一种可调超窄带光纤滤波器

1.本发明涉及光纤滤波器、光纤激光器等领域，具体地说是一种可调超窄带光纤滤波器。


背景技术：

2.单纵模光纤激光器在高速相干光通信、高精度超长距离光纤传感、高精度光谱分析、非线性频率转换、微波光子学等领域具有极大的应用前景和巨大的经济价值。高性能单纵模光纤激光器的研究及其实用化将推动一系列重要科学技术的发展和社会科技化程度的进步。然而，目前高性能单纵模光纤激光器大多还停留在实验室研究阶段，实用化的产品大多是性能单一、面向科研的非量化产品，仍需研究者们进一步共同努力来推动其不断发展。对于诸多可以实现单纵模输出的光纤激光器技术方案，大致分为两类，一类为基于超短腔结构的单纵模光纤激光器，一类为使用超窄带滤波器的长腔单纵模光纤激光器。超短腔结构简单，但其输出功率低、噪声高、功能拓展性偏差。长腔结构在实现单纵模激光输出基础上，更加易于实现超窄线宽和高功率，而且功能可拓展性强，有望实现各种不同类型的输出特性，如宽带可调谐、多波长、波长可切换、波长扫描、调q等。对于长腔结构的单纵模光纤激光器，其中关键技术为超窄带的光学滤波器的研制，尤其是可以直接进行单纵模选择的带宽可调超窄带滤波器。
3.目前，可以直接用于单纵模选择的超窄带滤波器主要包括基于光纤光栅的超窄带滤波器(如光纤光栅法布里
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珀罗滤波器、啁啾莫尔光纤光栅滤波器、相移光纤光栅滤波器等)和光纤法布里
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珀罗滤波器。然而，这两类滤波器要么制作困难、重复性差，要么价格昂贵、不实用。基于光纤环形腔的滤波器使用低成本的光纤耦合器制作，通过级联、嵌套等方式构成复合环形腔滤波器，可以制作低成本的大自由光谱范围的超窄带光纤滤波器，直接用于光纤激光器的单纵模选取。但是，一般这种滤波器的带宽和透射率是成反比的，实现超窄带滤波往往伴随着透射率的降低，严重影响整体光纤激光器的q值，从而影响激光输出线宽或功率特性。因此，如何能同时得到超窄带滤波和高透射率对于光纤环形腔滤波器的应用至关重要。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是提供一种可调超窄带光纤滤波器，该滤波器可同时实现高透射率、超窄带滤波和大自由光谱范围，同时具有高透射率和滤波带宽可调及低成本的优点。
5.本发明的目的是这样实现的：一种可调超窄带光纤滤波器，所述光纤滤波器由两个或两个以上的光纤环级联而成，每一个光纤环是由两个光纤耦合器通过两对端口对应连接形成的环状光纤结构；在至少一个光纤环上设有增益单元，所述增益单元一方面与形成环状光纤结构的两个光纤耦合器的其中一对端口分别相接，另一方面与泵浦单元相接；所述泵浦单元用于提供泵浦光，所述泵浦单元和所述增益单元共同作用为输入所述光纤滤波器的信号光提供增益。
6.优选的，所述光纤滤波器由两个光纤环级联而成，在两个光纤环上均设有增益单元；具体地，所述光纤滤波器包括第一光纤耦合器101、第二光纤耦合器102、第三光纤耦合器103、第四光纤耦合器104、第一增益单元105、第二增益单元106和泵浦单元107；所述第一光纤耦合器101的2端口作为信号光的输入端口；所述第一光纤耦合器101的1端口与所述第二光纤耦合器102的2端口相接，所述第一光纤耦合器101的3端口与所述第一增益单元105的输入端口p1相接，所述第一增益单元105的输出端口p2与所述第二光纤耦合器102的4端口相接，由此形成第一光纤环100；所述第二光纤耦合器102的1端口与所述第三光纤耦合器103的2端口连接；所述第三光纤耦合器103的1端口与所述第四光纤耦合器104的2端口连接，所述第三光纤耦合器103的3端口与所述第二增益单元106的输入端口p3相接，所述第二增益单元106的输出端口p4与所述第四光纤耦合器104的4端口相接，由此形成第二光纤环200；所述第一增益单元105的p01端口与所述泵浦单元107的p03端口连接，所述第二增益单元106的p02端口与所述泵浦单元107的p04端口连接；所述第四光纤耦合器104的1端口作为信号光的输出端口；所述第一光纤耦合器101的4端口、所述第二光纤耦合器102的3端口、所述第三光纤耦合器103的4端口以及所述第四光纤耦合器104的3端口均空置并做打结处理。
