（物理电子学专业论文）基于模间干涉型光纤滤波器研究.pdf

中文摘要 随着光纤技术的发展 光纤滤波器不仅成为了光通信领域必不可少的光学器 件 而且在光纤传感领域也已经被广泛的应用 当光纤的长度 折射率这些物理 量受到外界物理量的调制时 干涉型光纤滤波器滤波光谱会发生变化 基于这些 变化科研人员设计了多种光纤传感器 用来检测各种物理量 这类光纤传感器和 传统传感器相比由于具有灵敏度高 抗电磁干扰 体积小 结构紧凑等特点 在 一些特定的领域已经被广泛应用 如一些大型桥梁 大坝 路基的形变测量 石 油 石化工业中的温度 压力安全预警 特殊材料结构中内部的应变 应力 老 化程度的监控等 第一章对光纤滤波器的发展概况进行了综述 讨论了光纤滤波器分类及主要 参数 对光纤滤波器的研究现状进行了深入分析与总结 指明了本论文的主要研 究内容和创新点 第二章基于光干涉的基本理论 给出光纤中特定模式间干涉的基本理论 首 先总结了典型双臂干涉仪传感器的优缺点 并和单臂干涉仪传感器做了对比 指 明了单臂干涉仪传感器的优点 其次根据光的电磁理论和麦克斯韦方程 依据理 想阶跃光纤中几何物理结构 导出了光纤中传播光的模式理论 以单模一多模一 单模 s m s 组成的结构为例 应用模式理论 简要给出了光纤中模式间干涉的 波长极大值公式和自由光谱范围的公式 最后系统阐述了保偏光纤偏振模干涉产 生的条件和实现方法 给出干涉的基本公式 为后续章节的设计提供了理论基础 第三章基于传统的绍尔克 s o l c 型滤波器 设计了反射s o l c 型全光纤滤波 器 并应用琼斯矩阵对该滤波器进行了理论分析 利用反射型s o l c 滤波器实现 了温度传感 峰值波长移动达到0 0 3 n m c 其灵敏度是光栅温度灵敏度的2 5 倍 基于该滤波器 选取合适的保偏光纤长度和光栅反射波长 实现了基于光纤 光栅查询的高分辨率微纳幅度信号的测量 这种设计结构简单 分辨率高 达 n t o 5 n e l d h z 通过共模抑制 系统的抗干扰能力得到明显改善 测量低频 信号的能力 小于1 h z 明显提高 利用信号光与参考光强度比值作为输出 消 除了光源波动带来的对信号解调的干扰 该系统特别适合微纳幅度信号测量 第四章设计了由光纤起偏器 保偏光子晶体光纤 s a g n a c 光纤环级联结构 的温度无关可调谐平顶滤波器 通过利用琼斯矩阵对该结构进行理论分析可知 该结构具有可调谐平顶滤波功能 实验中首先依据光子晶体光纤的特点和熔接损 耗产生的原因 对爱立信9 9 5 熔接机内部固化程序进行了修改 实现了光子晶体 光纤和普通光纤的低损耗熔接 熔接损耗控制在2 d b 之内 并在该基础上搭建 了实验光路 实验结果表明设计的可调谐平项滤波器o 5 d b 带宽超过了整个自由 光谱范围7 5 2 m n 的5 0 达到了4 n m 调谐范围达到了信道宽度的一半 信道隔 离度达到了1 5 d b 由于采用了光子晶体光纤 峰值波长随温度的变化小于1 2 p m 所以该滤波器温度稳定性得到了提高 第五章设计了偏振分束器 p b s 和3 d b 耦合器分别构成的s a g n a c 光纤环 的级联结构 经过理论分析 若两个环中采用同等长度的光子晶体光纤 干涉消 光比将比单环增加一倍 实验中利用爱立信9 9 5 熔接机和消光比测试仪 实现了 保偏光子晶体光纤和普通保偏光纤光轴间成4 5 0 的低损耗实时检测熔接 利用保 偏光子晶体光纤 基于反射结构的s o l c 型滤波器 实现了温度无关的静态应变 测量 测量灵敏度达到了0 3 p m 1 t 利用4 5 0 熔接技术 搭建如前所述双s a g n a c 环级联结构 实验表明 干涉消光比达到了4 3 d b 利用滤波线性区大斜率特性 基于边缘滤波原理 成功实现了光纤光栅的动静态应变的高分辨率解调 静态应 变分辨率达到了0 3 3l a 动态应变分辨率达到了0 4 7 2 s 恐 与以往文献 中报道的解调系统分辨率相比 该解调系统的分辨率得到了明显的提高 尤其适 合于基于光纤光栅高精度的测量 关健词 光纤滤波器 偏振模干涉 光纤传感器 传感解调系统 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a lf i b e rt e c h n o l o g y t h ef i b e rf i l t e rh a sn o to n l y b e c o m ea ne s s e n t i a lo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n sd e v i c e b u ta l s oh a sb e e nw i d e l yu s e di n t h ef i e l do fo p t i c a lf i b e rs e n s o r w h i l et h el e n g t ha n dr e f r a c t i v ei n d e xo ft h ef i b e ra r e m o d u l a t e db yt h ee x t e r n a lp h y s i c a lc i r c u m s t a n c e s t h eo p t i c a ls p e c t r u mo ft