專利名稱：一種基于光纖超聲超結構光柵的可調濾波器及調制方法
技術領域：
本發明涉及一種基于光纖超聲超結構光柵的可調濾波器及調制方法，更準確的說它是一種使用高頻超聲波產生的超聲光柵對光纖光柵進行調制，從而產生波長的漂移，實現可調諧濾波。屬于光通信領域。
背景技術：
光纖光柵是通過在單模光纖芯部幾毫米或幾厘米的長度內，由紫外線曝光形成纖芯折射率周期性微小變化而形成的。近幾年，隨著光柵制作技術的日益成熟，光纖光柵在光通信領域得到了廣泛應用，成為這個領域內的重要器件之一。在光通信方面，它可以構成分布反饋式激光器、光波分復用器、色散補償器、濾波器等關鍵器件；在光纖傳感方面，光纖光柵由于其內在的優點，在水電大壩、橋梁、高速公路等結構的實時監控中發揮越來越重要的作用。
通過改變柵格的間距或者光柵區域的有效折射率實現可調諧濾波器一般可以通過溫度和應力等方法來調節。具體的調諧方法有1、電陶瓷(PZT)驅動調諧Ball等人研究可調光纖激光器(Ball G A，Morey W W.Continuously tunable single-mode erbium fiber laser.Opt.lett.，1992，17(6)420-422)，用相同工作波長的一對FBG作為反射鏡構成激光器的諧振腔，并將腔的兩端固定在壓電陶瓷驅動器上(PZT)，用電壓控制PZT的伸縮，達到調節腔長和FBG波長，調節過程是連續的，但壓電陶瓷的電致伸縮效應的非線性決定了該調諧方法為非線性調諧，而且壓電陶瓷的磁滯效應會產生波長的漂移或無法歸零。同時壓電陶瓷的形變量是有限的，限制了調諧范圍。
2、電磁力驅動調諧 通過控制電磁線圈中電流的方向，使中間的鐵芯相吸或相斥，從而使兩頭固定在支架上的光柵被壓縮或拉伸，達到調諧作用。(趙嶺，蔡海文等，光纖光柵電磁調諧技術的研究。中國激光。2002.29(4).313-316和發明專利申請公開號CN 1338649A，光纖光柵的雙向應力調諧裝置)根據磁調諧的原理，設計了如圖1所示的調諧機構，針對壓縮調諧中防止光纖光柵彎曲形變的問題，設計了專用的導軌機構，保證應力沿光纖光柵軸向。光纖光柵用環氧樹脂枯結在與電磁線圈的磁芯相連接的支架上，支架與底板相連。可以通過控制電磁線圈中電流的方向，使線圈中的磁芯相吸或相斥。從而使支架產生相對運動。光纖光柵受到軸向壓應力或拉應力，實現“雙向可調”。
3、懸臂梁調諧 將光纖光柵剛性的粘貼在均勻介質的懸臂梁的上表面，其方向和兩的軸線一致，光柵與固定端有一定間隔。(余有龍，劉志國，董孝義等，基于懸臂梁的光纖光柵無啁啾線性調諧，光學學報Vol.19，No.5，May，1999)這種方法是利用懸臂梁的形變改變光纖光柵的周期，但由于需要將光纖光柵剛性的粘貼在懸臂梁上，勢必導致膠的黏結應力對光柵反射譜線的影響，同時導致光纖光柵的周期在懸臂梁受里彎曲的時候不能均勻變化，因此在調諧過程中會出現啁啾現象。然而要避免這種現象的發生則需要只固定光柵的兩端，這樣只能實現單向的調諧，更加減少了調諧范圍。
上述已有技術實現可調濾波器的調諧方法可以歸納為沿軸向應力調諧，在應力調諧中，對光纖的拉伸比壓縮更加容易，但是實施壓縮會達到更大的調諧范圍，而且壓縮強度遠遠大于拉伸強度，但是對光纖的壓縮很難避免光纖彎曲問題。無論是拉伸還是壓縮，對光纖都是有損壞的，光纖的可靠性和壽命是這種調諧方法需要更加關注的，同時由于是采用力的調諧，對器件封裝要求不能引入附加應力，否則會帶來中心波長的漂移、啁啾、波長無法回復等問題。
發明內容
本發明提供一種基于光纖超聲超結構可調濾波器及調制方法。它能夠寬范圍、快速、多波長調諧，不需要采用機械夾具對光纖光柵軸線方向施加應力，克服上述已有技術對光纖光柵實施應力調諧時對光柵的損傷的缺點，從而避免了由于拉伸或壓縮對光纖造成的損壞，從而延長使用壽命。
