幾種常用濾波器的特性

1、光通信技術(shù)Vol 26OPTICAL COMMUNICATDN TECHNOLOGYNo. 1z © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing Home. All rights reserved. 幾種常用濾波器的特性。馮丹琴盛秋琴陳凱賈寶華韓軍(南開大學(xué)物理學(xué)院光電信息科學(xué)系天津300071)摘要對幾種濾波器的原理、特性和應(yīng)用進(jìn)行了研究比較，并特別介紹了目前的研究熱點:各種光纖 光柵濾波器及集成陣列波導(dǎo)濾波器等。如今濾波器的蓬勃發(fā)展表明，它將在未來的光通信系統(tǒng)中發(fā)揮 越來越重要的作用。關(guān)鍵詞濾波器光纖濾波器梳狀光纖

2、光柵相移長周期光纖光柵集成陣列波導(dǎo)光柵。馮丹琴，女，1978年生，碩士研究生 2001-03-05 收稿中圖分類號TN713 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 1引言濾波器是一種波長選擇器件，它在光纖傳感以及 光纖通信系統(tǒng)中具有許多重要的應(yīng)用，可以用于半導(dǎo) 體激光器或光纖激光器的反射腔鏡和窄帶濾波、復(fù)用 /解復(fù)用器、光放大器中的噪聲抑制、波長選擇器波 長轉(zhuǎn)換器色散補償器以及延時器等。濾波器的研究 發(fā)展十分迅速，受到了人們的普遍關(guān)注。最新的基于 DFB激光二極管和光纖布喇格光柵(FBG)的可調(diào)諧 非相干光纖橫向濾波器以及利用WDM技術(shù)的并 聯(lián)光纖-光學(xué)-基底的RF濾波器2等結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜， 性能也更佳。濾波器的種類繁

3、多，性能各異，功能也各 不相同，它們在未來的光纖通信和傳感領(lǐng)域必將發(fā)揮 更重要的作用。2幾種濾波器的原理、特性和應(yīng)用實現(xiàn)波長選擇的方法主要有干涉濾波法、棱鏡和 光柵的色散分光法、光纖布喇格光柵(FBG)光譜濾波 法、聲光濾波法、集成纖維或集成波導(dǎo)濾波法等等。下 面分別介紹這些濾波器。2 1干涉膜濾光器所謂多層介質(zhì)膜干涉濾波器，就是高低折射率的 材料以預(yù)先設(shè)計的厚度沉積在玻璃基片上，以達(dá)到所 要求的波長響應(yīng)特性，如圖1所示。這種器件的光學(xué) 特性，取決于光學(xué)膜的反射、透射特性。其光學(xué)膜一般 鍍制成截止(短波或長波截止)濾光片或帶通濾光片。 當(dāng)前的鍍膜技術(shù)結(jié)合了材料科學(xué)、真空物理學(xué)、薄膜 物理化學(xué)、

4、計算機輔助設(shè)計等先進(jìn)技術(shù)，可以將多層 介質(zhì)膜干涉濾光器制成超窄帶型，由此可制成密集型 波分復(fù)用器，其復(fù)用信道間隔< 1nm。采用多個不同 波長響應(yīng)的超窄帶濾光器進(jìn)行串聯(lián)便可構(gòu)制成多信 道的DWDM器件。迄今為止，已實用化的Q 8nm信 道間隔的DWDM系統(tǒng)中使用的就是多層膜干涉濾 光器。此濾波器適用于固定信道、功能較少的簡易光 纖WDM通信系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，易于應(yīng)用。圖1多層介質(zhì)膜干涉濾光器示意圖2002年第1期馮丹琴盛秋琴陳凱等：幾種常用濾波器的特性49目前許多學(xué)者致力于多層介質(zhì)膜的特性的研究， Dobtowolski3設(shè)計了低反射率的金屬-介質(zhì)透射干 涉濾波器，larruqe

