CN101604048A - 一种基于细芯光纤的全光纤滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于细芯光纤的全光纤滤波器。传统光纤光栅滤波器温度稳定性较差，不适合在极端工作条件下运行。本发明包括封装盒，单模光纤组件穿过封装盒设置，单模光纤组件的两端分别与法兰盘连接。所述的单模光纤组件包括串联的三段单模光纤，其中两端的单模光纤采用标准单模光纤，中间段单模光纤采用细芯单模光纤，三段单模光纤同轴设置，细芯单模光纤的两端分别与两段标准单模光纤的一端熔接。本发明的滤波器制作简单，具有良好的温度稳定性以及对外界折射率变化的响应特性。
Description
技术领域
本发明属于光纤技术领域，涉及一种基于细芯光纤的全光纤滤波器。
背景技术
光纤器件由于体积小、质量轻、结构简单、抗电磁干扰等优点，在通信、传感等领域得到了广泛的应用。尤其是全光纤型的滤波器，它的性能直接关系到现在光纤通信网络的传输质量。其中，光纤光栅是现今在应用最为成熟的一种光纤型的滤波器，它分为两种：一种称为光纤布拉格光栅(Fiber BraggGrating，FBG)，它是一种窄带的反射型带通滤波器；另一种称为长周期光纤光栅(Long Period Fiber Grating，LPG)，它是一种透射型带阻滤波器。这两种滤波器虽然结构相对比较简单，抑制比也比较高，但是温度稳定性并不是很好，尤其是长周期光纤光栅，对温度更为敏感，温度响应大约为0.1～0.3nm/℃，这大大影响了其作为滤波器的稳定性。另外，光纤光栅在大于300℃的环境里就会开始退化，因此不利用其在极端工作条件下运行。
非光栅结构的光纤器件，无论是作为滤波器还是传感应用，其热稳定性和制作难度上大多优于光栅类器件，近几年在国际上吸引了不少学者的目光，成为研究的热点。许多研究的方向就是光纤内干涉仪的设计，利用其干涉图样来实现滤波或者传感检测的应用。这类器件一般的设计思想都是利用光纤内的特殊结构来激发传输光的高阶模式，导致不同模式的光在经过同样的光纤长度以后具有不同的光程差。但是有些设计方案往往在制作过程中有复杂的工序，比如接一小段多模光纤，或者是利用加热等手段使光纤端面处纤芯膨胀等技术，都增加了器件的制作难度；有些需要特殊的材料，比如使用一些特种的双包层光纤，光子晶体光纤等，成本相当高；再有就是一些结构的机械强度非常差，比如通过光纤拉锥实现高阶模式激发的结构，几乎没有实用价值。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于不同芯径单模光纤熔接结构的新型滤波器，该滤波器利用光纤熔接处的光纤芯径失配，引起高阶模式激发，从而形成的光纤内的马赫-曾德尔干涉仪，其透射的谱具有良好的带阻滤波特性。
本发明包括封装盒，单模光纤组件穿过封装盒设置，单模光纤组件的两端分别与法兰盘连接。所述的单模光纤组件包括串联的三段单模光纤，其中两端的单模光纤采用标准单模光纤(Corning SMF28，芯径6.06μm)，中间段单模光纤采用细芯单模光纤(Nufern 460-HP，芯径3.30μm，截止波长450nm)，三段单模光纤同轴设置，细芯单模光纤的两端分别与两段标准单模光纤的一端熔接。
本发明的工作原理：光在第一段单模光纤中是单模传输的，只存在芯层传输的基模。当光传入中间的一段细芯光纤后，由于纤芯大小不同，导致光无法再单模传输，一个甚至多个高阶的模式被激发出来。由于不同的模式在光纤内传输时有效折射率是不一样的，因此，不同模式的光到达另一段单模光纤时会存在光程差，然后就会产生干涉，这就是马赫-曾德尔干涉仪的形式。其干涉图样即代表了滤波器的滤波特性，滤波的抑制比和干涉对比度直接相关。通过是对不同芯径下各种模式沿径向分布进行模拟得到：首先，不同芯径的单模光纤基模的模场直径是不同的，这为高阶模式的激发提供了必要条件。其次，偶次的高阶模式在芯层没有能量传输。最后，对于细芯的光纤，奇数阶模式包含的芯层部分的能量相对标准单模光纤少很多，因此，发生干涉时芯层内基模和高阶模能量接近，因此干涉对比度好，另外由于高阶模式包层能量损失少，该滤波器的***损耗也非常小。
