幾種常用濾波器的特性.doc

光通信技術(shù)Vol 26OPTICAL COMMUNICATDN TECHNOLOGYNo. 1z 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing Home. All rights reserved. 幾種常用濾波器的特性。馮丹琴盛秋琴陳凱賈寶華韓軍(南開大學(xué)物理學(xué)院光電信息科學(xué)系天津300071)摘要對(duì)幾種濾波器的原理、特性和應(yīng)用進(jìn)行了研究比較，并特別介紹了目前的研究熱點(diǎn):各種光纖 光柵濾波器及集成陣列波導(dǎo)濾波器等。如今濾波器的蓬勃發(fā)展表明，它將在未來的光通信系統(tǒng)中發(fā)揮 越來越重要的作用。關(guān)鍵詞濾波器光纖濾波器梳狀光纖光柵相移長(zhǎng)周期光纖光柵集成陣列波導(dǎo)光柵。馮丹琴，女，1978年生，碩士研究生 2001-03-05 收稿中圖分類號(hào)TN713 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 1引言濾波器是一種波長(zhǎng)選擇器件，它在光纖傳感以及 光纖通信系統(tǒng)中具有許多重要的應(yīng)用，可以用于半導(dǎo) 體激光器或光纖激光器的反射腔鏡和窄帶濾波、復(fù)用 /解復(fù)用器、光放大器中的噪聲抑制、波長(zhǎng)選擇器波 長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器色散補(bǔ)償器以及延時(shí)器等。濾波器的研究 發(fā)展十分迅速，受到了人們的普遍關(guān)注。最新的基于 DFB激光二極管和光纖布喇格光柵(FBG)的可調(diào)諧 非相干光纖橫向?yàn)V波器以及利用WDM技術(shù)的并 聯(lián)光纖-光學(xué)-基底的RF濾波器2等結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜， 性能也更佳。濾波器的種類繁多，性能各異，功能也各 不相同，它們?cè)谖磥淼墓饫w通信和傳感領(lǐng)域必將發(fā)揮 更重要的作用。2幾種濾波器的原理、特性和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇的方法主要有干涉濾波法、棱鏡和 光柵的色散分光法、光纖布喇格光柵(FBG)光譜濾波 法、聲光濾波法、集成纖維或集成波導(dǎo)濾波法等等。下 面分別介紹這些濾波器。2 1干涉膜濾光器所謂多層介質(zhì)膜干涉濾波器，就是高低折射率的 材料以預(yù)先設(shè)計(jì)的厚度沉積在玻璃基片上，以達(dá)到所 要求的波長(zhǎng)響應(yīng)特性，如圖1所示。這種器件的光學(xué) 特性，取決于光學(xué)膜的反射、透射特性。其光學(xué)膜一般 鍍制成截止(短波或長(zhǎng)波截止)濾光片或帶通濾光片。 當(dāng)前的鍍膜技術(shù)結(jié)合了材料科學(xué)、真空物理學(xué)、薄膜 物理化學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等先進(jìn)技術(shù)，可以將多層 介質(zhì)膜干涉濾光器制成超窄帶型，由此可制成密集型 波分復(fù)用器，其復(fù)用信道間隔+ AA時(shí)，匹配層選擇合適的位相 厚度可以達(dá)到中心波長(zhǎng)為A。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的多層介質(zhì) 結(jié)構(gòu)為G(HL)5H2LH (LH)5A (G為玻璃，對(duì)應(yīng)折射 率為 n s= 1.52，nH= 2. 35(ZnS)，瓜=1.38MgF2);A 為空氣，對(duì)應(yīng)折射率為n0= 1 00)。多層膜分別為十 一層，中心波長(zhǎng)分別K- AA= 500nm和K+ AA= 600nm，匹配層厚度為二分之一波長(zhǎng)，中心波長(zhǎng)K= 550nm。膜系對(duì)應(yīng)阻帶范圍從445nm到715nm。