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1、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
2、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。 R R R R越大，精细度越大。越大，精细度越大。越大，精细度越大。越大，精细度越大。FrequencyFrequency F FFSRFSRC/2ndC/2nd高反射率高反射率高反射率高反射率窄带滤波器窄带滤波器窄带滤波器窄带滤波器 (f (f) ) (a) (a)FSRFSR传输函数传输函数传输函数传输函数 P Pinin(f)(f) (b) (b)输入功率输入功率输入功率输入功率P Poutout(f)(f) (c) (c)输出功率输出功率输出功率输出功率f
3、1 f2 f3 . fNP1P2 P3 . PNf1 f2 f3 . fNF-PF-P滤波器的传输特性滤波器的传输特性滤波器的传输特性滤波器的传输特性(a)(a)传输函数传输函数传输函数传输函数 (b)N(b)N个信道经波分复用后加到个信道经波分复用后加到个信道经波分复用后加到个信道经波分复用后加到滤波器输入端的频谱图滤波器输入端的频谱图滤波器输入端的频谱图滤波器输入端的频谱图 (c)(c)滤波器输出端滤波器输出端滤波器输出端滤波器输出端DWDMDWDM系统对系统对系统对系统对F-PF-P滤波滤波滤波滤波器参数的要求：器参数的要求：器参数的要求：器参数的要求： F-PF-P腔的自由谱区腔的自由
4、谱区腔的自由谱区腔的自由谱区FSRFSR必须大于多信道复用信必须大于多信道复用信必须大于多信道复用信必须大于多信道复用信号的频谱宽度，以免使号的频谱宽度，以免使号的频谱宽度，以免使号的频谱宽度，以免使信号重叠，造成混乱。信号重叠，造成混乱。信号重叠，造成混乱。信号重叠，造成混乱。 在在在在DWDMDWDM中，信道间中，信道间中，信道间中，信道间距小于距小于距小于距小于1nm1nm，所以要求所以要求所以要求所以要求F-PF-P腔有较窄的带宽腔有较窄的带宽腔有较窄的带宽腔有较窄的带宽 F F。精细度精细度精细度精细度F F要高要高要高要高级联级联级联级联F-PF-P腔腔腔腔多层介质膜滤波器多层介质
5、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。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。这样通过多层介质膜的干涉，通过某一波长，阻止其它波长。 多层介质膜工作原理多层介质膜工作原理所所有有从从前前后后相相挨挨的的两两个个界界面面上上反反射射的的波波都都具具有有相相长长干干涉涉的的特特性性(相相位位差差为为180度度)，经经过
6、过几几层层这这样样的的反反射射后后，透透射射光光强强度度将将很很小小，而而反反射射系系数将达到数将达到 1。薄膜多共振腔滤波器薄膜多共振腔滤波器传输特性：传输特性：传输特性：传输特性：腔越多腔越多腔越多腔越多滤波器顶越平滤波器顶越平滤波器顶越平滤波器顶越平 边缘越陡边缘越陡边缘越陡边缘越陡光纤光栅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
7、，而且它具有高波长选择性。(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。光纤光栅的产生光纤光栅的产生外部写入法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
8、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光栅周期光栅周期光栅周期光栅周期光纤光栅工作原理光纤光栅工作原理FBG:FBG:lengthlengthPeriod Period 反射中反射中反射中反射中心波长心波长心波长心波长纤芯的有效折射率纤芯的有效折射率纤芯的有效折射率纤芯的有效折射率光栅光栅光栅光栅周期周期周期周期根据不同的折射率分布，根据不同的折射率分布，FBG分类：分类：1. 1. 均匀的均匀的均匀的均匀的BraggBragg光栅：光栅：光栅：光栅：谐振峰两边有一些旁瓣。谐振峰两边有一些旁瓣。谐振峰两边有一些旁瓣。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由于光
9、纤光栅两端折射率突变引起由于光纤光栅两端折射率突变引起由于光纤光栅两端折射率突变引起F-PF-P效应导致的。效应导致的。效应导致的。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。旁瓣分散了光能量，不利于其应用，需进行旁瓣抑制。旁瓣分散了光能量，不利于其应用，需进行旁瓣抑制。旁瓣分散了光能量，不利于其应用，需进行旁瓣抑制。 2. 2. 切趾型光栅：切趾型光栅：切趾型光栅：切趾型光栅：两端折射率分布逐渐递减至零，消除了折射率突两端折射率分布逐渐递减至零，消除了折射率突两端折射率分布逐渐递减至零，消除了折射率突两端折射率分布逐渐递减至零，消除了折射率突变，从而使反射谱不存在旁瓣变，从而
10、使反射谱不存在旁瓣变，从而使反射谱不存在旁瓣变，从而使反射谱不存在旁瓣高斯切趾高斯切趾高斯切趾高斯切趾平均值为零平均值为零平均值为零平均值为零的升余弦切的升余弦切的升余弦切的升余弦切趾趾趾趾 3. 3. 啁啾光栅：啁啾光栅：啁啾光栅：啁啾光栅：折射率调制幅度不变，而周期沿光栅轴向变化，折射率调制幅度不变，而周期沿光栅轴向变化，折射率调制幅度不变，而周期沿光栅轴向变化，折射率调制幅度不变，而周期沿光栅轴向变化，反射谱宽增加反射谱宽增加反射谱宽增加反射谱宽增加短波长短波长短波长短波长长波长长波长长波长长波长4. 4. 取样光栅取样光栅取样光栅取样光栅Sampled gratingsSampled
