光学滤波器详解概况教学文案

第九章光学(guāngxué)滤波器第一页，共27页。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(gùdìng)的和可调谐的两种。固定(gùdìng)滤波器允许一个固定(gùdìng)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。第二页，共27页。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(zuìhòu)输出等间隔的梳状波形（对应的滤波曲线为梳状）。第三页，共27页。F-P滤波器特性(tèxìng)自由(zìyóu)谱区FSR(FreeSpectralRange)：相邻两个谐振频率的间距。FSR=C/2ndn-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(zìyóu)谱区与3dB带宽之比。R越大，精细(jīngxì)度越大。第四页，共27页。FrequencyFFSR＝C/2nd高反射率窄带滤波器第五页，共27页。(f)(a)FSR传输函数Pin(f)(b)输入功率Pout(f)(c)输出功率f1f2f3………….fNP1P2P3………….PNf1f2f3………….fNF-P滤波器的传输特性(tèxìng)(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(zàochénɡ)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(jīngxì)度F要高级联F-P腔第六页，共27页。多层介质(jièzhì)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(zhèyàng)通过多层介质膜的干涉，通过某一波长，阻止其它波长。第七页，共27页。多层介质膜工作(gōngzuò)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(tòushè)光强度将很小，而反射系数将达到1。第八页，共27页。薄膜多共振(gòngzhèn)腔滤波器传输(chuánshū)特性：腔越多滤波器顶越平边缘越陡第九页，共27页。第十页，共27页。光纤光栅(guāngshān)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(jùyǒu)高波长选择性。第十一页，共27页。(1)干涉(gānshè)法 干涉(gānshè)法是利用双光束干涉(gānshè)原理，将一束紫外光分成两束平行光，并在光纤外形成干涉(gānshè)场，调节两干涉(gānshè)臂长，使得形成的干涉(gānshè)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(gānshè)，从而在光纤圆柱面形成干涉(gānshè)场，将光栅写入光纤。光纤光栅(guāngshān)的产生第十二页，共27页。外部(wàibù)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(bùfen)折射率增加3.光栅永久写入光纤第十三页，共27页。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(fāshēng)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光栅(guāngshān)周期光纤光栅工作(gōngzuò)原理第十四页，共27页。FBG:lengthPeriod反射中心(zhōngxīn)波长纤芯的有效(yǒuxiào)折射率光栅(guāngshān)周期第十五页，共27页。根据不同(bùtónɡ)的折射率分布，FBG分类：1.均匀(jūnyún)的Bragg光栅：谐振峰两边有一些旁瓣。由于光纤光栅两端(liǎnɡduān)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。第十六页，共27页。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(tūbiàn)，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第十七页，共27页。3.啁啾光栅：折射率调制(tiáozhì)幅度不变，而周期沿光栅轴向变化，反射谱宽增加短波长长波长第十八页，共27页。4.取样(qǔyàng)光栅Sampledgratings：梳状滤波器5.相移光栅(guāngshān)Phase-shiftedFBGs:相移第十九页，共27页。Mach-Zehnder型滤波器长度(chángdù)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(xìnhào)进行分路的3dB耦合器在输出(shūchū)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。第二十页，共27页。工作(gōngzuò)原理从端口1输出的光：途径(tújìng)下臂的光相对上臂的相位差为p/2+bDL+p/2从端口2输出(shūchū)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：传播常数第二十一页，共27页。Input1Output2Output1/2+L+/2=L+/2+L-/2=LL=2neffL

/=kk为偶数Output2k为奇数Output1第二十二页，共27页。利用传输矩阵(jǔzhèn)进行分析(1)长度为d的耦合器的传输矩阵(jǔzhèn)Mcoupler为：

C为耦合系数对于平分功率的3dB耦合器，Cd=/4：第二十三页，共27页。中心区域，两个波导的输出具有的相位差：注意(zhùyì)：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(lìyòng)传输矩阵进行分析(2)第二十四页，共27页。利用传输矩阵进行(jìnxíng)分析(3)Ein,1Ein,2Eout,1Eout,2输出(shūchū)与输入光场的关系为：构建一复用器，1在Ein,1注入(zhùrù)，2在Ein,2注入(zhùrù)，于是：Eout,1=j[Ein,1(1)sin(1L/2)＋Ein,2(2)cos(2L/2)]Eout,2=j[Ein,1(1)cos(1L/2)－Ein,2(2)sin(2L/2)]第二十五页，共27页。利用传输矩阵(jǔzhèn)进行分析(4)场强：Pout,1=sin2(1L/2)Pin,1+cos2(2L/2)Pin,2Pout,2=cos2(1L/2)Pin,1+sin2(2L/2)Pin,2注:交叉项频率是光载波频率的两倍,在光检测器的响应(xiǎngyìng)能力之外,因而去除.欲将1和2复用到输出(shūchū)端口2，则1L/2=及