1.本发明涉及的是一种少模光纤光栅选择性滤波器，属于光通信领域。


背景技术：

2.近年来，光通信系统的快速发展，更加灵活、高效地利用通信光谱资源变得越来越重要，这就要求光滤波器能够实现波长、带宽及波长间隔独立可调。光纤滤波器在波长选择、光分插复用、脉冲压缩、光谱整形和光纤传感等方面有着广泛的应用。
3.光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的无源滤波器件。因其体积小、成本低、插入损耗小以及容易实现全光纤网络，在光纤通信领域得到广泛的应用。光纤光栅因其优异的选频特性成为光纤滤波器中的优良滤波器件。
4.随着波分复用系统中的发展，传统的单一波长滤波器已无法满足需求。可调谐滤波器可用于波分复用系统的解复用、信号解调等，在其中发挥着极其重要的作用。在申请号为2013201022672的专利中提出了一种光栅型可调滤波器，沿光路设置有两路光纤、两块光栅、两块反射镜、扩束元件和偏振旋转元件，其中一块反射镜为可转动的反射镜，通过可转动的反射镜改变两个光栅的入射角，从而实现波长选择。此发明使用空间光栅作为滤波器，通过控制两个光栅的角度实现不同波长的滤波，但此发明需要高精度的转动装置，并且将空间光耦合进光纤时会产生较大的损耗，不适合于全光纤系统的使用。
5.申请号为2017106791787的专利提出一种基于硅基石墨烯布拉格光栅结构可调谐多通道滤波器，主要通过以单层石墨烯作为中红外波导，以外加电压作为调制手段，来实现石墨烯光学特性的局部可变性，从而实现有效折射率的周期性改变，达到作为布拉格反射器的目的。该反射器具有三层结构，包括石墨烯层，硅光栅基底以及中间二氧化硅绝缘层。光栅结构与外加电压共同影响了石墨烯表面的光学参数，如果通过引入不匹配的结构或外加电压，打破石墨烯上有效折射率的周期性，就能产生一个缺陷共振模，此时该结构可看做一个法布里-珀罗腔，实现宽带滤波的效果。此种方法具有可调谐的特点，但需要复杂的制备工艺工艺，并且存在与光纤系统耦合的问题。
6.申请号为2014101873448的专利提出一种全光纤的滤波器。所使用的光纤为微结构光纤，整个系统包括光源、单模光纤、光谱分析仪、微结构光纤以及磁场产生和调谐装置，使用掩模板法在微结构光纤掺锗的纤芯上制备倾斜光栅，并在微结构光纤的微孔中填充磁流体，填充磁流体部分与倾斜光栅的位置对应，且大于所刻制的光纤光栅的长度，以保证磁流体覆盖整个光纤光栅区域。当光经过微结构光纤时，调节磁场产生和调谐装置所产生的磁场强度的大小，磁场的变化改变了光纤中磁流体的折射率，使微结构光纤基模有效折射率和包层模的有效折射率变化，基模谐振波长和包层模谐振波长发生漂移，改变了光纤倾斜光栅的谐振波长，从而获得随外加磁场变化的磁控可调谐滤波器。此种方法所需要的光纤为特定结构的光纤，成本较高，传输损耗较大，并且需要额外的调控方式，增加了操作的复杂程度。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、操作容易、低损耗且不需外部调制的少模光纤光栅选择性滤波器。
8.本发明的目的是这样实现的：
9.如图1所示，该滤波器由入射光纤1、光纤环形器9、1
×
n光开关2、光子灯笼a3、少模光纤4、光栅区5、光子灯笼b6、耦合器7、出射光纤8和出射光纤13组成。入射光纤1一端与光源相连，另一端连接光纤环形器9的a端口，光纤环形器9的b端口与1
×
