一种全光纤双折射滤波器的制作方法

本发明涉及光学滤波器领域，具体涉及基于45度倾斜光纤光栅的全光纤双折射滤波器。

背景技术：

双折射滤波器在激光器系统、光通信系统以及光学传感系统中都有着不可或缺的作用，其原因是双折射滤波器具有光谱灵活可控、窄带宽、结构简单等特点。但目前现有的光学系统中使用的双折射滤波器多为铌酸锂晶体结构，不仅体积大集成度低，还需要外加磁场调制或紫外光照射来辅助其工作，这无疑大大增加了实际应用的难度。

近年来，基于高双折射光纤环状结构的双折射滤波器也已经有所报道，但仍需使用体光学元件，这一方面不利于滤波器件的小型化和集成化，另一方面也引入了插入损耗和耦合困难，不利于实现光学系统的全光纤化。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种全光纤双折射滤波器，旨在解决现有技术中的滤波器采用体光学元件导致体积大、损耗高、难以耦合、集成度低的问题。

本发明提供了一种全光纤双折射滤波器，包括：保偏光纤腔，以及两段分别连接在保偏光纤腔两端的刻写于保偏光纤快轴或慢轴上的45度倾斜光纤光栅；所述45度倾斜光纤光栅的偏振消光比与其长度成线性比例关系，将45度倾斜光纤光栅沿保偏光纤的快轴或慢轴刻写用于实现线偏振光输出；所述保偏光纤腔由一段保偏光纤以一定规律分成n节扭曲放电而成或由相同的n节保偏光纤以一定规律错轴熔接而成，用于实现对保偏光纤中传输的两个偏振态的光的相位延迟，n为正整数。

本发明中，由于45度倾斜光纤光栅的偏振消光比与其长度成线性比例关系，长度增长，光栅消光比增大，滤波器消光比也会随之相应增大，因此可以通过增加45度倾斜光纤光栅的长度实现全光纤双折射滤波器的消光比的提高。

其中，45度倾斜光纤光栅可以通过紫外光刻写于保偏光纤芯层中，优选地，可以采用相位掩模技术进行刻写，其光栅平面与光纤横截面成45°夹角，在此作为理想的线性偏振器件。

可以通过设置45度倾斜光纤光栅的长度，实现全光纤双折射滤波器的高消光比。通过设置保偏光纤的节数、每节保偏光纤的长度以及每节保偏光纤的错轴角度，实现对全光纤双折射滤波器滤波谱的灵活设计。

作为本发明的一个实施例，两段45度倾斜光纤光栅的通光轴相互垂直。两段45度倾斜光纤光栅之间的保偏光纤腔中每节保偏光纤的快轴或慢轴与第一段45度倾斜光纤光栅的通光轴之间成一定角度来回交错，角度与保偏光纤总节数满足以下关系：其中，θ为每节保偏光纤的快轴或慢轴与第一段45度倾斜光纤光栅的通光轴之间的角度，n为保偏光纤总节数。所述保偏光纤腔由一段保偏光纤以一定规律分成n节扭曲放电形成时，扭曲角度为2θ，若由相同的n节保偏光纤错轴熔接而成，则错轴熔接角为θ。

更进一步地，当保偏光纤腔由奇数节保偏光纤构成时，其传输矩阵为：

当保偏光纤腔由偶数节保偏光纤构成时，其传输矩阵为：

其中，r(θ)为旋转矩阵，w(δ)为每节保偏光纤的相移矩阵，δ为每节保偏光纤的相位延迟。

作为本发明的另一个实施例，两段45度倾斜光纤光栅的通光轴相互平行。两段45度倾斜光纤光栅之间的保偏光纤腔中第一节保偏光纤的快轴或慢轴与第一段45度倾斜光纤光栅的通光轴之间的角度θ1、每节保偏光纤快轴或慢轴之间的夹角δθ、以及最后一节保偏光纤的快轴或慢轴与第一段45度倾斜光纤光栅的通光轴之间的角度θn与保偏光纤总节数分别满足以下关系：其中，n为保偏光纤总节数。所述保偏光纤腔由一段保偏光纤以一定规律分成n节扭曲放电形成时，扭曲角度分别为2θ1、2δθ和2θn，若由相同的n节保偏光纤错轴熔接而成，则错轴熔接角分别为θ1、δθ和θn。