5、rt4獲得了在遠(yuǎn)紫外光譜范圍內(nèi)有 高反射率的多層介質(zhì)膜。在各種設(shè)計方法中，有的設(shè) 計上比較簡單，容易實用，且光譜特性良好。如Sheng Zhongdi5設(shè)計的四分之一波長多層膜的非等厚干涉 帶通濾波器。這種濾波器不僅具有高的透射度、高的 反射率，而且生產(chǎn)技術(shù)易于控制。其設(shè)計的基本思想 為四分之一波長多層膜由兩個高反射的多層膜中間 插入匹配層構(gòu)成的。兩個高反射的多層膜疊加合成的 膜系重疊區(qū)存在一反射極小值，插入匹配層的作用是 消去反射極小值，即達(dá)到反射帶寬展寬。高反射的多 層膜由2 + 1層低高折射率相互交替的厚度為四分 之一中心波長的膜層構(gòu)成。如果兩個高反膜中心波長 分別在AA和K>+

6、AA時，匹配層選擇合適的位相 厚度可以達(dá)到中心波長為A>。實驗時采用的多層介質(zhì) 結(jié)構(gòu)為G(HL)5H2LH (LH)5A (G為玻璃，對應(yīng)折射 率為 n s= 1.52，nH= 2. 35(ZnS)，瓜=1.38MgF2);A 為空氣，對應(yīng)折射率為n0= 1 00)。多層膜分別為十 一層，中心波長分別K>- AA= 500nm和K+ AA= 600nm，匹配層厚度為二分之一波長，中心波長K= 550nm。膜系對應(yīng)阻帶范圍從445nm到715nm。當(dāng)米 用的多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)為G(HL )5HLH (LH)5A時，中心 波長分別K>- AA= 460nm和K>+ AA= 640

7、nm，匹配層 厚度為四分之一波長，中心波長K= 550nm。膜系對 應(yīng)阻帶范圍從400nm到750nm。1 2法布里-珀羅諧振腔濾波器眾所周知，法布里-珀羅諧振腔對滿足下面相位 條件的光波可形成穩(wěn)定振蕩并輸出等間隔的梳狀被 形。C . n/cos6i- ,o = 4n 、 = 2m n(1)A其中5為相位變化量，6為光波入射腔體的入射角，l 為諧振腔長，n為腔體內(nèi)介質(zhì)的折射率，m為整數(shù)。這 樣，F(xiàn)abry -尸erot腔和耦合器組合即可構(gòu)成濾波器。由 式（1)可知，當(dāng)m值取定后，確定滿足相位條件的具 有峰值透過率波長的因素為:n、l和Q,因此調(diào)節(jié)這三 個變量就可以達(dá)到波長調(diào)諧的目的。2 2 1

8、腔長調(diào)諧的法布里-珀羅諧振腔濾波器可調(diào)諧色散補償MEM S全通濾波器是基于微 型電動機械(M EM )控制的可變反射層和熱調(diào)諧腔鏡 的多級光學(xué)全通濾波器。如圖2所示，全通濾波器6 的主要結(jié)構(gòu)是機械可調(diào)抗反射膜(MARS)裝置，即厚 度可變的Pabry-Perot腔。腔由硅襯底、空氣隙和四圖2電壓引起空氣隙變化的M EM S全通 濾波器結(jié)構(gòu)示意圖分之一波長厚度的介質(zhì)膜組成。通?？諝庀秾挾葹?3K>/4，介質(zhì)膜的材料是硅酸氮。通過加上不同的電 壓，介質(zhì)膜和襯底頂部構(gòu)成的腔鏡的反射率會變化， 同時，通過襯底處的熱-電致冷裝置可控制腔的厚度 來實現(xiàn)調(diào)諧。由介質(zhì)膜和襯底頂部構(gòu)成的腔鏡的反射 率為7

9、0%左右。當(dāng)電壓加到介質(zhì)膜上方的電極時，空 氣隙寬度由3K>/4變化為K>/2(介質(zhì)層的厚度變化了 0. 35n)。這是由于電壓能產(chǎn)生靜電力把介質(zhì)膜拉近 襯底，同時介質(zhì)張力產(chǎn)生線性回復(fù)力綜合產(chǎn)生的。當(dāng) 空氣隙寬度為A»/2時，由于硅酸氮對硅襯底來說相 當(dāng)于抗反射涂層，所以反射率減到約0%。在襯底的 底部需要涂上筒反射率涂層，用多層堆(multi-layer stack)時，能獲得大于97%的反射率。襯底的厚度l 決定自由光譜范圍FSR= c/angI，其中ng為群折射 率。若要得到100GHz的F SR，硅的厚度為411 _。要 減少色散損耗，可通過大的膨脹光束（束腰接近