7.上述方案中，所述泵浦单元107包括第五光纤耦合器301和泵浦激光器302；所述第五光纤耦合器301的1端口和2端口分别作为所述泵浦单元107的p04和p03端口，所述第五光纤耦合器301的4端口与所述泵浦激光器302的输出端口连接，所述第五光纤耦合器301的3端口空置并做打结处理。
8.另一个方案中，所述光纤滤波器由两个光纤环级联而成，但仅在其中一个光纤环上设有增益单元。
9.第一增益单元105和第二增益单元106具有相同的结构，均包括稀土掺杂增益光纤201和波分复用器202；所述波分复用器202包括单光纤端和双光纤端，所述双光纤端包括信号光端口和泵浦光端口；所述稀土掺杂增益光纤201的一端作为所述第一增益单元105(第二增益单元106)的p1(p3)端口，所述稀土掺杂增益光纤201的另一端与所述波分复用器202的所述单光纤端连接；所述波分复用器202的所述双光纤端的所述信号光端口作为所述第一增益单元105(第二增益单元106)的p2(p4)端口；所述波分复用器202的所述双光纤端的所述泵浦光端口作为所述第一增益单元105(第二增益单元106)的p01(p02)端口。
10.所述第一光纤耦合器101、第二光纤耦合器102、第三光纤耦合器103、第四光纤耦合器104、第一增益单元105、第二增益单元106和泵浦单元107各端口之间的连接优选为光纤熔接机熔接连接(简称熔接连接)，也可以为活动连接器连接(简称连接器连接)。
11.优选的，所述第一光纤耦合器101、第二光纤耦合器102、第三光纤耦合器103、第四光纤耦合器104的工作波长为1550nm，且耦合比为10％:90％；根据需要滤波的波段的不同，所述第一光纤耦合器101、第二光纤耦合器102、第三光纤耦合器103、第四光纤耦合器104也可以选择为工作在其他波长处的光纤耦合器，且耦合比也可以根据需要进行选择。
12.所述第一光纤耦合器101、所述第二光纤耦合器102及所述第一增益单元105构成第一光纤环100；所述第三光纤耦合器103、所述第四光纤耦合器104及所述第二增益单元106构成第二光纤环200；所述第一光纤环100与所述第二光纤环200的环长及环长差需要根据滤波特性及理论计算和实验确定。
13.所述稀土掺杂增益光纤201为掺铒增益光纤或铒镱共掺增益光纤。所述稀土掺杂
增益光纤201也可以根据需要滤波的波段更换为掺镱增益光纤、掺铥增益光纤或其他可能的稀土掺杂增益光纤；所述稀土掺杂增益光纤201的长度及特性参数需要通过理论计算和实验确定；所述波分复用器202的选择需要根据所述信号光和所述泵浦光的波长来确定。
14.优选的，所述第五光纤耦合器301为工作在泵浦激光器302输出激光波长处，且耦合比为50％:50％。所述第五光纤耦合器301的耦合比可以根据第一增益单元105和第二增益单元106的实际需要调整为任意的数值。
15.优选的，所述泵浦激光器302为980nm半导体激光器。所述泵浦激光器302可以根据所述稀土掺杂增益光纤201种类的不同更换为793nm半导体激光器或其他类型激光光源。
16.所述第一光纤耦合器101、第二光纤耦合器102、第三光纤耦合器103、第四光纤耦合器104、第五光纤耦合器301均为单模光纤耦合器；根据需要，所述第一光纤耦合器101、第二光纤耦合器102、第三光纤耦合器103、第四光纤耦合器104、第五光纤耦合器301也可以换成保偏光纤耦合器。
