（材料加工工程专业论文）高性能fp可调谐滤波器的研究与开发.pdf

分类号 u d c 密级 学校代码! q 垒2 z 武多凄理歹大浮 学位论文 中文 高：些丝里二里互塑造遘达墨煎壁塞鱼亚塞 英文 r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fh i g h p e r f o r m a n c e 题目 坠尘! 曼里坐盟：里星翌! 旦! ! 星! 研究生姓名吕大娟 指导教师姓名一 姜焦生职称教授 申请学位级别硕士 论文提交日期至q ! ! 生垒旦论文答辩日期 至q ! ! 生三月 学位授予单位峦垫垄墨盘堂学位授予日期 答辩委员会主席型垒评阅人至塞堑塞塑竖 2 0 1 1 年5 其 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：覆埠日期：望盟 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本 学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使 用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：上4 生耻导i j i l i ( 签名) 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 可调谐光滤波器是一种波长选择器件，在光纤通信和光纤传感领域中具有 广泛的应用，可以用于半导体激光器或光纤激光器的反射腔镜和窄带滤波、复 用解复用器、光放大器中的噪声抑制、波长选择器、波长转换器以及色散补 偿器等。特别是随着我国光纤通信和光纤传感技术的深入发展，作为复用器与 解复用器以及传感解调系统的核心部分，可调谐光滤波器已经成为光网络中不 可或缺的关键器件。当前可调谐光纤滤波器的种类很多，应用最广、技术最成 熟的当属可调谐法布里一珀罗滤波器。 基于全光纤f p 标准具技术的光纤可调谐滤波器，它允许波长跟f p 腔长度 有倍数关系的光通过，而其他波长的光按爱里函数衰减。由于受到工艺的限制， 以往的可调谐滤波器在调谐速率、动态范围以及插入损耗等方面的性能较差， 难以满足实际应用的需求。 本文首先介绍了各种光纤f p 可调谐滤波器在国内外的发展历史以及当前 的发展现状，突出该可调f p 滤波器国产化研究的重要性，所以本课题重点从低 成本批量化生产角度展开该器件实用化研究。本文研究的可调谐滤波器无透镜 光纤结构或其他准直光学器件，主要工作是提高可调谐光纤f p 滤波器的性能， 致力于提供高精度、高分辨率、低插入损耗、环境不敏感、高传输性能和大动态 范围的可调f p 光滤波器产品。本文的主要研究内容及结论如下： ( 1 ) 分析光纤法布里珀罗滤波器中f p 腔体的光学原理，基于对可调谐滤 波器关键技术的分析，对可调谐滤波器的光学干涉单元进行了研究与实验。主 要从影响滤波器的插入损耗、带宽、自由谱区等性能指标的因素着手开展研究， 通过分析解释了这些参量的变化，并为改善提高光纤法布里珀罗可调谐滤波器 的性能提出了解决方案。 ( 2 ) 以高性能的f p 可调谐滤波器所要达到的具体性能指标为依据，研究 了光纤法布里珀罗滤波器的结构、光学单元器件的制备和性能测试。重点从光 纤端面的加工工艺以及端面镀膜工艺角度探讨了f p 可调谐滤波器的滤波性能 的影响因素。详细介绍了相关的实验装置与具体的实验操作工艺方法。 ( 3 ) 研究了可调谐f p 滤波器稳定性，包括从机械驱动结构的设计和压电 材料的选择与结构等方面研究了改善滤波器的动态调谐性能；从驱动元件的性 武汉理工大学硕士学位论文 能、结构形式、组装工艺等角度研究了影响f p 可调谐滤波器器件可靠性、稳定 性和重复性的因素，以将不利因素降到尽可能低，从经济实用和工业化生产角 度研究该滤波器国产化工艺。 ( 4 ) 本课题研究的可调谐光纤法布里珀罗滤波器，具备了极宽的动态范围， 低插入损耗，快速调谐，极窄的3d b 带宽等优点，可应用于光通信、光纤传感、 微波光子学等领域。 关键词g 可调谐滤波器，法布里珀罗，应用研究 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t at u n a b l eo p t i c a lf i l t e ri so n eo fw a v e l e n g t h - s e l e c t i v ed e v i c e s ，a n di t sw i d e l y u s e di nt h ef i e l d so fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n df i b e ro p t i c a ls e n s o r , s u c ha sr e f l e c t i v e m i r r o ra n dn a r r o wf i l t e rf o rs e