光学滤波器详解.ppt

第九章 光学滤波器 光 滤 波 器 光滤波器：在光纤通信系统中，只允许一定波长的光信号通过的器件。 光滤波器可分为固定的和可调谐的两种。 固定滤波器允许一个固定的、预先确定的波长通过，而可调谐的滤波器可动态地选择波长。 Fabry-Perot滤波器 基本原理：F-P干涉仪，平行平板的多光束干涉。 当入射光波的波长为腔长的整数倍时， 光波可形成稳定振荡， 输出光波之间会产生多光束干涉， 最后输出等间隔的梳状波形（对应的滤波曲线为梳状）。 F-P 滤波器特性 自由谱区FSR(Free Spectral Range)：相邻两个谐振频率的间距。 FSR=C/2nd n-中间介质折射率；d-腔长 3dB带宽?F：传输系数的数值降为最大值的一半应的频带宽度。 R越大， ?F越窄 精细度F(Finesse)：自由谱区与3dB带宽之比。 多层介质膜滤波器 介质薄膜光滤波器解复用器利用光的干涉效应选择波长。连续反射光在前表面相长干涉复合，在一定的波长范围内产生高能量的反射光束，在这一范围之外，则反射很小。 这样通过多层介质膜的干涉，通过某一波长，阻止其它波长。 光纤光栅 光纤光栅是近几年发展最为迅速的一种光纤无源器件。 它是利用光纤中的光敏性而制成的。 光敏性是指当外界入射的紫外光照射到纤芯中掺锗的光纤时，光纤的折射率将随光强而发生永久性改变。 人们利用这种效应可在几厘米之内写入折射率分布光栅，称为光纤光栅。 光纤光栅最显著的优点是插入损耗低，结构简单，便于与光纤耦合，而且它具有高波长选择性。 对于同向传输的两个波，如果传播常数满足Bragg条件，两波之间将发生能量的耦合。 Bragg条件： 特别地，如果满足 能量将耦合至波长与入射波相同的反向传输的散射中--反射式滤波器?FBG? Mach-Zehnder型滤波器 利用传输矩阵进行分析(1) 长度为d的耦合器的传输矩阵Mcoupler为： C为耦合系数 对于平分功率的3dB耦合器，Cd=?/4： 中心区域，两个波导的输出具有??的相位差： 注意：相位差可以由不同的路径长度(用?L给出) 或n1?n2时的折射率差产生。这里，考虑两臂具有相同的折射率，并且n1=n2 =neff(波导中的有效折射率)，于是： 。式中?＝2?neff/?。 对一给定的相位差，与之相对应的传输矩阵为： * R越大，精细度越大。 Frequency ?F FSR＝C/2nd 高反射率?窄带滤波器 ?(f) (a) FSR 传输函数 Pin(f) (b) 输入功率 Pout(f) (c) 输出功率 f1 f2 f3 …………. fN P1 P2 P3 …………. PN f1 f2 f3 …………. fN F-P滤波器的传输特性 (a)传输函数 (b)N个信道经波分复用后加到滤波器输入端的频谱图 (c)滤波器输出端 DWDM系统对F-P滤波器参数的要求： F-P腔的自由谱区FSR必须大于多信道复用信号的频谱宽度，以免使信号重叠，造成混乱。 在DWDM中，信道间距小于1nm，所以要求F-P腔有较窄的带宽?F。 精细度F要高 级联F-P腔 多层介质膜工作原理 所有从前后相挨的两个界面上反射的波都具有相长干涉的特性(相位差为180度)，经过几层这样的反射后，透射光强度将很小，而反射系数将达到 1。 薄膜多共振腔滤波器 传输特性： 腔越多?滤波器顶越平 边缘越陡 (1) 干涉法 干涉法是利用双光束干涉原理，将一束紫外光分成两束平行光，并在光纤外形成干涉场，调节两干涉臂长，使得形成的干涉条纹周期满足制作光纤光栅的要求。 (2) 相位掩膜板法 相位掩膜板法，是利用预先制作的膜板，当紫外光通过相位板时产生干涉，从而在光纤圆柱面形成干涉场，将光栅写入光纤。 光纤光栅的产生 外部写入法 紫外掩模写入法： 1. 用两束紫外光照射光纤并发生干涉 2. 掺锗的高光敏纤芯在光强部分折射率增加 3. 光栅永久写入光纤 光栅周期 光纤光栅工作原理 FBG: length Period ? 反射中心波长 纤芯的有效折射率 光栅周期 根据不同的折射率分布，FBG分类： 1. 均匀的Bragg光栅： 谐振峰两边有一些旁瓣。 由于光纤光栅两端折射率突变引起F-P效应导致的。 旁瓣分散了光能量，不利于其应用，需进行旁瓣抑制。 2. 切趾型光栅： 两端折射率分布逐渐递减至零，消除了折射率突变，从而