10、 300_)來實現(xiàn)。一級可調(diào)諧色散補償MEM S全通濾 波器由兩根光纖，一個透鏡和全通濾波器構(gòu)成。為了 更好地耦合反射光，光纖要和透鏡同軸。小角度的入 射角能減少多重反射和偏振損耗。此濾波器的頻率依 賴的群時延是周期性的，當(dāng)選擇的濾波周期和WDM 系統(tǒng)的通道間隔相同時，多通道色散補償即能實現(xiàn)。 C K Madsen等7制作了 FSB為100GHz且偏振不 敏感的可調(diào)諧全通濾波器。該濾波器利用了兩級裝 置，調(diào)諧范圍± 100ps/nm，通帶寬度50GHz，群時延 脈動< 3ps。2 2 2折射率調(diào)諧的法布里-珀羅諧振腔濾波器電調(diào)諧液晶濾波器采用在法布里-珀羅腔中注入 液晶作為腔體

11、介質(zhì)，通過對液晶施加電場使腔體介質(zhì) 折射率改變的方法來實現(xiàn)透過波長的可調(diào)諧。圖3為 電調(diào)諧液晶濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。它由兩平行玻璃圖6 AOTF示意圖圖3電調(diào)諧液晶濾光片結(jié)構(gòu)示意圖圖4 LC-FPI構(gòu)成可調(diào)諧光波長轉(zhuǎn)換器基板、錫銦氧化物（rro)透明電極層、高反射介質(zhì)鏡 層、定向?qū)雍鸵壕咏M成,ITO透明電極層、高反射 介質(zhì)鏡層和定向?qū)右来五冊谄叫胁ＡЩ迳?。由于?調(diào)諧液晶濾波器具有帶寬窄、低損耗、調(diào)諧范圍大、控 制電壓低、連續(xù)可調(diào)、結(jié)構(gòu)簡單、低成本等優(yōu)點，因而 很有希望應(yīng)用于未來的光波分復(fù)用及光交換系統(tǒng)中。 電調(diào)諧液晶濾波器可用于光解復(fù)用，可調(diào)諧光源,可 調(diào)諧波長轉(zhuǎn)換器等。據(jù)報導(dǎo)，圖4所示的

12、的可調(diào)諧波 長轉(zhuǎn)換器8在外腔長度約為45nm及外部反射鏡反 射率為90%的情況下，當(dāng)輸入光波在149h 1515nm 范圍內(nèi)變化時,其輸出光波可在148h 1552nm之間 進(jìn)行調(diào)諧輸出。2 2 3角調(diào)諧的法布里-珀羅諧振腔濾被器TE'吸收E 認(rèn)散.又?jǐn)M能3 Ajf*it3FPC; 光纖準(zhǔn)直儀 0SA:光譜分析儀圖5角調(diào)諧F-P腔濾波器結(jié)構(gòu)示意圖圖7聲光可調(diào)諧濾波器結(jié)構(gòu)圖© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ,V放大部分相位控制部分f透棱多量子阱

13、激光器抗k膜液晶波光片文獻(xiàn)9報導(dǎo)了具有周期性高斯透射比曲線的角 調(diào)諧F-P腔濾波器,結(jié)構(gòu)如圖5所示。它在光譜范圍 內(nèi)的高斯透射比大小是40dB到峰值透射。它的特性 使它可以作為入射高斯光束光纖耦合輸出的偏置。此 濾波器可以當(dāng)作通常的窄帶濾波器使用,還可用作波 分復(fù)用通道的光學(xué)噪聲濾波,消除自發(fā)放大輻射以及 雙向傳輸?shù)姆聪蛏⑸涔狻?3 聲光調(diào)諧濾波器聲光調(diào)諧濾波器(AO TF)是一種多樣性的器件， 它是建立在聲光相互作用基礎(chǔ)上的。圖6所示是一種 簡單的AO TF,它包括一個由雙折射材料制成的波 導(dǎo),即聲音傳感器。我們假設(shè)入射光能量都處于TE 模式中,一個只選擇TM模式光能量的偏振器即TE 通偏振

