專利名稱：一種基于光纖光柵環(huán)鏡的可調(diào)諧光纖濾波器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光纖濾波器，屬于光纖傳感及光纖通信技術領域。
背景技術：
光纖濾波器是波分復用光通信系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)中基本的關鍵器件之一。利用光纖濾波器的波長選擇特性，可以進行激光模式選擇來研制光纖激光器；可以通過多信道實現(xiàn)多波長信號波分復用；也可以進行濾波，提取有用傳感器信號等。如(狄俊安，周贏武，一種新型的窄線寬光纖濾波器特性的研究，福建工程學院學報，8，2010)提出的由一個高雙折射光纖環(huán)嵌套于^gnac環(huán)鏡構成的窄線寬光纖濾波器，實現(xiàn)了 0. 015nm范圍的窄帶寬濾波特性。(涂興華，劉逢清，徐寧，非連續(xù)線性啁啾取樣布拉格光柵型多信道光纖濾波器的設計， 光學精密工程，18，2010)提出了一種基于取樣布拉格光纖光柵的梳狀濾波器，在Ilnm的寬度范圍內(nèi)具有沈個信道，3dB信道帶寬為0. 18nm。然而，上述方法一旦濾波器結構設計好后，濾波特性就是固定的，限制了其應用范圍，不具靈活性。因而，目前具有通帶位置可調(diào)諧、信道間隔可調(diào)諧的光纖濾波器，正受到科研工作者的青睞，也是工程實際中急需解決的關鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服已有技術的不足之處、提出一種實用可靠、設計靈活、濾波特性可方便調(diào)諧的光纖濾波器。本發(fā)明提出了一種基于光纖光柵環(huán)鏡的可調(diào)諧光纖濾波器，包括嵌有光纖光柵的 Mgnac環(huán)鏡及調(diào)諧方法。其特征在于，包括以下內(nèi)容1. 一種基于光纖光柵環(huán)鏡的可調(diào)諧光纖濾波器，包括寬帶光源，光纖耦合器，光纖鏈路，由上臂光纖、下臂光纖和光纖光柵構成的光纖環(huán)鏡，懸臂梁單元，電磁線圈驅(qū)動單元， 微位移驅(qū)動單元及光電探測器，其特征在于所述的懸臂梁單元包括有機玻璃材料制成的等腰三角形等厚懸臂梁和安裝在懸臂梁自由端的永久磁鐵。2.按照權利要求1所述的可調(diào)諧光纖濾波器中的光纖鏈路，其特征在于所述的光纖鏈路為連接寬帶光源輸出端的光纖與一個2X2光纖耦合器的端口 21相連，光纖耦合器的端口 23與光纖環(huán)鏡中的上臂光纖相連，上臂光纖的另一端與光纖光柵相連，光纖光柵的另一端與下臂光纖相連，下臂光纖的另一端與光纖耦合器端口 M相連，光纖耦合器的端口 22通過光纖與光電探測器相連；形成“環(huán)形”光纖鏈路結構。3.按照權利要求1所述的可調(diào)諧光纖濾波器中的光纖環(huán)鏡，其特征在于所述的光纖環(huán)鏡中的上臂光纖、下臂光纖和光纖光柵都是同種石英材料、包層/纖芯直徑都是 125 μ m/9 μ m的單模光纖；上臂光纖和下臂光纖的初始長度也相同。4.按照權利要求1所述的可調(diào)諧光纖濾波器，其特征在于所述的電磁線圈驅(qū)動單元包括電磁線圈和給電磁線圈通電的驅(qū)動電路；電磁線圈的中軸線與懸臂梁自由端的永久磁鐵的中心在一條水平線上，當電磁線圈通入驅(qū)動電流時，產(chǎn)生的電磁力將吸引或者排斥永久磁鐵，致使懸臂梁的自由端發(fā)生彎曲。5.