17.对于上述内加增益的双环级联可调超窄带光纤滤波器，根据实际滤波需要，通过控制所述第一光纤耦合器101、第二光纤耦合器102、第三光纤耦合器103、第四光纤耦合器104的耦合比，选择合适的所述稀土掺杂增益光纤201的类型和控制所述稀土掺杂增益光纤201的长度，控制所述第一光纤环100和所述第二光纤环200的环长和环长差，控制所述第五光纤耦合器301的耦合比和控制所述泵浦激光器302的输出功率，总体上可以实现理想滤波自由光谱范围、超窄滤波带宽且滤波带宽可调、滤波波长处高透射率的高性能滤波特性。
18.上面详细描述了内加增益的双环级联可调超窄带光纤滤波器，可以根据实际需要拓展为内加增益的多环级联可调超窄带光纤滤波器，可以几个或全部光纤环内加增益；还可以进行其他相关联的拓展。
19.本发明所提供的可调超窄带光纤滤波器，可同时实现高透射率、超窄带滤波和大自由光谱范围，且透射率和滤波带宽可调，非常适合于光纤激光器的单纵模选取，在单纵模光纤激光器领域具有潜在的应用价值。另外，本发明所提供的可调超窄带光纤滤波器在光纤传感以及光学频率梳领域也具有重要的应用价值。
附图说明
20.图1是本发明所提供的内加增益的双环级联可调超窄带光纤滤波器的结构示意图。
21.图2是图1中第一(第二)增益单元的结构示意图。
22.图3是图1中泵浦单元的结构示意图。
23.图4是本发明实施例1中内加增益的单环光纤滤波器的结构示意图。
24.图5是本发明实施例1中内加增益的单环光纤滤波器在泵浦激光功率分别为20mw、40mw和48mw时的实测滤波光谱图。
25.图6是本发明实施例1中内加增益的单环光纤滤波器分别在无增益、增益1.01和增益1.02时的仿真滤波光谱，插图是虚线框部分的放大图。
26.图7是本发明实施例2中单个环内加增益的双环级联光纤滤波器的结构示意图。
27.图8是实施例2和实施例3中光纤滤波器在不同情况下所对应的仿真滤波光谱，插图是虚线框部分的放大图。
28.图中：100、第一光纤环；101、第一光纤耦合器；102、第二光纤耦合器；103、第三光纤耦合器；104、第四光纤耦合器；105、第一增益单元；106、第二增益单元；107、泵浦单元；200、第二光纤环；201、稀土掺杂增益光纤；202、波分复用器；301、第五光纤耦合器；302、泵浦激光器。
具体实施方式
29.下面结合附图对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，但本发明并不限于以下实施方式。
30.本发明所提供的可调超窄带光纤滤波器，由两个或两个以上的光纤环级联而成，每一个光纤环是由两个光纤耦合器通过两对端口对应连接形成的环状光纤结构；在至少一个光纤环上设有增益单元，所述增益单元一方面与形成环状光纤结构的两个光纤耦合器的其中一对端口分别相接，另一方面与泵浦单元相接；所述泵浦单元用于提供泵浦光，所述泵浦单元和所述增益单元共同作用为输入所述光纤滤波器的信号光提供增益。
31.下面就两个光纤环的情形进行详细描述，对于多个光纤环的情形，可以类推。
32.如图1所示，图1所示是内加增益的双环级联可调超窄带光纤滤波器，该光纤滤波器包括第一光纤耦合器101、第二光纤耦合器102、第三光纤耦合器103、第四光纤耦合器104、第一增益单元105、第二增益单元106和泵浦单元107。第一光纤耦合器101、第一增益单元105、第二光纤耦合器102、第三光纤耦合器103、第二增益单元106和第四光纤耦合器104依序对应连接形成双环级联结构。泵浦单元107的两个输出端口p03、p04分别与第一增益单元105的p01端口和第二增益单元106的p02端口连接，通过两个增益单元里的波分复用器202作用于稀土掺杂增益光纤201(见图2)，从而为信号光提供增益。图中，实线代表光纤，黑点代表熔接点，下同。