14、器放在波導(dǎo)的另一端。當(dāng)選定波長附近的一個 窄光帶的光能量轉(zhuǎn)換成為TM模式,而其它的光繼 續(xù)以TE模式傳播時,我們就得到了一個波長選擇濾 波器。聲光可調(diào)諧濾波器具有多態(tài)波分復(fù)用開關(guān)的功 能,可提供大量彼此間獨立且可調(diào)諧的波長通道、應(yīng) 用靈活、調(diào)諧范圍寬，目前已成為國際上研究和應(yīng)用 的熱點。但是,它有一個明顯的缺點，即它的串?dāng)_很嚴(yán) 重。而且,要提高它的性能,聲光作用的長度必須加 大,這樣的器件制造起來很困難。所以在目前情況下, 聲光調(diào)諧濾波器尚需進(jìn)一步完善,實踐中應(yīng)用相對較 少。國內(nèi)已有實用的將TE/IM模轉(zhuǎn)換器和TE通 偏振器集于一體的集成光學(xué)聲光可調(diào)諧濾波器1' 它的結(jié)構(gòu)如圖7所示。其

15、中心波長為1. 523_,在射 頻驅(qū)動功率為35nW、聲光相互作用長度為16mm 時,對信號的插入損耗最大為-4dB、帶寬為1. 6nm、 調(diào)諧范圍為140nm、模式轉(zhuǎn)換效率大于99 3%。性能 參數(shù)方面達(dá)到國外與偏振有關(guān)的同類器件的先進(jìn)水平。整個器件封裝在13mm X 10mm X 32mm的銀合 金盒子中，兩端接有尾纖。該器件性能穩(wěn)定，可用于光 纖通信波分復(fù)用系統(tǒng)中的濾波器路由器。又由于它 的帶寬很窄且可連續(xù)調(diào)諧，所以也適用于光譜測量與 分析。24 光纖濾波器為了進(jìn)一步使光纖通信系統(tǒng)發(fā)展成為全光網(wǎng)絡(luò)， 需要各種能夠具有波長選擇的功能單元。光纖濾波器 是完成上述功能單元的關(guān)鍵器件之一，因此一

16、直受各 國研究部門的關(guān)注。2 4 1光纖布喇格光柵濾波器由于光纖布喇格光柵具有中心反射波長可以精 密控制、反射帶寬可以任意選擇且可以做得很小、反 射率幾乎可達(dá)100%、與普通光纖連接簡便等優(yōu)點， 用光纖布喇格光柵做濾波器，可以對光纖透射頻譜中 的任一波長進(jìn)行窄帶濾出。器件的性能由光纖布喇格 光柵光譜特性決定?；诓祭窆庾V特性，可以構(gòu)成 窄帶帶阻、寬帶帶阻、寬帶帶通等不同濾波器。窄帶帶阻濾波器常使用多個不同波長的光纖光 柵串聯(lián)，這樣可用于波分復(fù)用器，反射分離不同的波 長。這種濾波器在分辨率和體積尺寸方面，比傳統(tǒng)的 光柵及棱鏡波分復(fù)用器優(yōu)異得多，而且調(diào)諧方便。早 在1995年，文獻(xiàn)11就報道了用

17、于4個信道，波長間 隔為0 8nm，傳輸100km的WDM網(wǎng)絡(luò)傳輸實驗，效 果很好。Se Yoon Km等12人報導(dǎo)了在一段光纖上 刻入4個完全相同的可調(diào)諧光纖光柵和2個環(huán)行器 構(gòu)成的OADM，調(diào)節(jié)壓電轉(zhuǎn)換器來改變光纖光柵的 布喇格波長。在1根光纖上刻有多個特定反射譜的光 纖光柵工藝復(fù)雜，技術(shù)要求高。為簡化工藝，可把幾個 不同中心波長的光纖光柵串聯(lián)在一起，效果是一樣 的。寬帶帶阻濾波器可用于激光放大器泵浦光反射 鏡，提高泵浦效率，又可降低輸出光中泵浦光對信號 光的干擾，干擾可降低30dB。布喇格光柵起的是反射作用，即對特定波長的光 產(chǎn)生反射。要想建立起帶通濾波器，即從寬波帶中選 出特定波長的光

