光濾波器概述

1、光濾波器光濾波器是用來進行波長選擇的儀器，它可以從眾多的波長中挑選出所需的波長，而除此波長以外的光將會被拒絕通過。它可以用于波長選擇、光放大器的噪聲濾除、增益均衡、光復(fù)用/解復(fù)用。概述光耦合器或者光復(fù)用器是把不同波長的光復(fù)用到一根光纖中的，不同的波長傳載著不同的信息。那么在接收端，要從光纖中分離出所需的波長，就要用到光濾波器。11理論基礎(chǔ)籠統(tǒng)地講，凡是能夠選擇光頻的技術(shù)，原則上都可用于制造光濾波器。光濾波器基本是由以下理論構(gòu)筑其理論基礎(chǔ)。角色散理論光柵分光原理示意圖2由光學(xué)理論可知，光柵和三棱鏡是一種典型的角色散元件。當(dāng)多種波長的混合光通過這些元件時，就會發(fā)生衍射，由于衍射角的不同，可使混合波

2、發(fā)生分離，從而獲得單一波長的光。a.光柵的分光原理附圖是利用光柵將混合光波進行分離的原理示意圖。從光纖輸入的混合波（1、2、3），經(jīng)過透鏡（L1）準(zhǔn)直后射向光柵，不同波長的光信號由于衍射角不同，經(jīng)過透鏡（L2）聚焦在不同的位置上，并將光信號耦合進不同的光纖中進行輸出。這就是光柵的分光原理。角色散元件的主要性能指標(biāo)是角色散和色分辨本領(lǐng)。角色散本領(lǐng)是相距單位波長的光波被散開（分離）的角度。其表達式為：D()/它的物理意義是表明不同波長的譜線中心分開的程度。而色分辨本領(lǐng)是分辨波長很接近的譜線的能力，它定義為：R=/min式中min是瑞利判據(jù)所規(guī)定的角色散元件能夠分辨的兩譜線的最小波長差。由這里可以想

3、象到，在密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)，為了減少光信道之間的串?dāng)_，信道之間的間隔應(yīng)遠大干復(fù)用器能夠分辨的最小波長差。在這里須指出，光柵的含義不僅僅是指在單位距離內(nèi)所刻蝕出的眾多溝槽的那一種結(jié)構(gòu)。凡是具有周期性空間結(jié)構(gòu)或周期性光學(xué)性質(zhì)的結(jié)構(gòu)者都可認(rèn)為它是一種光柵。也就是說，應(yīng)該從廣義上去理解光柵。光柵的相鄰兩峰之間的距離，通常稱為光柵常數(shù)，記作d。依此表示的角色散本領(lǐng)為：D（）=K/（2dcos）色分辨本領(lǐng)為：RNK上兩式中，K是光柵的衍射級數(shù)。由此可知D（）與d成反比，與K成正比。而色分辨本領(lǐng)與光柵的總槽數(shù)N和K成正比。因此，要想得到性能好的光柵，總槽數(shù)N應(yīng)盡量大，光柵常數(shù)d應(yīng)盡量小，并盡量選用

4、高的衍射級數(shù)。當(dāng)然，這種追求會給光柵的制造帶來一定的困難。2棱鏡的分光原理示意圖3b.棱鏡的分光原理棱鏡的分光原理如附圖所示。它的工作原理是：含有多個光波長的信號的光，經(jīng)透鏡準(zhǔn)直后，通過三棱鏡將光分離，分離后的光再經(jīng)過另一透鏡聚焦并耦合進相應(yīng)的光纖中進行傳播。眾所周知，不同波長在同一種物質(zhì)中的傳播速度是不一樣的，也就是說折射率n（n=c/V）隨波長而變。若選用dn/d，大的材料作棱鏡，就可以得到大的角色散本領(lǐng)和高的色分辨本領(lǐng)。此外，若使棱鏡面的寬度適當(dāng)增大并盡可能減小準(zhǔn)直透鏡的直徑，就可獲得最佳性能的分光效果。以上系統(tǒng)中的透鏡，可以用自聚焦透鏡來代替，其效果完全一樣。2干涉膜濾波原理于涉膜潞光

5、器結(jié)構(gòu)示意圖4干涉膜的結(jié)構(gòu)如附圖所示。它由兩種折射率（n）大小不等的介質(zhì)膜交替疊加而成。其厚度為1/4波長，通過介質(zhì)膜的不同選擇構(gòu)成長波通、短波通和帶通濾波器。高折射率層反射的光線其相位不會偏移，低折射率層反射的光線其相位偏移180度。通過每層薄膜界面上多次反射和透射光的線性疊加，當(dāng)光程差等于光波長時，或是同相位時，多次透射光就會發(fā)生干涉，同相加強，形成強的透射光波，而反相光波相互抵消。通過適當(dāng)設(shè)計多層介質(zhì)膜系統(tǒng)，就可得到濾波性能良好的濾光片。干涉膜濾光片的每一層薄膜類似于法布里-羅（F-P）腔。眾所周知，法布里一泊羅腔的選頻特性是基于在腔內(nèi)形成駐波。通過腔長的控制來控制諧振波的多少，當(dāng)腔長很

6、短時，只允許幾個甚至于一個波存在。由于干涉膜是多層結(jié)構(gòu)，從而可以達到對多種波長的選擇。MZ干涉濾波器5總之，利用干涉原理，就可設(shè)計出濾波器。例如馬赫一曾德（Mach-Zahnder，M-Z）干涉結(jié)構(gòu)就可作光濾波器，如附圖所示。輸入信號光功率Pin經(jīng)第一個3dB耦合器后，等分為P1和P2兩部分。由于路程差不同，當(dāng)?shù)竭_第二個3dB耦合器時，相位差將決定合成后輸出光的強度。同相加強，反相相消。因此，只要調(diào)整光波導(dǎo)的長度，便可選出所需要的波長。2耦合模濾波原理錐光纖與微球諧振腔組成的光上下復(fù)用器6當(dāng)兩根單模光纖通過熔融拉錐而使其芯部很接近時，在錐形的腰部，其中一根光纖中傳輸?shù)亩嗖ㄩL信號，其基模（芯模）

7、將會通過消失場變?yōu)轳詈夏?。而耦合比的大小由錐形幾何尺寸分布所決定。當(dāng)某一波長有較大耦合比時，就可從混合波中分離出來，從而達到光濾波作用。單模光纖方向耦合器作c光解復(fù)用器就是利用這種原理。附圖是利用耦合模理論制作的光濾波器及光的上下復(fù)用器（OADM）。當(dāng)復(fù)用光波信號從1端口輸入時，由于耦合模3與微球諧振腔發(fā)生共振，而從端口3輸出（濾波作用）。當(dāng)3從端口4輸入時，而由于耦合而進入端口2的復(fù)用光波之中，從而實現(xiàn)了OADM的功能。以上是光濾波器的最基本也是最重要的理論基礎(chǔ)。利用這些理論或這些理論的相互結(jié)合就可研制出各種各樣的光濾波器。各種光濾波器大都是以這些理論作為依據(jù)的，包括平面集成器件，如AWG等。除以上之外，還有一些其它方法，如利用雙折射原理，也可制作光濾波器。2分類多層介質(zhì)膜濾波器原理圖7基于干涉原理的濾波器：熔錐光纖濾波器、Fabry-Perot濾波器、多層介質(zhì)膜濾波器、馬赫-曾德干涉