h ef i l t e r w i l ls h i f t a c c o r d i n gt ot h i s t h ee x t e r n a lp h r 7 s i c a lc i r c u m s t a n c e sc h a n g e sc a l lb e d e t e c t e d c o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a ls e n s o r s b e c a u s et h ef i b e ro p t i cs e n s o r so w n t h ec h a r a c t e r i s t i c sw i t hh i g hs e n s i t i v i t y a n t i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e s m a l ls i z e a n dc o m p a c ts t r u c t u r e t h e yh a v eb e e ni nm a n ya p p l i c a t i o n s s u c h 部l a r g eb r i d g e s d a m s s t r a i nm e a s u r e m e n t s p e t r o l e u m p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y t e m p e r a t u r e p r e s s u r e s a f e t yw a r n i n g s p e c i a lm a t e r i a l sw i t h i nt h es t r u c t u r eo ft h es t r a i n s t r e s s a g i n g s u r v e i l l a n c e e t e i nt h ef i r s tc h a p t e r t h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a lf i b e rf i l t e r sa r ei n t r o d u c e d a n d t h em a i np a r a m e t e r so f o p t i c a lf i b e rf i l t e r sa r ec l a s s i f i e da n d d i s c u s s e d b e s i d e st h e s e r e s e a r c hp r o g r e s so ft h eo p t i c a lf i b e rf i l t e r si ss u m m a r i z e da n da n a l y s i e di nd e t a i l a t t h el a s to ft h ec h a p t e r t h em a i nc o n t e n t sa n di n n o v a t i o no ft h i sp a p e ra r el i s t e d t h ei n t e r f e r e n c et h e o r yo fo fas p e c i f i cm o d ei nt h ef i b e ri sg i v e nb a s e do nt h e b a s i ct h e o r yo fi n t e r f e r e n c ei nt h es e c o n dc h a p t e r a tt h ef i r s to ft h i sc h a p t e r t h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h es i n g l ea n na n dt w oa r m si n t e r f e r o m e t e rs e n s o r sa r ec o m p a r e d a n dt h et y p i c a la d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h et w ok i n d so fi n t e r f e r o m e t e r s e n s o r sa r es u m m a r i z e d a c c o r d i n gt oe l e c t r o m a g n e t i ct h e o r y a n dm a x w e l l e q u a t i o n s t h e o r e t i c a lm o d e lo fm o d ei n t e r f e r e n c ei sd e r i v e db a s e do na ns t e pi n d e x f i b e r t a k es i n g l em o d e m u l t i m o d e s i n g l e m o d e s m s s t r u c t