中 国 激 光
CHINESEJOURNALOFLASERS Vol.38,No.5
,Ma2011y基于应变的多模光纤可调谐光纤滤波器设计
彭石军 刘亚南 薛金来 张安娜 张建中()哈尔滨工程大学理学院,黑龙江哈尔滨150001
摘要 可调谐光纤滤波器技术是波分复用系统的关键技术之一,对于发展全光通信网络和光纤传感具有极其重要/其制作方法是将包层/纤芯直径为1的意义。提出了一种基于大芯径的多模光纤可调谐带阻滤波器,25105μm的)特种多模光纤通过单模光纤接入光纤系统,实现单模-多模-单模(光纤结构,并使一端单模光纤与多模光纤熔SMS另一端只是共轴对接而不焊接。在多模干涉原理的基础上,利用该结构对应变的敏感性实现可调谐光滤波。接,
该可调谐滤波器的调制和解调借助于放大自发辐射(宽谱光源和光谱分析仪(实现。详细给出了该滤ASE)OSA)波器的理论仿真分析,并实验证实了该方案的有效性。
关键词 光纤光学;波分复用;大芯径多模光纤;可调谐光纤滤波器
:/中图分类号 O436;TN929.11 文献标识码 A doi10.3788CJL201138.0505004
DesinofMultiodeFiberTunableOticalFilterBasedonStrain -M gp
PenShiuniuYa′nanueJinlaihanAnnahanJianzhon L X Z Zgjggg
(DeartmentoPhsics,Harbin EnineerinUniversitHarbin,Heilonian150001,China) pfyggy,gjg
Abstractthasbeenknownthattunableoticalfiltertechnoloisoneofthemostcriticaltechniuesfor I pgyq
,wavelenthdivisionmultilex(WDM)andthetunableoticalfiberfiltertechniueisextremelimortantforthe- gppqyp develomentofalloticalnetworksandfiberoticsensors.Anewtunablebandreectionoticalfilterbasedonlare - - - pppjpg
)mdiametermultimodeoticalfiberisroected.Thefilterisrealizedbasinleultisinle(SMSodefibercore- -m- ppjygg ,w//structurehichiscomosedofamultimodefiberwiththecladdincorediameterof125105μmandotical pgp
,wstandardsinlemodefiberiththeendinterfacenotweldintoether.Basedonthemultimodeinterference ggg
,rincilethestructureimlementesthefilterinbuseofthestructuresensitivetothestress.Abroadbandsource pppgy isamlifiedsontaneousemission(ASE)andanoticalsectrumanalzerareusedtomonitorthetransmissionwhich ppppyivenrovesectrum.ExerimentalandsimulationresultsaretothefeasibilitoftheimrovedSMSstructure. gpppyp
;;;Kewordsfiberoticswavelenthdivisionmultilexlarecorediametermultimodefibertunableoticalfiberfilter - pgpgpy
OCIScodes60.2430;060.2280;060.4510;350.2460 0
1 引 言
随着光纤通信技术和光纤传感技术的快速发展,波分复用(技术被更广泛地使用,而光纤WDM)滤波器是波分复用器的关键器件之一,因此可调谐光滤波技术也成为WDM的一项关键技术。在光通信中,可调谐光滤波器作为动态和可重构的被广泛用作光的上下路复用WDM系统交换元件,
;收到修改稿日期:2011020720110306 收稿日期:----器。在光纤传感网络中,可调谐滤波器可用作信号解调等,发挥着极其重要的作WDM的解复用、
可调谐光滤波器还在光纤放大器中的信用。另外,
号滤波器、光纤激光器及频谱分析仪中有重要应用。实现光纤滤波的方法有很多,目前已经设计出了多种光纤滤波器结构,根据实现滤波的原理可将其分)为以下几类:基于耦合器结构原理的光纤滤波器,1
)、、基金项目:国家自然科学基金(黑龙江省自然科学基金(哈尔滨工程大学高校基础科研60907034,61077063LC08C02))、基金(和哈尔滨工程大学高层次创新人才国际20101104,L201011022011~2013哈尔滨市留学回国基金(2011RFLXG004)交流项目资助课题。
