光學濾波器詳解概況課件

第九章光學濾波器第九章光學濾波器1光

濾

波

器

光濾波器：在光纖通信系統(tǒng)中，只允許一定波長的光信號通過的器件。光濾波器可分為固定的和可調(diào)諧的兩種。固定濾波器允許一個固定的、預(yù)先確定的波長通過，而可調(diào)諧的濾波器可動態(tài)地選擇波長。光濾波器光濾波器：在光纖通信系統(tǒng)中，只允許一定2Fabry-Perot濾波器基本原理：F-P干涉儀，平行平板的多光束干涉。當入射光波的波長為腔長的整數(shù)倍時，光波可形成穩(wěn)定振蕩，輸出光波之間會產(chǎn)生多光束干涉，最后輸出等間隔的梳狀波形（對應(yīng)的濾波曲線為梳狀）。Fabry-Perot濾波器基本原理：F-P干涉儀，平行平板3F-P濾波器特性自由譜區(qū)FSR(FreeSpectralRange)：相鄰兩個諧振頻率的間距。FSR=C/2nd

n-中間介質(zhì)折射率；d-腔長3dB帶寬F：傳輸系數(shù)的數(shù)值降為最大值的一半應(yīng)的頻帶寬度。R越大，F(xiàn)越窄精細度F(Finesse)：自由譜區(qū)與3dB帶寬之比。

R越大，精細度越大。F-P濾波器特性自由譜區(qū)FSR(FreeSpectral4FrequencyFFSR＝C/2nd高反射率窄帶濾波器FrequencyFFSR＝C/2nd高反射率窄帶濾波器5(f)(a)FSR傳輸函數(shù)Pin(f)(b)輸入功率Pout(f)(c)輸出功率f1f2f3………….fNP1P2P3………….PNf1f2f3………….fNF-P濾波器的傳輸特性(a)傳輸函數(shù)(b)N個信道經(jīng)波分復用后加到濾波器輸入端的頻譜圖(c)濾波器輸出端DWDM系統(tǒng)對F-P濾波器參數(shù)的要求：F-P腔的自由譜區(qū)FSR必須大于多信道復用信號的頻譜寬度，以免使信號重疊，造成混亂。在DWDM中，信道間距小于1nm，所以要求F-P腔有較窄的帶寬F。精細度F要高級聯(lián)F-P腔(f)FSR傳輸函數(shù)Pin(f)輸入功率Pout(f)輸6多層介質(zhì)膜濾波器介質(zhì)薄膜光濾波器解復用器利用光的干涉效應(yīng)選擇波長。連續(xù)反射光在前表面相長干涉復合，在一定的波長范圍內(nèi)產(chǎn)生高能量的反射光束，在這一范圍之外，則反射很小。這樣通過多層介質(zhì)膜的干涉，通過某一波長，阻止其它波長。多層介質(zhì)膜濾波器介質(zhì)薄膜光濾波器解復用器利用光的干涉效應(yīng)選擇7多層介質(zhì)膜工作原理所有從前后相挨的兩個界面上反射的波都具有相長干涉的特性(相位差為180度)，經(jīng)過幾層這樣的反射后，透射光強度將很小，而反射系數(shù)將達到1。多層介質(zhì)膜工作原理所有從前后相挨的兩個界面上反射的波都具有8薄膜多共振腔濾波器傳輸特性：腔越多濾波器頂越平邊緣越陡傳輸特性：9光學濾波器詳解概況ppt課件10光纖光柵光纖光柵是近幾年發(fā)展最為迅速的一種光纖無源器件。它是利用光纖中的光敏性而制成的。光敏性是指當外界入射的紫外光照射到纖芯中摻鍺的光纖時，光纖的折射率將隨光強而發(fā)生永久性改變。人們利用這種效應(yīng)可在幾厘米之內(nèi)寫入折射率分布光柵，稱為光纖光柵。光纖光柵最顯著的優(yōu)點是插入損耗低，結(jié)構(gòu)簡單，便于與光纖耦合，而且它具有高波長選擇性。光纖光柵光纖光柵是近幾年發(fā)展最為迅速的一種光纖無源器件。11(1)干涉法 干涉法是利用雙光束干涉原理，將一束紫外光分成兩束平行光，并在光纖外形成干涉場，調(diào)節(jié)兩干涉臂長，使得形成的干涉條紋周期滿足制作光纖光柵的要求。(2)相位掩膜板法 相位掩膜板法，是利用預(yù)先制作的膜板，當紫外光通過相位板時產(chǎn)生干涉，從而在光纖圓柱面形成干涉場，將光柵寫入光纖。光纖光柵的產(chǎn)生(1)干涉法光纖光柵的產(chǎn)生12外部寫入法紫外掩模寫入法：1.用兩束紫外光照射光纖并發(fā)生干涉2.摻鍺的高光敏纖芯在光強部分折射率增加3.光柵永久寫入光纖外部寫入法紫外掩模寫入法：13對于同向傳輸?shù)膬蓚€波，如果傳播常數(shù)滿足Bragg條件，兩波之間將發(fā)生能量的耦合。Bragg條件：特別地，如果滿足