當(dāng)米 用的多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)為G(HL )5HLH (LH)5A時(shí)，中心 波長(zhǎng)分別K- AA= 460nm和K+ AA= 640nm，匹配層 厚度為四分之一波長(zhǎng)，中心波長(zhǎng)K= 550nm。膜系對(duì) 應(yīng)阻帶范圍從400nm到750nm。1 2法布里-珀羅諧振腔濾波器眾所周知，法布里-珀羅諧振腔對(duì)滿足下面相位 條件的光波可形成穩(wěn)定振蕩并輸出等間隔的梳狀被 形。C . n/cos6i- ,o = 4n 、 = 2m n(1)A其中5為相位變化量，6為光波入射腔體的入射角，l 為諧振腔長(zhǎng)，n為腔體內(nèi)介質(zhì)的折射率，m為整數(shù)。這 樣，F(xiàn)abry -尸erot腔和耦合器組合即可構(gòu)成濾波器。由 式（1)可知，當(dāng)m值取定后，確定滿足相位條件的具 有峰值透過率波長(zhǎng)的因素為:n、l和Q,因此調(diào)節(jié)這三 個(gè)變量就可以達(dá)到波長(zhǎng)調(diào)諧的目的。2 2 1腔長(zhǎng)調(diào)諧的法布里-珀羅諧振腔濾波器可調(diào)諧色散補(bǔ)償MEM S全通濾波器是基于微 型電動(dòng)機(jī)械(M EM )控制的可變反射層和熱調(diào)諧腔鏡 的多級(jí)光學(xué)全通濾波器。如圖2所示，全通濾波器6 的主要結(jié)構(gòu)是機(jī)械可調(diào)抗反射膜(MARS)裝置，即厚 度可變的Pabry-Perot腔。腔由硅襯底、空氣隙和四圖2電壓引起空氣隙變化的M EM S全通 濾波器結(jié)構(gòu)示意圖分之一波長(zhǎng)厚度的介質(zhì)膜組成。通?？諝庀秾挾葹?3K/4，介質(zhì)膜的材料是硅酸氮。通過加上不同的電 壓，介質(zhì)膜和襯底頂部構(gòu)成的腔鏡的反射率會(huì)變化， 同時(shí)，通過襯底處的熱-電致冷裝置可控制腔的厚度 來實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。由介質(zhì)膜和襯底頂部構(gòu)成的腔鏡的反射 率為70%左右。當(dāng)電壓加到介質(zhì)膜上方的電極時(shí)，空 氣隙寬度由3K/4變化為K/2(介質(zhì)層的厚度變化了 0. 35n)。這是由于電壓能產(chǎn)生靜電力把介質(zhì)膜拉近 襯底，同時(shí)介質(zhì)張力產(chǎn)生線性回復(fù)力綜合產(chǎn)生的。當(dāng) 空氣隙寬度為A/2時(shí)，由于硅酸氮對(duì)硅襯底來說相 當(dāng)于抗反射涂層，所以反射率減到約0%。在襯底的 底部需要涂上筒反射率涂層，用多層堆(multi-layer stack)時(shí)，能獲得大于97%的反射率。襯底的厚度l 決定自由光譜范圍FSR= c/angI，其中ng為群折射 率。若要得到100GHz的F SR，硅的厚度為411 _。要 減少色散損耗，可通過大的膨脹光束（束腰接近 300_)來實(shí)現(xiàn)。一級(jí)可調(diào)諧色散補(bǔ)償MEM S全通濾 波器由兩根光纖，一個(gè)透鏡和全通濾波器構(gòu)成。為了 更好地耦合反射光，光纖要和透鏡同軸。小角度的入 射角能減少多重反射和偏振損耗。此濾波器的頻率依 賴的群時(shí)延是周期性的，當(dāng)選擇的濾波周期和WDM 系統(tǒng)的通道間隔相同時(shí)，多通道色散補(bǔ)償即能實(shí)現(xiàn)。 C K Madsen等7制作了 FSB為100GHz且偏振不 敏感的可調(diào)諧全通濾波器。該濾波器利用了兩級(jí)裝 置，調(diào)諧范圍 100ps/nm，通帶寬度50GHz，群時(shí)延 脈動(dòng) 3ps。2 2 2折射率調(diào)諧的法布里-珀羅諧振腔濾波器電調(diào)諧液晶濾波器采用在法布里-珀羅腔中注入 液晶作為腔體介質(zhì)，通過對(duì)液晶施加電場(chǎng)使腔體介質(zhì) 折射率改變的方法來實(shí)現(xiàn)透過波長(zhǎng)的可調(diào)諧。圖3為 電調(diào)諧液晶濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。