光纖濾波器

光纖濾波器是波分復用(WDM)光通信系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)中基本的關鍵器件之一。波長可調(diào)諧、插人損耗低、與光纖通信系統(tǒng)易于集成的全光纖可調(diào)諧濾波器,正受到科研工作者的青睞。根據(jù)光的干涉和衍射原理實現(xiàn)光纖濾波的方法很多,已經(jīng)設計出了多種光纖濾波器結(jié)構。包括:

(1)基于禍合器的光纖濾波器:如拋光非平衡光纖藕合器、級聯(lián)熔錐光纖藕合器、非對稱雙芯光纖藕合器等。

(2)基于光纖光柵的光纖濾波器:有兩種光纖濾波器已實現(xiàn)商業(yè)化,即Bargg光柵濾波器和長周期光柵濾波器閣,此外還有基于呢啾相移光纖光柵濾波器等。

(3)基于光纖干涉儀的光纖濾波器:Fabry-Perot干涉儀、非平衡Mach-Zehnder干涉儀和

Michelson干涉儀等光纖濾波器。

(4)基于聲光調(diào)制機制的聲光濾波器等。

常規(guī)光纖及光纖光柵的濾波器種類繁多,但因其結(jié)構變化少,仍不能滿足實際需要。微結(jié)構光纖(MoF)以其獨特的性能如無截止單模傳輸困、小模場面積與高非線性v[]、大模場面積困、高雙折射〔婦及當子帶隙效應等,一經(jīng)出現(xiàn)便引起了人們的廣泛關注。研究表明,以微結(jié)構光纖為基本元件的光濾波器,為研制新型光纖濾波器注人了新的設計理念,并且有望使濾波器的設計與研制達到一個新的水平。

濾波器的分類方式較多,常見的一般分類方法有:

從頻帶區(qū)域選擇上劃分

濾波器大致可分為低通濾波器(LPF)、高通濾波器(HPF)、帶通濾波器(BPF)和帶阻濾波器

(BRF)四類,它們的幅度波長特性曲線如圖3所示。

從濾波寬窄范圍上劃分

濾波器又可分為窄帶濾波器(Narorwbandfilter)和寬帶濾波器(Broadbandfilter),通常認為帶寬小于0.8nm的為窄帶濾波器,大于100nm的為寬帶濾波器。隨著對濾波器性能要求的不斷提高以及應用范圍的不斷擴大,近些年又出現(xiàn)了超窄帶濾彼器(Ult--arnarrowbandfilter)。和超寬帶濾波器(Ultra一broadbandfilter),它們的帶寬分別達到小于1pm和大于200nm的標準,這無疑是對濾波器濾波范圍的進一步窄化和擴展,從而其性能也隨之得到進一步提升。需要指出的是,許多器件盡管不被稱為濾波器,但因其具有與濾波器相似的特性,故亦應將其歸類為濾波器范疇,例如,光開關、光調(diào)制器、干涉儀、光柵等。

根據(jù)光干涉和衍射原理設計而成的光纖濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率(波長)成分。例如,中心波長為1550nm的窄帶信號,其中包含較大范圍其他波長信號干擾。以低通濾波器為例,濾波器濾波原理如圖3所示。

正是由于濾波器可以實現(xiàn)上述濾波過程,使得光纖濾波器在諸如WDM光纖通信系統(tǒng)和光纖傳感系統(tǒng)中有著廣泛的應用。一些以光纖為基本元件研制的光纖濾波器也可用于氣體的高精度定標、光纖激光器中的波長選擇、光相干層析技術(OCT)以及具有特殊光譜函數(shù)的新型光學系統(tǒng)等中。例如,窄帶帶通濾波器可用作激光器,寬帶帶通濾波器可用于能量補償,寬帶帶阻濾波器可用于摻餌光纖放大器(EDFA)增益平坦等。因其應用方面有所不同,故對濾波器中心響應波長、帶寬和峰值功率等的要求亦有差異。