m i c o n d u c t o rl a s e ro rf i b e rl a s e r , m u l t i p l e x e ro r d e m u l t i p l e x e r , n o i s ed e p r e s s i o ni no p t i c a la m p l i f i e r , w a v e l e n g t hs e l e c t i v ed e v i c e ，a n d w a v e l e n g t hc o n v e r t e r w i t ht h ef i l r t h e rd e v e l o p m e n to fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n d f i b e r o p t i c a l s e n s o rt e c h n o l o g y , a sf o rt h e c o r a l c o m p o n e n t s o fm u l t i p l e x e r , d e m u l t i p l e x e ra n di n t e g r a t i o ns y s t e m ，t h et u n a b l ef i l t e rh a sb e c a m et h ei n d i s p e n s a b l e c r i t i c a ld e v i c ei nt h eo p t i c a ln e t w o r k n o w a d a y s ，a l t h o u g ht h e r ea r es e v e r a lk i n d so f t u n a b l eo p t i c a lf i b e rf i l t e r , t h et u n a b l ef i l t e rb a s e df a b r y - p e r o t ( f - p ) i sm o s tw i d e l y u s e da n dm a t u r e d t h ef i b e ro p t i c a lt u n a b l ef i l t e rb a s e da l l f i b e rf - - pe t a l o na l l o w sp a r t l yl i g h t p a s s e d ，w h e r et h ec a v i t yl e n g t ho f f pi sm u l t i p l eo ft h ew a v e l e n g t ho ft h el i g h t ，a n d t h eo t h e r sa t t e n u a t ea sa i r yf u n c t i o n l i m i t e dt ot h ef a b r i c a t i o nt e c h n i q u e ，t h e p r e v i o u st u n a b l ef i l t e rh a ds o m ed e f e c t si nt e r m so ft u n i n gr a t e ，d y n a m i cr a n g ea n d i n s e r t i o nl o s s ，a n di tc a l lh a r d l ys a t i s f yt op r a c t i c ea p p l i c a t i o n t h et u n a b l ef i l t e ri n t h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e da l lf i b e rs t r u c t u r e ，w i t h o u tl e n so rs o m ec o l l i m a t i n gd e v i c e s t h em a i n l yp u r p o s ei st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft u n a b l eo p t i c a lf i l t e rb a s e df - p ， a n do f f e rat u n a b l ef i l t e rb a s e df p ，w h i c hf e a t u r e sh i 曲a c c u r a c y , h i 曲r e s o l u t i o n ，l o w i n s e r t i o n l o s s ， i n s e n s i t i v et oe n v i r o n m e n t s d i s t u r b a n c e ，h i 曲t r a n s m i s s i o n p e r f o r m a