基于高双折射光纤环镜的可调谐光滤波器

吉正继，武向农，殷 业，肖 龙

基于高双折射光纤环镜的可调谐光滤波器

吉正继，武向农*，殷 业，肖 龙

（上海师范大学信息与机电工程学院，上海200234）

为了得到具有全光纤结构和中心波长可调谐的光滤波器，采用3阶高双折射光纤环镜，提出了一种电磁力的悬臂调谐单元构成的新型可调谐光滤波器，对环镜传输过程和悬臂调谐单元原理进行了理论分析，通过控制悬臂调谐单元的输入电流，实现了滤波器通带的调谐。结果表明，该滤波器具有调谐灵活、输出光谱精细等特点，可应用于不同波长光波的选频输出。

光纤光学；高双折射光纤；琼斯矩阵；环镜；悬臂调谐单元

引 言

由于在光纤传感、光纤通信以及测量［1］等领域的潜在应用，光学滤波器成为了当前国内外研究的热点，已广泛使用在光纤激光器和波分复用等系统中［2］。在波分复用系统中，为了得到不同波长的复用光波信号，可采用可调谐的光滤波器，通过滤波器对激光器输出光波的调谐滤波，得到不同波长的光波输出，极大地降低了系统成本。近年来人们提出了多种可调谐的光滤波器，主要有光纤光栅滤波器、Mach-Zehnder干涉滤波器、Fabry-Perot谐振腔滤波器、环镜滤波器等［3-6］。最近，一种带有保偏光纤的环镜滤波器被提出［7］，它作为光梳状滤波器有着性能稳定、操作灵活等特点。而基于高双折射光纤（high birefringence fiber，HBF）环镜的光滤波器［8-9］还具有偏振无关、易调谐的优点。高阶的HBF环镜滤波器使输出光谱的通带和精细度更好、调谐更加灵活，有着更好的滤波性能。

作者提出了一种基于3阶HBF环镜的新型可调谐光滤波器，利用悬臂调谐单元实现滤波器的可调谐性，可应用于多种光波的滤波，具有应用前景和研究意义。

1 模型与理论分析

3阶HBF环镜是由3个偏振控制器（polarization controller，PC）、3段HBF、1个3dB耦合器组合构成的，其结构如图1所示。图中，θ1，θ2，θ3分别为光波通过3个PC后偏转的角度，L1，L2，L3分别为3段HBF的长度。

如图1所示，在3阶HBF环镜中，光场矢量E1和E2（一般情况下E2＝0）为入射光，分别从端口1和端口2进入到耦合器，经耦合器分为相干光场E3和E4，它们分沿顺时针和逆时针方向环路传输后变为光场E3′和E4′，然后又返回耦合器经耦合后从端口1反射输出光场E1′、端口2透射输出光场E2′。

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

由HBF环镜Jones矩阵分析理论［10］可得，3阶HBF环镜中PC、耦合器以及HBF的Jones矩阵分别为R（θ），Jc，J：

式中，θ为光场通过PC后偏转的角度；k为耦合器的交叉功率耦合比（3dB耦合时k＝0.5）；φ为光场在HBF快慢轴上传输时产生的相位差，并且φ＝πΔnL／λ，L为HBF的长度，Δn为HBF快慢轴的折射率差，λ为入射光的波长；φ1，φ2和φ3为3段HBF的相位差。

运用Jones矩阵对3阶HBF环镜的传输过程进行理论分析，可得光场在环镜中顺时针和逆时针的传输矩阵分别为MCW和MCCW：

又得HBF环镜的透射率T为［11］：

式中，*表共轭。则由以上公式可以计算出3阶HBF环镜的透射率T为：

本文中所设计的光滤波器是由图1所示的3阶HBF环镜和基于电磁力的悬臂调谐单元构成，在3段HBF上都加上此调谐单元。悬臂调谐单元由悬臂、永久磁铁和电磁线圈构成，将HBF紧贴在悬臂上，悬臂的一端固定着一个永久磁铁，电磁线圈与永久磁铁间隔一段距离平行放置，其结构如图2所示。

Fig.2 Structure of the cantilever tuning unit

在电磁线圈输入端输入电流，由于电磁力的产生，永久磁铁将会被吸引或者排斥，最终在悬臂上产生应力变化［12］，该应力被HBF所接收，导致HBF快慢轴上的相位差发生变化，最后使得滤波器的通带得到调谐。