,:作者简介:彭石军(男,硕士研究生,主要从事光纤传感方面的研究。E-m1985—)ailenshiun2010@yahoo.com.cnpgj,导师简介:张建中(男,博士,副教授,主要从事光纤智能结构方面的研究。1978—):E-mailzhanianzhonrbeu.edu.cn@hgjg
05050041-中 国 激 光
如抛光非平衡光纤耦合器、级联熔锥光纤耦合器、非
1]
等;基于光栅原理的光纤对称双芯光纤耦合器[2)2]
滤波器,如光纤布拉格光栅(滤波器[和长周FBG)3]
,期光栅(滤波器[另外还有基于啁啾相移光LPG)4,5]
、纤光栅滤波器[倾斜莫尔布拉格光纤光栅滤波6]
)器[等;基于光纤干涉仪的光纤滤波器,如基于法3
的注意。然而这种SMS光纤结构的带通滤波器可通过应变的调节,只能实现调谐滤波动态范围小,
本文提出了一种新2nm以内的可调谐滤波。因此,
颖的、可调谐范围大的、基于应变的多模光纤(带阻滤波器。MMF)
布里-珀罗(干涉仪、非平衡马赫-曾德尔干涉FP)-7]
仪[和迈克耳孙干涉仪等光纤滤波器;基于声光4)8]调制机制的声光滤波器[等。
2 多模光纤带阻滤波器实施方案与
原理
[0]
早在2就报道004年,W.S.Mohammed等1
虽然现有的光纤滤波器种类繁多,但是很多滤结构复杂,导致滤波器的制作波器加工工艺难度大、
成本较高。如FBG滤波器有40nm宽的可调谐滤波范围,但是依赖于拉伸或压缩,这样又不能使其长期处于拉伸或压缩状态;LPG滤波器也有较宽可调谐滤波范围,但是需要在光纤上写光栅,提高了成本;在线F也有很好的调谐P滤波器已经商业化,-范围,但是价格昂贵。2006年,W.S.Mohammed
9]
等[提出了一种基于单模-多模-单模(光纤结SMS)
了基于多模干涉效应的波长可调谐光纤镜的研究工作,尤其是对SMS光纤结构的模式传输和多模干涉原理进行了较详细的叙述。研究者将普通单模光纤(与多模光纤对接在一起,通过改变入射波长SMF)
发现入射波长和聚焦点使轴向聚焦位置发生变化,
位置呈线性关系,并通过实验验证了这一线性关系。随后,不少研究人员利用自成像效应和多模干涉效应,对这种SMS光纤结构进行了更进一步的研究。
[]
2006年,W.S.Mohammed等9在前人的基础上,将S研制出了全光纤带通MS光纤依次熔接,
构的新型全光纤带通滤波器。这种全光纤的带通滤制作方便,成本低廉,吸引了同行波器因结构简单,
滤波器,该滤波器结构如图1所示。
图1全光纤多模干涉带通滤波器结构
Fi.1Structureofallfibermultimodeinterferencebandassfilter - -p g
而插3dB对应的带宽约50nm, 这种滤波器1
多模光纤长仅6c便于封装,入损耗只有0.4dB;m,其中心波长位于1正好是在通信窗550nm附近,口,这使其在通信领域有很好的应用前景。此后,
[11]
又对这种结构做了更细致、更精确Q.Wang等
的研究,并提出了一种简单的光谱响应分析方法,根
从而实现了光滤波功能。
[,0]
从理论和实验两方W.S.Mohammed等91
面研究了多模光纤的长度、单模和多模光纤的几何
尺寸等因素对滤波器的中心波长、带宽等的影响,其理论分析与实验结果相符合。从他们的研究成果可知,滤波器的带宽由多模光纤纤芯尺寸决定,半径越小,带宽越宽;可以通过控制多模光纤的长度控制滤波器中心波长的位置。
尽管这种滤波器带宽和中心波长可以通过调整多模光纤的参数来控制,但是调节的范围有限而且很不方便,因此本文提出了一种基于应变效应的多模光纤可调谐滤波器,结构如图2所示。
该可调谐多模光纤滤波器基本结构还是由滤波原理也是基于多模干涉和自成SMS光纤组成,
像效应。不同的是将第一根单模与多模光纤熔接而第二根单模光纤只跟多模光纤对接而不焊接,上,
结构外部套上毛细管,并在内部填充匹配液。这样当第二根单模光纤受到一定的应力时,多模光纤和
]中的方法分析可知,对两根相同的单模光据文献[9纤而言,总耦合效率定义为
M-1M-1
[(,axiz]珔a珔epk)j-η=∑∑ββ2*2
jk()1
j=0k=0
式中aak分别表示第j阶模式和第k阶模式的激j,
励系数,k分别表示第j阶模式和第k阶模式的j,ββ)式可知,传输常数,由(改变多M为总的模式数。1模光纤的长度,耦合效率也随之改变。因此,优化多模光纤长度,可以使耦合效率最大,此时在多模光纤的端面上的场分布恰好是入射场的像。同时要求幅角θ必须是2而幅角条件依赖于入射光π的整数倍,波长。当不满足此条件时,有效耦合效率将会下降,
05050042-彭石军等: 基于应变的多模光纤可调谐光纤滤波器设计
/8.5nm的可调谐滤波范围和-0.0388nmm的μ
中心波长随距离变化的响应度。为了得到最大的可调谐滤波范围,仿真了采用不同长度的多模光纤时可调谐滤波的情况,仿真结果如图6所示。从图6可知,在多模光纤长4.2cm左右可以得到最大的可