n c ea n dl a r g ed y n a m i cr a n g e t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h eh i s t o r ya n dp r e s e n ts t a t u so ft u n a b l eo p t i c a lf i l t e r a th o m ea n db r o a d ，a n de m p h a s i z e st h ei m p o r t a n c eo ft h el o c a l i z a t i o no ft u n a b l e o p t i c a lf i l t e rb a s e df - p a tp r e s e n t ，t h i sd e v i c ea l m o s ta l li m p o r t s ，a n de x t r e m e l y c o s t l y ，w h i c hi m p e d e st h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n df i b e ro p t i c a l s e n s o r t h e r e f o r e ，t h i si s s u ef o c u s e so nt h ep r a c t i c a lr e s e a r c hi nt e r m so fl o w - c o s ta n d m a s sp r o d u c t i o n a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cp e r f o r m a n c ei n d e xo ft u n a b l eo p t i c a lf i l t e rb a s e df p 晰t l ll l i 曲p e r f o r m a n c e ，t h ef a b r i c a t i o np r o c e s sw i t hl o wc o s ta n dl o c a l i z a t i o nw a s r e s e a r c h e d f i r s to fa l l ，t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s st h ei n f l u e n c ef a c t o rt ot h ep e r f o r m a n c e r i 武汉理工大学硕士学位论文 o ft u n a b l eo p t i c a lf i l t e rb a s e df p i nd e t a i l ，i nt e r m so fp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n d f i l mc o a t i n gt e c h n o l o g yo ff i b e re n d s t h e n ，t h er e l a t e de x p e r i m e n t a ld e v i c ea n d s p e c i f i co p e r a t i o na p p r o a c h ，w e r ea l s op r e s e n t e d m o r e o v e r , t h ei n f l u e n c ef a c t o rt o r e p e t i t i v e n e s s a n d s t a b i l i t y o ft e m p e r a t u r ew e r e a n a l y z e d a n de x p e r i m e n t a l l y r e s e a r c h e d f i n a l l y , s o m ea d v i c ef o rf u r t h e rr e s e a r c hw a sp r o p o s e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h et u n a b l ef i b e ro p t i c a lf i l t e rb a s e df pc a l lo f f e rm a n y a d v a n t a g e s ，i n c l u d i n gl a r g ed y n a m i cr a n g e ，l o wi n s e r t i o nl o s s ，f a s tt u n i n g ，v e r y n a r r o w3 d bb a n d w i d t ha n ds oo n ，a n dc o u l da p p l yt