根据电磁感应理论，由输入电流I而产生的电磁力大小为：式中，μ0为在真空中的导磁系数，S为电磁线圈交叉截面的面积，η为气隙的距离，N为电磁线圈的圈数。

根据材料力学理论，由电磁力而产生在悬臂上的应力ε可表示为：

式中，a为悬臂的长度，b为悬臂的宽度，h为悬臂的厚度，E为悬臂的杨氏弹性模量。

当HBF受到应力时，其在快慢轴上产生的相位差将发生变化，相位差的变化Δφ为：

式中，L为HBF长度，Δn为HBF折射率差，Pe为弹光系数。

2 数值仿真结果与讨论

本文中所设计的光滤波器中的各器件参量设置如下：为使光滤波器输出光谱边模抑制比达到最佳，取3个PC的偏转角度为θ＝θ＝，θ＝；仿真132发现，当3段HBF长度比为1∶2∶2时环镜输出光谱最好，所以取3段HBF长度L1＝50mm，L2＝L3＝100mm；取HBF折射率差Δn＝0.0005。对于悬臂调谐单元，取导磁系数μ0＝4π×10－7H／m；悬臂的长度a＝150mm、宽度b＝25mm、厚度h＝1mm；悬臂的杨氏弹性模量E＝3.15GPa；弹光系数Pe＝0.22；电磁线圈和永久磁铁之间的气隙距离η＝2mm；电磁线圈交叉截面的面积S＝78.5mm2；线圈的圈数N＝300。

当电磁线圈未输入电流（I＝0）时，调谐单元不工作，此时该滤波器的初始透射谱如图3所示。

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

由图3可知，该滤波器的透射谱在1557.5nm，1562.5nm和1567.5nm处取得峰值，峰值间隔将近5nm，3dB带宽约为0.2nm，旁瓣只达到0.25nm，因此很适合作窄带滤波器。从图中看出，该滤波器可以滤出1557.5nm，1562.5nm和1567.5nm处波长的光波，有着良好的滤波效果。

固定输入光波波长λ＝1562.5nm，当在电磁线圈中输入电流时，3段HBF的相位差变化Δφ随输入电流I的变化曲线见图4。

Fig.4 Change of phase differenceΔφversus input current I

如图4所示，随着电磁线圈输入电流的变化，HBF的相位差随之发生改变。最终可引起滤波器的透射光谱产生移动，实现滤波器通带的调谐。在前面的参量设置和理论计算基础上，设定输入电流，可得不同输入电流时滤波器的透射谱如图5所示。

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

由图5可知，在电磁线圈中输入电流后，滤波器透射谱发生了移动，波长对应的峰值处也得到调谐。两种调谐状态透射谱所对应的峰值波长约为1558nm，1563.5nm，1569nm和1559.5nm，1564.5nm，1569.5nm，透射谱峰值间隔均达到了5nm以上，3dB带宽小于0.2nm，旁瓣幅度小于0.3nm。则可得两种调谐状态时的滤波器都有着很好的窄带滤波效果，均能有效地滤出对应峰值处波长的光波。

改变3段HBF上各调谐单元的输入电流，有着很多种不同的组合方式，可实现滤波器通带灵活的调谐，应用于不同光波要求的窄带滤波，且由于是高阶的环镜滤波器，滤波器输出光谱都很精细，有着良好的滤波效果。

3 结 论

基于HBF环镜的光滤波器中HBF的相位差发生变化时，可使得滤波器的输出光谱产生相移。由此，作者在对3阶HBF环镜理论研究的基础上，设计出1种由3阶HBF环镜和悬臂调谐单元组成的新型可调谐光滤波器，并对调谐单元的结构和原理进行了详细的分析。研究得出，这种新型结构的光滤波器调谐灵活，调谐范围也很广，通过改变调谐单元的输入电流，便可实现滤波器通带的调谐输出，理论仿真也得到实现。同时，该滤波器还有着良好的滤波效果，输出光谱的精细度很好，可应用于较大范围的可调谐滤波。

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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

上海师范大学科研基金资助项目（SK201223）；国家自然科学基金资助项目（61101209）

吉正继（1988-），男，硕士研究生，主要从事微波光子滤波器、光纤环结构的研究。

*通讯联系人。E-mail：xnwu＠shnu.edu.cn

2013-04-12；

2013-05-10