當超聲波在介質中傳播的時候，將使介質的密度產生微小的周期性擾動，從而導致介質的折射率發生微小的周期性變化，可以將這種折射率的周期性變化認為是空間一系列以聲速運動的反射鏡，光在介質中傳播時，被這些反射鏡反射，造成了相位周期性的變化，因此稱之為超聲光柵。它是一種相位光柵。改變超聲波的頻率和功率可以快速改變光柵的特性。
光信號在光纖中傳播的時候，光纖既是光波傳輸介質，又是聲波傳輸介質。當將超聲波平行加載在光纖上時，超聲波的傳播形式為超聲行波(疏密波)，即光纖的分子按照一定間隔距離相互壓縮和拉伸，兩壓縮(或拉伸)處之間的距離決定于光纖中的聲波的波長。因此，光纖的密度和折射率都沿超聲波傳播的方向作周期變化，從而構成超聲光纖光柵，在此介質中傳輸的光信號就會發生衍射，如衍射光柵一樣。由于在光纖產生的是行波，即縱向振動，若在此段光纖上制作光纖光柵，聲波將對光纖光柵產生周期性的調制。超聲行波沿光纖的傳播速度由下式決定
cs=Eρ---(1)]]>其中E是光纖的楊氏模量為7×1010N/m2，ρ是石英玻璃的密度。
當超聲波在光纖或光波導中傳播時，形成超聲光柵，超聲光柵調制在其中傳播的光信號，使光纖或光波導的兩個同向傳播模式相互耦合，已實現了全光纖聲光可調濾波器，基于LiNbO3的聲光可調濾波器。但這種濾波器只能實現同向傳播模式的耦合，其工作帶寬寬，器件尺寸大。
光纖超聲超結構光柵是由超聲波產生的以余弦分布的超聲光柵對光纖布拉格(Bragg)光柵調制的結果。超聲光柵函數分布F(z)＝F0×cos(ks×z)(2)其中ks是超聲波的傳輸常數，ks＝2π/Λs，Λs是聲波的周期，F0是超聲波的振幅，該振幅是超聲波的速度和功率的函數，F0=2Ps/(EAνs),]]>式中Ps是聲功率，E是光纖的楊氏模量，A是光纖光柵的截面積，νs是超聲波在介質中傳播的速度。超聲波在光纖上傳輸的時候產生的縱向波對沿光軸方向產生周期的壓縮和拉伸，使光纖光柵的相位產生周期性的調制，形成光纖超聲超結構光柵，其反射光譜與取樣光柵類似，即周期性的多個反射峰(圖3a、b、c、)，其反射峰之間的間隔取決于超聲波的周期Λs，以及超聲波系q，它們間關系為q=ΛsΛbragg---(3)]]>式中Λbragg是光纖布拉格(Bragg)光柵的周期。由于超聲波將周期性的改變Bragg光柵的周期Λbragg，從而周期性的改變了光纖光柵的相位，形成超結構光柵。因此，光纖超聲超結構光柵折射率分布函數neff(z)可表示為
neff(z)＝δneff(z)[1+νcos(t·z+a·cos(ks·z))] (4)δneff(z)是折射率調制深度，對于均勻光纖布拉格光柵為常數，ν是折射率可見系數，一般ν≤1，調制后的函數變化部分，按照BESSEL函數展開有J0(a)和J1(a)……Jn(a)項cos(t·z+a·cos(ksz))=J0(a)·cos(t·z)+Σn=1∞Jn(a)·[cos(t·z+n·ks·z)+(-1)n·cos(t·z-n·ks·z)]---(5)]]>由此知道光纖超聲超結構光柵的反射譜線，中心波長即Bragg波長位置固定不變反射系數由零階BESSEL函數J0(a)決定。一階BESSEL函數J1(a)的反射譜線的位置由超聲光柵和光纖光柵周期的系數q決定(如圖3)，反射系數由J1(a)決定。定義系數a＝t·F0/ks，t=2πΛbragg,]]>ks=2πΛs.]]>其中Λbragg是Bragg光纖光柵的周期，Λs是超聲波的周期。λ是使用波長，λbragg是布拉格光柵的反射波長。Z是沿布拉格光柵位置分布。相位的變化改變了光柵的自耦合系數σ，從而改變了光纖光柵的反射率。光纖超聲超結構光柵的自耦合系數σ為σ=2π·neff(1λ-1λbragg)+2πλ·δ‾neff-12ks·a·sin(ks·z)---(6)]]>因此，只要改變超聲系數q，即通過選擇超聲波的波長，就可以改變一階反射譜線J1(a)的位置，從而得到不同間隔的反射譜線，實現了波長的動態調諧。并且可以同時在光纖上加載多個不同波長的超聲波，實現多個波長同時調諧。
