基于高雙折射光纖環(huán)鏡的可調(diào)諧光濾波器

吉正繼，武向農(nóng)，殷 業(yè)，肖 龍

基于高雙折射光纖環(huán)鏡的可調(diào)諧光濾波器

吉正繼，武向農(nóng)*，殷 業(yè)，肖 龍

（上海師范大學(xué)信息與機(jī)電工程學(xué)院，上海200234）

為了得到具有全光纖結(jié)構(gòu)和中心波長(zhǎng)可調(diào)諧的光濾波器，采用3階高雙折射光纖環(huán)鏡，提出了一種電磁力的懸臂調(diào)諧單元構(gòu)成的新型可調(diào)諧光濾波器，對(duì)環(huán)鏡傳輸過程和懸臂調(diào)諧單元原理進(jìn)行了理論分析，通過控制懸臂調(diào)諧單元的輸入電流，實(shí)現(xiàn)了濾波器通帶的調(diào)諧。結(jié)果表明，該濾波器具有調(diào)諧靈活、輸出光譜精細(xì)等特點(diǎn)，可應(yīng)用于不同波長(zhǎng)光波的選頻輸出。

光纖光學(xué)；高雙折射光纖；瓊斯矩陣；環(huán)鏡；懸臂調(diào)諧單元

引 言

由于在光纖傳感、光纖通信以及測(cè)量［1］等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，光學(xué)濾波器成為了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，已廣泛使用在光纖激光器和波分復(fù)用等系統(tǒng)中［2］。在波分復(fù)用系統(tǒng)中，為了得到不同波長(zhǎng)的復(fù)用光波信號(hào)，可采用可調(diào)諧的光濾波器，通過濾波器對(duì)激光器輸出光波的調(diào)諧濾波，得到不同波長(zhǎng)的光波輸出，極大地降低了系統(tǒng)成本。近年來人們提出了多種可調(diào)諧的光濾波器，主要有光纖光柵濾波器、Mach-Zehnder干涉濾波器、Fabry-Perot諧振腔濾波器、環(huán)鏡濾波器等［3-6］。最近，一種帶有保偏光纖的環(huán)鏡濾波器被提出［7］，它作為光梳狀濾波器有著性能穩(wěn)定、操作靈活等特點(diǎn)。而基于高雙折射光纖（high birefringence fiber，HBF）環(huán)鏡的光濾波器［8-9］還具有偏振無關(guān)、易調(diào)諧的優(yōu)點(diǎn)。高階的HBF環(huán)鏡濾波器使輸出光譜的通帶和精細(xì)度更好、調(diào)諧更加靈活，有著更好的濾波性能。

作者提出了一種基于3階HBF環(huán)鏡的新型可調(diào)諧光濾波器，利用懸臂調(diào)諧單元實(shí)現(xiàn)濾波器的可調(diào)諧性，可應(yīng)用于多種光波的濾波，具有應(yīng)用前景和研究意義。

1 模型與理論分析

3階HBF環(huán)鏡是由3個(gè)偏振控制器（polarization controller，PC）、3段HBF、1個(gè)3dB耦合器組合構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，θ1，θ2，θ3分別為光波通過3個(gè)PC后偏轉(zhuǎn)的角度，L1，L2，L3分別為3段HBF的長(zhǎng)度。

如圖1所示，在3階HBF環(huán)鏡中，光場(chǎng)矢量E1和E2（一般情況下E2＝0）為入射光，分別從端口1和端口2進(jìn)入到耦合器，經(jīng)耦合器分為相干光場(chǎng)E3和E4，它們分沿順時(shí)針和逆時(shí)針方向環(huán)路傳輸后變?yōu)楣鈭?chǎng)E3′和E4′，然后又返回耦合器經(jīng)耦合后從端口1反射輸出光場(chǎng)E1′、端口2透射輸出光場(chǎng)E2′。