oo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，f i b e r o p t i c a ls e n s o r , m i c r o w a v ep h o t o n i c se t c k e y w o r d s ：t u n a b l eo p t i c a lf i l t e r ；f a b r y - p e r o t ；a p p l i e dr e s e a r c h i v 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 可调谐滤波器的发展概述1 1 2 国内外的研究与应用现状3 1 3 选题背景及意义9 1 4 本课题研究的主要内容。11 第2 章可调谐f p 腔滤波器的基本理论1 2 2 1f p 腔的基本原理1 2 2 1 1f p 腔的光学理论基础1 2 2 1 2f p 腔的调制原理1 5 2 2 可调谐f p 滤波器的基本原理。16 2 2 1 可调谐f p 滤波器的工作原理1 6 2 2 2f p 滤波器在解调系统中的应用原理1 9 2 3f p 滤波器的性能指标2 0 2 4 可调谐f p 滤波器的应用展望2 1 第3 章高性能f p 腔的制备技术研究2 4 3 1 可调谐f p 滤波器2 4 3 2 光纤法布里珀罗滤波器的结构2 5 3 3 光学单元器件的制备。2 6 3 3 1 光纤端面的抛磨与对准2 6 3 3 2 端面镀膜处理2 8 3 4 性能测试3 0 3 4 1 实验仪器介绍3 0 3 4 2 测试需注意的问题3 2 3 4 3 实验结果图谱分析3 3 第4 章可调谐f p 滤波器稳定性研究3 8 4 1 机械驱动结构设计3 8 4 2 压电陶瓷及其压电驱动原理3 9 v 武汉理工大学硕士学位论文 4 3 电学特性研究4 2 4 3 1 实验系统4 2 4 3 - 2 可调谐f p 滤波器电学驱动性能实验4 2 4 4 温度稳定性研究。4 6 4 4 1 光纤光栅解调仪4 6 4 4 2 实验仪器4 8 4 4 3 温度稳定性实验4 8 第5 章总结和展望5 1 参考文献5 3 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文及专利。5 7 致 射。5 8 v i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 光纤通信技术经过3 0 多年的发展，已经成熟，并形成一个巨大的产业。同 时，光纤传感器技术也开始成熟，国内外正处于产业形成和技术普及阶段。光 通信技术朝着速度更快、容量更大，乃至全光通信方向发展，其中的核心器件 光交换机、分插复用器件等都涉及法布里一珀罗( f a b r y p e r o t ，下略作f p ) 滤 波器。在光纤传感器领域，可调谐滤波器同样具有至关重要的作用，光纤光栅 传感器是目前最重要的一类光纤传感器，其信号解调的关键器件就是光纤可调 f p 滤波器；同时，在光纤可调谐激光器中，光纤f p 滤波器同样也是其关键器 件之一，具有无可替代的地位，此外，高精细度的可调谐滤波器还可应用于光 谱仪与光谱分析中。通常，不同的应用要求可调谐滤波器具有不同的特征，包 括带宽、调谐范围、调谐速率、插入损耗、偏振、阻带抑制比、可扩展性、成 本、重复性和稳定性等。 1 1 可调谐滤波器的发展概述 1 8 9 7 年，世界上的第一台具有实际使用价值的多光束干涉仪研发成功，根 据它的发明者法国科学家法布里和珀罗的名字命名为f a b r y p e r o t 干涉仪【l 】。 这种光学装置利用光学谐振腔可以产生非常细锐的干涉条纹，条纹对比度远远 超越了其他同类装置，因此f a b r y p e r o t 干涉仪一直被公认为是最有效的计量长 度和研究光谱超精细结构的工具，其干涉理论也成为了干涉滤波片的研究基础， 后来广泛研究的激光谐振腔的原始构型也是由它演变出来的，所以说f a b r y p e r o t 干涉仪在光学理论与应用发展过程中一直发挥着重要作用。 目前基于d w d m 的全光通信产业技术在国内外得到迅速推广和发展，全光 通信网络中涉及到一系列的光纤技术【2 】：光多址技术全光交换光插分复用 ( o a d m ：o p t i e a la d d d r o pm u l t i p l e x i n g ) 、光交叉连接( o x c ：o p t i c a lc r o s s c o n n e e t ) 、波长变换、信道争夺解决技术、同步技术、前端识别技术、全光信息 再生技术、网络管理与控制技术等，而可调谐光学滤波器是实现这些光网络技 术的关键器件之一。对于o a d m 3 1 ，一般常规的方法是采用波分复用器来使全 部波长独立区别开来，然后通过电路控制来选择所要下载的波长，基于可调谐 武汉理工大学硕士学位论文 滤波器的o a d m 则不需要波分复用器，即可直接下载所需要的波长，实现方法 简单、可靠。