本發明提供的可調諧濾波器是一種基于壓電材料的超聲波換能器實現的聲光可調濾波器。包括產生反射譜線的光纖光柵，超聲輻射器，聚能器，超聲吸收器，以及支架。由于高頻超聲波在紫外寫入光纖光柵上傳播，產生的長周期超聲光柵調制光纖光柵，形成光纖超聲超結構光柵。光纖超聲超結構光柵的反射譜線存在多個反射峰，其反射峰的波長間隔由超聲波的頻率決定，反射率由超聲波的功率調節。因此，可以通過改變超聲波的頻率和功率，調節一階反射譜的波長和反射率，從而可以實現光通道的功率監測和可重構的光上下載復用器。為了充分利用高頻超聲波的能量，在輻射器和光纖光柵之間安裝了聚能器，該聚能器是一種喇叭口形狀的棒材，超聲輻射器與聚能器的面積大的一端表面粘結，從而把超聲換能器發出的超聲波聚集到光纖上，增加光纖的振動幅度。聚能器喇叭口的橫截面逐漸減小，其中的質點的振幅和速度將隨著喇叭口的收縮越來越大(如圖2)，一般喇叭的收縮速率用β度量，M＝M0·e-2β·lM0是超聲輻射器的初始面積，l是距離初始面的距離。喇叭長度應該為超聲輻射器材料固有頻率的半波長的整數倍，將這樣的超聲輻射器安裝在光纖光柵上，并在光柵的另一端安裝超聲吸收器。
為了能夠提高超聲波與光纖之間的能量傳輸效率，制作喇叭口聚能器是必要措施之外，還需要采取兩個措施一是將喇叭口與光纖之間的連接使用肖氏硬度＞75的膠水，并且膠水厚度盡量薄，通常喇叭口內的孔徑比光纖纖芯大1～3um左右，二是喇叭口聚能器內這段光纖需要剝去表面涂覆層。
綜上所述本發明的特征在于通過將壓電材料產生的高頻超聲波加載到刻有光柵的光纖上，通過高頻超聲波的波長或頻率的變化，實現中心波成的動態調諧；采用高頻超聲波在光纖上產生的超聲光柵對光纖上刻有的均勻光纖光柵進行調制形成的光纖超聲超結構光柵，通過改變超聲波的周期，改變一階譜線的位置，實現波長的動態調諧，得到不同間隔的反射譜線；超聲波在刻有光柵的光纖上傳輸，這種光柵或是反射式的布拉格光纖光柵，或是超周期光纖光柵。
本發明提供的光纖超聲超結構光柵可調濾波器，其優點是顯而易見的1)更快的調諧速度，更寬的調諧范圍；2)由于不需要采用機械夾具對光纖光柵軸線方向施加應力，，從而避免了由于拉伸或壓縮對光纖造成的損壞，延長了使用壽命。
3)結構緊湊。
圖1本發明的光纖超聲超結構光柵可調濾波器結構圖101超聲輻射器，102聚能器，103光纖，104光纖光柵，105支架，106超聲吸收器，107填料，108信號源。
圖2喇叭口和光纖的連接方式示意3超聲超結構光纖光柵的反射譜線(a)是a＝0.5，q＝50，L＝20mm，δneff(z)＝5×10-4時的反射譜線(b)是a＝0.5，q＝100，L＝20mm，δneff(z)＝5×10-4時的反射譜線(c)是a＝0.5，q＝100，L＝20mm，δneff(z)＝5×10-4時，一階反射譜線的細節圖301為一階BESSEL函數J1(a)的反射譜線，302為中心波長，303為二級譜線。圖4基于光纖超聲超結構光柵可調濾波器的光上下載復用器(OADM)具體實施方式
下面通過具體實施方式
進一步說明本發明實質性特點和顯著的進步，以及其作為光上/下載復用器的應用
實施例1 如圖1所示一種基于壓電材料的超聲波換能器實現的聲光可調濾波器(AOTF)。為了充分利用超聲波的能量，在輻射器101和光纖光柵104之間安裝了聚能器102，即一種喇叭形狀的棒材，將輻射器101與聚能器102面積大的一端表面粘接，使用肖氏硬度為80的膠水。從而把超聲換能器發出的超聲波聚集到光纖上103，從而增加光纖的振動幅度。又如圖2所示，喇叭口內的孔徑201比光纖103的直徑大2um，且喇叭口聚能器內這段光纖需剝去表面涂覆層，以提高超聲波與光纖之間的能量傳輸效率。