图2基于应变的可调谐多模光纤滤波器Fi.2Strainbasedtunablemultimodefiberfilter g
调谐滤波范围。因此,可以预期,选取长度合适的多模光纤以及合适的匹配液,这种滤波器是可行的。
单模光纤两端面之间的距离就会改变,使滤波器中心波长的位置发生变化,从而实现光滤波的功能。
3 多模光纤带阻滤波器仿真与实验
首先利用Beamropp软件的光束传播法对这种新型的光纤滤波结构进行了仿真。仿真时以多模光纤的长度取1.55μm波长的入射光入射,
单模-多模光纤的空隙中填充匹配液,折射4.8cm,率为1.仿真结果如图3所示。从图3可知,多442,而且在多模光纤模干涉不仅仅在多模光纤内发生,
和单模光纤端面之间的空隙处发生,出现明暗相间的点,即多模干涉的加强或减弱点。这些干涉加强或减弱的点直接关系到出射光的强弱,如果干涉加则出射光较强;反强的点刚好被出射单模光纤接收,
之,则出射光较弱。因此,只要改变多模光纤和单模光纤之间的距离,多模干涉的位置就会随之改变,并使输出光的强度也随之变化,从而实现滤波。以不就可以得到该滤波器的透射谱,干涉同的波长入射,
再改变单模-多光强极弱处对应的波长为中心波长;
模光纤两端面之间的距离,就可以仿真得到一系列仿真结果如图4所示,在该仿真中多模光的透射谱,
纤长度为5.随着单模-多模2cm。从图4可以看出,光纤两端面之间距离的增大,透射谱向短波长方向漂移。图5更清晰地反映了该滤波器中心波长同单模-多模光纤端面距离之间的线性关系,并得到了
图5中心波长同单模-多模光纤之间距离的关系Fi.5Linearrelationshiofcenterwavelenthandthe gpg
distancebetweenSMFandMMF
图4单模-多模光纤端面间不同间距下滤波器的透射谱Fi.4Transmissionsectrawhenthedistancebetween gp
andMMFisdifferentSMF
图3单模-多模光纤端面间距100μm时的传输场分布Fi.3Transmittedoticalfielddistributionwhenthethe gp
distancebetweensinlemodeandmultimodefiber gis100μm
05050043-图6多模光纤长度不同时中心波长的最大漂移Fi.6Maxshiftofthecenterwavelenthwhenthe gg
lenthofMMFisdifferent g
中 国 激 光
通过实 为了更进一步说明该滤波器的可行性,
验对这种滤波器进行了测试。实验时调制和解调设备选用的是放大自发辐射(宽谱光源和光谱分ASE),析仪(将滤波器的输入端与A输出OSA)SE相连,端与OSA相连接。将图2所示的滤波器架在微位移调整架上,多模光纤的长度为4.旋转螺旋7cm,测微仪,改变多模光纤和单模光纤端面之间的距离,观察透射谱的变化情况,实验结果如图7,8所示。
谐范围可达10.5nm。由于该滤波器一端的单模光而且纤跟多模光纤是对接而不是熔融焊接在一起,两者之间填充了匹配液,从而导致该带阻滤波器的插入损耗比较大,实验测得的损耗达10dB以上。但是可以通过优化多模光纤长度和芯径等参数以降低插入损耗。
需要指出的是,基于SMS光纤结构的透射谱还会随着环境温度升高而向长波长方向漂移。对该结构的温度响应进行了测试,实验结果为/℃。另外,这种滤波器在应用时需避免-44.8pm
产生弯曲,因为弯曲将使滤波结果产生较强烈的变化。
4 结 论
开展了基于应变效应的多模光纤可调谐滤波器的研究,提出了一种动态范围大、精度高的光纤滤波
图7透射谱随单模光纤和多模光纤两端面之间
距离的改变而发生的变化
Fi.7Transmissionsectraofthefilterwhenthe gpdistancebetweenSMFandMMFisdifferent
可调谐滤方案。实验得到了3dB带宽约4.3nm,波范围达5n理论分析和实m的多模光纤滤波器,验结果都证明了该方案的有效性和可行性。目前的结果只是阶段性成果,而且都是在实验室环境下完有些地方还有待改进,譬如封装的问题还有待成的,
进行更进一步的研究。
参
考
文
献
图8中心波长随单模光纤和多模光纤两端面之间
距离变化的线性关系
Fi.8Linearrelationshiofcenterwavelenthandthe gpg
distancebetweenSMFandMMF
从图7可以看出,SMS结构的透射谱随多模光纤和单模光纤端面之间的距离改变而发生漂移,而且随着间距的增大,透射谱向短波长方向漂移,实验结果同仿真结果完全一致,而且3dB对应的带阻滤波带宽约4.3nm。图8更清楚地反映出滤波器的中心波长同两光纤端面之间距离的线性关系,根据图8中的拟合曲线,可知该滤波器的可调谐范围约为5n随单模光纤和多模光纤之间距离变化的调m,/谐率约为-0.同仿真分析的结果比较029nmm,μ
接近。而且滤波器的可调谐范围可以通过优化多模光纤的长度得以改善,由仿真分析结果知最大可调
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