1、第九章 光學(xué)濾波器,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)。,Fabry-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）。,F-P 濾波器特性,自由譜區(qū)FSR(Free Spectral Range)：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

2、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,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

3、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。,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,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，稱為光纖光柵。 光纖光柵最顯著

4、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。,(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,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,對(duì)于同向傳輸?shù)膬蓚€(gè)波，如果傳播常數(shù)滿足Bragg條件，兩波之間將發(fā)生能量的耦合。 B

5、ragg條件： 特別地，如果滿足 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,反射中心波長(zhǎng),纖芯的有效折射率,光柵周期,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。,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,3. 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,4. 取樣光柵Sampled grati

6、ngs：梳狀濾波器,5. 相移光柵Phase-shifted FBGs:,相移,Mach-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)。,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) 滿足bDL =

7、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),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：,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),利用傳輸矩陣進(jìn)行分析(3),Ein,1,Ein,2,Eout,1,Eout,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 =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,2 Pout,2=cos2(1L/2