第九章光學(xué)濾波器第九章光學(xué)濾波器1光

濾

波

器

光濾波器：在光纖通信系統(tǒng)中，只允許一定波長(zhǎng)的光信號(hào)通過(guò)的器件。光濾波器可分為固定的和可調(diào)諧的兩種。固定濾波器允許一個(gè)固定的、預(yù)先確定的波長(zhǎng)通過(guò)，而可調(diào)諧的濾波器可動(dòng)態(tài)地選擇波長(zhǎng)。光濾波器光濾波器：在光纖通信系統(tǒng)中，只允許一定2Fabry-Perot濾波器基本原理：F-P干涉儀，平行平板的多光束干涉。當(dāng)入射光波的波長(zhǎng)為腔長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，光波可形成穩(wěn)定振蕩，輸出光波之間會(huì)產(chǎn)生多光束干涉，最后輸出等間隔的梳狀波形（對(duì)應(yīng)的濾波曲線為梳狀）。Fabry-Perot濾波器基本原理：F-P干涉儀，平行平板3F-P濾波器特性自由譜區(qū)FSR(FreeSpectralRange)：相鄰兩個(gè)諧振頻率的間距。FSR=C/2nd

n-中間介質(zhì)折射率；d-腔長(zhǎng)3dB帶寬F：傳輸系數(shù)的數(shù)值降為最大值的一半應(yīng)的頻帶寬度。R越大，F(xiàn)越窄精細(xì)度F(Finesse)：自由譜區(qū)與3dB帶寬之比。

R越大，精細(xì)度越大。F-P濾波器特性自由譜區(qū)FSR(FreeSpectral4FrequencyFFSR＝C/2nd高反射率窄帶濾波器FrequencyFFSR＝C/2nd高反射率窄帶濾波器5(f)(a)FSR傳輸函數(shù)Pin(f)(b)輸入功率Pout(f)(c)輸出功率f1f2f3………….fNP1P2P3………….PNf1f2f3………….fNF-P濾波器的傳輸特性(a)傳輸函數(shù)(b)N個(gè)信道經(jīng)波分復(fù)用后加到濾波器輸入端的頻譜圖(c)濾波器輸出端DWDM系統(tǒng)對(duì)F-P濾波器參數(shù)的要求：F-P腔的自由譜區(qū)FSR必須大于多信道復(fù)用信號(hào)的頻譜寬度，以免使信號(hào)重疊，造成混亂。在DWDM中，信道間距小于1nm，所以要求F-P腔有較窄的帶寬F。精細(xì)度F要高級(jí)聯(lián)F-P腔(f)FSR傳輸函數(shù)Pin(f)輸入功率Pout(f)輸6多層介質(zhì)膜濾波器介質(zhì)薄膜光濾波器解復(fù)用器利用光的干涉效應(yīng)選擇波長(zhǎng)。連續(xù)反射光在前表面相長(zhǎng)干涉復(fù)合，在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)生高能量的反射光束，在這一范圍之外，則反射很小。這樣通過(guò)多層介質(zhì)膜的干涉，通過(guò)某一波長(zhǎng)，阻止其它波長(zhǎng)。多層介質(zhì)膜濾波器介質(zhì)薄膜光濾波器解復(fù)用器利用光的干涉效應(yīng)選擇7多層介質(zhì)膜工作原理所有從前后相挨的兩個(gè)界面上反射的波都具有相長(zhǎng)干涉的特性(相位差為180度)，經(jīng)過(guò)幾層這樣的反射后，透射光強(qiáng)度將很小，而反射系數(shù)將達(dá)到1。多層介質(zhì)膜工作原理所有從前后相挨的兩個(gè)界面上反射的波都具有8薄膜多共振腔濾波器傳輸特性：腔越多濾波器頂越平邊緣越陡?jìng)鬏斕匦裕?光學(xué)濾波器詳解概況ppt課件10光纖光柵光纖光柵是近幾年發(fā)展最為迅速的一種光纖無(wú)源器件。它是利用光纖中的光敏性而制成的。光敏性是指當(dāng)外界入射的紫外光照射到纖芯中摻鍺的光纖時(shí)，光纖的折射率將隨光強(qiáng)而發(fā)生永久性改變。人們利用這種效應(yīng)可在幾厘米之內(nèi)寫(xiě)入折射率分布光柵，稱(chēng)為光纖光柵。光纖光柵最顯著的優(yōu)點(diǎn)是插入損耗低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于與光纖耦合，而且它具有高波長(zhǎng)選擇性。光纖光柵光纖光柵是近幾年發(fā)展最為迅速的一種光纖無(wú)源器件。11(1)干涉法 干涉法是利用雙光束干涉原理，將一束紫外光分成兩束平行光，并在光纖外形成干涉場(chǎng)，調(diào)節(jié)兩干涉臂長(zhǎng)，使得形成的干涉條紋周期滿(mǎn)足制作光纖光柵的要求。(2)相位掩膜板法 相位掩膜板法，是利用預(yù)先制作的膜板，當(dāng)紫外光通過(guò)相位板時(shí)產(chǎn)生干涉，從而在光纖圓柱面形成干涉場(chǎng)，將光柵寫(xiě)入光纖。光纖光柵的產(chǎn)生(1)干涉法光纖光柵的產(chǎn)生12外部寫(xiě)入法紫外掩模寫(xiě)入法：1.用兩束紫外光照射光纖并發(fā)生干涉2.摻鍺的高光敏纖芯在光強(qiáng)部分折射率增加3.光柵永久寫(xiě)入光纖外部寫(xiě)入法紫外掩模寫(xiě)入法：13對(duì)于同向傳輸?shù)膬蓚€(gè)波，如果傳播常數(shù)滿(mǎn)足Bragg條件，兩波之間將發(fā)生能量的耦合。Bragg條件：特別地，如果滿(mǎn)足