可调滤波器与激光器相结合，即可构成可调激光器。目前的d w d m 系统已经达到4 0 路波分复用，若在这种情形下使用固定波长的激光器，则需要 大量的激光源，这无疑增加了系统的成本，其可靠性也难免令人质疑。如采用 基于可调谐滤波器的激光源，可显著减少所需光源数量，大大降低系统成本。 在光性能监控( o p m ) 领域，现在采用的方法是首先检测光讯号，通过光电转 换，接着再做讯号监控或者是路由控制。该方法需要采用昂贵的设备，使用过 程中线路复杂且难以管理，这些因素都限制了网络业务的快速发展。而基于可 调谐滤波器的o p m 系统中就不需要针对每一个特定波长来分别配备光电转换与 监测设备，这样的系统中只要使用可调式滤波器就能将所要处理的波长一一筛 选出来，因此采用可调谐滤波器可以极大的简化光纤监管系统的架构。由此可 见，在光通信领域，可调谐滤波器对于简化系统和降低系统成本有极大的作用， 当其具有较大的调谐速率时，完全可以满足光网络高速的数据传输与交换要求， 这对于光网络的推广应用具有重要意义。 光通信技术的进步也带动了光纤传感技术的发展。由于光纤传感器在抗电 磁干扰、轻巧、灵敏度高等方面具有独一无二的优势，它正逐渐成为传感领域 的研究热点。其中，光纤布喇格光栅传感器由于自身在制作、复用等方面的优 势，不断应用于国民经济的各行各业【4 】。可调谐滤波器作为光纤布喇格光栅解调 系统的核心器件，其价值日趋显著。以四通道的光纤布喇格光栅解调仪为例， 解调仪需要采用1 个可调谐滤波器，通过该滤波器来检测光纤布喇格光栅的波 长，进而实现被测信号的解调。可调谐滤波器还可作为扫描干涉仪，用于其他 干涉型光纤传感器的信号解调中。在光纤传感领域，可调谐滤波器的调谐范围 主要取决于光纤布喇格光栅的复用数量，如对于较为普遍的4 分3 2 路传感系统， 光栅波长间隔假定为2n n l ，则其调谐范围通常在8 0n m - 1 0 0n n l 左右。带宽通常 需要与光纤布喇格光栅的带宽相当，甚至更小，从而实现较高的解调精度。为 实现动态信号的测量，调谐速率也相当重要。 随着近年化学及生物传感技术的发展，基于可调谐滤波器的小型化光谱仪 受到广泛关注。然而，传统的光谱仪利用色散元件，如衍射光栅，按光波长的 不同进行分光，利用线阵c c d 进行光强探测，从而进行光谱分析，光谱分析的 性能主要受到衍射光栅与线阵c c d 的影响，其成本较高。基于可调谐滤波器的 小型化光谱仪，调谐速率较低，其成本亦较低，能较好地满足该领域的应用。 目前科学家和学者已提出了多种可调谐光学滤波器技术方案【5 】，如可调谐波 2 武汉理工大学硕士学位论文 导阵列( a w g ) 、光纤光栅滤波器( f b g ) 、级联马赫曾德尔m z 干涉仪、声光 可调谐滤波器( a o t f ) 、法布里珀罗( f p ) 滤波器等，但是真正能工程实际使 用的并不多。尤其在光纤传感领域，光波长和光谱是重要的传感参数，要求滤 波器具有宽的调谐范围、高的分辨率和连续可调。而a w g 滤波器大多数是作为 固定部件；光纤光栅滤波器的调谐范围小；级联马赫曾德尔( m z ) 干涉仪基 本上是作为梳状滤波器；声光可调谐滤波器已商业化，且在1 5 5 0a m 波长段上可 调波长范围宽，但其价格高、对偏振敏感、插入损耗大和3d b 带宽指标不好的缺 点限制了其应用。 商用化的可调谐光学滤波器以f p 滤波器为主，该类型滤波器调谐范围宽、 带宽窄、插入损耗小、价格合理，能够满足很多领域，尤其是光纤传感领域的 使用要求，是目前可调谐光学滤波器的首选方案。 1 2 国内外的研究与应用现状 光纤f p 干涉仪【6 】就是可调谐f p 滤波器的原型，它可以直接形成传感器， 这种传感器可以是多光束干涉，也可以是双光束干涉；可以是白光干涉，也可 以是单色干涉，该类型传感器在微弱应变、压力、位移的测量等方面，具有不 可替代的位置，并已经形成产业。同样，在军用光通信领域、军用光纤传感器 技术领域，光纤f p 干涉仪也具有重要的应用价值，例如，光纤f p 干涉型水听 器，水听器的复用，舰船的状态监测，飞行器的健康监测，大型建筑物的结构 安全监测，储油罐的温度、压力监测，生化传感器等都要用到光纤f p 干涉技术。 利用光纤耦合器和光纤干涉仪的选频作用就可以制作出光纤滤波器，目前 市面上的可调谐光滤波器种类繁多，其中研究的比较多且具有实用价值的主要 有以下几种：m a c h - z e n h d e r 光纤滤波器，光纤光栅滤波器，声光滤波器，以及可 调谐f a b r y - - p e r o t 滤波器。其中，由于f p 滤波器具有许多独特的优点而被广泛应 用于光纤通信和光纤传感系统中，该滤波器的实用化研究也越来越受到人们的 重视，是光纤技术推广应用的关键器件之一。从整体性能上看，它具有极低的 插入损耗，较宽的调谐范围，调谐速度也很快，同时能够保证较高的精细度， 结构灵活可变，在实际工业使用中可做成不同结构来满足各种需求【7 1 。可调谐f p 滤波器在光纤光栅传感系统中用作解调器件，整个测量系统的性能都由其性能 的好坏直接决定。