18、，并使其具有窄的帶寬，這可由多種 方法來實現(xiàn)。這里介紹一種利用光纖偏振分光器 (Fiber Polarization Sp litter)和布喇格光柵相結(jié)合起 來形成的一種帶通濾波器，其特點是損耗低。光纖偏 振分光器(FPS)的作用是將入射光分成偏振方向互 相垂直的兩束光線，對一偏振方向的光近100%的通 過，對另一偏振方向的光近100%的耦合出去。濾波 器結(jié)構(gòu)如圖8，原理為光被耦合入臂1，其偏振方向通圖8光纖布喇格光柵帶通濾波器過調(diào)節(jié)環(huán)行偏振控制器PC1控制。通過FPS后耦合 入臂2、4，臂2、4上各有一環(huán)行偏振控制器PC2和 PC3，它起四分之一波片作用。任意偏振光進(jìn)入FPS 后均變?yōu)榛ゴ?/p>

19、兩偏光，經(jīng)臂2、4分別反射，都耦合入 臂3，則可實現(xiàn)帶通濾波。這種裝置的損耗可通過減 少FPS的損耗，兩臂寫入相同布喇格光柵等方法來 降低，損耗可低于0 5dB。窄帶帶通濾波器除可用作 帶通濾波器外，還可用于窄帶隔離器波長選擇器色 散補償器等。此濾波器的缺點是布喇格光柵必須與耦 合器環(huán)路器等器件聯(lián)合使用，使得其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本 較高。2 4 2 Moire光纖光柵帶通濾被器Moire光纖光柵的折射率分布是一種具有慢變 包絡(luò)的快變結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅可以有效抑制布喇格 光纖光柵反射譜中的邊瓣效應(yīng)，而且可以在反射阻帶 中打開一個或多個透射窗口，輕而易舉地實現(xiàn)多帶通 濾波的作用。同時，Moire光纖光柵

20、帶通的位置及帶 通寬度可通過控制寫入條件靈活改變。利用這種 Moire光纖光柵可制成帶通或梳E狀濾波器等。和布喇 格光纖光柵帶通濾波器相比較，M o ire光纖光柵克服 了必須與耦合器環(huán)路器等器件聯(lián)合使用的缺點。為了避免高速率系統(tǒng)傳輸中的阻塞，要求傳輸濾 波器具有帶通平穩(wěn)(< 1dB抖動)、陡直、接近線形的 相位響應(yīng)特性以及近似于零的色散。L aw rencet小 組13在啁啾Moire光纖光柵中引入常數(shù)折射率，得 到多通道平穩(wěn)帶通濾波器，帶通陡直平穩(wěn)，其抖動<0 5dB。243梳狀光纖光柵濾波器光學(xué)梳E狀濾波器是指具有相同間隔，多個性能相 同的透射光譜或反射光譜的濾波器。它是基于

21、取樣光 纖光柵（sampled fiber gratings)的光譜特性制作而成的。取樣光纖光柵可以采用振幅掩模板與位相掩模 板疊加的方法寫制。通過改變振幅掩模板的周期p = a + b (a為每一段布喇格光柵曝光長度，b為每一段布 喇格光柵非曝光長度)，占空比，即取樣率為T = a/p，© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. AH rights reserved. 58光通信技術(shù)2002年第1期M 1547 1540 IM9 1550 1551 1552 1553 1554波長(nm)T=0,