u r ef o re x a m p l e m o d e t h e o r yo ff i b e ra n dt h ef o r m u l ao fm a x i m u mf r e es p e c t r a lr a n g ew a sg i v e n f i n a l l y t h e c o n d i t i o n sa n d p r i n c i p l e so fo p t i c a lf i b e rp o l a r i z a t i o nm o d ei n t e r f e r e n c ea r ea n a l y s e d w h i c hw i l lp r o v i d et h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h es u b s e q u e n tc h a p t e r s i nt h et h i r dc h a p t e r a l lf i b e rr e f l e c t i v es o l e t y p ef i l t e r si sd e s i g n e db a s e do nt h e t r a d i t i o n a ls o l e t y p ef i l t e r m o r e o v e r t h e o r e t i c a la n a l y s i si sd o n ei nt h em e t h o do f j o n e sm a t r i x c o m p a r e dt ot h ef i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r s t h es e n s i t i v i t yo ft h e i l l t e m p e r a t u r es e n s o rb a s e d o nr e f l e c t i v es o l c t y p ef i l t e rc a nb ei m p r o v e d2 5t i m e s a n d t h ew a v e l e n g t hs h i f ti n d u c e db yt e m p e r a t u r ev a r i e t yi s0 0 3 n m c i ft h el e n g t ha n d b r a g gw a v e l e n g t h i s o p t i m i z e d h i 曲一r e s o l u t i o n m e a l s u r e m e n t so f d y n a m i c s m a l l s i g n a la r ea c h i e v e db a s e do nt h i sf i l t e r t h i sd e s i g ni st h ec h a r a c t e r i s t i c s 航n 1 s i m p l i c i t ya n dh i g hr e s o l u t i o n b e s i d e st h e s e t h ea b i l i t yt om e a s u r et h el o w f r e q u e n c y s i g n a l s 1h z h a v eb e e ni m p r o v e ds i g n i f i c a n t l yt h r o u g ht h ec o l n m o nm o d er e j e c t i o n b yt h eu s eo fi n t e n s i t yr a t i ob e t w e e nt h es i g n a ll i g h t a n dr e f e r e n c el i g h t t h e f l u c t u a t i o n sc a u s e db yl i g h ts o u r c ea r ee l i m i n a t e d t h es y s t e mi sp a r t i c u l a r l ys u i t a b l e f o rs m a l l s i g n a lm e a s l l r e m e n t e s p e c i a l l yi nt h es o u n ds e n s o r an o v e lf i l t e rw i t hc a s c a d es t r u c t u r ew a sd e s i g n e di nc h a p t e r4 i ti sc o m p o s e do f f i b e rp o l a r i z e r p o l a r i z e d m a i n t a i n i n gp h o t o n i cc r y s t a lf i b e ra n ds a g n a ef i b e rl o o p s a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a