能量將耦合至波長(zhǎng)與入射波相同的反向傳輸?shù)纳⑸渲?-反射式濾波器FBG光柵周期光纖光柵工作原理對(duì)于同向傳輸?shù)膬蓚€(gè)波，如果傳播常數(shù)滿(mǎn)足Bragg條件，兩波之14FBG:lengthPeriod反射中心波長(zhǎng)纖芯的有效折射率光柵周期FBG:lengthPeriod反射中心波長(zhǎng)纖芯的有效15根據(jù)不同的折射率分布，F(xiàn)BG分類(lèi)：1.均勻的Bragg光柵：諧振峰兩邊有一些旁瓣。由于光纖光柵兩端折射率突變引起F-P效應(yīng)導(dǎo)致的。旁瓣分散了光能量，不利于其應(yīng)用，需進(jìn)行旁瓣抑制。根據(jù)不同的折射率分布，F(xiàn)BG分類(lèi)：1.均勻的Bragg光柵16

2.切趾型光柵：兩端折射率分布逐漸遞減至零，消除了折射率突變，從而使反射譜不存在旁瓣高斯切趾平均值為零的升余弦切趾2.切趾型光柵：高斯切趾平均值為零的升余弦切趾173.啁啾光柵：折射率調(diào)制幅度不變，而周期沿光柵軸向變化，反射譜寬增加短波長(zhǎng)長(zhǎng)波長(zhǎng)3.啁啾光柵：短波長(zhǎng)長(zhǎng)波長(zhǎng)184.取樣光柵Sampledgratings：梳狀濾波器5.相移光柵Phase-shiftedFBGs:相移4.取樣光柵Sampledgratings：梳狀濾波器519Mach-Zehnder型濾波器長(zhǎng)度相差L的兩根波導(dǎo)，用來(lái)在兩臂間產(chǎn)生與波長(zhǎng)有關(guān)的相移對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分路的3dB耦合器在輸出端將信號(hào)復(fù)合的3dB耦合器通過(guò)分裂輸入光束以及在一條通路上引進(jìn)一個(gè)相移，重組的信號(hào)將在一個(gè)輸出端產(chǎn)生相加性干涉，而在另一個(gè)輸出端產(chǎn)生相消性干涉，信號(hào)最后只會(huì)在一個(gè)輸出端口出現(xiàn)。Mach-Zehnder型濾波器長(zhǎng)度相差L的兩根波導(dǎo)，用來(lái)20工作原理從端口1輸出的光：途徑下臂的光相對(duì)上臂的相位差為p/2+bDL+p/2從端口2輸出的光：途徑下臂的光相對(duì)上臂的相位差為p/2+bDL-p/2如果在輸入端的波長(zhǎng)滿(mǎn)足bDL=kp(k為奇)兩個(gè)支路的光在上輸出端口相差2p的整數(shù)倍，在下端口的光相差p的整數(shù)倍，因此，光最終從上端口輸出如果在輸入端的波長(zhǎng)滿(mǎn)足bDL=kp(k為耦)那么光信號(hào)由下輸出端口輸出因此不同的波長(zhǎng)可以解復(fù)用到不同輸出端b：傳播常數(shù)工作原理從端口1輸出的光：從端口2輸出的光：如果在輸入端的波21Input1Output2Output1/2+L+/2=L+/2+L-/2=LL=2neffL

/=kk為偶數(shù)Output2k為奇數(shù)Output1Input1Output2Output1/2+L22利用傳輸矩陣進(jìn)行分析(1)長(zhǎng)度為d的耦合器的傳輸矩陣Mcoupler為：

C為耦合系數(shù)對(duì)于平分功率的3dB耦合器，Cd=/4：利用傳輸矩陣進(jìn)行分析(1)長(zhǎng)度為d的耦合器的傳輸矩陣Mcou23中心區(qū)域，兩個(gè)波導(dǎo)的輸出具有的相位差：注意：相位差可以由不同的路徑長(zhǎng)度(用L給出)或n1n2時(shí)的折射率差產(chǎn)生。這里，考慮兩臂具有相同的折射率，并且n1=n2=neff(波導(dǎo)中的有效折射率)，于是：。式中＝2neff/。對(duì)一給定的相位差，與之相對(duì)應(yīng)的傳輸矩陣為：利用傳輸矩陣進(jìn)行分析(2)中心區(qū)域，兩個(gè)波導(dǎo)的輸出具有的相位差：利用傳輸矩陣進(jìn)行分24利用傳輸矩陣進(jìn)行分析(3)Ein,1Ein,2Eout,1Eout,2輸出與輸入光場(chǎng)的關(guān)系為：構(gòu)建一復(fù)用器，1在Ein,1注入，2在Ein,2注入，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)]利用傳輸矩陣進(jìn)行分析(3)Ein,1Ein,2Eout,1E25利用傳輸矩陣進(jìn)行分析(4)場(chǎng)強(qiáng)：Pout,1=sin2(1L/2)Pin,1+cos2(2L/2)Pin,2Pout,2=cos2(1L/2)Pin,1+sin2(2L/2)Pin,2注:交叉項(xiàng)頻率是光載波頻率的兩倍,在光檢測(cè)器的響應(yīng)能力之外,因而去除.欲將1和2復(fù)用到輸出端口2，則1L/2=及2L/2=/2，或者：則干涉儀兩臂長(zhǎng)度差：利用傳輸