更进一步地，当保偏光纤腔由n节保偏光纤构成时，其传输矩阵为：

其中，r(θ)为旋转矩阵，w(δ)为每节保偏光纤的相移矩阵，δ为每节保偏光纤的相位延迟。

本发明还提供了一种全光纤双折射滤波器，包括：依次连接的一段刻写于保偏光纤快轴或慢轴上的45度倾斜光纤光栅、保偏光纤腔以及反射器；所述保偏光纤腔由一段保偏光纤以一定规律分成n节扭曲放电而成或由相同的n节保偏光纤以一定规律错轴熔接而成，第一节保偏光纤的快轴或慢轴与45度倾斜光纤光栅的通光轴之间的角度θ1、每节保偏光纤快轴或慢轴之间的夹角δθ、以及最后一节保偏光纤的快轴或慢轴与45度倾斜光纤光栅7的通光轴之间的角度θn之间存在以下关系：δθ＝2θ1；θn＝θ1+(n-1)δθ；其中，n为保偏光纤总节数，θ1为任意初始角度。所述保偏光纤腔由一段保偏光纤以一定规律分成n节扭曲放电形成时，扭曲角度分别为2θ1、2δθ和2θn，若由相同的n节保偏光纤错轴熔接而成，则错轴熔接角分别为θ1、δθ和θn。

其中，反射器件可选用金属膜、啁啾布拉格光栅、反射镜等各种具有反射功能的器件。

更进一步地，当所述保偏光纤腔由n节保偏光纤构成时，其传输矩阵为：

其中，r(θn)、r(δθ)、r(θ1)分别为旋转角为θn、δθ、θ1的旋转矩阵，w(δ)为每节保偏光纤的相移矩阵，δ为每节保偏光纤的相位延迟。

更进一步地，旋转矩阵每节保偏光纤的相移矩阵每节保偏光纤的相位延迟其中，λ为真空中的工作波长，δn为保偏光纤的双折射参数，l为每节保偏光纤的长度。

本发明中这种新型的全光纤双折射滤波器具有一体化结构，易于制作，轻便小巧，便于与其他光电器件集成，且插入损耗低，支持高功率、光谱灵活可控，能更好地应用于现代全光纤系统。

本发明基于45度倾斜光纤光栅的全光纤双折射滤波器，通过选取具有合适双折射参数的保偏光纤，设置保偏光纤的节数、每节保偏光纤的长度以及每节保偏光纤的错轴角度，可实现滤波谱的灵活设计，如具有理想带宽与自由光谱范围(fsr)的梳状滤波、带阻滤波及带通滤波等各种滤波功能。fsr与双折射参数和每节保偏光纤长度成反比，可根据需要的fsr选取合适的双折射参数和每节保偏光纤长度。

由于45度倾斜光纤光栅的偏振消光比与其长度成线性比例关系，因此可以通过增加45度倾斜光纤光栅的长度实现全光纤双折射滤波器的消光比的提高。

本发明中，由于采用全光纤结构，光纤尺寸只有微米量级，所以体积小；因为一体化结构，不用进行空间耦合，所以损耗低；因为全光纤一体化结构，也非常便于与其他光纤器件集成，所以集成度高。

本发明中，由于其体积小、结构紧凑、制作简单、插入损耗小、不受电磁干扰等特点，该滤波器可大规模批量生产，且一体化结构便于与其他光电器件集成，可以广泛应用于传感和通信系统中。

附图说明

图1为本发明实施例提供的透射式交叉折叠型全光纤双折射滤波器的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的透射式交叉折叠型全光纤双折射滤波器的滤波光谱图，(a)、(b)、(c)分别为其他参数一定时，保偏光纤总节数为2、4、6的滤波谱。

图3为本发明实施例提供的透射式扇形散开型全光纤双折射滤波器的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的透射式扇形散开型全光纤双折射滤波器的滤波光谱图，(a)、(b)、(c)分别为其他参数一定时，每节保偏光纤长度为10cm、20cm、40cm的滤波谱。