在光通信系统中，可调谐f p 滤波器被用作波分复用( w d m ) 的解复用及信号解调等，可与探测器，激光器，波长转换器结合使用进行波长 武汉理工大学硕士学位论文 探测、光源信道设定和波长转换，在光纤放大器中它被用作信号滤波器，而且 在光纤激光器，光传感和测量领域中也有非常重要的应用。 目前世界上所广泛研究的f p 滤波器主要分为以下几类【8 】：微型电动机械系 统( m e m s ) 形式的f p 滤波器，光纤光栅型f p 滤波器，液晶型f p 滤波器，固 体腔型f p 滤波器和光纤型f p 滤波器。 ( 1 ) m e m s 型f p 可调谐滤波器 目前，在工业应用和实验研究报道中提及的m e m s 型可调谐f p 滤波器的种 类很多 9 a o 】，它可以采用不同的材料和几何结构来制作【1 1 】。本节主要介绍一种比 较典型有代表性的m e m s 可调谐f p 滤波器，它采用的是薄膜材料的i n p 形成平 面反射镜，中间腔体介质为空气，其垂直结构如图1 1 所示。 该滤波器结构主要分为三个部分：顶部和底部分别为不同掺杂的分布布喇 格反射镜，中间为空气腔。该滤波器的两端均为金属层。首先制备出数层i n p 薄 膜，层与层之间的空气隙厚度为g 4 ，因为i n p 薄膜的折射率和空气折射率的对比 度非常高，一般只需制备几层薄膜就能够达到高于9 9 的反射率，这样的多层 薄膜平行布置就形成了分布布喇格反射镜。顶部和底部的分布式布喇格反射镜 正对平行放置，中间介质为空气，形成了具有高反射率的f p 腔滤波器，可以很 容易得到一个非常宽的抑制频带( 1 2 5 0 - 1 8 0 0r i m ) 【1 2 1 。通过在上下两个分布布 喇格反射镜上加载反偏电压可以产生静电力，在静电力的作用下腔长发生收缩， 该方法能够持续调节滤波器的谐振波长，从而达到电压控制f p 腔的腔长调节的 目的。 顶端金腻垫片 掺杂p 掺杂1 1 i 顶塞略芋晒 毒稠孵各反射镜 害空气腔 l 愿离强翻嘧 l 布喃培各反射镜 丫 i n p 衬底 h；耘 底部金属层 翰嬲翻h 口一i n g a a s 图1 1m e m s 型f 。p 可调谐滤波器 该滤波器具有非常好的性能：较高的精细度，以及相对较宽的自由光谱区， 4 武汉理工大学硕士学位论文 驱动电压低，调谐范围大，抑制频带很宽。现在有报道称已研制出性能能够达 到自由谱区为6 3 0n m 的f p 滤波器【1 3 , 1 4 ，加载3 2 v 电压就可实现1 4 0n m 的调谐 范围，主要是应用于无线电通讯和光信号处理，以及可调谐激光器等方面。 另外也有采用化学方法辅助离子束蚀刻来制备f p 腔滤波器的研究【l5 1 ，如图 1 2 所示，该短腔f p 滤波器是由i n g a a s p i n p 波导制成，通过加载电流可以达到 调谐波长的目的，调谐速度非常快，能够达至1 1 1_，7 u 八 7二基地 屏辱 高反膜 图2 1 可调谐f p 干涉仪 高反膜一 图2 2 具有高度平行平面的玻璃板 如上图所示，可调谐f p 干涉仪有两种形式：一种是由相互平行的、内表面 具有高反射率的两块平面玻璃板组成的，它们之间的距离可以通过调谐装置改 变，距离可调的f p 谐振器即为滤波器；另一种是用一块外表面都是高反射率的 平行平面玻璃板制成，它的两个反射面之间的距离是固定的，这种形式称为标 准具。 图2 3 为法布里珀罗谐振器的工作原理示意图。 武汉理工大学硕士学位论文 入射光 厂7 、 图2 3f p 干涉仪工作原理示意图 对于稳态振荡，初始光脉冲的幅度必定等于它被来回反射之后的幅度【3 8 】。 由于多光束干涉形成如图2 4 所示的透射特性可表示为： a t - - 两而t 两4 ( 2 _ 1 ) 下2下2 l = i 二一i ，= 下二f 一， ( 2 2 ) 1 + r 2 2 r c o s 8 ( 1 一尺) 2 + 4 r s i n 2 ( a 2 ) 其中a i ，i i 分别为入射光场得振幅和光强，a t ，i t 为出射光场的振幅及光强， 6 为相邻两束光的相位差： 万：竺n l c o s 9( 2 3 ) 厶 其中，r ，t 分别为镜面的反射率和透射率，在理想状况下，r + t = i ；1 1 为 腔中介质折射率，l 为腔长。当光波长九使得6 满足万= m d r ( m 为正整数) 时，有极大透射峰。这就形成了f p 腔的具有波长选择性的透过特性，从而达到 滤波的效果。 九i r i) l nx n + l 图2 4 法布里珀罗谐振腔的典型透射谱 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2f p 腔的调制原理 光纤法布里珀罗谐振腔( f f p r ) 非常适合于制作成光纤可调谐滤波器，通 过在两个相互靠近的光纤端面镀上高反射率的薄膜可形成f p 干涉谐振腔。人们 可以通过改变两个光纤端面间隙间的距离来调谐谐振腔的腔长，腔长的调节一 般是通过压电微位移器( p z t ) 来实现的。 