光学滤波器详解

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,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

2、：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越大，精细度越大,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

3、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,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,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

4、低，结构简单，便于与光纤耦合，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,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

5、，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,光栅周期,光纤光栅工作原理,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，从而使反射谱不存在旁瓣,高斯切趾,平均值为零的升余弦切趾,3. 啁啾光栅： 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,4. 取样光栅sampled gratings：梳状滤波器,5. 相

6、移光栅phase-shifted fbgs,相移,mach-zehnder型滤波器,长度相差l的两根波导，用来在两臂间产生与波长有关的相移,对输入信号进行分路的3db耦合器,在输出端将信号复合的3db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,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p/2 + bdl + p/2,从端口2输出的光： 途径下臂的光相对上臂的相位差为p/2 + bdl - p/2,如果在输入端的波长 满足bdl = kp (k为奇) 两个支路的光在

7、上输 出端口相差2p的整数 倍，在下端口的光相 差p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bdl = kp (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,b：传播常数,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，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(2,利用传输矩阵进行分析(3,ein,1,ein,2,eout,1,eout,2,输出与输入光场的关系为,构建一复用器，1在ein,1注入， 2在ein,2注入，于是： eout,1 =jein,1(1)sin(1l/2)ein,2(2)cos(2l/2) eout,2 =jein,1(1)cos(1l/2)ein,2(2)sin(2l/2,利用传输矩阵进行分析(4,场强：pout,1=sin2(1l/2)pin,1+cos2(2l/2)pin,2 pout,2=cos2(