22、lf L=20mm, P=l. Omm圖10基于PSLPG的OADM結(jié)構(gòu)圖圖9理論上8波長梳狀濾波器的反射譜及光纖光柵總長度L等參數(shù),來改變?nèi)庸鈻殴庾V 特性。圖9為結(jié)合數(shù)值法解方程得到的T = 0 1,L = 2Qnm, P = 1 0mm的光譜圖。從圖中可以看出梳狀 濾波器具有反射率高、反射峰均勻、反射峰間隔(對應(yīng) 光波分復(fù)用的波道間隔)穩(wěn)定及譜寬窄等優(yōu)點。這種 濾波器可用作密集型被分復(fù)用系統(tǒng)中多波長輸出激 光器的反饋諧振腔，上/下載復(fù)用器(ADM ),光放大 器中的抑制噪聲。它的缺點是不能實現(xiàn)調(diào)諧。2 4 4相移長周期光纖光柵濾波器長周期光纖光柵是一類特殊的光纖光柵，它的周 期相對較長，

23、滿足相位匹配條件的是同向傳輸?shù)膶?dǎo)模 和包層模。這一特點導(dǎo)致長周期光纖光柵在光纖通信 及光纖傳感領(lǐng)域有著許多布喇格光纖光柵及其他光 器件所不能替代的優(yōu)勢和重要應(yīng)用，也極大地推進(jìn)了 它的理論研究。隨著長周期光纖光柵制作技術(shù)的日益 成熟，已有可能制作出復(fù)雜結(jié)構(gòu)的長周期光纖光柵濾 波器件。而且作為一種帶阻濾波的傳輸型全光纖器 件，其后向反射極小，有獨特優(yōu)勢，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè) 計，完全可以將其應(yīng)用到波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)的光分插復(fù)用 器或光交叉互聯(lián)單元等關(guān)鍵器件中作為濾波、波長路 由單元。切趾型(有效抑制濾波器振蕩)相移長周期光纖 光柵有著優(yōu)良的光譜特性，傳輸光譜中只有兩個明顯 的主阻帶，主、次阻帶近似等間距地分

24、布在設(shè)計波長 的兩側(cè)，且主阻帶峰峰之間的波長間隔隨著插入躍變 R相移個數(shù)的增多而增大。將n個切趾型相移長周期 光纖光柵級聯(lián)起來，通過適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)計，可以實現(xiàn) 多個阻帶濾波的效果?；谙嘁崎L周期光纖光柵帶阻 濾波器的光分插復(fù)用器14結(jié)構(gòu)如圖10,此結(jié)構(gòu)配置 簡單易行，由兩個3dB耦合器和相移長周期光纖光 柵P SL P G1和P SL P G2 (3個光柵)組成。波長為K1 K的8個波分復(fù)用系統(tǒng)信道從輸入端經(jīng)耦合器1后© 1994-2010 China Academic Tourna Electronic Publish分成兩路，一路經(jīng)由PSLPG1 (阻帶中心波長為A、Az) 濾除K

25、：、K1信號，再經(jīng)耦合器2與從ADD端口加入 的新信道Az、At 一起匯合輸出；而在DROP端口，由 三個相移長周期光纖光柵構(gòu)成的級聯(lián)長周期光纖光 柵可同時對6個信道波長U、A,、K)進(jìn)行帶阻 濾波，由于在其他波長上有較高的傳輸率，因此未被 濾除的K：、A/信號從DROP端口輸出。此器件可靈活 地對波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)各波道進(jìn)行上、下路選擇，與以往 基于布喇格反射型濾波器的光分插復(fù)用器結(jié)構(gòu)相比 較，無需光環(huán)行器。而且由于相移長周期光纖光柵的 雙帶阻濾波特性，在分插信道較多時，光分插復(fù)用器 中的光柵數(shù)目無明顯增加。基于這些優(yōu)點，此復(fù)用器 有著潛在的應(yīng)用前景。2 4 5 Chirped光柵寬帶濾波器Chi

26、rped光柵有帶寬較寬，色散補償率高等特 點。但大的色散同寬帶寬是矛盾的，所以需要綜合考 慮。另外，Chiiped光柵的反射譜具有被動性，這種波 動性的產(chǎn)生原因與均勻光柵的一樣，也不利于應(yīng)用。 適當(dāng)?shù)匦拚凵渎史植?，即使光纖光柵兩端折射率調(diào) 制度逐步遞減，可改善這種波動性。Chirped光柵的 獨特點使它成為研究的熱點。利用Chirp型光柵可構(gòu)成寬帶濾波器用于色散 補償和產(chǎn)生超短脈沖。文獻(xiàn)15中報導(dǎo)了寬帶濾波器 用于色散補償?shù)膬?yōu)化設(shè)計。得到Chirp系數(shù)值為70 時，可補償2 5Gb/(對應(yīng)頻率展寬30GHz)系統(tǒng)大約 100km的傳輸距離(對應(yīng)總色散值2000PS2)。2 4 6 Mach-

