光纤滤波器基本原理

滤波器的分类方式较多,常见的一般分类方法有:

从频带区域选择上划分

滤波器大致可分为低通滤波器(LPF)、高通滤波器(HPF)、带通滤波器(BPF)和带阻滤波器

(BRF)四类,它们的幅度波长特性曲线如图3所示。

从滤波宽窄范围上划分

滤波器又可分为窄带滤波器(Narorwbandfilter)和宽带滤波器(Broadbandfilter),通常认为带宽小于0.8nm的为窄带滤波器,大于100nm的为宽带滤波器。随着对滤波器性能要求的不断提高以及应用范围的不断扩大,近些年又出现了超窄带滤彼器(Ult--arnarrowbandfilter)。和超宽带滤波器(Ultra一broadbandfilter),它们的带宽分别达到小于1pm和大于200nm的标准,这无疑是对滤波器滤波范围的进一步窄化和扩展,从而其性能也随之得到进一步提升。需要指出的是,许多器件尽管不被称为滤波器,但因其具有与滤波器相似的特性,故亦应将其归类为滤波器范畴,例如,光开关、光调制器、干涉仪、光栅等。

根据光干涉和衍射原理设计而成的光纤滤波器主要用来滤除信号中无用的频率(波长)成分。例如,中心波长为1550nm的窄带信号,其中包含较大范围其他波长信号干扰。以低通滤波器为例,滤波器滤波原理如图3所示。

正是由于滤波器可以实现上述滤波过程,使得光纤滤波器在诸如WDM光纤通信系统和光纤传感系统中有着广泛的应用。一些以光纤为基本元件研制的光纤滤波器也可用于气体的高精度定标、光纤激光器中的波长选择、光相干层析技术(OCT)以及具有特殊光谱函数的新型光学系统等中。例如,窄带带通滤波器可用作激光器,宽带带通滤波器可用于能量补偿,宽带带阻滤波器可用于掺饵光纤放大器(EDFA)增益平坦等。因其应用方面有所不同,故对滤波器中心响应波长、带宽和峰值功率等的要求亦有差异。

构成光纤滤波器的结构设计有多种选择,常见的有基于Sganac双折射环型、藕合器型、光纤光栅型、级联光纤或光栅型、级联高双折射光纤环镜型等口们,这些类型的光纤滤波器都具有各自的滤波区域、滤波范围以及可调谐范围。其中,采用级联方式设计光纤滤波器是一种新的方法。级联的概念,是指将光学元件(如光纤、光栅、祸合器等)按照一定拼接方式(如顺次串联、空间并联以及混合拼接等)构成光纤滤波器的设计新方法。这种新方法为设计新型可调谐光纤滤波器提供了更为宽阔的空间以及灵活的自由度。

通过选择不同的级联元件,或者采取不同的级联方式,可以有效扩大光纤滤波器的设计自由度,进一步丰富光纤滤波器的设计结构。并且,对不同的光纤或光栅等级联元件的某些光谱特性进行选择或整合,可设计并研制出结构新颖、性能优异的级联式新型高性能可调谐光纤滤波器。例如,根据实际需求,采用级联方式可以设计并研制诸如带通型、带阻型、边缘型滤波器、超宽带滤波器、超窄带滤波器以及通道滤波器等。

光纤滤波器是波分复用(WDM)光通信系统和传感系统中基本的关键器件之一。波长可调谐、插人损耗低、与光纤通信系统易于集成的全光纤可调谐滤波器,正受到科研工作者的青睐。根据光的干涉和衍射原理实现光纤滤波的方法很多,已经设计出了多种光纤滤波器结构。包括:

(1)基于祸合器的光纤滤波器:如抛光非平衡光纤藕合器、级联熔锥光纤藕合器、非对称双芯光纤藕合器等。

(2)基于光纤光栅的光纤滤波器:有两种光纤滤波器已实现商业化,即Bargg光栅滤波器和长周期光栅滤波器阁,此外还有基于呢啾相移光纤光栅滤波器等。

(3)基于光纤干涉仪的光纤滤波器:Fabry-Perot干涉仪、非平衡Mach-Zehnder干涉仪和

Michelson干涉仪等光纤滤波器。

(4)基于声光调制机制的声光滤波器等。

常规光纤及光纤光栅的滤波器种类繁多,但因其结构变化少,仍不能满足实际需要。微结构光纤(MoF)以其独特的性能如无截止单模传输困、小模场面积与高非线性v[]、大模场面积困、高双折射〔妇及当子带隙效应等,一经出现便引起了人们的广泛关注。研究表明,以微结构光纤为基本元件的光滤波器,为研制新型光纤滤波器注人了新的设计理念,并且有望使滤波器的设计与研制达到一个新的水平。

采用特殊的光纤结构，从不同波长的光波中选出或滤除特定波长光波的光器件。光纤滤波器在密集波分复用光纤通信、频分复用光纤通信、光谱测试、光纤传感器和光纤放大器应用中起重要作用。光纤滤波器种类繁多。

图1为两种法布里-珀罗型光纤滤波器的示意图，其中图1(a)为一段长L的光纤，两端磨平抛光严格与光纤垂直的平行面，其上镀高反膜。垂直入射的光波以基模(HE11)的形式在其中传播，在镜面处多次往复反射，相互干涉，当L为半波长整数倍时，光波同相叠加而加强，在输出端形成等间隔的梳状谐振率，这表示于图1(a)下方。透射光的峰值频率为

式中n为纤芯的折射率，c为光速;m为正整数。可见相邻谐振频率间隔为

这间隔叫做自由谱域。L越长，自由谱域越窄。用压电陶瓷的伸缩来改变光纤段长度即可进行滤波器的调谐。FSR是这种光纤滤波器最大的调谐范围。除了谐振频率、自由谱域，这种滤波器的主要参数还有插入损耗和精细常数，精细常数F定义为自由谱域FSR与滤波器带宽△f的比值

F=FSR/Δf

精细常数越高，带宽越窄，实现起来也越困难。

上述滤波器自由谱域不宽。采用图1(b)的形式可得到大自由谱域。它是在端面镀高反膜的两光纤的端面之间形成谐振而得到带通滤波特性的。原理、参数与上相同。其自由谱域宽是因为两光纤端间距离可以很短的缘故。典型参数值为:自由谱域10 000GHz，精细常数108，插入损耗3dB，

图2所示为利用布拉格反射原理制成的光纤滤波器的截面图。在磨去部分包层的D形光纤的侧平面上制作光栅，光栅沟槽与光纤垂直，这对纤芯中传播的光导波起着周期性的微扰作用。当光栅周期等于纤芯中导波的半波长时，光栅微扰引起的反向散射同相叠加，形成反射波峰。即该结构提供了波长选择分布反射功能，形成一个带阻光纤滤波器，反射带的峰值和带宽由器件的结构参数决定。如要求高反射和窄带宽，必须保证长的作用距离，即要求嵌入石英块的光纤的曲率半径增大，光栅与纤芯保持一点小小的距离;如果要求宽带高反射，则光栅与纤芯的距离应减小甚至接触。典型的反射率可在百分之几至百分之九十五以上变化，带宽则由1~l0nm可调。将上述光纤布拉格反射滤波器与2×2光纤耦合器相接，其反方向输出具有透射峰，构成光纤布拉格带通滤波器。

此外尚有不同形式的光纤环形滤波器，不对称的2×2光纤耦合器构成的光纤滤波器等。