光學(xué)濾波器詳解

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，而可調(diào)諧的濾波器可動(dòng)態(tài)地選擇波長(zhǎng)。 Fabry-Perot濾波器濾波器F-P 濾波器特性濾波器特性 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。 RRFFSRF1RdnRCF2)1( RRFFSR

2、F1f1 f2 f3 . fNP1P2 P3 . PNf1 f2 f3 . fN多層介質(zhì)膜濾波器多層介質(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。反射光束，在這一范圍之外，則反射很小。這樣通過多層介質(zhì)膜的干涉，通過某一波長(zhǎng)，阻止其它波長(zhǎng)。這樣通過多層介質(zhì)膜的干涉，通過某一波長(zhǎng)，阻止其它波長(zhǎng)。 多層介質(zhì)膜工作原理多層介質(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

3、所有從前后相挨的兩個(gè)界面上反射的波都具有相長(zhǎng)干涉的特性相長(zhǎng)干涉的特性(相位差為相位差為180度度)，經(jīng)過幾層，經(jīng)過幾層這樣的反射后，透射光強(qiáng)度將很小，而反射系這樣的反射后，透射光強(qiáng)度將很小，而反射系數(shù)將達(dá)到數(shù)將達(dá)到 1。2n入射光入射光反射光反射光透射光透射光AB1n2n1nC12121n2n透射光透射光4/2 4/1 (a)對(duì)反射光相長(zhǎng)干涉的原理(a)對(duì)反射光相長(zhǎng)干涉的原理1550330770 o (nm)反反射射系系數(shù)數(shù)0(b) 反射系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系(b) 反射系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系薄膜多共振腔濾波器薄膜多共振腔濾波器光纖光柵光纖光柵 光纖光柵是近幾年發(fā)展最為迅速的一種光纖無源器件。 它是利用光

4、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)寫入折射率分布光柵，稱為光纖光柵。 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。(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)，將光柵寫入光纖。光纖光柵的產(chǎn)生光纖光柵的產(chǎn)生外部寫入法外部寫

5、入法紫外掩模寫入法：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。 Bragg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FBG22122111光纖光柵工作原理光纖光柵工作原理effn2Mach-ZehnderMach-Zehnder型濾波器型濾波器工作原理工作原理從端口1輸出的光：途徑下臂的光相對(duì)上臂的相位差為/2 + L + /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/2 + L - /2如果在輸入端的波

6、長(zhǎng)滿足L = k (k為奇)兩個(gè)支路的光在上輸出端口相差2的整數(shù)倍，在下端口的光相差的整數(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L = k (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：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：CdCdjCdjCdMcouplercossinsincos1121jjMcoupler 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：)(2221LLnLn)2/exp(00)2/exp(LjLjML2,1,2,1,ininoutoutEEMEE)2/sin()2/cos()2/cos()2/