構成光纖濾波器的結(jié)構設計有多種選擇,常見的有基于Sganac雙折射環(huán)型、藕合器型、光纖光柵型、級聯(lián)光纖或光柵型、級聯(lián)高雙折射光纖環(huán)鏡型等口們,這些類型的光纖濾波器都具有各自的濾波區(qū)域、濾波范圍以及可調(diào)諧范圍。其中,采用級聯(lián)方式設計光纖濾波器是一種新的方法。級聯(lián)的概念,是指將光學元件(如光纖、光柵、禍合器等)按照一定拼接方式(如順次串聯(lián)、空間并聯(lián)以及混合拼接等)構成光纖濾波器的設計新方法。這種新方法為設計新型可調(diào)諧光纖濾波器提供了更為寬闊的空間以及靈活的自由度。

通過選擇不同的級聯(lián)元件,或者采取不同的級聯(lián)方式,可以有效擴大光纖濾波器的設計自由度,進一步豐富光纖濾波器的設計結(jié)構。并且,對不同的光纖或光柵等級聯(lián)元件的某些光譜特性進行選擇或整合,可設計并研制出結(jié)構新穎、性能優(yōu)異的級聯(lián)式新型高性能可調(diào)諧光纖濾波器。例如,根據(jù)實際需求,采用級聯(lián)方式可以設計并研制諸如帶通型、帶阻型、邊緣型濾波器、超寬帶濾波器、超窄帶濾波器以及通道濾波器等。

采用特殊的光纖結(jié)構，從不同波長的光波中選出或濾除特定波長光波的光器件。光纖濾波器在密集波分復用光纖通信、頻分復用光纖通信、光譜測試、光纖傳感器和光纖放大器應用中起重要作用。光纖濾波器種類繁多。

圖1為兩種法布里-珀羅型光纖濾波器的示意圖，其中圖1(a)為一段長L的光纖，兩端磨平拋光嚴格與光纖垂直的平行面，其上鍍高反膜。垂直入射的光波以基模(HE11)的形式在其中傳播，在鏡面處多次往復反射，相互干涉，當L為半波長整數(shù)倍時，光波同相疊加而加強，在輸出端形成等間隔的梳狀諧振率，這表示于圖1(a)下方。透射光的峰值頻率為

式中n為纖芯的折射率，c為光速;m為正整數(shù)。可見相鄰諧振頻率間隔為

這間隔叫做自由譜域。L越長，自由譜域越窄。用壓電陶瓷的伸縮來改變光纖段長度即可進行濾波器的調(diào)諧。FSR是這種光纖濾波器最大的調(diào)諧范圍。除了諧振頻率、自由譜域，這種濾波器的主要參數(shù)還有插入損耗和精細常數(shù)，精細常數(shù)F定義為自由譜域FSR與濾波器帶寬△f的比值

F=FSR/Δf

精細常數(shù)越高，帶寬越窄，實現(xiàn)起來也越困難。

上述濾波器自由譜域不寬。采用圖1(b)的形式可得到大自由譜域。它是在端面鍍高反膜的兩光纖的端面之間形成諧振而得到帶通濾波特性的。原理、參數(shù)與上相同。其自由譜域?qū)捠且驗閮晒饫w端間距離可以很短的緣故。典型參數(shù)值為:自由譜域10 000GHz，精細常數(shù)108，插入損耗3dB，

圖2所示為利用布拉格反射原理制成的光纖濾波器的截面圖。在磨去部分包層的D形光纖的側(cè)平面上制作光柵，光柵溝槽與光纖垂直，這對纖芯中傳播的光導波起著周期性的微擾作用。當光柵周期等于纖芯中導波的半波長時，光柵微擾引起的反向散射同相疊加，形成反射波峰。即該結(jié)構提供了波長選擇分布反射功能，形成一個帶阻光纖濾波器，反射帶的峰值和帶寬由器件的結(jié)構參數(shù)決定。如要求高反射和窄帶寬，必須保證長的作用距離，即要求嵌入石英塊的光纖的曲率半徑增大，光柵與纖芯保持一點小小的距離;如果要求寬帶高反射，則光柵與纖芯的距離應減小甚至接觸。典型的反射率可在百分之幾至百分之九十五以上變化，帶寬則由1~l0nm可調(diào)。將上述光纖布拉格反射濾波器與2×2光纖耦合器相接，其反方向輸出具有透射峰，構成光纖布拉格帶通濾波器。

此外尚有不同形式的光纖環(huán)形濾波器，不對稱的2×2光纖耦合器構成的光纖濾波器等。