按照權利要求1所述的可調(diào)諧光纖濾波器，其特征在于所述的光纖光柵沿中心線粘貼在有機玻璃材料制成的懸臂梁的表面；在電磁線圈驅(qū)動單元產(chǎn)生的電磁力的作用下，懸臂梁將發(fā)生彎曲變形，使得光纖光柵受應力作用，從而使得光纖光柵的反射光譜發(fā)生移動，達到濾波器通帶位置可調(diào)諧的目的。6.按照權利要求1所述的可調(diào)諧光纖濾波器，其特征在于所述的光纖環(huán)鏡的下臂光纖粘貼在微位移驅(qū)動單元中的微位移發(fā)生器表面上，當微位移驅(qū)動單元中的驅(qū)動電壓施加在微位移發(fā)生器上時，微位移發(fā)生器將依據(jù)電致伸縮原理而被伸長，帶動粘貼在其上面的下臂光纖被伸長，由于上臂光纖和下臂光纖產(chǎn)生了長度差而使得濾波器通帶內(nèi)信道個數(shù)發(fā)生變化，達到濾波器信道寬度可調(diào)諧的梳狀濾波效果。7.按照權利要求6所述的微位移發(fā)生器，其特征在于微位移發(fā)生器由壓電陶瓷材料構成。本發(fā)明具有如下技術特點①通過調(diào)整電磁線圈驅(qū)動電流的大小，可以實現(xiàn)光纖濾波器通帶位置的調(diào)諧；②通過調(diào)整微位移發(fā)生器的驅(qū)動電壓的大小，可以實現(xiàn)光纖濾波器通帶內(nèi)信道個數(shù)和信道間隔的調(diào)諧。


圖1為本發(fā)明提供的基于光纖光柵的可調(diào)諧光纖濾波器系統(tǒng)結構示意圖。圖2為利用本發(fā)明實現(xiàn)的驅(qū)動電流與光纖光柵反射光譜的變化關系曲線。圖3為利用本發(fā)明實現(xiàn)的濾波通帶位置的調(diào)諧結果。圖4為利用本發(fā)明實現(xiàn)的通帶內(nèi)信道間隔的調(diào)諧結果。
具體實施例方式本發(fā)明提出了一種基于光纖光柵環(huán)鏡的可調(diào)諧光纖濾波器，包括嵌有光纖光柵的 Sagnac環(huán)鏡及調(diào)諧方法，結合

如下圖1為本發(fā)明提供的基于光纖光柵的可調(diào)諧光纖濾波器系統(tǒng)結構示意圖，包括寬帶光源，光纖耦合器，光纖鏈路，由上臂光纖、下臂光纖和光纖光柵構成的光纖環(huán)鏡，懸臂梁單元，電磁線圈驅(qū)動單元，微位移驅(qū)動單元及光電探測器。懸臂梁單元包括等腰三角形等厚懸臂梁和安裝在懸臂梁自由端的永久磁鐵。連接寬帶光源輸出端的光纖與一個2X2光纖耦合器的端口 21相連，光纖耦合器的端口 23與光纖環(huán)鏡中的上臂光纖相連，上臂光纖的另一端與光纖光柵相連，光纖光柵的另一端與下臂光纖相連，下臂光纖的另一端與光纖耦合器端口 M相連，光纖耦合器的端口 22通過光纖與光電探測器相連；形成“環(huán)形”光纖鏈路結構。光纖環(huán)鏡中的上臂光纖、下臂光纖和光纖光柵都是同種石英材料、包層/纖芯直徑都是125μπι/9μπι的單模光纖；上臂光纖和下臂光纖的初始長度也相同。電磁線圈驅(qū)動單元包括電磁線圈和給電磁線圈通電的驅(qū)動電路組成，電磁線圈的中軸線與懸臂梁自由端的永久磁鐵的中心在一條水平線上，當電磁線圈通入驅(qū)動電流時，產(chǎn)生的電磁力將吸引或者排斥永久磁鐵，致使懸臂梁的自由端發(fā)生彎曲。光纖光柵沿中心線粘貼在有機玻璃材料制成的懸臂梁的表面；在電磁線圈驅(qū)動單元產(chǎn)生的電磁力的作用下，懸臂梁將發(fā)生彎曲變形，使得光纖光柵受應力作用，從而使得光纖光柵的反射光譜發(fā)生移動，達到濾波器通帶位置可調(diào)諧的目的。