在两块高反射率的平行平板中间填充介质( 该介质可以为光纤波导、空气、 液晶或电光晶体等) ，构成一谐振腔，通过多光束干涉来选择所输出的波长。根 据多光束干涉原理，在f p 腔内发生谐振的条件为3 9 4 2 】： n l c o s p ) = 华n = i ，2 ，3 ， ( 2 - 4 ) 式中n 为介质的折射率，l 为腔长，秒为入射角，九为中心( 谐振) 波长， n 为发生的干涉级数。 对于理想的f p 滤波器来说，其功率传输系数为 2 番【- 番咖2 c k n l c o s d 协5 ， 式中k = _ _ t g ，r 、t 分别为f p 腔两平行端面的反射系数和透射系数。 由( 2 5 ) 式得到峰值功率传输系数为 k 2 若可( 2 - 6 ) 不计平行端面的损耗( 吸收或散射) 时，k = 1 。考虑端面损耗a 时， a = i ( t + r ) ，将其代人( 2 6 ) 式得到 ，个、2 2 【南j q - 7 ) 由( 2 4 ) 式可以看出，当改变f p 腔内介质的折射率n 、入射角口或是f p 的腔长l 时，都能够改变该滤波器的中心谐振波长。通过改变n ，0 或l 任何一 个参量都可以达到调谐的目的。下面介绍这三种调制方法的理论原理。 ( 1 ) 角度0 调制 ( 2 4 ) 式两边对秒微分可得 五：一2 n ls i n ( o ) a o( 2 8 ) n 上式表明入射角变化a 0 引起中心波长的偏移从。这种调制法实现起来比 较简单，但存在着严重的缺点和不足，主要是对温度和振动非常敏感，结构稳 武汉理工大学硕士学位论文 定性难以控制，很难适应实际应用的需求 4 3 1 。 ( 2 ) 折射率n 调制 当光垂直入射，即0 = 0 ，且l 固定时，若n 变化a n ，则兄也随之变化兄， 由( 2 4 ) 式可得五与a n 的关系为 从= 兰锄( 2 9 ) 船 当腔内介质改变，其折射率将发生变化，这样滤波器的中心波长也随之变 化。 ( 3 ) 腔长l 调制 ( 2 4 ) 式两边对l 微分可得 五：一兰址( 2 1 0 ) 这种调制方法主要问题是，为了保证f p 滤波器的精细度不会降低，在改变 腔长l 时光纤端面必须严格保持平行，这样就对传动装置的精密性提出了很高 的要求。 2 2 可调谐f p 滤波器的基本原理 目前提出的用于光通信或光纤传感系统的可调谐f p 滤波器主要有以下几 类：基于透镜扩束的传统f p 滤波器，微机电系统( m e m s ) 可调谐f p 滤波器， 液晶或电光晶体可调谐f p 滤波器，以及全光纤结构可调谐f p 滤波器。可调谐 f p 滤波器的传输特性可用艾里函数( a i r yf u n c t i o n ) 描述，当腔的光学长度等 于半波长的整数倍时，相应的中心波长满足谐振条件，f p 滤波器的光学透射率 最大；改变f p 滤波器的参数( 如腔内介质折射率刀、入射角口或腔长l ) ，对应 的谐振波长发生改变，从而实现透射波长的调谐。 2 2 1 可调谐f p 滤波器的工作原理 传统型腔长调制的法布里珀罗( f p ) 滤波器是由两块平行放置的高反射率 的镜面形成的腔构成的，图2 5 中显示了普遍适用的滤波器干涉原理图。图中l 为谐振腔的长度，简称为腔长；g l 、g 2 为高反射率的镜面，一般采用两块相互 平行的石英板或是玻璃板制成，这两个反射镜正对的表面上都镀有反射率高达 9 5 的高反膜。当激光光源发射的光进入滤波器时，入射光线在两个相对的反射 镜表面间做多次往返，高反膜的反射作用使光线在腔内经多次反射，于是形成 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 多光束干涉，透射光束经自聚焦透镜耦合进入传输光纤输出，最后被光电探测 器接收并解调出来。这种干涉型滤波器与其他滤波器件的根本区别就是它是多 光束干涉，而不是双光束干涉。两光纤端面之间的空气隙作为f p 腔，通过逆压 电效应来改变腔长。 o j、o j r ：i 激光 光探 光测 源 器 日巷i ! l 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 丁：! 二墨二丝( 2 1 4 ) ，= 一 ，- lqj 1 一r + a r 由( 2 1 2 ) 式可知，当镀有高反膜的端面反射率r 为定值时，透射的干涉 光强随艿变化。当= r a m 时，透射光强达到最大值i o ；当6 = ( 2 n + 1 ) x 时，透射 光j 虽达至【j 最j 、值嘴 2i o 。透射光强的最大值和最j 、值之比为曙) 2 ，反射 率r 越大，分辨率越高，这就是f p 滤波器最突出的特点。通过提高反射镜的 反射率来提高滤波器的分辨率，从而使干涉测量有极高的灵敏度。 在本章的第一节中已经定性的介绍了衡量f p 腔光学性能的几个重要指标， 现在我们从理论公式中理性的认识这几个指标： ( 1 ) 自由光谱范围 自由光谱范围的定义是：在光谱中相邻两个透射波的中心波长之间的谱宽， 它也代表了f p 腔的调谐范围。