CN201984180U - 光纤法布里-珀罗可调滤波器 - Google Patents

光纤法布里-珀罗可调滤波器 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种光纤法布里-珀罗可调滤波器，包括输入光纤和输出光纤，输入光纤和输出光纤的端面平行相对，并且构成谐振腔，其特征在于：由输入光纤和输出光纤构成的谐振腔内设有压电陶瓷，输入光纤和输出光纤平行相对的端面上连接GRIN透镜。所述输入光纤和输出光纤为单模光纤。本实用新型的有益效果为：由于输入光纤及输出光纤均采用单模光纤，并在输入和输出光线的端面连接GRIN透镜，反射镜在GRIN透镜的相对端面上。这可以保障即使输入光纤的端面与输出光纤的端面间距较大时光的耦合损失也非常小，从而大大的扩展了可调滤波器的调谐范围。

Description

光纤法布里-珀罗可调滤波器
技术领域
本实用新型涉及一种光纤法布里-珀罗（Fabry-Perot）可调滤波器。
背景技术
随着互联网的发展，人们对光纤通讯系统的容量以及光纤通讯系统的传送速度提出越来越高的要求。在光纤通讯系统中，需要对传输光信号的波长,功率及信噪比进行实时测量。可调谐的光纤滤波器是测量系统中的一个关键器件。可调谐光纤滤波器的工作原理是利用共振效应，只让宽带光源发出的光中特定波长的光在光纤中低损耗地传送，而其他波长的光尽可能多地滤除。
在光纤传感器的解调系统中, 可调谐的光纤滤波器用于鉴别返回信号的波长变化。是光纤传感器解调系统的核心器件。
现有的一种光纤法布里-珀罗（Fabry-Perot）滤波器由两根单模光纤构成，如图1所示，在单模光纤平行相对的端面镀有反射膜，当光线从一个单模光纤出射之后，由于光的发散角度是由光线的数字孔径（NA：Numeral Aperture）决定的，一般的单模光纤的NA≈0.13，所以从光纤出射的光几乎按大约15°的发散角发散。从一个光纤而进入另一个光纤的光的损失随着两根光纤间隔的增大而急剧增大。这样，这种光纤法布里-珀罗（Fabry-Perot）滤波器的间隔不能做得很大，自由光谱区的变化受到限制。从而调谐范围受到限制。
为了克服解决上述问题，减小光纤之间耦合的损失，另一种可调滤波器的结构如图2所示，在这种结构中，在两个高反射镜之间放入了一个由单模光纤构成的两端平行且镀有抗反膜（AR）的光纤波导（Fiber Wafer）。这样，当光线从一根光纤出来之后，进入光纤波导，再从光纤波导进入第二根光纤，从而减少了光在自由空间中传播的发散损失。但是，制作这样的一个只有几um到几mm的光纤波导，并把它与光纤滤波器的两个光纤对准和连接，不是一件容易的事，费时费工，大大增加了其制作成本。
另一种克服光纤耦合损失的光纤滤波器的结构如图3所示，将单模光纤与一段多模光纤熔接，或将单模光纤的末端作热扩芯，由于热扩芯光纤具有较大的模场直径及较大的数字孔径（NA），从而出射光的发散度和准直性均比单模光纤好，光的耦合损失也减小，但是，将单模光纤与多模光纤熔接，或直接将单模光纤扩芯，在工艺操作上有一定难度，扩芯后的光纤直径和迭取长度的精度不易保障，成品率受到限制。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种光纤法布里-珀罗（Fabry-Perot）可调滤波器，克服现有产品中上述方面的不足。
本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现：
一种光纤法布里-珀罗（Fabry-Perot）可调滤波器，包括输入光纤和输出光纤，由输入光纤和输出光纤构成的所述谐振腔内设有压电陶瓷，输入光纤和输出光纤平行相对的端面上连接自聚焦（GRIN）透镜。GRIN透镜的表面贴有或镀有宽带高反膜层。两反射镜相互平行构成谐振腔。
所述输入光纤和输出光纤为单模光纤。
所述输入光纤和输出光纤的端面经过抛光处理并连接自聚焦（GRIN）透镜。
所述自聚焦（GRIN）的长度为0.25周期或0.23周期。
高反射膜的反射率在99.0%-99.9%之间。
本实用新型的有益效果为：
1、由于输入光纤及输出光纤均采用了单模光纤，在输入和输出光纤的端面连接自聚焦（GRIN）透镜，光线从GRIN透镜出来后，几乎成为平行光线，发散度小，从而可以保障即使输入光纤的端面与输出光纤的端面间距较大，光的耦合损失也非常小。
2、由于自聚焦（GRIN）透镜可以使输入光纤的端面与输出光纤的端面间距较大，从而光纤法布里-珀罗（Fabry-Perot）可调滤波器的自由光谱区（FSR）的调谐范围大大增加。
3、GRIN透镜端面上镀上反射率较高的高反膜后，输入光纤射出的光在谐振腔内获得充分的反射，再加上长间距形成的小自由光谱区（FSR），例如~1GHz, 这种可调滤波器可以获得锐度更高的光谱。可用于精细光谱~1pm的分析。
附图说明
下面根据附图对本实用新型作进一步详细说明。
图1是现有技术中的一种滤波器的结构示意图；
图2是现有技术中另一种滤波器的结构示意图；
图3是现有技术中另一种滤波器的结构示意图；
图4是本实用新型实施例所述的光纤法布里-珀罗（Fabry-Perot）可调滤波器中实施例一的结构示意图；
图5是本实用新型实施例所述的光纤法布里-珀罗（Fabry-Perot）可调滤波器中实施例二的结构示意图；
