛应用于光纤通信和光纤传感系统中。
附图说明
图1是基于多光纤光栅的多波长通道的带宽可调谐滤波器或梳状滤波器结构剖面示意图
其中：1-光纤光栅；2-聚合物；3-金属套筒；4-毛细金属管；5-单模光纤。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本实用新型作进一步描述：
参阅附图1，光纤光栅采用光纤布拉格光栅，将光纤光栅封装在聚合物的中心轴线上，而聚合物与两段金属套筒紧密连接不会出现滑移现象，外界均匀分布压力作用在聚合物和金属套筒上，由于聚合物受限于两段金属套筒，因此在聚合物的中心轴线上会呈现如附图2所示的应变分布情况，即出现一种应变梯度，将光纤光栅封装在梯度最大的区域a点和b点之间，进而使得光纤光栅产生啁啾现象，最终实现基于光纤光栅的带宽可调谐滤波器。聚合物采用聚氨酯、丙烯酸酯或硅橡胶。
对于折射率调制周期均匀的光纤布拉格光栅，其中心波长λB可表示为
λB＝2neffΛ
式中，neff为纤芯有效折射率，Λ为光栅栅距。在均匀温度或应变场的作用下，其反射光谱带宽恒定，但中心波长发生漂移，且漂移量ΔλB可表示为
ΔλB＝[(1-Pe)ε+(α+ξ)ΔT]·λB
式中，ε为应变量，ΔT为温度变化量，
为光纤材料的有效弹光系数(Pij为和μ分别为光纤材料的弹光张量分量和泊松比系数)，α和ξ分别为光纤材料的热膨胀系数和热光系数。当温度不变时，光纤光栅在非均匀应变场ε(z)的作用下，由于光栅栅区各个位置处的栅格(如栅距Λ和折射率调制深度Δneff)将随应变场的非均匀分布而发生相应的非均匀变化，从而导致光纤光栅不同位置处的中心波长不相同，由于应变函数曲线连续，最终形成一个光纤光栅反射谱形整体展宽的啁啾反射谱。啁啾谱的带宽展宽量Δλchirped与最大应变差Δεmax的关系为
Δλchirped＝λB(1-Pe)·Δεmax
此外，当光纤光栅的栅区部分中点封装在零应变处时，光纤光栅两边分别受正应变和负应变，因此光纤光栅反射光谱以中心波长处为中点向两端展开，即反射光谱的中心波长不变，而带宽随着压力的增加而展宽。将光纤光栅的栅区部分封装在应变区域，采用数值模拟得到光纤光栅在不同压力下的反射谱带宽展宽情况。
实施例附图1，光纤光栅封装在部分受限于金属套筒的聚氨酯中心轴线上，三段金属套筒之间相距10mm，因此压力实际作用在聚合物的两个端面和中间的裸露部分。光纤光栅的尾纤在接近聚合物端面处采用毛细金属管保护，以免在受压情况下，出现光纤折断现象。在外界压力的作用下，聚合物中心轴线上的中点处出现应变最大并向两端呈现对称递减分布。光纤光栅的中点封装在零应变处，以保证当环境温度一定时，光纤光栅带宽调谐过程中心波长不发生漂移。
聚氨酯受限于三段金属套筒，多波长通道的带宽可调谐滤波器或梳状滤波器。当聚合物受限于三段金属套筒，相邻两段金属套筒相距10mm，同样外界均匀分布压力实际作用在聚合物两端和相邻两端金属套筒间的聚合物裸露部分，在聚合的中心轴线会出现两段与如附图2所示的应变分布，将四根中心波长不同的光纤光栅分别封装在对应的线性梯度应变区域，由于每段线性梯度应变分布相同，因此四根光纤光栅的带宽展宽情况相同。为防止四根光纤光栅的反射谱在展宽的过程中发生重叠，应使光纤光栅两两之间的中心反射波长间隔大于每个光纤光栅的最大带宽展宽量。同时，当四根光纤光栅的中心波长按一定值递增或递减时，便可实现带宽可调谐梳状滤波；当四根光纤光栅的中心波长不同，且相差值也不同时，又可实现四波长通道的带宽可调谐滤波器。在以上基础上，容易将该滤波器结构扩展到多波长通道的带宽可调谐滤波或波长间隔一定的梳状滤波。在实际应用中，可以按照需要选择不同中心反射波长的光纤光栅进行封装，以实现所需波长的带宽可调谐滤波。因此，本实用新型具有广泛的应用价值。
Claims (5)
1.一种基于多光纤光栅的多波长通道的带宽可调谐滤波器，其特征在于：包括光纤光栅(1)、聚合物(2)、三段金属套筒(3)和金属软管(4)；光纤光栅(1)同轴穿入三段金属套筒(3)之中，光纤光栅(1)与三段金属套筒(3)之间填充聚合物(2)，光纤光栅(1)两端与聚合物(2)衔接的界面套装用于保护光纤光栅尾纤的金属软管(4)；所述两段金属套筒(3)的内径为16～20mm，长度为15mm，相距10mm；所述光纤光栅采用4个相互串联的光纤光栅，两端的光纤光栅的栅区分别距聚合物的不同端面10～20mm。
2.根据权利要求1所述的基于多光纤光栅的多波长通道的带宽可调谐滤波器，其特征在于：所述的光纤光栅的栅区距聚合物一端的端面10～20mm。
3.根据权利要求1所述的基于多光纤光栅的多波长通道的带宽可调谐滤波器，其特征在于：所述四根光纤光栅的每两根光纤光栅之间的中心反射波长间隔大于每个光纤光栅的最大带宽展宽量。
4.根据权利要求1或2所述的任一种基于多光纤光栅的多波长通道的带宽可调谐滤波器，其特征在于：所述光纤光栅为折射率调制周期均匀的光纤布拉格光栅，其栅区长度为10mm，反射率大于90％。
5.根据权利要求1所述的基于多光纤光栅的多波长通道的带宽可调谐滤波器，其特征在于：所述聚合物为聚氨酯、丙烯酸酯或硅橡胶。
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|---|---|---|---|---|
| CN101907744A (zh) * | 2010-07-12 | 2010-12-08 | 西北工业大学 | 一种基于光纤光栅自啁啾效应实现带宽调谐的滤波器 |
| CN107167165A (zh) * | 2017-06-20 | 2017-09-15 | 中国人民解放军63729部队 | 地下建筑用光纤光栅传感器阵列及其防护装置和施工方法 |
| CN107632389A (zh) * | 2017-09-20 | 2018-01-26 | 濮阳光电产业技术研究院 | 一种基于光纤光栅的多波长微调计 |
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