图5为本发明实施例提供的反射式全光纤双折射滤波器的结构示意图。

图6为本发明实施例提供的反射式全光纤双折射滤波器的滤波光谱图，(a)、(b)、(c)分别为其他参数一定时，保偏光纤的总节数为2、4、6的滤波谱。

附图中的标记为：1为透射式交叉折叠型全光纤双折射滤波器的第一段45度倾斜光纤光栅，2为透射式交叉折叠型全光纤双折射滤波器的保偏光纤腔，3为透射式交叉折叠型全光纤双折射滤波器的第二段45度倾斜光纤光栅，4为透射式扇形散开型全光纤双折射滤波器的第一段45度倾斜光纤光栅，5为透射式扇形散开型全光纤双折射滤波器的保偏光纤腔，6为透射式扇形散开型全光纤双折射滤波器的第二段45度倾斜光纤光栅，7为反射式全光纤双折射滤波器的45度倾斜光纤光栅，8为反射式全光纤双折射滤波器的保偏光纤腔，9为反射器件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明中，45度倾斜光纤光栅可作为理想的全光纤偏振器件，与传统的体光学偏振器件相比具有体积小、重量轻、高偏振消光比、低插入损耗、制备简单、易于集成等优点。本发明将45度倾斜光纤光栅沿保偏光纤的快轴或慢轴刻写可实现线偏振光输出，因此基于45度倾斜光纤光栅的全光纤双折射滤波器具备一体化、可集成、低损耗、窄带宽、光谱灵活可控的优点，具有更广泛的应用前景。

本发明提供的基于45度倾斜光纤光栅的全光纤双折射滤波器，其基本结构是由刻写于保偏光纤快轴或慢轴上的45度倾斜光纤光栅与保偏光纤腔级联而成；45度倾斜光纤光栅通过紫外光刻写于保偏光纤芯层中，优选地，采用相位掩模技术进行刻写，其光栅平面与光纤横截面成45°夹角，由布鲁斯特定律可知，p波(tm模)通过45度倾斜光纤光栅区域继续以低损耗在芯层中传输，而s波(te模)从45度倾斜光纤光栅区域侧面辐射，故45度倾斜光纤光栅在此作为理想的线性偏振器件，优选地，通过设置45度倾斜光纤光栅的长度，实现全光纤双折射滤波器的高消光比。保偏光纤腔是由一段保偏光纤以一定规律分成n节扭曲放电而成或由相同的n节保偏光纤以一定规律错轴熔接而成，在此用作相位延迟器件，优选地，通过设置保偏光纤的节数、每节保偏光纤的长度以及每节保偏光纤的错轴角度，实现对全光纤双折射滤波器滤波谱的灵活设计。

本发明提供的全光纤双折射滤波器包括透射式和反射式，而透射式全光纤双折射滤波器的级联方式又分为两种，一种是交叉折叠型，另一种是扇形散开型。下面分别进行描述如下：

本发明实施例提供的透射式交叉折叠型全光纤双折射滤波器中，两段45度倾斜光纤光栅的通光轴相互垂直，两段45度倾斜光纤光栅之间的保偏光纤腔中每节保偏光纤的快轴或慢轴与第一段45度倾斜光纤光栅的通光轴之间成一定角度来回交错，角度与保偏光纤总节数满足以下关系：其中，θ为每节保偏光纤的快轴或慢轴与第一段45度倾斜光纤光栅的通光轴之间的角度，n为保偏光纤总节数。所述保偏光纤腔由一段保偏光纤以一定规律分成n节扭曲放电形成时，扭曲角度为2θ，若由相同的n节保偏光纤错轴熔接而成，则错轴熔接角为θ。

请参阅图1，一种透射式交叉折叠型全光纤双折射滤波器，包括：保偏光纤腔2、两个刻写于保偏光纤快轴或慢轴上的45度倾斜光纤光栅，其中一个刻写有45度倾斜光纤光栅的保偏光纤与保偏光纤腔2的一端连接，另一个刻写有45度倾斜光纤光栅的保偏光纤与保偏光纤腔2的另一端连接，本发明采用全光纤一体化结构，克服了现有技术中的滤波器因采用体光学元件导致体积大、损耗高、难以耦合、集成度低的问题，且可通过结构参数的设置实现滤波谱带宽和fsr的独立调控。