27、Zehnder光纖濾波器M ach-Zehnder光纖濾波器是一種利用兩個不同 長度的干涉路徑去分辨兩列不同波長的波的干涉器 件，圖11為其結(jié)構(gòu)示意圖。它由兩個3dB光纖耦合 器串聯(lián)，構(gòu)成一個有兩個輸入端、兩個輸出端的光纖 M ach -Zehnder干涉儀。干涉儀的兩臂長度相差L ,兩 臂的相位要滿足一定的條件。引入紫外微調(diào)均衡器 (UV Trimming),當(dāng)有紫外光照射時，此均衡器將改House. All rights reserved. http:/ww2002年第1期馮丹琴盛秋琴陳凱等：幾種常用濾波器的特性51圖11 M ach-Zehn der光纖濾波器結(jié)構(gòu)示意圖FBRIBTF,1

28、輛合器上栽名盡圖12兩臂均衡的Mach-Zehnder干涉儀型OADM輸入針卩BIEJn下.圖13全光纖多波長OADM圖14可調(diào)雙折射單模光纖濾波器結(jié)構(gòu)圖© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. s2(f)，tco變光纖纖心的折射率，從而改變。M ach -Zehnder光纖 濾波器的原理是基于耦合波理論，其傳輸特性為：sin2 (。），Y= 2tcAL nfc(2)原則上說，這種濾波器可以達(dá)到很好的消除串?dāng)_的效 果。但在實踐中，由于嚴(yán)格控制波長的精度比較困

29、難， 這種效果和理想情況相差甚遠(yuǎn)，而且它的通帶頂部也 不平坦。圖12為典型的兩臂均衡的M ach 'Zehnder干涉 儀型平面波導(dǎo)OADM。J AL -bert等16用M ach- Zehnder干涉儀原理，把兩塊長3. 8nm的布拉格光珊置于干涉儀兩臂，并用紫外微調(diào)均衡技術(shù)制作 OADM，整個裝置長25mm，插入損耗僅1dB，隔離度 達(dá)36dB，可用于無光放大器的局域網(wǎng)。這種OADM 的優(yōu)點是偏振不敏感，由于干涉儀兩臂隨溫度變化相 同，溫度變化時，干涉儀兩臂仍會保持平衡。缺點是溫 度變化時將導(dǎo)致光纖光柵中心波長移動。2 4 7光纖雙錐型濾波器(BTF)雙錐型濾波器透射譜由交替出現(xiàn)的

30、峰值和零值 組成，工作原理與非等臂的M ach-Zehnder干涉儀相 近。但由于BTF由一根光纖組成，所以偏振不敏感。圖13所示17的為3波長OADM。它由4個3dB 耦合器，1個光纖布喇格反射濾波器(FBR)和4個光 纖雙錐型濾波器組成。插入損耗小(0. 81 3dB)，后 向反射低(< -55dB)，在透射帶內(nèi)色散較低，具有良 好的熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性。2 4 8可調(diào)雙折射單模光纖濾波器如圖14所示，此器件是由三個不連續(xù)的光纖環(huán) 組成。其工作原理是基于索爾克濾波器。雙折射的產(chǎn) 生是通過扭轉(zhuǎn)光纖或相鄰的光纖環(huán)來實現(xiàn)。它能實現(xiàn) 波長調(diào)諧，在790 920nm光譜范圍內(nèi)，可調(diào)波長范 圍為