它由兩平行玻璃圖6 AOTF示意圖圖3電調(diào)諧液晶濾光片結(jié)構(gòu)示意圖圖4 LC-FPI構(gòu)成可調(diào)諧光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器基板、錫銦氧化物（rro)透明電極層、高反射介質(zhì)鏡 層、定向?qū)雍鸵壕咏M成,ITO透明電極層、高反射 介質(zhì)鏡層和定向?qū)右来五冊(cè)谄叫胁ＡЩ迳?。由于?調(diào)諧液晶濾波器具有帶寬窄、低損耗、調(diào)諧范圍大、控 制電壓低、連續(xù)可調(diào)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本等優(yōu)點(diǎn)，因而 很有希望應(yīng)用于未來的光波分復(fù)用及光交換系統(tǒng)中。 電調(diào)諧液晶濾波器可用于光解復(fù)用，可調(diào)諧光源,可 調(diào)諧波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器等。據(jù)報(bào)導(dǎo)，圖4所示的的可調(diào)諧波 長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器8在外腔長(zhǎng)度約為45nm及外部反射鏡反 射率為90%的情況下，當(dāng)輸入光波在149h 1515nm 范圍內(nèi)變化時(shí),其輸出光波可在148h 1552nm之間 進(jìn)行調(diào)諧輸出。2 2 3角調(diào)諧的法布里-珀羅諧振腔濾被器TE吸收E 認(rèn)散.又?jǐn)M能3 Ajf*it3FPC; 光纖準(zhǔn)直儀 0SA:光譜分析儀圖5角調(diào)諧F-P腔濾波器結(jié)構(gòu)示意圖圖7聲光可調(diào)諧濾波器結(jié)構(gòu)圖 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ,V放大部分相位控制部分f透棱多量子阱激光器抗k膜液晶波光片文獻(xiàn)9報(bào)導(dǎo)了具有周期性高斯透射比曲線的角 調(diào)諧F-P腔濾波器,結(jié)構(gòu)如圖5所示。它在光譜范圍 內(nèi)的高斯透射比大小是40dB到峰值透射。它的特性 使它可以作為入射高斯光束光纖耦合輸出的偏置。此 濾波器可以當(dāng)作通常的窄帶濾波器使用,還可用作波 分復(fù)用通道的光學(xué)噪聲濾波,消除自發(fā)放大輻射以及 雙向傳輸?shù)姆聪蛏⑸涔狻?3 聲光調(diào)諧濾波器聲光調(diào)諧濾波器(AO TF)是一種多樣性的器件， 它是建立在聲光相互作用基礎(chǔ)上的。圖6所示是一種 簡(jiǎn)單的AO TF,它包括一個(gè)由雙折射材料制成的波 導(dǎo),即聲音傳感器。我們假設(shè)入射光能量都處于TE 模式中,一個(gè)只選擇TM模式光能量的偏振器即TE 通偏振器放在波導(dǎo)的另一端。當(dāng)選定波長(zhǎng)附近的一個(gè) 窄光帶的光能量轉(zhuǎn)換成為TM模式,而其它的光繼 續(xù)以TE模式傳播時(shí),我們就得到了一個(gè)波長(zhǎng)選擇濾 波器。聲光可調(diào)諧濾波器具有多態(tài)波分復(fù)用開關(guān)的功 能,可提供大量彼此間獨(dú)立且可調(diào)諧的波長(zhǎng)通道、應(yīng) 用靈活、調(diào)諧范圍寬，目前已成為國(guó)際上研究和應(yīng)用 的熱點(diǎn)。但是,它有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，即它的串?dāng)_很嚴(yán) 重。而且,要提高它的性能,聲光作用的長(zhǎng)度必須加 大,這樣的器件制造起來很困難。所以在目前情況下, 聲光調(diào)諧濾波器尚需進(jìn)一步完善,實(shí)踐中應(yīng)用相對(duì)較 少。國(guó)內(nèi)已有實(shí)用的將TE/IM模轉(zhuǎn)換器和TE通 偏振器集于一體的集成光學(xué)聲光可調(diào)諧濾波器1 它的結(jié)構(gòu)如圖7所示。其中心波長(zhǎng)為1. 523_,在射 頻驅(qū)動(dòng)功率為35nW、聲光相互作用長(zhǎng)度為16mm 時(shí),對(duì)信號(hào)的插入損耗最大為-4dB、帶寬為1. 6nm、 調(diào)諧范圍為140nm、模式轉(zhuǎn)換效率大于99 3%。