本发明的滤波器制作非常简单，不像光栅那样需要包括激光器在内的一整套写入***，仅仅需要一套光纤熔接设备和不同芯径的两种单模光纤。本发明利用不同芯径的光纤相互熔接实现的光纤内的马赫-曾德尔干涉仪，这种干涉仪的透射型的干涉图样呈现出低插损，高抑制比(＞30dB)的滤波特性。主要涉及该滤波器的制作技术、良好的温度稳定性以及对外界折射率变化的响应特性。
附图说明
图1是本发明中滤波器的结构示意图；
图2为滤波器透射谱；
图3为滤波器对温度响应谱线；
图4为滤波器对外界折射率响应谱线。
具体实施方式
如图1所示，细芯光纤滤波器包括封装盒3，单模光纤组件穿过封装盒3设置，单模光纤组件的两端分别与法兰盘1连接。所述的单模光纤组件包括串联的三段单模光纤，其中两端的单模光纤采用标准单模光纤2(Corning SMF28，芯径6.06μm)，中间段单模光纤采用细芯单模光纤4(Nufern 460-HP，芯径3.30μm，截止波长450nm)，三段单模光纤同轴设置，细芯单模光纤4的两端分别与两段标准单模光纤2的一端熔接。该滤波器通过法兰盘和其他跳线延长分别与宽带光源和光谱仪相连，光谱仪得到就是光源光谱经过滤波器滤波后的透射谱。
因为在细芯光纤内不同的传输长度会带来不同的干涉图样，本滤波器在制作的过程中，分别接入了不同长度的三段细芯光纤，见图2，其中(a)为接入2cm、(b)为接入4cm、(c)为接入6cm。细芯单模光纤的长度和特定光谱范围内的阻带的个数成正比，同时也影响到阻带的带宽，细芯光纤越长，同一波长位置的阻带带宽越小。该设计只需要改变细芯光纤的长度来改变带宽。不同长度的细芯光纤结构可能在同一位置出现滤波峰，图2中(a)和(c)在长波位置的滤波峰几乎在同一位置，因此，如果对某一特定波段滤波又无特殊带宽要求，选择2cm左右的细芯光纤接入的结构，这样得到的滤波器滤波特性简单，而且成本相对较低。
温度响应时滤波器很重要的一个指标，直接关系到其工作的稳定性。本发明使用一个可编程的控温炉测试了接入2cm细芯光纤的滤波器样本的温度稳定性。从图3可以看出，干涉峰中心波长的位置随着温度的上升向长波方向漂移，而且两者呈现一个良好的线性关系。计算该直线的斜率，得到滤波器的温度响应灵敏度，为15pm/℃，说明该滤波器的温度稳定性是相当好的。
另外，由于激发的高阶模式传输的有效折射率受到外界折射率的影响，因此该滤波器利用其中心波长的漂移也可以作为传感的应用。该滤波器对不同浓度的蔗糖溶液进行了折射率的测试(质量百分比分别为：(1.381、5.123、8.425、11.817、14.821、18.033、21.136、24.242、26.901、29.577、32.432、35.065；对应的折射率为1.3346、1.3400、1.3448、1.3500、1.3547、1.3599、1.3651、1.3704、1.3750、1.3798、1.3850、1.3899)，可以看到，其对外界折射率变化是相当敏感的，灵敏度达到135.5/单位折射率，见图4。而且在很大的范围内，折射率变化与中心波长的漂移为线性关系，因此这种滤波器有很大的作为传感应用的潜力。
Claims (1)
1、一种基于细芯光纤的全光纤滤波器，包括封装盒，其特征在于：单模光纤组件穿过封装盒设置，单模光纤组件的两端分别与法兰盘连接；所述的单模光纤组件包括串联的三段单模光纤，其中两端的单模光纤采用标准单模光纤，中间段单模光纤采用细芯单模光纤，三段单模光纤同轴设置，细芯单模光纤的两端分别与两段标准单模光纤的一端熔接；所述的标准单模光纤采用Corning SMF28单模光纤，所述的细芯单模光纤采用Nufern 460-HP单模光纤。
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