光纖濾波器

採用特殊的光纖結構，從不同波長的光波中選出或濾除特定波長光波的光器件。光纖濾波器在密集波分複用光纖通信、頻分複用光纖通信、光譜測試、光纖傳感器和光纖放大器應用中起重要作用。光纖濾波器種類繁多。

圖1為兩種法布里-珀羅型光纖濾波器的示意圖，其中圖1（a）為一段長L的光纖，兩端磨平拋光嚴格與光纖垂直的平行面，其上鍍高反膜。垂直入射的光波以基模（HE11）的形式在其中傳播，在鏡面處多次往復反射，相互干涉，當L為半波長整數倍時，光波同相疊加而加強，在輸出端形成等間隔的梳狀諧振率，這表示於圖1（a）下方。透射光的峯值頻率為

式中n為纖芯的折射率，c為光速；m為正整數。可見相鄰諧振頻率間隔為

這間隔叫做自由譜域。L越長，自由譜域越窄。用壓電陶瓷的伸縮來改變光纖段長度即可進行濾波器的調諧。FSR是這種光纖濾波器最大的調諧範圍。除了諧振頻率、自由譜域，這種濾波器的主要參數還有插入損耗和精細常數，精細常數F定義為自由譜域FSR與濾波器帶寬△f的比值

F=FSR/Δf

精細常數越高，帶寬越窄，實現起來也越困難。

上述濾波器自由譜域不寬。採用圖1（b）的形式可得到大自由譜域。它是在端面鍍高反膜的兩光纖的端面之間形成諧振而得到帶通濾波特性的。原理、參數與上相同。其自由譜域寬是因為兩光纖端間距離可以很短的緣故。典型參數值為：自由譜域10 000GHz，精細常數108，插入損耗3dB，

圖2所示為利用布拉格反射原理製成的光纖濾波器的截面圖。在磨去部分包層的D形光纖的側平面上製作光柵，光柵溝槽與光纖垂直，這對纖芯中傳播的光導波起着週期性的微擾作用。當光柵週期等於纖芯中導波的半波長時，光柵微擾引起的反向散射同相疊加，形成反射波峯。即該結構提供了波長選擇分佈反射功能，形成一個帶阻光纖濾波器，反射帶的峯值和帶寬由器件的結構參數決定。如要求高反射和窄帶寬，必須保證長的作用距離，即要求嵌入石英塊的光纖的曲率半徑增大，光柵與纖芯保持一點小小的距離；如果要求寬帶高反射，則光柵與纖芯的距離應減小甚至接觸。典型的反射率可在百分之幾至百分之九十五以上變化，帶寬則由1～l0nm可調。將上述光纖布拉格反射濾波器與2×2光纖耦合器相接，其反方向輸出具有透射峯，構成光纖布拉格帶通濾波器。

此外尚有不同形式的光纖環形濾波器，不對稱的2×2光纖耦合器構成的光纖濾波器等。

光纖濾波器是波分複用(WDM)光通信系統和傳感系統中基本的關鍵器件之一。波長可調諧、插人損耗低、與光纖通信系統易於集成的全光纖可調諧濾波器,正受到科研工作者的青睞。根據光的干涉和衍射原理實現光纖濾波的方法很多,已經設計出了多種光纖濾波器結構。包括:

(1)基於耦合器的光纖濾波器:如拋光非平衡光纖藕合器、級聯熔錐光纖藕合器、非對稱雙芯光纖藕合器等。

(2)基於光纖光柵的光纖濾波器:有兩種光纖濾波器已實現商業化,即Bargg光柵濾波器和長週期光柵濾波器閣,此外還有基於呢啾相移光纖光柵濾波器等。

(3)基於光纖干涉儀的光纖濾波器:Fabry-Perot干涉儀、非平衡Mach-Zehnder干涉儀和

Michelson干涉儀等光纖濾波器。

(4)基於聲光調製機制的聲光濾波器等。

常規光纖及光纖光柵的濾波器種類繁多,但因其結構變化少,仍不能滿足實際需要。微結構光纖(MoF)以其獨特的性能如無截止單模傳輸困、小模場面積與高非線性v[]、大模場面積困、高雙折射〔婦及當子帶隙效應等,一經出現便引起了人們的廣泛關注。研究表明,以微結構光纖為基本元件的光濾波器,為研製新型光纖濾波器注人了新的設計理念,並且有望使濾波器的設計與研製達到一個新的水平。

濾波器的分類方式較多,常見的一般分類方法有:

濾波器大致可分為低通濾波器(LPF)、高通濾波器(HPF)、帶通濾波器(BPF)和帶阻濾波器

(BRF)四類,它們的幅度波長特性曲線如圖3所示。

濾波器又可分為窄帶濾波器(Narorwbandfilter)和寬帶濾波器(Broadbandfilter),通常認為帶寬小於0.8nm的為窄帶濾波器,大於100nm的為寬帶濾波器。隨着對濾波器性能要求的不斷提高以及應用範圍的不斷擴大,近些年又出現了超窄帶濾彼器(Ult--arnarrowbandfilter)。和超寬帶濾波器(Ultra一broadbandfilter),它們的帶寬分別達到小於1pm和大於200nm的標準,這無疑是對濾波器濾波範圍的進一步窄化和擴展,從而其性能也隨之得到進一步提升。需要指出的是,許多器件儘管不被稱為濾波器,但因其具有與濾波器相似的特性,故亦應將其歸類為濾波器範疇,例如,光開關、光調製器、干涉儀、光柵等。

根據光干涉和衍射原理設計而成的光纖濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率(波長)成分。例如,中心波長為1550nm的窄帶信號,其中包含較大範圍其他波長信號干擾。以低通濾波器為例,濾波器濾波原理如圖3所示。

正是由於濾波器可以實現上述濾波過程,使得光纖濾波器在諸如WDM光纖通信系統和光纖傳感系統中有着廣泛的應用。一些以光纖為基本元件研製的光纖濾波器也可用於氣體的高精度定標、光纖激光器中的波長選擇、光相干層析技術(OCT)以及具有特殊光譜函數的新型光學系統等中。例如,窄帶帶通濾波器可用作激光器,寬帶帶通濾波器可用於能量補償,寬帶帶阻濾波器可用於摻餌光纖放大器(EDFA)增益平坦等。因其應用方面有所不同,故對濾波器中心響應波長、帶寬和峯值功率等的要求亦有差異。

構成光纖濾波器的結構設計有多種選擇,常見的有基於Sganac雙折射環型、藕合器型、光纖光柵型、級聯光纖或光柵型、級聯高雙折射光纖環鏡型等口們,這些類型的光纖濾波器都具有各自的濾波區域、濾波範圍以及可調諧範圍。其中,採用級聯方式設計光纖濾波器是一種新的方法。級聯的概念,是指將光學元件(如光纖、光柵、禍合器等)按照一定拼接方式(如順次串聯、空間並聯以及混合拼接等)構成光纖濾波器的設計新方法。這種新方法為設計新型可調諧光纖濾波器提供了更為寬闊的空間以及靈活的自由度。

通過選擇不同的級聯元件,或者採取不同的級聯方式,可以有效擴大光纖濾波器的設計自由度,進一步豐富光纖濾波器的設計結構。並且,對不同的光纖或光柵等級聯元件的某些光譜特性進行選擇或整合,可設計並研製出結構新穎、性能優異的級聯式新型高性能可調諧光纖濾波器。例如,根據實際需求,採用級聯方式可以設計並研製諸如帶通型、帶阻型、邊緣型濾波器、超寬帶濾波器、超窄帶濾波器以及通道濾波器等。