性能 參數(shù)方面達(dá)到國(guó)外與偏振有關(guān)的同類器件的先進(jìn)水平。整個(gè)器件封裝在13mm X 10mm X 32mm的銀合 金盒子中，兩端接有尾纖。該器件性能穩(wěn)定，可用于光 纖通信波分復(fù)用系統(tǒng)中的濾波器路由器。又由于它 的帶寬很窄且可連續(xù)調(diào)諧，所以也適用于光譜測(cè)量與 分析。24 光纖濾波器為了進(jìn)一步使光纖通信系統(tǒng)發(fā)展成為全光網(wǎng)絡(luò)， 需要各種能夠具有波長(zhǎng)選擇的功能單元。光纖濾波器 是完成上述功能單元的關(guān)鍵器件之一，因此一直受各 國(guó)研究部門的關(guān)注。2 4 1光纖布喇格光柵濾波器由于光纖布喇格光柵具有中心反射波長(zhǎng)可以精 密控制、反射帶寬可以任意選擇且可以做得很小、反 射率幾乎可達(dá)100%、與普通光纖連接簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)， 用光纖布喇格光柵做濾波器，可以對(duì)光纖透射頻譜中 的任一波長(zhǎng)進(jìn)行窄帶濾出。器件的性能由光纖布喇格 光柵光譜特性決定。基于布喇格光譜特性，可以構(gòu)成 窄帶帶阻、寬帶帶阻、寬帶帶通等不同濾波器。窄帶帶阻濾波器常使用多個(gè)不同波長(zhǎng)的光纖光 柵串聯(lián)，這樣可用于波分復(fù)用器，反射分離不同的波 長(zhǎng)。這種濾波器在分辨率和體積尺寸方面，比傳統(tǒng)的 光柵及棱鏡波分復(fù)用器優(yōu)異得多，而且調(diào)諧方便。早 在1995年，文獻(xiàn)11就報(bào)道了用于4個(gè)信道，波長(zhǎng)間 隔為0 8nm，傳輸100km的WDM網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)驗(yàn)，效 果很好。Se Yoon Km等12人報(bào)導(dǎo)了在一段光纖上 刻入4個(gè)完全相同的可調(diào)諧光纖光柵和2個(gè)環(huán)行器 構(gòu)成的OADM，調(diào)節(jié)壓電轉(zhuǎn)換器來改變光纖光柵的 布喇格波長(zhǎng)。在1根光纖上刻有多個(gè)特定反射譜的光 纖光柵工藝復(fù)雜，技術(shù)要求高。為簡(jiǎn)化工藝，可把幾個(gè) 不同中心波長(zhǎng)的光纖光柵串聯(lián)在一起，效果是一樣 的。寬帶帶阻濾波器可用于激光放大器泵浦光反射 鏡，提高泵浦效率，又可降低輸出光中泵浦光對(duì)信號(hào) 光的干擾，干擾可降低30dB。布喇格光柵起的是反射作用，即對(duì)特定波長(zhǎng)的光 產(chǎn)生反射。要想建立起帶通濾波器，即從寬波帶中選 出特定波長(zhǎng)的光，并使其具有窄的帶寬，這可由多種 方法來實(shí)現(xiàn)。這里介紹一種利用光纖偏振分光器 (Fiber Polarization Sp litter)和布喇格光柵相結(jié)合起 來形成的一種帶通濾波器，其特點(diǎn)是損耗低。光纖偏 振分光器(FPS)的作用是將入射光分成偏振方向互 相垂直的兩束光線，對(duì)一偏振方向的光近100%的通 過，對(duì)另一偏振方向的光近100%的耦合出去。濾波 器結(jié)構(gòu)如圖8，原理為光被耦合入臂1，其偏振方向通圖8光纖布喇格光柵帶通濾波器過調(diào)節(jié)環(huán)行偏振控制器PC1控制。通過FPS后耦合 入臂2、4，臂2、4上各有一環(huán)行偏振控制器PC2和 PC3，它起四分之一波片作用。任意偏振光進(jìn)入FPS 后均變?yōu)榛ゴ箖善?，?jīng)臂2、4分別反射，都耦合入 臂3，則可實(shí)現(xiàn)帶通濾波。這種裝置的損耗可通過減 少FPS的損耗，兩臂寫入相同布喇格光柵等方法來 降低，損耗可低于0 5dB。窄帶帶通濾波器除可用作 帶通濾波器外，還可用于窄帶隔離器波長(zhǎng)選擇器色 散補(bǔ)償器等。此濾波器的缺點(diǎn)是布喇格光柵必須與耦 合器環(huán)路器等器件聯(lián)合使用，使得其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本 較高。