图6是本实用新型实施例所述的光纤法布里-珀罗（Fabry-Perot）可调滤波器的自由光谱区图；
图7是本实用新型实施例所述的光纤法布里-珀罗（Fabry-Perot）可调滤波器中的GRIN透镜，光线在里面周期性的发散和聚焦示意图。
图中：
1、输入光纤；2、输出光纤；3、压电陶瓷；4、GRIN透镜；5、反射镜；6、高反射膜；7、GRIN透镜波导。
具体实施方式
实施例一
如图4所示，本实用新型实施例所述的一种光纤法布里-珀罗（Fabry-Perot）可调滤波器，包括输入光纤1和输出光纤2，输入光纤1和输出光纤2为单模光纤，输入光纤1和输出光纤2的端面平行相对, 由输入光纤1和输出光纤2构成的谐振腔内设有压电陶瓷3，所述输入光纤1和输出光纤2的端面经过抛光处理，并连接Grin 透镜4，在Grin 透镜4的上面贴有高反镜5，通过改变压电陶瓷3上的电压从而调节两个反射镜之间的间隔达到调节透射光的位置，输入光纤1和输出光纤2平行相对的端面上连接两个0.25T（周期）的GRIN透镜4后，光线在两个高反镜之间就成为几乎完全平行的光束，即便是两个反射镜之间的距离达到很大值，自由光谱区小到GHz的数量级，光的耦合损失也非常小；GRIN透镜的长度也可以减小为0.23T（周期），这样单模光纤的端面可以离开一点不碰到GRIN透镜的端面，更可以通过调节他们之间的距离而调节光束的发散度。
实施例二
如图5所示，本实用新型实施例所述的一种光纤法布里-珀罗（Fabry-Perot）可调滤波器，包括输入光纤1和输出光纤2，输入光纤1和输出光纤2为单模光纤，输入光纤1和输出光纤2的端面平行相对，并且构成谐振腔，由输入光纤1和输出光纤2构成的谐振腔内设有压电陶瓷3，所述输入光纤1和输出光纤2的端面经过抛光处理，并连接Grin 透镜4，在Grin 透镜4的上面直接镀有高反膜6，高反射膜6的反射率在99.0%-99.9%之间，通过改变压电陶瓷3上的电压从而调节两个高反射膜6之间的间隔达到调节透射光的位置，输入光纤1和输出光纤2平行相对的端面上连接两个0.25T（周期）的GRIN透镜4后，光线在两个高反射膜6之间就成为几乎完全平行的光束，即便是两个高反射膜6之间的距离达到很大值，自由光谱区小到GHz的数量级，光的耦合损失也非常小；GRIN透镜的长度也可以减小为0.23 T（周期），这样单模光纤的端面可以离开一点不碰到GRIN透镜的端面，更可以通过调节它们之间的距离而调节光束的发散度。
光纤滤波器是由单模光纤构成，光纤的相对端面研磨成高质量的表面，反射镜的两个表面对准成一个完全平行的谐振腔，称之为Fabry-Perot Etalon。这种谐振腔有波长选择功能，而当一束宽带光束入射到此谐振腔中时，只有一些特殊波长的光才能透过谐振腔，从另一根光线出射，而其它波长的光皆被谐振腔排斥掉，如图6所示，透过率与透过率之间的波长间隔称之为自由光谱区，（FSR：Free Spectrum Range）:
Figure 2011200611810100002DEST_PATH_IMAGE001
                                 (1)
自由光谱区的大小主要由两个反射镜之间的距离d和其间介质的折射率n决定的. （1），式中：λ为波长，对于空气介质，n=1，自由光谱区则可以表示为:
FSR=λ2/2d                               （2）
改变间距d就可以改变FSR的大小，也就是可以改变透过率的位置。
压电陶瓷（PZT）被用来微调两个反射镜之间的距离；当加上一个锯齿电压在压电陶瓷上时，就可以是透过率的不断的扫描，成为可调的Fabry-Perot Etalon滤波器。透过率的半极之间的全宽BW（Band Width）与自由光谱区之比可以近似标示为:
FSR/BW=F                                     （3）
F是个常数，被称之为锐度（Finesse），它主要由反射膜层的反射率R决定：
                                  （4）
不同反射率决定不同的锐度，对于具有特定反射率的光纤Fabry-Perot滤波器，自由光谱区的与透过率线宽之比是一定的，所以这两个量不能独立选取。
本发明的每个单模光纤与反射镜之间加入一种特殊的，被称之为Grin Lens的圆柱形透镜，GRIN透镜是一种特殊透镜，其折射率分布按径向变化：
                                      （5）
式中n0为轴线上的折射率，nr离开轴线r处的折射率，A为正数。光线沿着GRIN透镜传播时，会周期性的聚焦和发散，如图7所示，对于一个0.25 T（周期）长的GRIN透镜，则一个发散点光源发出的光线在出射端就变成一个平行光束，如图7所示，这样，当光纤滤波器中加入两个0.25T（周期）的GRIN透镜之后，光线在两个高反镜之间就成为几乎完全平行的光束，即便是两个高反镜之间距离d达到很大值，自由光谱区小到GHz的数量级，光的耦合损失也非常小；在自由光谱区可以很小的情况下，对于一定的F值，如前式所示，透过率的线宽BW可以小到~pm的数量级，这种光纤滤波器可用于测量高分辨率光谱。