Fig.1 Structure of the third-order HBF loop mirror

由HBF環(huán)鏡Jones矩陣分析理論［10］可得，3階HBF環(huán)鏡中PC、耦合器以及HBF的Jones矩陣分別為R（θ），Jc，J：

式中，θ為光場(chǎng)通過PC后偏轉(zhuǎn)的角度；k為耦合器的交叉功率耦合比（3dB耦合時(shí)k＝0.5）；φ為光場(chǎng)在HBF快慢軸上傳輸時(shí)產(chǎn)生的相位差，并且φ＝πΔnL／λ，L為HBF的長(zhǎng)度，Δn為HBF快慢軸的折射率差，λ為入射光的波長(zhǎng)；φ1，φ2和φ3為3段HBF的相位差。

運(yùn)用Jones矩陣對(duì)3階HBF環(huán)鏡的傳輸過程進(jìn)行理論分析，可得光場(chǎng)在環(huán)鏡中順時(shí)針和逆時(shí)針的傳輸矩陣分別為MCW和MCCW：

又得HBF環(huán)鏡的透射率T為［11］：

式中，*表共軛。則由以上公式可以計(jì)算出3階HBF環(huán)鏡的透射率T為：

本文中所設(shè)計(jì)的光濾波器是由圖1所示的3階HBF環(huán)鏡和基于電磁力的懸臂調(diào)諧單元構(gòu)成，在3段HBF上都加上此調(diào)諧單元。懸臂調(diào)諧單元由懸臂、永久磁鐵和電磁線圈構(gòu)成，將HBF緊貼在懸臂上，懸臂的一端固定著一個(gè)永久磁鐵，電磁線圈與永久磁鐵間隔一段距離平行放置，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

Fig.2 Structure of the cantilever tuning unit

在電磁線圈輸入端輸入電流，由于電磁力的產(chǎn)生，永久磁鐵將會(huì)被吸引或者排斥，最終在懸臂上產(chǎn)生應(yīng)力變化［12］，該應(yīng)力被HBF所接收，導(dǎo)致HBF快慢軸上的相位差發(fā)生變化，最后使得濾波器的通帶得到調(diào)諧。

根據(jù)電磁感應(yīng)理論，由輸入電流I而產(chǎn)生的電磁力大小為：式中，μ0為在真空中的導(dǎo)磁系數(shù)，S為電磁線圈交叉截面的面積，η為氣隙的距離，N為電磁線圈的圈數(shù)。

根據(jù)材料力學(xué)理論，由電磁力而產(chǎn)生在懸臂上的應(yīng)力ε可表示為：

式中，a為懸臂的長(zhǎng)度，b為懸臂的寬度，h為懸臂的厚度，E為懸臂的楊氏彈性模量。

當(dāng)HBF受到應(yīng)力時(shí)，其在快慢軸上產(chǎn)生的相位差將發(fā)生變化，相位差的變化Δφ為：

式中，L為HBF長(zhǎng)度，Δn為HBF折射率差，Pe為彈光系數(shù)。

2 數(shù)值仿真結(jié)果與討論

本文中所設(shè)計(jì)的光濾波器中的各器件參量設(shè)置如下：為使光濾波器輸出光譜邊模抑制比達(dá)到最佳，取3個(gè)PC的偏轉(zhuǎn)角度為θ＝θ＝，θ＝；仿真132發(fā)現(xiàn)，當(dāng)3段HBF長(zhǎng)度比為1∶2∶2時(shí)環(huán)鏡輸出光譜最好，所以取3段HBF長(zhǎng)度L1＝50mm，L2＝L3＝100mm；取HBF折射率差Δn＝0.0005。對(duì)于懸臂調(diào)諧單元，取導(dǎo)磁系數(shù)μ0＝4π×10－7H／m；懸臂的長(zhǎng)度a＝150mm、寬度b＝25mm、厚度h＝1mm；懸臂的楊氏彈性模量E＝3.15GPa；彈光系數(shù)Pe＝0.22；電磁線圈和永久磁鐵之間的氣隙距離η＝2mm；電磁線圈交叉截面的面積S＝78.5mm2；線圈的圈數(shù)N＝300。

當(dāng)電磁線圈未輸入電流（I＝0）時(shí)，調(diào)諧單元不工作，此時(shí)該濾波器的初始透射譜如圖3所示。

Fig.3 Transmission spectra of the filter when I＝0

由圖3可知，該濾波器的透射譜在1557.5nm，1562.5nm和1567.5nm處取得峰值，峰值間隔將近5nm，3dB帶寬約為0.2nm，旁瓣只達(dá)到0.25nm，因此很適合作窄帶濾波器。從圖中看出，該濾波器可以濾出1557.5nm，1562.5nm和1567.5nm處波長(zhǎng)的光波，有著良好的濾波效果。