2 4 2 Moire光纖光柵帶通濾被器Moire光纖光柵的折射率分布是一種具有慢變 包絡(luò)的快變結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅可以有效抑制布喇格 光纖光柵反射譜中的邊瓣效應(yīng)，而且可以在反射阻帶 中打開一個(gè)或多個(gè)透射窗口，輕而易舉地實(shí)現(xiàn)多帶通 濾波的作用。同時(shí)，Moire光纖光柵帶通的位置及帶 通寬度可通過控制寫入條件靈活改變。利用這種 Moire光纖光柵可制成帶通或梳E狀濾波器等。和布喇 格光纖光柵帶通濾波器相比較，M o ire光纖光柵克服 了必須與耦合器環(huán)路器等器件聯(lián)合使用的缺點(diǎn)。為了避免高速率系統(tǒng)傳輸中的阻塞，要求傳輸濾 波器具有帶通平穩(wěn)( 1dB抖動(dòng))、陡直、接近線形的 相位響應(yīng)特性以及近似于零的色散。L aw rencet小 組13在啁啾Moire光纖光柵中引入常數(shù)折射率，得 到多通道平穩(wěn)帶通濾波器，帶通陡直平穩(wěn)，其抖動(dòng)0 5dB。243梳狀光纖光柵濾波器光學(xué)梳E狀濾波器是指具有相同間隔，多個(gè)性能相 同的透射光譜或反射光譜的濾波器。它是基于取樣光 纖光柵（sampled fiber gratings)的光譜特性制作而成的。取樣光纖光柵可以采用振幅掩模板與位相掩模 板疊加的方法寫制。通過改變振幅掩模板的周期p = a + b (a為每一段布喇格光柵曝光長(zhǎng)度，b為每一段布 喇格光柵非曝光長(zhǎng)度)，占空比，即取樣率為T = a/p， 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. AH rights reserved. 58光通信技術(shù)2002年第1期M 1547 1540 IM9 1550 1551 1552 1553 1554波長(zhǎng)(nm)T=0, lf L=20mm, P=l. Omm圖10基于PSLPG的OADM結(jié)構(gòu)圖圖9理論上8波長(zhǎng)梳狀濾波器的反射譜及光纖光柵總長(zhǎng)度L等參數(shù),來改變?nèi)庸鈻殴庾V 特性。圖9為結(jié)合數(shù)值法解方程得到的T = 0 1,L = 2Qnm, P = 1 0mm的光譜圖。從圖中可以看出梳狀 濾波器具有反射率高、反射峰均勻、反射峰間隔(對(duì)應(yīng) 光波分復(fù)用的波道間隔)穩(wěn)定及譜寬窄等優(yōu)點(diǎn)。這種 濾波器可用作密集型被分復(fù)用系統(tǒng)中多波長(zhǎng)輸出激 光器的反饋諧振腔，上/下載復(fù)用器(ADM ),光放大 器中的抑制噪聲。它的缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。2 4 4相移長(zhǎng)周期光纖光柵濾波器長(zhǎng)周期光纖光柵是一類特殊的光纖光柵，它的周 期相對(duì)較長(zhǎng)，滿足相位匹配條件的是同向傳輸?shù)膶?dǎo)模 和包層模。這一特點(diǎn)導(dǎo)致長(zhǎng)周期光纖光柵在光纖通信 及光纖傳感領(lǐng)域有著許多布喇格光纖光柵及其他光 器件所不能替代的優(yōu)勢(shì)和重要應(yīng)用，也極大地推進(jìn)了 它的理論研究。隨著長(zhǎng)周期光纖光柵制作技術(shù)的日益 成熟，已有可能制作出復(fù)雜結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)周期光纖光柵濾 波器件。而且作為一種帶阻濾波的傳輸型全光纖器 件，其后向反射極小，有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)，完全可以將其應(yīng)用到波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)的光分插復(fù)用 器或光交叉互聯(lián)單元等關(guān)鍵器件中作為濾波、波長(zhǎng)路 由單元。切趾型(有效抑制濾波器振蕩)相移長(zhǎng)周期光纖 光柵有著優(yōu)良的光譜特性，傳輸光譜中只有兩個(gè)明顯 的主阻帶，主、次阻帶近似等間距地分布在設(shè)計(jì)波長(zhǎng) 的兩側(cè)，且主阻帶峰峰之間的波長(zhǎng)間隔隨著插入躍變 R相移個(gè)數(shù)的增多而增大。