Claims (6)

1.一种光纤法布里-珀罗可调滤波器，包括输入光纤（1）和输出光纤（2），输入光纤（1）和输出光纤（2）的端面平行相对并构成谐振腔，其特征在于：由输入光纤（1）和输出光纤（2）构成的所述谐振腔内设有压电陶瓷（3），输入光纤（1）和输出光纤（2）平行相对的端面上连接GRIN透镜（4）。
2.根据权利要求1所述的光纤法布里-珀罗可调滤波器，其特征在于：所述输入光纤（1）和输出光纤（2）为单模光纤。
3.根据权利要求1或2所述的光纤法布里-珀罗可调滤波器，其特征在于：所述输入光纤（1）和输出光纤（2）的端面经过抛光处理并连接GRIN透镜（4）。
4.根据权利要求3所述的光纤法布里-珀罗可调滤波器，其特征在于：所述GRIN透镜（4）连接反射镜（5）或镀有高反射膜（6）。
5.根据权利要求3所述的光纤法布里-珀罗可调滤波器，其特征在于：所述GRIN透镜（4）的长度为0.25周期或0.23周期。
6.根据权利要求3所述的光纤法布里-珀罗可调滤波器，其特征在于：所述高反射膜（6）的反射率在99.0%-99.9%之间。
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