lr e s u l tw h i c hi sd e d u c e db yt h ej o n e sm a t r i x t h ef i l t e rh a s t h ef u n c t i o no ft u n a b l i l i t ya n df l a tt o p i nt h ee x p e r i m e n t b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fp h o t o n i cc r y s t a lf i b e ra n dt h el o s sc a u s e db ys p l i c et h ee r i c s s o n9 9 5 t h es p l i c e p r o g r a mi so p t i m i z e dt oa c h i e v el o w l o s ss p l i c eb e t w e e np h o t o n i cc r y s t a lf i b e ra n d t h eo r d i n a r yf i b e r t h ef i l t e re x p e r i m e n t a ls e t u pi sb u i l to nt h eb a s i so fl o w l o s ss p l i c e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eb a n d w i d t ha t0 5 d br e a c h e s4 n m w h i c h e x c e e d5 0p e r c e n to ff r e es p e c t r a lr a n g eo f7 5 2 n m t h ec h a n n e li s o l a t i o na c h i e v e d 14 d b a n dt h ep e a kw a v e l e n g t h 诵mt e m p e r a t u r ev a r i a t i o ni sl e s st h a n1 2 p m b e c a u s et h eb i r e f r i n g e n c ee f f e c tc h a n g e sc a u s e db yt h et e m p e r a t u r ei nt h ep h o t o n i c c r y s t a lf i b e ri sv e r ys m a l l t h et e m p e r a t u r es t a b i l i t yo f f i l t e rc a l lb ei m p r o v e dg r e a t l y ac a s c a d e ds t r u c t u r ei sd e s i g n e db a s e do nt w os a g n a cl o o p su s i n gp o l a r i z a t i o n b e a ms p l i t t e r p b s a n d3 d bc o u p l e ri nc h a p t e r5 a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s i ft h el e n g t ho fp h o t o n i cc r y s t a lf i b e ri nt h et w ot i n g si se q 砌 i n t e r f e r e n c e e x t i n c t i o nr a t i ow i l ld o u b l ec o m p a r ew i t ht h es i n g l er i n g u s i n ge r i c s s o n9 9 5 p m s p l i c e ra n de x t i n c t i o nr a t i om e t e rt or e a l i z eo n l i n ei n s p e c t i o n t h ep h o t o n i cc r y s t a l p o l a r i z a t i o nm a i t a i n i n gf i b e ra n dc o n v e n t i o n a lp o l a r i z a t i o nm a i t a i n i n gf i b e rc a l ls p l i c e a ta na n g l eo f4 5d e g r e e sb e t w e e nt h et w of a s to rs l o wa x e s u s i n gt h ea b o v e r e f l e c t i v es o l e t y p ef i l t e r as t r a i nm e a s u r e m e n ti n d e p e n d e n to ft e m p e r a t u r eb a s e do n t h ep h o t o n i cc