將n個(gè)切趾型相移長(zhǎng)周期 光纖光柵級(jí)聯(lián)起來，通過適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn) 多個(gè)阻帶濾波的效果。基于相移長(zhǎng)周期光纖光柵帶阻 濾波器的光分插復(fù)用器14結(jié)構(gòu)如圖10,此結(jié)構(gòu)配置 簡(jiǎn)單易行，由兩個(gè)3dB耦合器和相移長(zhǎng)周期光纖光 柵P SL P G1和P SL P G2 (3個(gè)光柵)組成。波長(zhǎng)為K1 K的8個(gè)波分復(fù)用系統(tǒng)信道從輸入端經(jīng)耦合器1后 1994-2010 China Academic Tourna Electronic Publish分成兩路，一路經(jīng)由PSLPG1 (阻帶中心波長(zhǎng)為A、Az) 濾除K：、K1信號(hào)，再經(jīng)耦合器2與從ADD端口加入 的新信道Az、At 一起匯合輸出；而在DROP端口，由 三個(gè)相移長(zhǎng)周期光纖光柵構(gòu)成的級(jí)聯(lián)長(zhǎng)周期光纖光 柵可同時(shí)對(duì)6個(gè)信道波長(zhǎng)U、A,、K)進(jìn)行帶阻 濾波，由于在其他波長(zhǎng)上有較高的傳輸率，因此未被 濾除的K：、A/信號(hào)從DROP端口輸出。此器件可靈活 地對(duì)波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)各波道進(jìn)行上、下路選擇，與以往 基于布喇格反射型濾波器的光分插復(fù)用器結(jié)構(gòu)相比 較，無需光環(huán)行器。而且由于相移長(zhǎng)周期光纖光柵的 雙帶阻濾波特性，在分插信道較多時(shí)，光分插復(fù)用器 中的光柵數(shù)目無明顯增加?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，此復(fù)用器 有著潛在的應(yīng)用前景。2 4 5 Chirped光柵寬帶濾波器Chirped光柵有帶寬較寬，色散補(bǔ)償率高等特 點(diǎn)。但大的色散同寬帶寬是矛盾的，所以需要綜合考 慮。另外，Chiiped光柵的反射譜具有被動(dòng)性，這種波 動(dòng)性的產(chǎn)生原因與均勻光柵的一樣，也不利于應(yīng)用。 適當(dāng)?shù)匦拚凵渎史植迹词构饫w光柵兩端折射率調(diào) 制度逐步遞減，可改善這種波動(dòng)性。Chirped光柵的 獨(dú)特點(diǎn)使它成為研究的熱點(diǎn)。利用Chirp型光柵可構(gòu)成寬帶濾波器用于色散 補(bǔ)償和產(chǎn)生超短脈沖。文獻(xiàn)15中報(bào)導(dǎo)了寬帶濾波器 用于色散補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化設(shè)計(jì)。得到Chirp系數(shù)值為70 時(shí)，可補(bǔ)償2 5Gb/(對(duì)應(yīng)頻率展寬30GHz)系統(tǒng)大約 100km的傳輸距離(對(duì)應(yīng)總色散值2000PS2)。2 4 6 Mach-Zehnder光纖濾波器M ach-Zehnder光纖濾波器是一種利用兩個(gè)不同 長(zhǎng)度的干涉路徑去分辨兩列不同波長(zhǎng)的波的干涉器 件，圖11為其結(jié)構(gòu)示意圖。它由兩個(gè)3dB光纖耦合 器串聯(lián)，構(gòu)成一個(gè)有兩個(gè)輸入端、兩個(gè)輸出端的光纖 M ach -Zehnder干涉儀。干涉儀的兩臂長(zhǎng)度相差L ,兩 臂的相位要滿足一定的條件。引入紫外微調(diào)均衡器 (UV Trimming),當(dāng)有紫外光照射時(shí)，此均衡器將改House. All rights reserved. 2002年第1期馮丹琴盛秋琴陳凱等：幾種常用濾波器的特性51圖11 M ach-Zehn der光纖濾波器結(jié)構(gòu)示意圖FBRIBTF,1輛合器上栽名盡圖12兩臂均衡的Mach-Zehnder干涉儀型OADM輸入針卩BIEJn下.