其中，45度倾斜光纤光栅1、3是指光栅条纹跟保偏光纤横截面之间的夹角为45°，可以由紫外光刻写于光纤芯层中，可以采用相位掩模技术进行刻写，第一段45度倾斜光纤光栅1作为线起偏器，第二段45度倾斜光纤光栅3作为线检偏器，两通光轴相互垂直，可以通过设置45度倾斜光纤光栅1、3的长度，实现全光纤双折射滤波器的高消光比；

具体地，将45度倾斜光纤光栅1、3的长度均增加使得消光比变大。保偏光纤腔2是指由一段保偏光纤以一定规律分成n节扭曲放电形成或由相同的n节保偏光纤通过保偏光纤熔接机以一定的规律错轴熔接而成，在此用作相位延迟器件，图中给出了由三节保偏光纤构成保偏光纤腔2的实例，每节保偏光纤的快轴或慢轴与第一段45度倾斜光纤光栅1的通光轴之间成一定角度来回交错，所述角度与保偏光纤总节数满足以下关系：其中，θ为每节保偏光纤的快轴或慢轴与第一段45度倾斜光纤光栅1的通光轴之间的角度，n为保偏光纤总节数。保偏光纤腔由一段保偏光纤以一定规律分成n节扭曲放电形成时，扭曲角度为2θ，若由相同的n节保偏光纤错轴熔接而成，则错轴熔接角为θ。当透射式交叉折叠型全光纤双折射滤波器分别由奇数节保偏光纤或偶数节保偏光纤构成时，其传输矩阵分别如下：

其中，k为自然数，r(θ)为旋转角为θ的旋转矩阵，w(δ)为每节保偏光纤的相移矩阵，δ为每节保偏光纤的相位延迟，分别表示如下：

其中，λ为真空中的工作波长，δn为保偏光纤的双折射参数，l为每节保偏光纤的长度。相应地，r(-θ)、r(2θ)、r(-2θ)分别为旋转角为-θ、2θ、-2θ的旋转矩阵，其中-θ与θ旋转方向相反。通过选取具有合适双折射参数的保偏光纤，设置保偏光纤的节数、每节保偏光纤的长度以及每节保偏光纤的错轴角度，实现对透射式交叉折叠型全光纤双折射滤波器滤波谱的灵活设计。请参阅图2，当选取δn＝4*10^-4，l＝30cm时，保偏光纤总节数分别为2、4、6时，透射式交叉折叠型全光纤双折射滤波器的滤波谱，可以看出，当δn和l保持不变时，保偏光纤总节数越多，滤波谱的带宽越窄，但fsr保持不变。

在本发明实施例提供的透射式扇形散开型全光纤双折射滤波器中，两段45度倾斜光纤光栅的通光轴相互平行，两段45度倾斜光纤光栅之间的保偏光纤腔中第一节保偏光纤的快轴或慢轴与第一段45度倾斜光纤光栅的通光轴之间的角度θ1、每节保偏光纤快轴或慢轴之间的夹角δθ、以及最后一节保偏光纤的快轴或慢轴与第一段45度倾斜光纤光栅的通光轴之间的角度θn与保偏光纤总节数分别满足一定的关系。

请参阅图3，一种透射式扇形散开型全光纤双折射滤波器，由两段刻写于保偏光纤快轴或慢轴上的45度倾斜光纤光栅4、6与保偏光纤腔5级联而成。其中，45度倾斜光纤光栅4、6是指光栅条纹跟光纤横截面之间的夹角为45°，由紫外光刻写于光纤芯层中，采用相位掩模技术进行刻写，第一段45度倾斜光纤光栅4作为线起偏器，第二段45度倾斜光纤光栅6作为线检偏器，两通光轴相互平行，通过设置45度倾斜光纤光栅4、6的长度，实现全光纤双折射滤波器的高消光比。保偏光纤腔5是指由一段保偏光纤以一定规律分成n节扭曲放电而成或由相同的n节保偏光纤通过保偏光纤熔接机以一定的规律错轴熔接而成，在此用作相位延迟器件，图中给出了由三节保偏光纤构成保偏光纤腔的实例，第一节保偏光纤的快轴或慢轴与第一段45度倾斜光纤光栅4的通光轴之间的角度θ1、每节保偏光纤快轴或慢轴之间的夹角δθ、以及最后一节保偏光纤的快轴或慢轴与第一段45度倾斜光纤光栅4的通光轴之间的角度θn与保偏光纤总节数分别满足以下关系：