固定輸入光波波長(zhǎng)λ＝1562.5nm，當(dāng)在電磁線圈中輸入電流時(shí)，3段HBF的相位差變化Δφ隨輸入電流I的變化曲線見圖4。

Fig.4 Change of phase differenceΔφversus input current I

如圖4所示，隨著電磁線圈輸入電流的變化，HBF的相位差隨之發(fā)生改變。最終可引起濾波器的透射光譜產(chǎn)生移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)濾波器通帶的調(diào)諧。在前面的參量設(shè)置和理論計(jì)算基礎(chǔ)上，設(shè)定輸入電流，可得不同輸入電流時(shí)濾波器的透射譜如圖5所示。

Fig.5 Transmission spectra of the filter due to different input current

由圖5可知，在電磁線圈中輸入電流后，濾波器透射譜發(fā)生了移動(dòng)，波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的峰值處也得到調(diào)諧。兩種調(diào)諧狀態(tài)透射譜所對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)約為1558nm，1563.5nm，1569nm和1559.5nm，1564.5nm，1569.5nm，透射譜峰值間隔均達(dá)到了5nm以上，3dB帶寬小于0.2nm，旁瓣幅度小于0.3nm。則可得兩種調(diào)諧狀態(tài)時(shí)的濾波器都有著很好的窄帶濾波效果，均能有效地濾出對(duì)應(yīng)峰值處波長(zhǎng)的光波。

改變3段HBF上各調(diào)諧單元的輸入電流，有著很多種不同的組合方式，可實(shí)現(xiàn)濾波器通帶靈活的調(diào)諧，應(yīng)用于不同光波要求的窄帶濾波，且由于是高階的環(huán)鏡濾波器，濾波器輸出光譜都很精細(xì)，有著良好的濾波效果。

3 結(jié) 論

基于HBF環(huán)鏡的光濾波器中HBF的相位差發(fā)生變化時(shí)，可使得濾波器的輸出光譜產(chǎn)生相移。由此，作者在對(duì)3階HBF環(huán)鏡理論研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出1種由3階HBF環(huán)鏡和懸臂調(diào)諧單元組成的新型可調(diào)諧光濾波器，并對(duì)調(diào)諧單元的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析。研究得出，這種新型結(jié)構(gòu)的光濾波器調(diào)諧靈活，調(diào)諧范圍也很廣，通過改變調(diào)諧單元的輸入電流，便可實(shí)現(xiàn)濾波器通帶的調(diào)諧輸出，理論仿真也得到實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，該濾波器還有著良好的濾波效果，輸出光譜的精細(xì)度很好，可應(yīng)用于較大范圍的可調(diào)諧濾波。

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Tunable optical filters based on high birefringence fiber loop mirrors

JI Zhengji，WU Xiangnong，YIN Ye，XIAO Long
（College of Information，Mechanical and Electrical Engineering，Shanghai Normal University，Shanghai200234，China）

In order to realize an optical filter with all-fiber structure and tunable center wavelength，a novel tunable optical filter made of the third-order high birefringence fiber loop mirror and electromagnetic force based cantilever tuning unit was proposed.The transmission process of the loop mirror and the principle of the cantilever tuning unit were analyzed.The pass-band can be tuned by controlling the input current of the cantilever tuning unit.Thus it turns out that the filter possesses the characteristics of good tunability，fine output spectrum，etc.As a result，it can be used for selectively output of light-wave at different wavelengths.

fiber optics；high birefringence fiber；Jones matrix；loop mirror；cantilever tuning unit

TN253

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.01.012

1001-3806（2014）01-0054-04

上海師范大學(xué)科研基金資助項(xiàng)目（SK201223）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61101209）

吉正繼（1988-），男，碩士研究生，主要從事微波光子濾波器、光纖環(huán)結(jié)構(gòu)的研究。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：xnwu＠shnu.edu.cn

2013-04-12；

2013-05-10