圖13全光纖多波長(zhǎng)OADM圖14可調(diào)雙折射單模光纖濾波器結(jié)構(gòu)圖 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. s2(f)，tco變光纖纖心的折射率，從而改變。M ach -Zehnder光纖 濾波器的原理是基于耦合波理論，其傳輸特性為：sin2 (。），Y= 2tcAL nfc(2)原則上說，這種濾波器可以達(dá)到很好的消除串?dāng)_的效 果。但在實(shí)踐中，由于嚴(yán)格控制波長(zhǎng)的精度比較困難， 這種效果和理想情況相差甚遠(yuǎn)，而且它的通帶頂部也 不平坦。圖12為典型的兩臂均衡的M ach Zehnder干涉 儀型平面波導(dǎo)OADM。J AL -bert等16用M ach- Zehnder干涉儀原理，把兩塊長(zhǎng)3. 8nm的布拉格光珊置于干涉儀兩臂，并用紫外微調(diào)均衡技術(shù)制作 OADM，整個(gè)裝置長(zhǎng)25mm，插入損耗僅1dB，隔離度 達(dá)36dB，可用于無光放大器的局域網(wǎng)。這種OADM 的優(yōu)點(diǎn)是偏振不敏感，由于干涉儀兩臂隨溫度變化相 同，溫度變化時(shí)，干涉儀兩臂仍會(huì)保持平衡。缺點(diǎn)是溫 度變化時(shí)將導(dǎo)致光纖光柵中心波長(zhǎng)移動(dòng)。2 4 7光纖雙錐型濾波器(BTF)雙錐型濾波器透射譜由交替出現(xiàn)的峰值和零值 組成，工作原理與非等臂的M ach-Zehnder干涉儀相 近。但由于BTF由一根光纖組成，所以偏振不敏感。圖13所示17的為3波長(zhǎng)OADM。它由4個(gè)3dB 耦合器，1個(gè)光纖布喇格反射濾波器(FBR)和4個(gè)光 纖雙錐型濾波器組成。插入損耗小(0. 81 3dB)，后 向反射低( -55dB)，在透射帶內(nèi)色散較低，具有良 好的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性。2 4 8可調(diào)雙折射單模光纖濾波器如圖14所示，此器件是由三個(gè)不連續(xù)的光纖環(huán) 組成。其工作原理是基于索爾克濾波器。雙折射的產(chǎn) 生是通過扭轉(zhuǎn)光纖或相鄰的光纖環(huán)來實(shí)現(xiàn)。它能實(shí)現(xiàn) 波長(zhǎng)調(diào)諧，在790 920nm光譜范圍內(nèi)，可調(diào)波長(zhǎng)范 圍為4550nm；在10851220nm光譜范圍內(nèi)可調(diào) 波長(zhǎng)范圍為125 135nm。2 4 9全光纖聲光可調(diào)諧濾波器(AOTF)全光纖聲光可調(diào)諧濾波器(AOTF)利用光纖中 聲致模式耦合來實(shí)現(xiàn)開光或?yàn)V波功能。由于是全光纖 型的，此器件具有很低的插入損耗，但是窄帶寬實(shí)現(xiàn) 比較困難。圖15所示為緊湊型窄帶寬偏振敏感的 AOTF原理結(jié)構(gòu)圖，可以用單模光纖、雙模光纖、聚 焦光纖耦合器代替Taper光纖。其原理如下:壓電變 頻器產(chǎn)生的聲振動(dòng)通過玻璃錐被放大并傳輸耦合進(jìn) 入光纖，玻璃錐可以從光纖端面或者側(cè)面耦合入光 纖。經(jīng)過光纖傳輸，彎曲聲波被進(jìn)一步放大，在Taper 光纖束腰位置達(dá)到最大振幅。在束腰處,T ap ered稱圖15 Tapered光纖聲光可調(diào)諧濾波器結(jié)構(gòu)圖58光通信技術(shù)2002年第1期合器的周期性微擾使選定波長(zhǎng)附近能量從HE /模耦 合到高階模，而高階模不繼續(xù)傳輸。其它的光繼續(xù)以 H E /模式傳播，這樣就實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)選擇。在文獻(xiàn)18 中已報(bào)導(dǎo)了使用Taper光纖的全光纖聲光可調(diào)諧濾 波器(AOTF)。其帶寬達(dá)到2 8nm,損耗為0. 02dB, 大于20dB的消光比，具有偏振敏感，是目前帶寬-長(zhǎng) 度乘積(6 4nm. cm)為最小的產(chǎn)品。此類濾波器帶寬 可以做得更小，理論上最小的帶寬-長(zhǎng)度乘積可以達(dá) 到0 75nm. cm。