n光开关2相连，光开关连通任意光路后传输光至光子灯笼a3，光子灯笼根据多路端入射的尾纤不同，激发少模光纤4中不同的传输模式；在经光栅区5后，满足条件的光被反射，其余的光则继续传输，实现滤波功能，反射光经光纤环形器9的c端口由出射光纤13输出，透射光则通过光子灯笼b6将经过滤波的模式再度转换成单模光纤的基模，最后经耦合器7传输至出射光纤8。
10.该滤波器工作过程大致如下：
11.当光源发出的光经入射光纤传输至1
×
n光开关后，由光开关控制入射光进入所需滤除波长的少模光纤的多路端尾纤。光子灯笼多路尾纤端每一个尾纤都对应激发少模光纤的一个模式，即每一个尾纤都对应一个滤除波长。经光子灯笼激发出的模式沿少模光纤继续传输，当到达光栅区后，满足相位匹配条件的光被反射。光栅的反射波长为：
12.λb＝2n
eff
λ
13.上式中，λb为布拉格反射波长，n
eff
为模式的有效折射率，λ为光栅的周期。从式中可以看出，当光栅周期固定时，反射波长受有有效折射率的影响，少模光纤的纤芯内可以传输多个模式，且每个模式具有不同的有效折射率，因此通过选择激发的模式就可以实现选择性的滤波。
14.由于光路的可逆性，反射的光逆向传输，通过光子灯笼a后转变为单模光纤的基模，沿光开关传输至光纤环形器，经光纤环形器b端口输出，c端口输出。该端口可以作为带通滤波器的输出端。
15.透射光则继续沿少模光纤传输，当传输至光子灯笼b时，传输的模式通过光子灯笼b以较低的损耗转换成尾纤的基模继续传输。由于模式选择型光子灯笼的多路输入端多为异质单模光纤，因此需要利用熔融拉锥的耦合器使各异质单模光纤能够与通信用单模光纤耦合。透射光最终经出射光纤输出，该输出端可作为带阻滤波器输出端。
16.为了便于将该滤波器集成到现有通讯系统中，本发明所述的入射光纤和出射光纤均为单模光纤。
17.本发明所述的耦合器为熔融拉锥制成。所采用的光子灯笼为模式选择型光子灯笼，多路端每一个尾纤入射都可激发少模光纤一个特定模式。此种光子灯笼的多路尾纤端多数为异质单模光纤，即各尾纤的纤芯、包层尺寸不同，因此本发明所使用的光开关的多路端尾纤与光子灯笼的多路端尾纤应相互匹配，即纤芯直径、包层直径相一致，且均为单模光纤。
18.在本发明中，光开关与光子灯笼a的多路端尾纤数量相同，即与少模光纤可传输的模式数相同，且少模光纤中每个模式的激发都可以单独被控制。
19.为了减小整个滤波器的损耗，本发明所述的光子灯笼a和b的多路端尾纤均为单模光纤，仅支持一种模式传输；单路端尾纤为少模光纤，可支持多种模式；光子灯笼a和b的单
路尾纤与所使用的少模光纤相匹配，及纤芯直径、包层直径和所支持传输的模式数量相一致。
20.本发明中，为减少各模式间的相互影响，所用的少模光纤为弱模间耦合少模光纤，此类光纤也可称为低模间串扰少模光纤，这种光纤特点是纤芯中的每一个模式都可独立传输且不受其他模式的影响。
21.本发明所述的光栅区可以是单个光栅，也可以是由多个光栅构成的阵列。其所使用的光栅是由光纤布拉格光栅、啁啾光纤光栅、取样光纤光栅、变迹光纤光栅中的一种或多种构成。
22.本发明的有益效果在于：
23.本发明为全光纤结构，连接损耗小，便于与现有通信系统集成；滤波器利用少模光纤的传输模式作为滤波的选择性通道，无需外加控制场，操作简单；使用传统光纤光栅加工设备就可实现器件的制备，便于批量生产。
附图说明
24.图1是选择性滤波器结构示意图。
25.图2是选择性滤波器测量装置示意图。
26.图3是6模光纤所能传输的模式。
27.图4是lp
01
模式入射时的光谱；(a)透射谱，(b)反射谱。
28.图5是lp
11
模式入射时的光谱；(a)透射谱，(b)反射谱。