r y s t a lf i b e ri sa c h i e v e d a n dt h em e a s u r e m e n ts e n s i t i v i t yi st h e0 3 p m l 惦 u s i n gs p l i c et e c h n o l o g ym e n t i o n e de a r l i e r d u a l s a g n a cl o o pc a s c a d e ds t r u c t u r ei s b u i l ti ne x p e r i m e n t e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t e r f e r e n c ee x t i n c t i o nr a t i o r e a c h e s 4 3 d b b yu s i n gt h i sc h a r a c t e r i s t i c h i g h r e s o l u t i o nd e m o d u l a t i o ni s a c c o m p l i s h e ds u c c e s s f u l l yi nt w od i f f e r e n tk i n do ff i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r s s t a t i c s t r a i nr e s o l u t i o ni s 0 3 3 1 x e a n dd y n a m i cs t r a i nr e s o l u t i o ni s0 4 7 刀e 妇 r e s p e c t i v e l y t h er e s o l u t i o no f t h i sk i n do f d e m o d u l a t i o ns y s t e m c o m p a r e dw i t hr e p o r t i nt h ep r e v i o u sl i t e r a t u r e h a sb e e n s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d t h e r e f o r e t h i sf i l t e ri sv e r y a p p r o p r i a t ef o rt h eh i g h p r e c i s i o nm e a s u r e m e n t k e y w o r d s f i b e rf i l t e r i n t e r f e r e n c eo f p o l a r i z e dm o d e f i b e rs e n s o r d e m o d u l a t i o ns y s t e m v 第一章概述 第一章概述 光学滤波器是指能够对其通过的光信号进行有选择的通过的器件 光纤滤波 器是利用光纤作为主要波光媒介实现光学滤波的器件 随着光通信和光传感的在 近几年的迅猛发展 光纤滤波器已经成为了波分复用光通信系统和光纤传感系 统 光纤激光器系统中必不可少的重要光纤器件 正是由于它具有插入损耗低 中心波长可调谐 结构紧凑 高频率响应 易于与光通信 光纤传感等系统集成 的特点 已经广泛引起了各地科研机构 企业院所和广大科研工作者的研究兴趣 目前根据光的干涉和衍射原理结合光纤的导光特性 已经设计出了多种光纤滤波 器结构 1 1 光纤滤波器的发展概况 历史上两种典型的干涉型光学滤波器 1 金属反射膜和金属一介质膜干涉滤 波器 这种滤波器的原理主要用加膜方法制备于平板玻璃上 上下为反射膜 中 间为介质膜 通常称为干涉滤光片n 1 利用反射光 或透射光 的干涉实现选频 实现滤波 如下图1 1 法布里一珀罗干涉仪滤波器就是这种滤波器的典型代表 现在一直在某些领域应用 如照相机的镜头 2 l y o t 和s o l c 型双折射型干涉 滤波器 其基本的结构如1 2 3 所示 l y o t 型滤波器是l y o t 本人在1 9 3 3 年发 表了该类型滤波器的工作的基本原理 并由此而得名 s o l c 型滤波器是s o l c 本 人在1 9 5 3 年发明的另一种双折射型干涉滤波器 两种滤波器的在当时主要用来 天文观测 其带通宽度可以做到很窄 可以达到0 0 5 0 5 n m 对比而言s o l c 型滤波器在带通主峰附近的边锋抑制较强 但是带宽相对l y o t 型滤波器较窄 采用同样偏振片的情况下 其透光性能优越于l y o t 型昭一 介质间隔层 qf 玻璃 分反射膜 图1 1 法布里一珀罗干涉仪滤波器 基于模间干涉型光纤滤波器研究 1 9 5 8 年第一台激光器的问世以及1 9 6 6 年华裔科学家著名论文解决了石英光 纤损耗的理论问题 1 9 7 0 年美国康宁公司研制成功第一根低损光纤 从而使光 纤通信成为了可能并开始迅速发展 随着人们对通信容量 通信速度的要求提高 以波分复用技术 w d m 为代表的高速光通信系统需要大量的光纤滤波器 由于 光纤滤波器具有具有插入损耗低 中心波长可调谐 结构紧凑 高频率响应 易 于与光通信 