它可用于波長(zhǎng)選擇開關(guān)、頻率轉(zhuǎn)換器 等。2 4 10集成陣列波導(dǎo)光柵(AWG)濾波器圖16 AWG的基本結(jié)構(gòu)AWG結(jié)構(gòu)圖如圖16,是一種平面光波回路，它 將一個(gè)陣列波導(dǎo)光柵與輸入/輸出波導(dǎo)陣列、星型平 面波導(dǎo)集成在同一塊襯底上?；驹頌?從功能上 講，AW G可看成由一個(gè)相位控制器，一個(gè)衍射光柵, 外加輔助的輸入、輸出波導(dǎo)組成。其中輸入星型波導(dǎo) 和陣列波導(dǎo)組成相位控制器,使到達(dá)衍射光柵的光波 相位與光的輸入端口、光波長(zhǎng)A有關(guān)，與陣列波導(dǎo)輸 出端面相連的星型波導(dǎo)的輸入端面充當(dāng)衍射光柵的 作用。通過對(duì)AWG結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理設(shè)計(jì),使得周期 性AW G輸入、輸出端口波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖17所示。 以4X4AWG為例分析數(shù)字濾波的實(shí)現(xiàn):如圖18,包 含KK4的復(fù)用光進(jìn)入1A,解復(fù)用后分別到達(dá)2B、4B檢入/檢出波導(dǎo)圖17 AWG的基本功能1 A A WO dLB2A2B 3A m3B y4A4R W2信道選擇器圖18信道選擇器端口。若開關(guān)1、2均為通光狀態(tài),則1B、2B端分別輸 入KK光，復(fù)用后由2A端輸出。若開關(guān)1通光，開關(guān) 2不通光,則2A端只輸出K光;若開關(guān)1不通光,開 關(guān)2通光，則2A端只輸出K2光，這樣就實(shí)現(xiàn)了數(shù)字 量控制開關(guān)的通斷狀態(tài)。利用集成陣列波導(dǎo)光柵 (AWG)可構(gòu)成可調(diào)諧濾波器,并可實(shí)現(xiàn)數(shù)字式信道 選擇，克服了模擬濾波器的缺點(diǎn)。其缺點(diǎn)是光開關(guān)數(shù) 量較大,且AW G的通道利用率較低。文獻(xiàn)19提出 了采用雙向光開關(guān)及2X1光開關(guān)來減少開關(guān)數(shù)目的 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的構(gòu)想。AW G可以用于復(fù)用/解復(fù)用、 分插復(fù)用和交叉互連,它在WDM光網(wǎng)中得到廣泛 的應(yīng)用。3結(jié)論本文綜述了目前比較常見的已應(yīng)用的和正在研 究的濾波器，并討論了它們的特點(diǎn)。這對(duì)選擇使用、設(shè) 計(jì)研究濾波器有一定的意義。參考文獻(xiàn)1 L i Shenping et al A novel Tunable al卜optical incoherent negative-tap fiberoptic transversal filter based on aDFB laser diode and fiber bragg gratings Techniques IEEE Photon L ett, 2000, 12(9): 120712092 Danielpastor experinentaldemonstration of parallelfibeoptic-basedRF filtering usingWDM techniques IEEE photon Lett , 2000, 12(1): 77 783 Dobrow lski J A, et al Metal dielectric transmission interference filters w ith low reflectance design Appl Opt , 1995, 34: 56734 Larruquert J I, Keski Kuha RAM, et al M ultilayer coatingsw ith high reflectance in the extrem e ultraviolet spectral range of 50 to 121. 6nm. 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