能量將耦合至波長與入射波相同的反向傳輸?shù)纳⑸渲?-反射式濾波器FBG光柵周期光纖光柵工作原理對于同向傳輸?shù)膬蓚€波，如果傳播常數(shù)滿足Bragg條件，兩波之14FBG:lengthPeriod反射中心波長纖芯的有效折射率光柵周期FBG:lengthPeriod反射中心波長纖芯的有效15根據(jù)不同的折射率分布，F(xiàn)BG分類：1.均勻的Bragg光柵：諧振峰兩邊有一些旁瓣。由于光纖光柵兩端折射率突變引起F-P效應(yīng)導致的。旁瓣分散了光能量，不利于其應(yīng)用，需進行旁瓣抑制。根據(jù)不同的折射率分布，F(xiàn)BG分類：1.均勻的Bragg光柵16

2.切趾型光柵：兩端折射率分布逐漸遞減至零，消除了折射率突變，從而使反射譜不存在旁瓣高斯切趾平均值為零的升余弦切趾2.切趾型光柵：高斯切趾平均值為零的升余弦切趾173.啁啾光柵：折射率調(diào)制幅度不變，而周期沿光柵軸向變化，反射譜寬增加短波長長波長3.啁啾光柵：短波長長波長184.取樣光柵Sampledgratings：梳狀濾波器5.相移光柵Phase-shiftedFBGs:相移4.取樣光柵Sampledgratings：梳狀濾波器519Mach-Zehnder型濾波器長度相差L的兩根波導，用來在兩臂間產(chǎn)生與波長有關(guān)的相移對輸入信號進行分路的3dB耦合器在輸出端將信號復合的3dB耦合器通過分裂輸入光束以及在一條通路上引進一個相移，重組的信號將在一個輸出端產(chǎn)生相加性干涉，而在另一個輸出端產(chǎn)生相消性干涉，信號最后只會在一個輸出端口出現(xiàn)。Mach-Zehnder型濾波器長度相差L的兩根波導，用來20工作原理從端口1輸出的光：途徑下臂的光相對上臂的相位差為p/2+bDL+p/2從端口2輸出的光：途徑下臂的光相對上臂的相位差為p/2+bDL-p/2如果在輸入端的波長滿足bDL=kp(k為奇)兩個支路的光在上輸出端口相差2p的整數(shù)倍，在下端口的光相差p的整數(shù)倍，因此，光最終從上端口輸出如果在輸入端的波長滿足bDL=kp(k為耦)那么光信號由下輸出端口輸出因此不同的波長可以解復用到不同輸出端b：傳播常數(shù)工作原理從端口1輸出的光：從端口2輸出的光：如果在輸入端的波21Input1Output2Output1/2+L+/2=L+/2+L-/2=LL=2neffL

/=kk為偶數(shù)Output2k為奇數(shù)Output1Input1Output2Output1/2+L22利用傳輸矩陣進行分析(1)長度為d的耦合器的傳輸矩陣Mcoupler為：

C為耦合系數(shù)對于平分功率的3dB耦合器，Cd=/4：利用傳輸矩陣進行分析(1)長度為d的耦合器的傳輸矩陣Mcou23中心區(qū)域，兩個波導的輸出具有的相位差：注意：相位差可以由不同的路徑長度(用L給出)或n1n2時的折射率差產(chǎn)生。這里，考慮兩臂具有相同的折射率，并且n1=n2=neff(波導中的有效折射率)，于是：。式中＝2neff/。對一給定的相位差，與之相對應(yīng)的傳輸矩陣為：利用傳輸矩陣進行分析(2)中心區(qū)域，兩個波導的輸出具有的相位差：利用傳輸矩陣進行分24利用傳輸矩陣進行分析(3)Ein,1Ein,2Eout,1Eout,2輸出與輸入光場的關(guān)系為：構(gòu)建一復用器，1在Ein,1注入，2在Ein,2注入，于是：Eout,1=j[Ein,1(1)sin(1L/2)＋Ein,2(2)cos(2L/2)]Eout,2=j[Ein,1(1)cos(1L/2)－Ein,2(2)sin(2L/2)]利用傳輸矩陣進行分析(3)Ein,1Ein,2Eout,1E25利用傳輸矩陣進行分析(4)場強：Pout,1=sin2(1L/2)Pin,1+cos2(2L/2)Pin,2Pout,2=cos2(1L/2)Pin,1+sin2(2L/2)Pin,2注:交叉項頻率是光載波頻率的兩倍,在光檢測器的響應(yīng)能力之外,因而去除.欲將1和2復用到輸出端口2，則1L/2=及2L/2=/2，或者：則干涉儀兩臂長度差：利用傳輸