光纖環(huán)鏡的下臂光纖粘貼在微位移驅(qū)動單元中的微位移發(fā)生器表面上，當微位移驅(qū)動單元中的驅(qū)動電壓施加在微位移發(fā)生器上時，微位移發(fā)生器將依據(jù)電致伸縮原理而被伸長，帶動粘貼在其上面的下臂光纖被伸長，由于上臂光纖和下臂光纖產(chǎn)生了長度差而使得濾波器通帶內(nèi)信道個數(shù)發(fā)生變化，達到濾波器信道間隔可調(diào)諧的梳狀濾波效果。微位移發(fā)生器由壓電陶瓷材料構成。含有光纖光柵的光纖濾波器的原理是寬帶光源發(fā)出的光通過光纖進入光纖耦合器的端口 21，經(jīng)過耦合器后分成從端口 23和端口 M按順時針和逆時針方向傳播的兩束光， 遇到光纖光柵后每路光波中滿足光纖光柵相位匹配條件的具有特定波長的那部分光都會被反射，最后在耦合器中疊加干涉，從光纖耦合器的端口 22可以觀察到透射波。利用傳輸矩陣法來進行一般性的理論計算和分析，在不考慮損耗的前提下，光纖耦合器和光在長度為Li的光纖中傳播時的傳輸矩陣可以分別表示為
-Ji-K jVZ jVZ y/\-K
^cpUfiLl) ο
0 cxpi-J^L,)
(1) 式中，K是光纖耦合器的耦合系數(shù)，LiG = 1,2)為光纖環(huán)鏡中上臂光纖和下臂光纖的長度，β為光纖中的模式傳播常數(shù)。一般應將光纖光柵分為很多小段，將每一小段視為均勻光纖光柵，然后把各小段的傳輸矩陣連乘，設各小段的長度為△ Ζ，其傳輸矩陣可寫為
cosh(/AZ) - j—sinh(/AZ)
r
j—sinh(^AZ) Y
κ
—sinh(/AZ) 7
σ
cosh(^AZ) + j—sinh(^AZ) Y
(2)其中i = W-σ2，κ和&分別為這一段光纖光柵上的交流和直流耦合系數(shù)。在一般情況下，這種結構的光纖環(huán)鏡沒有解析解，但是對于含有光纖光柵為均勻布拉格光柵時，可導出它的解析解來，它的透射率表達為
T =2 κ2 cosh2(^K2 -S2L^-S2
(3)
式中，AL = L1-LyLsS光纖光柵長，S為光纖光柵失調(diào)。從式(3)可以看出，在初始的時候，上臂光纖和下臂光纖的長度相同，則AL = 0， 此時，經(jīng)過光纖光柵反射的順時針和逆時針傳播的兩束反射光由于光程差相同，因而不產(chǎn)生干涉，則透射率正好是均勻布拉格光纖光柵的反射光譜。此時，在電磁線圈驅(qū)動單元產(chǎn)生的電磁力作用下，懸臂梁將發(fā)生彎曲變形，使得光纖光柵受應力作用，從而使得光纖光柵的反射光譜發(fā)生移動，也就是說光纖環(huán)鏡的透射譜也會發(fā)生移動，從而達到濾波器通帶位置可調(diào)諧的目的。根據(jù)電磁理論，電磁線圈驅(qū)動單元在驅(qū)動電流I的作用下產(chǎn)生的電磁力可表示為
1 M0S(NI)2 F ■■
(4)
2 V1 式中，l·^為真空中的磁導率，s為氣隙的橫截面面積，可簡化認為是電磁線圈橫截
5面積，n為氣隙減小的距離，N為線圈匝數(shù)。在根據(jù)材料力學原理，可以推導出懸臂梁在電磁力作用下產(chǎn)生的應變?yōu)?Γ π 6L.F
權利要求
1.一種基于光纖光柵環(huán)鏡的可調(diào)諧光纖濾波器，包括寬帶光源，光纖耦合器，光纖鏈路，由上臂光纖、下臂光纖和光纖光柵構成的光纖環(huán)鏡，懸臂梁單元，電磁線圈驅(qū)動單元，微位移驅(qū)動單元及光電探測器，其特征在于所述的懸臂梁單元包括有機玻璃材料制成的等腰三角形等厚懸臂梁和安裝在懸臂梁自由端的永久磁鐵。