33.第一光纤耦合器101的2端口作为双环级联可调超窄带光纤滤波器的输入端口，第一光纤耦合器101的4端口空置，并做打结处理以避免强烈光反射。第一光纤耦合器101的1端口与第二光纤耦合器102的2端口连接形成第一光纤环100的左半环，第一光纤耦合器101的3端口连接第一增益单元105的p1端口，第一增益单元105的p2端口与第二光纤耦合器102的4端口连接，以上形成第一光纤环100。第二光纤耦合器102的3端口空置，并做打结处理以避免强烈光反射。第三光纤耦合器103的1端口与第四光纤耦合器104的2端口连接形成第二光纤环200的左半环，第三光纤耦合器103的4端口空置并做打结处理以避免强烈光反射，第三光纤耦合器103的3端口连接第二增益单元106的p3端口，第二增益单元106的p4端口与第四光纤耦合器104的4端口连接，以上形成第二光纤环200。第一光纤环100和第二光纤环200通过第二光纤耦合器102的1端口与第三光纤耦合器103的2端口连接，形成级联结构。第四光纤耦合器104的3端口空置，并做打结处理以避免强烈光反射；第四光纤耦合器104的1端口作为双环级联可调超窄带光纤滤波器的输出端口。泵浦单元107的p03端口、p04端口分别与第一光纤环100中第一增益单元105的p01端口、第二光纤环200中第二增益单元106的p02端口连接；泵浦单元107和两个增益单元为双环级联可调超窄带光纤滤波器中的信号光提供增益。
34.如图2所示，第一增益单元105和第二增益单元106具有相同的结构，均包括稀土掺杂增益光纤201和波分复用器202，其中波分复用器202包括单光纤端和双光纤端，双光纤端
包括信号光端口和泵浦光端口，稀土掺杂增益光纤201的一端作为第一增益单元105(第二增益单元106)的p1(p3)端口，稀土掺杂增益光纤201的另一端与波分复用器202的单光纤端连接，波分复用器202的双光纤端的信号光端口作为第一增益单元105(第二增益单元106)的p2(p4)端口，波分复用器202的双光纤端的泵浦光端口作为第一增益单元105(第二增益单元106)的p01(p02)端口。
35.如图3所示，泵浦单元107包括第五光纤耦合器301和泵浦激光器302，其中第五光纤耦合器301的1端口和2端口分别作为泵浦单元107的p04端口和p03端口，第五光纤耦合器301的4端口与泵浦激光器302的输出端口连接，第五光纤耦合器301的3端口空置，并做打结处理以避免强烈光反射。
36.以上，第一光纤耦合器101、第二光纤耦合器102、第三光纤耦合器103、第四光纤耦合器104、第一增益单元105、第二增益单元106和泵浦单元107各端口之间的连接优选为光纤熔接机熔接连接(简称熔接连接)，也可以为活动连接器连接(简称连接器连接)。
37.以上，第一光纤耦合器101、第二光纤耦合器102、第三光纤耦合器103、第四光纤耦合器104、第五光纤耦合器301均为单模光纤耦合器，也可以根据需要换成保偏光纤耦合器。
38.上面详细描述了内加增益的双环级联可调超窄带光纤滤波器的结构，对于双环内仅有一个增益单元，或者多个光纤环(在一个、几个或全部光纤环内存在增益单元)的情形，其结构可以类推。
39.本发明所提供的可调超窄带光纤滤波器具有结构简单、低成本、易产品转化的优点，其可同时实现高透射率、超窄带滤波和大自由光谱范围，且透射率和滤波带宽可调，非常适合于光纤激光器的单纵模选取，在单纵模光纤激光器领域具有潜在的应用价值。
40.以下将通过三个具体实施例说明和演示本发明提出的可调超窄带光纤滤波器的滤波性能。
41.实施例1：内加增益的单环光纤滤波器滤波光谱的实验与仿真。