光纤传感等系统集成的特点 已经广泛引起了各地科研机构 企业 院所和广大科研工作者的研究兴趣 研究人员基于历史上两种典型的光滤波器 利用光的干涉和衍射原理 结合光纤的导光特性 开发了各种光纤滤波器结构 1 基于干涉的光纤滤波器 m i c h e l s o n 干涉仪 非平衡m a e h z e h n d e r 干 涉仪和f a b r y p e r o t 干涉仪等光纤滤波器 2 基于光纤光栅的光纤滤波器 b r a g g 光栅滤波器和长周期光栅滤波器 啁 啾啾相移光纤光栅滤波器等 其中b r a g g 光栅滤波器和长周期光栅滤波器已经实 现商业化 3 基于耦合器的光纤滤波器 非平衡抛光光纤藕合器 熔锥级联光纤藕合器 非对称双芯光纤藕合器等 4 基于双折射l y o t 和s o l c 的s a c n a c 环型光纤滤波器 5 基于声光调制机制的声光滤波器等 6 基于微结构光纤 光子晶体光纤 为基本元件的光纤光滤波器 这些结构中有的已经做到实用化 商品化 有的还处于实验室阶段 随着光 通信技术和光传感的发展 一些性能优良 成本低的适合产业化的光纤滤波器的 产品会相继问世 岔 p o l a r i z e rb p1b p2b pn ib p na n v z e x s 对s o o r i e a t e d o o r l 曲t k i 6 0 r l e m e d 口o r k l e d j 护毗k f a l p o l a r i n rb pib p 2b p 3 恤4 x i s o o r t m t e d 1 3 0 0 r i e n t e d 5 0 0 r i e n t e d m 图1 2s o l e 型光滤波器示意图 2 b pn a n i l y z e r i 2 n i 0 0 r i e n t e d j i 砷 a f o l d e d 型 b f a n 型 己 圆 k 第一章概述 翻1 3l 弦t 型光滤被蕃示意圈 1 2 光纤型滤波器的分类 可以从不同的角度对滤波器分类 常见的分类方法一般有以下几种 1 从选择通频带区域角度来划分 滤波器大致可分为高通滤波器 h p f 低通滤波器 l p d 和带通滤波器r b p f 和带阻滤波器 b r f 四类 它们的幅度随波长变化特性曲线如图1 4 所示 1 4 i j 1 4 ii 1 二 i o 冈i o 口 诅 c n m h 柚由瞻 r f 砌n c ob l i n dn 和贮 n 2 从滤波选择通频带区域宽窄范围来划分 滤波器可分为宽带滤波器 b r o a d b a n d f i l t e r 和窄带滤波器 n a r r o w b a n d f i l t e r 通常带宽大于1 0 0 n m 的为宽带滤波器 小于0 8 n m 的为窄带滤波器 随着实现 生产生活的需要 滤波器性能要求的不断提高 应用范围的不断扩展 最近出现 了超宽带滤波器 u l t r a b r o a d b a n d f i l t e r 和超窄带滤波 u l t r a n a r r o w b a n d f i l t e r 它们的带宽标准分别是大于2 0 0 n m 和小于l p m 这很明显使滤波器滤波范围发 基于模问干涉型光纤滤波器研究 生了的进一步窄化和扩展 让其性能也随之得到迸一步提升 1 3 光纤型滤波器的主要参数及要求 光滤波器主要参数有以下几个 1 信道中心波长 光信号通过光滤波器被选择的通过 或截止 的带宽中央对应的光波长 2 调谐范围 一般指通过调节而滤波器的其他性能保持不变时中心波长的移动范围 3 信道带宽和隔离度 光信号通过光滤波器被选择通过 或截止 的带宽度 一般要求相邻信道的隔 离度大于2 5 d b 4 插入损耗和回波损耗 器件的输出光功率p o m 于输入光功率 之比 如式 1 1 用d b 表示 回 波损耗定义为从器件的输入端返回的光功率p 与输入光功率p i n 之比 如式 1 2 所示 铲m g 每 1 2 1 一个好的光滤波器应有较低的插入损耗 并且损耗应该与输入光的偏振 态无关 在大多数系统中 光的偏振态随机变化 如果滤波器的插入损耗与光的 偏振有关 p d l p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n tl o s s 则输出光功率将极其不稳定 2 一个滤波器的通带应该对温度的变化不敏感 温度系数是指温度每变化l 的波长漂移 比如一个w d m 系统要求在整个 工作温度范围 大约1 0 0 内 波长漂移应该远小于相邻信道的波长间隔 4 第一章概述 1 4 光纤型滤波器的应用与研究现状 光纤滤波器的主要应用表现在以下几个方面 1 光纤滤波器在诸如w d m 光纤通信系统中有着广泛的应用 光纤滤波器最为重要的应用实际是在w d m 网络中构成波分复用 解复用 d x 器件及光分插复用器件 抓 x d 器件是w d m 系统中 的关键器件 其作用使多个光波长信号合波 或使光纤中传输来的光波长信号分 离成单个波长 2 光纤传感系统中的应用 干涉型光纤滤波器又称光谱器件 由于干涉原理决定了干涉图一般是规则的 正弦式分布 外界物理量的变化一般要导致峰值波长和峰峰值波长间隔的变化 为此可以利用这两个物理量的变化来感测外界被测量如温度 