2.按照權利要求1所述的可調(diào)諧光纖濾波器中的光纖鏈路，其特征在于所述的光纖鏈路為連接寬帶光源輸出端的光纖與一個2X2光纖耦合器的端口 21相連，光纖耦合器的端口 23與光纖環(huán)鏡中的上臂光纖相連，上臂光纖的另一端與光纖光柵相連，光纖光柵的另一端與下臂光纖相連，下臂光纖的另一端與光纖耦合器端口 M相連，光纖耦合器的端口 22 通過光纖與光電探測器相連；形成“環(huán)形”光纖鏈路結構。
3.按照權利要求1所述的可調(diào)諧光纖濾波器中的光纖環(huán)鏡，其特征在于所述的光纖環(huán)鏡中的上臂光纖、下臂光纖和光纖光柵都是同種石英材料、包層/纖芯直徑都是 125 μ m/9 μ m的單模光纖；上臂光纖和下臂光纖的初始長度也相同。
4.按照權利要求1所述的可調(diào)諧光纖濾波器，其特征在于所述的電磁線圈驅(qū)動單元包括電磁線圈和給電磁線圈通電的驅(qū)動電路；電磁線圈的中軸線與懸臂梁自由端的永久磁鐵的中心在一條水平線上，當電磁線圈通入驅(qū)動電流時，產(chǎn)生的電磁力將吸引或者排斥永久磁鐵，致使懸臂梁的自由端發(fā)生彎曲。
5.按照權利要求1所述的可調(diào)諧光纖濾波器，其特征在于所述的光纖光柵沿中心線粘貼在有機玻璃材料制成的懸臂梁的表面；在電磁線圈驅(qū)動單元產(chǎn)生的電磁力的作用下， 懸臂梁將發(fā)生彎曲變形，使得光纖光柵受應力作用，從而使得光纖光柵的反射光譜發(fā)生移動，達到濾波器通帶位置可調(diào)諧的目的。
6.按照權利要求1所述的可調(diào)諧光纖濾波器，其特征在于所述的光纖環(huán)鏡的下臂光纖粘貼在微位移驅(qū)動單元中的微位移發(fā)生器表面上，當微位移驅(qū)動單元中的驅(qū)動電壓施加在微位移發(fā)生器上時，微位移發(fā)生器將依據(jù)電致伸縮原理而被伸長，帶動粘貼在其上面的下臂光纖被伸長，由于上臂光纖和下臂光纖產(chǎn)生了長度差而使得濾波器通帶內(nèi)信道個數(shù)發(fā)生變化，達到濾波器信道寬度可調(diào)諧的梳狀濾波效果。
7.按照權利要求6所述的微位移發(fā)生器，其特征在于微位移發(fā)生器由壓電陶瓷材料構成。
全文摘要
一種基于光纖光柵環(huán)鏡的可調(diào)諧光纖濾波器，本發(fā)明屬于光纖器件及測量技術領域。由寬帶光源，光纖耦合器，光纖鏈路，由上臂光纖、下臂光纖和光纖光柵構成的光纖環(huán)鏡，懸臂梁單元，電磁線圈驅(qū)動單元，微位移驅(qū)動單元及光電探測器組成。其特點是光纖光柵沿中心線粘貼在懸臂梁表面，在電磁力的作用下，懸臂梁將發(fā)生彎曲變形，使光纖光柵受應力作用而發(fā)生反射光譜移動，達到濾波器通帶位置調(diào)諧的目的。光纖環(huán)鏡的下臂光纖粘貼在微位移發(fā)生器表面上，當施加驅(qū)動電壓時，將依據(jù)電致伸縮原理帶動粘貼在其上面的下臂光纖伸長，由于上臂光纖和下臂光纖產(chǎn)生了長度差而使得濾波器通帶內(nèi)信道個數(shù)發(fā)生變化，達到濾波器信道寬度可調(diào)諧的梳狀濾波效果。
文檔編號G02F1/01GK102162937SQ20111008770
公開日2011年8月24日 申請日期2011年4月8日 優(yōu)先權日2011年4月8日
發(fā)明者宋婷婷, 趙勇 申請人:東北大學