42.内加增益的单环光纤滤波器结构如图4所示，包括第一光纤耦合器101、第二光纤耦合器102、第一增益单元105和泵浦激光器302。第一光纤耦合器101的2端口为输入端，第一光纤耦合器101的4端口空置并打结。第一光纤耦合器101的1端口与第二光纤耦合器102的2端口连接形成第一光纤环100的左半环，第一光纤耦合器101的3端口与第一增益单元105的p1端口相接，第一增益单元105的p2端口与第二光纤耦合器102的的4端口相接，进而形成第一光纤环100。第二光纤耦合器102的1端口为输出端，第二光纤耦合器102的3端口空置并打结。第一增益单元105的p01端口与泵浦激光器302相接。第一增益单元105的结构如图2所示，包括稀土掺杂增益光纤201和波分复用器202。
43.本实施例中采用的第一光纤耦合器101和第二光纤耦合器102均为单模光纤耦合器且耦合比均为10％:90％，第一光纤环100的环长为80cm；使用的稀土掺杂增益光纤201为11cm长的掺铒光纤(liekki
tm er80
‑8‑
125)，使用的波分复用器202为980/1550nm单模光纤波分复用器，使用的泵浦激光器302为980nm的半导体激光器，泵浦激光器302将激光输入到第一增益单元105中。内加增益的单环光纤滤波器制作好以后，使用扫描激光器光源(yenista，tunics
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ti00s
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hp)输出波长扫描激光经偏振控制器和隔离器从第一光纤耦合器101的2端口输入，输入功率为0.2mw，波长范围为1550
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1552nm，从第二光纤耦合器102的1端口输出后接光电探测器(pd)并用数据采集卡采集，得到滤波光谱。打开泵浦激光器302，设
置不同泵浦功率，随着泵浦功率从0mw的增加，对稀土掺杂光纤的激发越来越强，从而增益越来越大，如图5所示，图5为当泵浦激光器302输出激光功率分别为20mw、40mw和48mw时测得的内加增益的单环光纤滤波器的滤波光谱，可见对应的最大透射率(tmax)越来越高，分别为0.075、0.436和0.891，对应的滤波带宽(fwhm)也越来越窄，分别为26.90mhz、9.92mhz和7.61mhz。由于当透射率≥1时，光纤环内会形成激光振荡而不能滤波，故须保持透射率<1。当在透射率<1的情况下，用较小的步长继续增加泵浦功率，可以获得tmax接近于1且滤波带宽更窄的滤波光谱。同时，在保持透射率<1的情况下，对内加增益的单环光纤滤波器进行了数值仿真，仿真时将第一增益单元105的作用抽象为一个增益系数，其他涉及到的参数与实验相同，仿真结果如图6所示，图6为无增益、增益系数为1.01和增益系数为1.02时的滤波光谱。由插图可见，随着增益的增加，对应的tmax越来越大，分别为0.680、0.821和0.991，且对应的fwhm也越来越窄，分别为10.23mhz、9.37mhz和8.67mhz。
44.通过本实施例可见，实验所测结果和仿真所得结果具有一致的趋势：在保持透射率<1的前提下，随着环中所加增益的不断提高，滤波特性不断优化，即同时得到了高透射率和超窄带滤波。但由于作为滤波器使用时，相邻透射通道间隔(即自由光谱范围fsr)也是一个重要参数，对于光纤激光器选单纵模时原则上fsr越大越好。而fsr和滤波器的环长成反比，想得到很大的fsr，第一光纤环100的环长就要很短，这在很多情况下是不能实现和满足不了实际需要的。一个很好的方法就是使用不同环长的两个单环光纤滤波器级联的方法实现大的fsr，且经过合理设计可得到理想的fsr。
45.实施例2：单个环内加增益的双环级联光纤滤波器滤波光谱的仿真。
46.单个环内加增益的双环级联光纤滤波器结构如图7所示，与图1相比，本图中仅在第一光纤环100中设置第一增益单元105，在第二光纤环200中不设置第二增益单元，泵浦激光器302与第一增益单元105的p01端口相接。对于本图的具体结构不再详述，相关相似之处可参见图1以及对图1的描述。