實施例2 其結構如圖4所示。基于光纖超聲超結構可調濾波器的光上/下載復用器的應用。它是采用了將超聲波加載到光纖布拉格光柵上的方案，因此在可調濾波器404的前后連接了環行器402、405，當從輸入通道401進入的通信波長通過可調諧濾波器404時，通過調諧超聲波的周期(即波長或頻率)，將所需要的波長反射，并從環行器402的下載通道403下載；同時可以通過環行器405將所需要的波長通過上載通道406上載到輸出通道407，從而實現動態的光波長上/下載復用器的功能，而同時其上下載波長可以根據光纖超聲超結構光柵可調濾波器所調諧波長的改變而改變，實現了可重構的光上下路復用器(ROADM)。
權利要求
1.一種基于光纖超聲超結構光柵的聲光可調濾波器，啟特征在于它由產生反射譜線的光纖光柵、超聲輻射器、聚能器、超聲吸收器、聲吸收材料以及支架構成；在超聲輻射器和光纖光柵之間安裝聚能器，超聲輻射器與聚能器面積大的一端表面粘結；光纖光柵的另一端安裝超聲吸收器。
2.按權利要求1所述的一種基于光纖超聲超結構光柵的聲光可調濾波器，其特征在于所述的聚能器是一種喇叭口形狀的棒材，喇叭口的橫截面逐漸減小，且其中的質點的振幅和速度將隨喇叭口的收縮越來越大。
3.按權利要求1或2所述的一種基于光纖超聲超結構光柵的聲光可調濾波器，其特征在于所述的聚能器喇叭口與光纖之間的連接使用肖氏硬度＞75的膠水；喇叭口內的孔徑比光纖纖芯大1～3um；聚能器內的光纖需剝去表面涂覆層。
4.一種基于光纖超聲超結構光柵的聲光可調濾波器的調制方法，其特征在于采用高頻超聲波在光纖上產生的超聲光柵對光纖上刻有均勻光柵進行調制形成光纖超聲超結構光柵，通過改變超聲波的周期，改變一階反射譜線的位置，從而實現波長的動態調諧，得到不同間隔的反射譜線。
5.按權利要求4所述一種基于光纖超聲超結構光柵的聲光可調濾波器的調制方法，其特征在于所述的反射譜線的間隔取決于超聲波的周期Λs，以及超聲波系數q，它們間的關系為q=ΛsΛbragg,]]>式中Λbragg是光纖布拉格(bragg)光柵的周期。
6.按權利要求4所述的一種基于光纖超聲超結構光柵的聲光可調濾波器及調制方法，其特征在于所述的光纖超聲超結構光柵是高頻超聲波在紫外線寫入的光纖光柵上傳播，產生的長周期超聲光柵調制光纖光柵形成的。
7.一種基于光纖超聲超結構的聲光可調濾波器，其特征在于所述的可調濾波器可用于光上下載復用器，可根據光纖超聲超結構光柵可調濾波器調諧波長的改變而改變，實現可重構的光上下路復用器。
全文摘要
本發明涉及一種基于光纖超聲超結構光柵的可調濾波器及調制方法。其特征在于該可調濾波器包括產生反射譜線的光纖光柵，超聲輻射器，聚能器，超聲吸收器，以及支架。聚能器安裝在超聲輻射器和光纖光柵之間，超聲輻射器與與聚能器面積大的端面表面粘結，聚能器呈喇叭口形狀，光纖光柵的另一端安裝超聲吸收器。光纖超聲超結構光柵的反射譜存在多個反射峰，其反射峰的波長間隔由超聲波的頻率決定，反射率可由超聲波的功率調節。因此，可以通過改變超聲波的頻率和功率，調節一階反射譜的反射波長和反射率，從而可以實現光通道的功率監測和可重構的光上下解復用器。本發明結構緊湊，調諧速度快，調諧范圍寬；對光纖光柵軸線方向不施加任何應力，延長了使用壽命。
文檔編號G02F1/11GK1554967SQ200310122869
公開日2004年12月15日 申請日期2003年12月26日 優先權日2003年12月26日
發明者屈紅昌, 吳亞明, 楊建義, 王文輝 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所, 中國科學院上海微系統與信息技術研究