29.图6是lp
21
模式入射时的光谱；(a)透射谱，(b)反射谱。
30.图7是lp
02
模式入射时的光谱；(a)透射谱，(b)反射谱。
31.图8是lp
31
模式入射时的光谱；(a)透射谱，(b)反射谱。
32.图9是lp
12
模式入射时的光谱；(a)透射谱，(b)反射谱。
33.图中：1为入射光纤；2为1
×
n光开关；3为光子灯笼a；4为少模光纤；5为光栅区；6为光子灯笼b；7为耦合器；8为出射光纤；9为光纤环形器；10为选择性滤波器；11为光谱仪，12为光源，13为出射光纤。
具体实施方式
34.下面结合附图以及具体实施例来进一步阐述本发明，但本发明的保护范围并不限于此。
35.以六模光纤为例，在本实施例中少模光纤4所能传输的模式如图3所示，包括lp
01
，lp
11
，lp
21
，lp
02
，lp
31
，lp
12
六个模式，少模光纤纤芯直径为25.6μm，包层直径为125μm。图2给出了基于少模光纤光栅选择性滤波器的测量装置示意图。装置是由光源12、入射光纤1、选择性滤波器9、出射光纤8、出射光纤13，光谱仪11组成。选择性滤波器的结构如图1所示，由入射光纤1、光纤环形器9、1
×
n光开关2、光子灯笼a3、少模光纤4，光栅区5、光子灯笼b6、耦合器7、出射光纤8和出射光纤13依次连接而成。因为使用的少模光纤为六模光纤，所以在该实施例中n＝6，光子灯笼多路端具有6个尾纤，每个入射端口可激发少模光纤的一个模式。
36.耦合器采用熔融拉锥的方式制成。本实施例中所使用的光子灯笼a和光子灯笼b为相同的6模光子灯笼。光子灯笼为本实验室研制的异质芯光子灯笼，通过外加套管、组棒、拉
锥的方式制成。光子灯笼单路端为少模输出尾纤，其尾纤结构与所用少模光纤相同；多路端包含6个异质的单模光纤，每个单模光纤都对应激发少模光纤中的一个传输模式。
37.本实施例中的光栅区采用一个光纤布拉格光栅的结构，使用相位掩模法在少模光纤上制备光栅，光栅刻写前先在高压环境中对光纤载氢，之后使用周期为1060nm的掩模板进行光栅刻写。制备完成后的各模式透射谱和反射谱如图4-图9所示，图4是lp
01
模式入射时的光谱，(a)、(b)分别为反射谱和透射谱；图5是lp
11
模式入射时的光谱；图6是lp
21
模式入射时的光谱；图7是lp
02
模式入射时的光谱；图8是lp
31
模式入射时的光谱；图9是lp
12
模式入射时的光谱。由于各模式的有效折射率不一样，因此反射的波长不同，以此构成多通道滤波器。
38.滤波器的工作过程如下，光源12发出的宽带光经入射光纤1传输至光纤环形器，经a端口输入，b端口输出。输出的光由1
×
6光开关2后控制传输至光子灯笼a3多路端任一尾纤，经光子灯笼a3激发出少模光纤4的特定模式。激发的光通过光栅区5时，满足相位匹配条件的前向传输光与后向传输光发生耦合，耦合的光沿少模光纤4反向传输至光子灯笼a3，由于光路具有可逆性，因此反射光经光子灯笼a3后经光开关2传输至光纤环形器9，由b端口输入，c端口输出，通过光谱仪11对输出的光进行接收，该端口可以作为带通滤波器的输出端。未被反射的光沿少模光纤继续传输，经光子灯笼b6后，传输的模式转换成为光子灯笼b多路端尾纤的单模光纤基模传输，经耦合器7后输出光耦合至传统单模光纤并通过光谱仪11对输出的光进行接收，该输出端可作为带阻滤波器输出端。少模光纤中各模式的有效折射率是不一样，因此反射的波长是不同的，通过光开关控制激发的模式，可以对不同的波长进行滤除，实现选择性滤波功能。