11、gratings：梳状滤波器梳状滤波器梳状滤波器梳状滤波器5. 5. 相移光栅相移光栅相移光栅相移光栅Phase-shifted Phase-shifted FBGsFBGs: : 相移相移相移相移Mach-Mach-ZehnderZehnder型滤波器型滤波器长度相差长度相差长度相差长度相差 L L L L的两根波的两根波的两根波的两根波导，用来在两臂间产导，用来在两臂间产导，用来在两臂间产导，用来在两臂间产生与波长有关的相移生与波长有关的相移生与波长有关的相移生与波长有关的相移对输入信号对输入信号对输入信号对输入信号进行分路的进行分路的进行分路的进行分路的3dB3dB3dB3dB耦合器耦合
12、器耦合器耦合器在输出端将在输出端将在输出端将在输出端将信号复合的信号复合的信号复合的信号复合的3dB3dB3dB3dB耦合器耦合器耦合器耦合器通过分裂输入光束以及在一条通路上引进一个相移，重组通过分裂输入光束以及在一条通路上引进一个相移，重组通过分裂输入光束以及在一条通路上引进一个相移，重组通过分裂输入光束以及在一条通路上引进一个相移，重组的信号将在一个输出端产生相加性干涉，而在另一个输出的信号将在一个输出端产生相加性干涉，而在另一个输出的信号将在一个输出端产生相加性干涉，而在另一个输出的信号将在一个输出端产生相加性干涉，而在另一个输出端产生相消性干涉，信号最后只会在一个输出端口出现。端产生相
13、消性干涉，信号最后只会在一个输出端口出现。端产生相消性干涉，信号最后只会在一个输出端口出现。端产生相消性干涉，信号最后只会在一个输出端口出现。工作原理工作原理从端口1输出的光：途径下臂的光相对上臂的相位差为/2 + L + /2从端口2输出的光：途径下臂的光相对上臂的相位差为/2 + L - /2如果在输入端的波长满足L = k (k为奇)两个支路的光在上输出端口相差2的整数倍，在下端口的光相差的整数倍，因此，光最终从上端口输出如果在输入端的波长满足L = k (k为耦)那么光信号由下输出端口输出因此不同的波长可以解复用到不同输出端：传播常数Input 1Input 1Output 2Outp
14、ut 2Output 1Output 1 /2+/2+L+ L+ /2= /2= L+ L+ /2+/2+L- L- /2= /2= L LL=2L=2 n neff eff L L / / = =k k k k为偶数为偶数为偶数为偶数Output 2Output 2k k为奇数为奇数为奇数为奇数Output 1Output 1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n1n2时的折射率差产生。这里，考虑两臂具有相同的折射率，
15、并且n1=n2 =neff(波导中的有效折射率)，于是： 。式中2neff/。对一给定的相位差，与之相对应的传输矩阵为：利用传输矩阵进行分析利用传输矩阵进行分析(2)利用传输矩阵进行分析利用传输矩阵进行分析(3)E Ein,1in,1E Ein,2in,2E Eout,1out,1E Eout,2out,2输出与输入光场的关系为：输出与输入光场的关系为：输出与输入光场的关系为：输出与输入光场的关系为：构建一复用器，构建一复用器，构建一复用器，构建一复用器， 1 1在在在在E Ein,1in,1注入，注入，注入，注入， 2 2在在在在E Ein,2in,2注入，于是：注入，于是：注入，于是：注入
16、，于是：E Eout,1 out,1 =jE=jEin,1in,1( ( 1 1)sin()sin( 1 1 L/2)L/2)E Ein,2in,2( ( 2 2)cos()cos( 2 2 L/2)L/2)E Eout,2 out,2 =jE=jEin,1in,1( ( 1 1)cos()cos( 1 1 L/2)L/2)E Ein,2in,2( ( 2 2)sin()sin( 2 2 L/2)L/2)利用传输矩阵进行分析利用传输矩阵进行分析(4)场强：场强：场强：场强：P Pout,1out,1=sin=sin2 2( ( 1 1 L/2)PL/2)Pin,1in,1+cos+cos2 2
17、( ( 2 2 L/2)PL/2)Pin,2in,2 P Pout,2out,2=cos=cos2 2( ( 1 1 L/2)PL/2)Pin,1in,1+sin+sin2 2( ( 2 2 L/2)PL/2)Pin,2in,2注注注注: :交叉项频率是光载波频率的两倍交叉项频率是光载波频率的两倍交叉项频率是光载波频率的两倍交叉项频率是光载波频率的两倍, ,在光检测器的响应能力之外在光检测器的响应能力之外在光检测器的响应能力之外在光检测器的响应能力之外, ,因而去除因而去除因而去除因而去除. .欲将欲将欲将欲将 1 1和和和和 2 2复用到输出端口复用到输出端口复用到输出端口复用到输出端口2 2，则，则，则，则 1 1 L/2=L/2= 及及及及 2 2 L/2=L/2= /2/2 ，或者：或者：或者：或者：则则则则干涉仪两臂长度差：干涉仪两臂长度差：干涉仪两臂长度差：干涉仪两臂长度差：利用利用利用利用3 3个个个个2 2 2MZI2MZI元件构成四通道复用器：元件构成四通道复用器：元件构成四通道复用器：元件构成四通道复用器： 1 1 2 2 3 3 4 4 2 2 1 1 3 3 2 2 4 4 1 1 3 3 2 2 4 4MZIMZI1 1 L L1 1MZIMZI2 2 L L2 2MZIMZI3 3 L L3 3 3 3AABBCCDD