应变 压力等的变 化 即5 又如一些以光纤为基本元件研制的光纤滤波器测量用于气体的含量 液 体的浓度 折射率等相关物理量 2 6 3 4 通过边缘滤波比率法实现光纤光栅布拉格 波长移动的解调 3 5 4 2 1 另外也可以用窄带光通过滤波器 把外界物理量调制光纤 滤波光谱的变化传化为光电流强度的变化来实现传感 4 3 3 光纤激光器系统中的应用 单纵模光纤激光器在光纤通信 光纤传感等领域应用非常广泛 因此是业内 研究的热点之一 虽然光纤激光器谐振腔纵模的线宽多数量级在亚兆赫兹 但是 由于外界环境因素 模式竞争的影响 光纤激光器一般很难在单纵模状态下稳定 工作 因此 多种抑制模式竞争的方法被相继提出m 删 从这些报道中不难得出 个结论 在激光谐振腔中放入一个窄线宽滤波器是获得单纵模输出的良好途 径 4 其他方面的特殊应用 如光相干层析技术 o c t 和一些新型光学系统要 求具有特殊光谱函数 宽带带阻滤波器用于掺饵光纤放大器 e d f a 增益平坦 6 1 6 3 宽带带通滤波器可用于能量补偿等 光纤滤波器的研究现状 从1 9 7 0 年在美国康宁公司诞生第一根低损耗光纤开始 科研工作者就开始 了对光纤滤波器的研究 1 9 7 8 年 加拿大通信研究中心的h i l l 等人首先发现掺 锗光纤的光敏型 并制作出世界上第一根光纤光栅 被用作窄带滤波器1 6 4 6 5 从 5 基于模问干涉型光纤滤波器研究 这以后十年中光纤滤波器的发展处于起步阶段 主要以l y o t 和s o l c 介质薄膜 型滤波器为基础 进行光纤型滤波器的研究 研究的热点主要是围绕窄线宽展开 没有实现全光纤化 典型的代表有如下报道 m mt h o m a s 等人首次利用普通单 模光纤的双折射效应 基于s o l c 型滤波器的原理 通过对光纤施加扭应力改变 光纤的双折射 实现了波长相关滤波器 并通过扭应力改变系统的传递函数 实 现中心波长的强度可调谐惭 yy e n 等人利用常规单模光纤 也是基于l y o t 型 滤波器的原理 通过把光纤缠绕成环状在光纤中产生应力双折射 实现了四元件 全光纤l y o t 型滤波器 在中心波长7 0 5 r i m 处 带宽达到了3 5 自由光谱范围 达到了1 7 哺7 1 r i c h a r dl y t e l 等人描述了基于f a b r y p e r o t 腔的电光材料可调 谐窄带滤波器 调谐的原理是利用电光材料构成反射腔 反射镜由两端刻在聚合 体上的光栅组成 在光栅的反射带宽内 实现中心波长在1um 附近 带宽0 i n m 透射率达到3 5 的输出嘲1 r s w e i s 等人 利用严格的电磁理论 应用4 4 矩 阵结合傅立叶变换 分析了多层各项异性介质膜的传输和反射特性 分析历史出 现过的f a b r y p e r o t 腔和s o l c 光学滤波器材料性能 并且提出了两者滤波器的 合并结构 使波长调节范围达到4 0 h m 带宽达到0 o l n m 条纹精细度大约达到 1 3 0 0 紧随其后 r s w e i s 等人利用光纤b r a g g 光栅做为反射镜 实现了光谱 的整形 改进了以前的合并结构 提高了条纹的精细度达到了5 4 3 0 呻 7 0 3 并和 r i c h a r dl y t e l 等人提出的滤波器做了对比 把反射镜改为光栅后 使阻带变 大了 半高全宽相同 但是最大透射率减少了一半 9 0 年代以后 保偏光纤的商用化和光纤通信的迅猛发展 科研人员的兴趣 围绕光通信中w i m 技术要求的梳妆滤波器 以多信道 可调谐 与光纤通信系统 的相容型为重点展开研究 典型代表如下 c a r lf b u h r e r 利用双折射元件 通过旋转每个双折射滤波元件 实现了光波长多通道带通的s o l c 型滤波器 其 优点主要是信道可以自由关闭而其他信道不受影响 最终给出了十五阶的波分复 用的滤波器设计 7 1 3 次年 hdf o r da n drpt a t a m 二人 在一根保偏光纤上 利用扭转 没有利用切割 拼接技术实现了二元件和四元件的s o l c 型滤波器 二元件滤波器在波长7 5 2 n m 处 带通宽度达到了4 4 r i m 四元件滤波器在波长 7 8 8 n m 处 带通宽度达到了l o n m 从而实现了全光纤滤波h 羽 紧随其后接连报道 了熔融拉锥型 f a b r y p e r o t 型 m a c h z e h n d e r 干涉型 光栅型 高双折射光 6 第一章概述 纤型滤波器 这些都是为了满足波分复用技术而设计的 成为了当时的一个研究 热点 1 9 9 5 年 x i a o j u nf a n g 等人报道了利用s a g n a ci n t e r f e r o m e t e r 实现了 偏振无关的波分复用器的设计 该设计在s a g n a c 环中放入一段保偏光纤 利用 保偏光纤的线型双折射的非互易性通过调节保偏光纤的长度和拍长 实现了峰值 波长 带宽的可调 隔离度达到2 5 d b 插入损耗小于l d b 的梳妆滤波 并且提出 了级联的思想来满足w d m 的滤波要求 两年后又报道了关于s a g n a c 环中s o l c 型 和l y o t 型的级联 实现了滤波传递函数的多样化 7 钔 1 9 9 8 年x