其中，n为保偏光纤总节数。保偏光纤腔由一段保偏光纤以一定规律分成n节扭曲放电形成时，扭曲角度分别为2θ1、2δθ和2θn，若由相同的n节保偏光纤错轴熔接而成，则错轴熔接角分别为θ1、δθ和θn。当透射式扇形散开型全光纤双折射滤波器由n节保偏光纤构成时，其传输矩阵如下：

其中，r(θn)、r(δθ)、r(θ1)分别为旋转角为θn、δθ、θ1的旋转矩阵，w(δ)为每节保偏光纤的相移矩阵，δ为每节保偏光纤的相位延迟，具体表达式参照透射式交叉折叠型全光纤双折射滤波器。通过选取具有合适双折射参数的保偏光纤，设置保偏光纤的节数、每节保偏光纤的长度以及每节保偏光纤的错轴角度，实现对透射式扇形散开型全光纤双折射滤波器滤波谱的灵活设计。请参阅图4，当选取δn＝4*10^-4，n＝4时，每节保偏光纤的长度分别为10cm、20cm、40cm时，透射式扇形散开型全光纤双折射滤波器的滤波谱，可以看出，当δn和n保持不变时，每节保偏光纤的长度越长，滤波谱的带宽和fsr越窄。

在本发明实施例提供的反射式全光纤双折射滤波器中，由一段45度倾斜光纤光栅、保偏光纤腔和反射器件级联而成，45度倾斜光纤光栅与保偏光纤腔在级联时第一节保偏光纤的快轴或慢轴与45度倾斜光纤光栅的通光轴之间的角度θ1、每节保偏光纤快轴或慢轴之间的夹角δθ、以及最后一节保偏光纤的快轴或慢轴与45度倾斜光纤光栅的通光轴之间的角度θn之间存在一定的关系。

请参阅图5，一种反射式全光纤双折射滤波器，由一段刻写于保偏光纤快轴或慢轴上的45度倾斜光纤光栅7、保偏光纤腔8与反射器件9级联而成。其中，45度倾斜光纤光栅7是指光栅条纹跟光纤横截面之间的夹角为45°，由紫外光刻写于光纤芯层中，采用相位掩模技术进行刻写，作为线性偏振器件，通过设置45度倾斜光纤光栅7的长度，实现全光纤双折射滤波器的高消光比。保偏光纤腔8是指由一段保偏光纤以一定规律分成n节扭曲放电而成或由相同的n节保偏光纤通过保偏光纤熔接机以一定的规律错轴熔接而成，在此用作相位延迟器件，图中给出了由三节保偏光纤构成保偏光纤腔8的实例，在级联时第一节保偏光纤的快轴或慢轴与45度倾斜光纤光栅7的通光轴之间的角度θ1、每节保偏光纤快轴或慢轴之间的夹角δθ、以及最后一节保偏光纤的快轴或慢轴与45度倾斜光纤光栅7的通光轴之间的角度θn之间存在以下关系：

δθ＝2θ1

θn＝θ1+(n-1)δθ

其中，n为保偏光纤总节数，θ1为任意初始角度。保偏光纤腔由一段保偏光纤以一定规律分成n节扭曲放电形成时，扭曲角度分别为2θ1、2δθ和2θn，若由相同的n节保偏光纤错轴熔接而成，则错轴熔接角分别为θ1、δθ和θn。当反射式全光纤双折射滤波器由n节保偏光纤构成时，其传输矩阵如下：

其中，r(θn)、r(δθ)、r(θ1)分别为旋转角为θn、δθ、θ1的旋转矩阵，w(δ)为每节保偏光纤的相移矩阵，δ为每节保偏光纤的相位延迟，具体表达式参照透射式交叉折叠型全光纤双折射滤波器。通过选取具有合适双折射参数的保偏光纤，设置保偏光纤的节数、每节保偏光纤的长度以及每节保偏光纤的错轴角度，实现对反射式全光纤双折射滤波器滤波谱的灵活设计。

请参阅图6，当选取δn＝4*10^-4，l＝20cm时，保偏光纤总节数分别为2、4、6时，反射式全光纤双折射滤波器的滤波谱，可以看出，由于反射引入π相移导致滤波凹陷，且当δn和l保持不变时，保偏光纤总节数越多，滤波谱的带宽越窄，但fsr保持不变。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。