47.本实施例中，仿真所使用的第一光纤环100环长为62.5cm，第二光纤环200环长为60cm。第一光纤环100包括第一光纤耦合器101、第二光纤耦合器102和外接泵浦激光器302的第一增益单元105，其中第一光纤耦合器101和第二光纤耦合器102的耦合比均为10％:90％，第一增益单元105的作用抽象为一个增益系数。第二光纤环200包括第三光纤耦合器103和第四光纤耦合器104，第三光纤耦合器103和第四光纤耦合器104的耦合比为10％:90％。第二光纤耦合器102的1端口到第三光纤耦合器103的2端口的光纤长度为30cm。第一光纤耦合器101的2端口为双环级联光纤滤波器输入端口，第四光纤耦合器104的1端口为双环级联光纤滤波器输出端口。当第一光纤环100所加增益系数为1.02时，仿真结果如图8中“双环级联
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第一光纤环加增益”曲线所示。从插图中可以看出，此时tmax为0.684、fwhm为7.81mhz。作为对比，首先仿真得到第一光纤环100和第二光纤环200均无增益的双环级联光纤滤波器的滤波光谱，仿真使用参数与上述相同，仿真结果如图8中“双环级联
‑
无增益”曲线所示。从插图中可以看出，此时tmax为0.475、fwhm为8.57mhz。
48.由本实施例可知，对于单个环内加增益的双环级联光纤滤波器，fwhm相较于无增益的双环级联光纤滤波器更窄，tmax也有所提高，表现出了更好的滤波性能。而且，与实施例1中内加增益的单环光纤滤波器滤波相比，在同样增益下，滤波带宽更窄、fsr显著增加(8.175ghz)。
49.实施例3：双环内加增益的双环级联光纤滤波器滤波光谱的仿真。
50.双环内加增益的双环级联光纤滤波器的结构如图1所示，其中在第一光纤环100中和第二光纤环200中均加增益。仿真时，设置第一光纤环1的环长为62.5cm，第二光纤环2环长为60cm。第一光纤环100包括第一光纤耦合器101、第二光纤耦合器102和第一增益单元105，且第一增益单元105的作用抽象为一个增益系数。第二光纤环200包括第三光纤耦合器103、第四光纤耦合器104和第二增益单元106，且第二增益单元106的作用也抽象为一个增益系数。其中，第一光纤耦合器101、第二光纤耦合器102、第三光纤耦合器103和第四光纤耦合器104的耦合比均为10％:90％。第二光纤耦合器102的1端口到第三光纤耦合器103的2端口的光纤长度为30cm。第一光纤耦合器101的2端口为双环级联光纤滤波器输入端口，第四光纤耦合器104的1端口为双环级联光纤滤波器输出端口。当第一光纤环100和第二光纤环200中所加增益系数均为1.02时，仿真结果如图8“双环级联
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双环加增益”曲线所示。从插图中可以看出，tmax为0.983、fwhm为7.21mhz、fsr为8.175ghz，同时得到了高透射率、超窄带滤波和大自由光谱范围。另外，由仿真可知，通过调整增益系数，可以实现透射率和滤波带宽的可调谐。
51.通过以上实施例子，由仿真和实验证明，本发明提出的可调超窄带光纤滤波器具有优秀的滤波特性和可调性能——可同时实现高透射率、超窄带滤波和大自由光谱范围且透射率和滤波带宽可调，而且整体结构简单、成本低、易于小型化。由此滤波器设计思想，同时结合片上波导集成技术，也有望制作片上高性能微型滤波器。
52.以上对本发明所提供的可调超窄带光纤滤波器进行了详细介绍，本文中应用了三个具体实施例对本发明的系统和方法的可行性进行了验证和阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。