j g u 等人提 出把两个l p g 对接在一起 利用这种结构 实现了可调谐多波长滤波器的功能 该器件可用于w d m 系统中的多波长滤波 研究者又在原来结构基础上进行改进 把长周期带阻型滤波器转变成带通滤波器 3 进入2 0 0 0 年以后 光纤滤波器的报道有所减少 主要是光纤通信的技术达 到了一个相对成熟期 这个阶段利用光纤滤波器的功能来实现光纤光栅的解调成 了又一个研究特点 但是仍有一些研究人员从事有关波分复用的器件偏振无关性 的研究和平顶滤波器的研究 这也是主要为了适应密集波分复用技术要求而展开 的 典型的研究报道如2 0 0 4 年韩国y o n gw o o kl e e 小组人员利用四通道p b s 分 束器 结合半波片 四分之一波片 构成类似s a g n a c 环的结构 通过调节波片 来实现偏振无关的可调谐的梳妆滤波 2 0 0 5 年该小组在原结构的基础上进行改 进 在环中构成了s o l c 型滤波器 实现了平顶可切换的滤波口民硎 c h h s i e h 等人利用g i r e s t o u r n o i s 标准具作为反射镜 构成m i c h e l s o n 干涉仪 实现了 低损耗 低色散 平顶滤波 2 0 0 6 年w a l e e ds 等人利用单模 多模 单模 结构 利用多模光纤光斑复原现象设计了全光纤带通滤波器 同时研究了多模光 纤的长度 几何尺寸等因素对滤波器带宽 中心波长等的影响h 引 同年c h a o w e i l e e 等人利用和韩国小组的类似结构 利用空间光环形腔也实现了平顶滤波 达 到了0 2 r i m 信道间隔0 5 d b 带宽超过了0 1 4 5 n m 信道隔离度达到了3 6 d b 在整个 c 波段 2 0 0 7 年l w e i 等人在c h h s i e h 的基础对结构进行了优化 进行了 色散补偿设计 使系统的性能得到提高阳 2 0 0 8 年j f s o n g 等人 利用硅基 刻蚀技术 设计了双环谐振腔结构 其最大的优点结构紧凑 大小为4 5 0pm x 2 5 0um 阳幻 同年s t a n i s l a v 等人利用乏相关无序周期光栅实现了平顶滤波 3 2 0 1 0 年a i p i n gl u o 等人利用双环m a c h z e h n d e r 结构 通过调节两个耦合器的 7 基于模间干涉型光纤滤波器研究 功率耦合比实现了波长可调谐平顶滤波输出 近些年来 随着对光子晶体光纤的出现 研究人员利用光子晶体光纤放在原 来一些结构中 或者采用级联的方式出现了一些新的光纤滤波器结构 典型代表 如2 0 0 8 年w s h i n 等人提出长周期光栅一空芯光纤一多模光纤的结构 能够使不 满足相位匹配的模式过长周期光栅后到达空芯光纤时被阻 而满足相位匹配条件 的模式 耦合至包层经空芯光纤继续传播 为了实现光纤滤波器波长可调功能 可以通过对螺旋面长周期光栅施加不同的扭转力 来实现改变长周期光栅响应波 长嘲 1 5 本论文的主要研究内容和创新点 本论文的主要研究内容是利用实验室自制的宽带光源 通过保偏光纤的两个 正交偏振模间的干涉设计光纤滤波器 并研究其在滤波 光栅解调 传感等方面 的应用 第二章首先从理论上回顾光干涉的基本原理 结合理想圆芯阶跃折射率弱导 光纤 保偏光纤的参数 依据光波导理论 分析在普通单模光纤中和保偏光纤中 传播模式间的干涉理论及其特点 总结不同传播模式激励的方法 分析 总结传 统双臂干涉仪及其特点 并和单臂干涉仪在温度 应变 压力等方面传感做对比 分析以a s e 光源 经过模式间干涉的形成滤波频谱的特点 及其在滤波 传感方 面的应用 第三章利用光纤起偏器 端面镀膜的p a n d a 光纤 设计出一种简单实用的正 交偏振模式间干涉的结构 经过理论分析其透射函数 滤波特性 传感方面的应 用 并利用该结构成功用于温度传感 光栅的解调 并验证了微纳幅度信号的解 调能力 实现了高精度 宽频率范围范围的测量 第四章首先描述了高双折射的光子晶体光纤的特点 结合实验室的熔接机的 功能 根据熔接损耗产生的机理 调整熔接机的参数成功实现了低损耗熔接 熔 接损耗单模 光子晶体光纤间达到了1 7 d b 利用光子晶体光纤 光纤起偏器和 s a g n a c 环搭建了一个波长可切换平顶滤波器结构 首先利用琼斯矩阵进行了理 论分析 然后进行了实验验证 实验结果表明理论和实验完全相符 并且验证了 系统的温度稳定性 8 第一章概述 第五章利用偏振分束器 利用消光比测试仪的在线监控实现光子晶体光纤和 普通保偏光纤光轴间成4 5 0 角熔接 并通过实验验证了熔接的效果 利用基于光 子晶体光纤的s o l c 型反射滤波器 实现了温度无关的应变传感 利用含有高双 折射光子晶体光纤的三端口偏振分束器构成的闭环结构 实现了偏振无关的梳妆 滤波 并利用此结构和含有等长度高双折射光子晶体光纤的s a g n a c 环级联 干 涉消光比达到了4 3 d b 基于边缘滤波原理 利用滤波线性区的大斜率特性 实 现了光纤光栅的高分辨率的解调 采用光子晶体光纤改善了解调系统的工作温度 稳定型的问题 本文的创新之处有 1 利用p a n d a 光纤的反射s o l c 型光纤滤波器 实现了基于光纤光栅解调的 微纳幅度振动信号的高精度 宽频率范围的保真拾取 并讨论了该滤波 器其在测量温度