f s r = 一五，可表示为： f s r = 二l( 2 1 5 ) 2 比 式中，九为入射光的中心波长： ( 2 ) 精细度f 精细度的定义是：f = f s r b ( b 是通过f p 腔的透射峰的峰值半宽度) ，其 表达式为： f ：冬 ( 2 1 6 ) 一= 一 t ， ( 1 一r ) 式中，r 为f p 腔中光纤反射端面的反射系数； ( 3 ) 峰值透过率t 峰值透过率是指在光纤可调谐f p 滤波器的峰值波长处测量的输入光功率 和输出光功率之比。 r ：一 1 + l it ( 1 - l ) 2 ( 2 - 1 7 ) 式中，t 为透过率，l 为法珀腔长度。 在理想情况中系统对该器件的要求是，希望f p 腔透射光谱的自由谱区、精 细度和峰值透过率这三个参数越高越好，但是在实际应用中，由于受到我国在 精细微加工技术方面的限制，这三个性能指标都难以同步达到国外产品的高性 能。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2f p 滤波器在解调系统中的应用原理 传感解调系统本质上就是一个信息( 能量) 转换和传递的检测系统，该系 统要求能够准确、迅速地测量出信号幅度的大小，真实地记录跟踪并反映被测 量随时间的变化关系【4 5 1 ，其中信号检测是传感系统的关键技术。 加拿大通信研究中心的k o h i l l 等于1 9 7 8 年首先在掺锗光纤中采用驻波 写入法制成了世界上第一根光纤光栅，在1 9 8 9 年m o r e y 首次报道将光纤光栅用 作传感【4 6 1 ，随后引起了世界范围内对光纤光栅传感器的应用研究的热潮。 光纤b r a g g 光栅是采用一定的写入技术在一段裸光纤内写入具有周期性折 射率的芯内体光栅。光纤光栅的纤芯折射率随着外界温度或者应力的改变而变 化，具体表现为光栅的中心工作波长发生漂移。与许多传统传感器相比，光纤 光栅传感器具有体积小、精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、结构形式灵活、测量 对象广泛、分布或者准分布式测量、耐久性好等优点【4 7 1 ，光纤光栅传感技术是 在光纤传感技术的基础上发展起来的，除了以上的优点之外，与普通的光纤传感 器相比，光纤光栅传感器易于波分复用，单根光纤上可以串联多个光栅进行准 分布式测量，而且它还有一个最重要的明显的优势就是可以采用波长调制法解 调光纤光栅传感器的传感信号。常规的光纤传感解调方法都是采用的强度调制， 该技术比较成熟，易于实现。但波长调制具有明显优于强度调制的优点，即传 感信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响。 利用光纤光栅解调仪可以检测反射光波长的变化，从而得到光纤光栅传感探头 布设区域的被测参量( 温度或者应变) 的变化，并实现对光纤光栅的解调。 目前普遍采用波长调制法解调光纤光栅传感信号，高精度地测量光纤光栅 反射峰中心波长的漂移量成为研究光纤光栅解调技术的关键问题【4 8 】，随着光纤 光栅传感技术的进一步发展和工程化需求的增多，人们不断从各个方面展开对 光纤光栅波长编码解调技术的研究，目前市面上已有很多不同型号的光纤光栅 解调仪投入实际使用。可调谐光滤波器是解调系统中的关键器件，其技术发展 与光纤传感后续解调技术息息相关，可调谐光滤波器技术革新也促进着光纤光 栅传感技术的进一步应用推广与发展。目前工程实用中，可调f p 滤波解调法是 使用最为广泛的波长解调方法，下面将主要介绍这种解调方法。 可调f p 滤波器波长编码解调的基本原理如图2 - 6 所示，宽带光源发出的光 经过3d b 耦合器后进入光纤f b g 光栅，满足布喇格反射条件的光被反射回来， 经过3d b 耦合器再入射到可调f p 滤波器进行处理后，探测器将检测可调f p 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 滤波器的透射峰是否与f b g 中反射波峰重合，波峰重合则表明f p 滤波器透射 光强最大，经过后续电路的滤波放大将光脉冲转化为电脉冲信号，再由信号采 集装置例如单片机等将电信号采集后送入下一级的信号处理电路1 4 引，然后得出 被测信息。将周期性锯齿波扫描电压施加在可调f p 滤波器的压电体上能够连续 改变腔长，所以压电体的电学驱动性能是衡量可调谐f p 滤波器的整体性能的重 要指标。 图2 6 可调f p 滤波器解调示意图 2 3f p 滤波器的性能指标 工程应用中，一般采用以下4 个主要的指标来衡量可调谐法布里一珀罗滤波 器件的整体使用性能【2 5 ，5 0 j ： 1 、自由光谱范围( f s r ，f r e es p e c t r u mr a n g e ) ，简称为自由谱区，它是指在法布 里珀罗( f p ) 腔可调谐光滤波器的频谱传输函数中，相邻两个透过峰之间 的谱区宽度，代表了光纤滤波器的调谐范围，f s l 吼1 地。在w d m 技术中 为了得到更多的波长信道数，需要所使用的f p 腔可