31、4550nm；在10851220nm光譜范圍內(nèi)可調(diào) 波長范圍為125 135nm。2 4 9全光纖聲光可調(diào)諧濾波器(AOTF)全光纖聲光可調(diào)諧濾波器(AOTF)利用光纖中 聲致模式耦合來實現(xiàn)開光或濾波功能。由于是全光纖 型的，此器件具有很低的插入損耗，但是窄帶寬實現(xiàn) 比較困難。圖15所示為緊湊型窄帶寬偏振敏感的 AOTF原理結(jié)構(gòu)圖，可以用單模光纖、雙模光纖、聚 焦光纖耦合器代替Taper光纖。其原理如下:壓電變 頻器產(chǎn)生的聲振動通過玻璃錐被放大并傳輸耦合進(jìn) 入光纖，玻璃錐可以從光纖端面或者側(cè)面耦合入光 纖。經(jīng)過光纖傳輸，彎曲聲波被進(jìn)一步放大，在Taper 光纖束腰位置達(dá)到最大振幅。在束腰處,T

32、 ap ered稱圖15 Tapered光纖聲光可調(diào)諧濾波器結(jié)構(gòu)圖58光通信技術(shù)2002年第1期合器的周期性微擾使選定波長附近能量從HE /模耦 合到高階模，而高階模不繼續(xù)傳輸。其它的光繼續(xù)以 H E /模式傳播，這樣就實現(xiàn)了波長選擇。在文獻(xiàn)18 中已報導(dǎo)了使用Taper光纖的全光纖聲光可調(diào)諧濾 波器(AOTF)。其帶寬達(dá)到2 8nm,損耗為0. 02dB, 大于20dB的消光比，具有偏振敏感，是目前帶寬-長 度乘積(6 4nm. cm)為最小的產(chǎn)品。此類濾波器帶寬 可以做得更小，理論上最小的帶寬-長度乘積可以達(dá) 到0 75nm. cm。它可用于波長選擇開關(guān)、頻率轉(zhuǎn)換器 等。2 4 10集成陣

33、列波導(dǎo)光柵(AWG)濾波器圖16 AWG的基本結(jié)構(gòu)AWG結(jié)構(gòu)圖如圖16,是一種平面光波回路，它 將一個陣列波導(dǎo)光柵與輸入/輸出波導(dǎo)陣列、星型平 面波導(dǎo)集成在同一塊襯底上?；驹頌?從功能上 講，AW G可看成由一個相位控制器，一個衍射光柵, 外加輔助的輸入、輸出波導(dǎo)組成。其中輸入星型波導(dǎo) 和陣列波導(dǎo)組成相位控制器,使到達(dá)衍射光柵的光波 相位與光的輸入端口、光波長A有關(guān)，與陣列波導(dǎo)輸 出端面相連的星型波導(dǎo)的輸入端面充當(dāng)衍射光柵的 作用。通過對AWG結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理設(shè)計,使得周期 性AW G輸入、輸出端口波長對應(yīng)關(guān)系如圖17所示。 以4X4AWG為例分析數(shù)字濾波的實現(xiàn):如圖18,包 含KK4的復(fù)用

34、光進(jìn)入1A,解復(fù)用后分別到達(dá)2B、4B檢入/檢出波導(dǎo)圖17 AWG的基本功能1 A A WO dLB2A2B 3A m3B y4A4R W2信道選擇器圖18信道選擇器端口。若開關(guān)1、2均為通光狀態(tài),則1B、2B端分別輸 入KK光，復(fù)用后由2A端輸出。若開關(guān)1通光，開關(guān) 2不通光,則2A端只輸出K光;若開關(guān)1不通光,開 關(guān)2通光，則2A端只輸出K2光，這樣就實現(xiàn)了數(shù)字 量控制開關(guān)的通斷狀態(tài)。利用集成陣列波導(dǎo)光柵 (AWG)可構(gòu)成可調(diào)諧濾波器,并可實現(xiàn)數(shù)字式信道 選擇，克服了模擬濾波器的缺點。其缺點是光開關(guān)數(shù) 量較大,且AW G的通道利用率較低。文獻(xiàn)19提出 了采用雙向光開關(guān)及2X1光開關(guān)來減少開

35、關(guān)數(shù)目的 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計的構(gòu)想。AW G可以用于復(fù)用/解復(fù)用、 分插復(fù)用和交叉互連,它在WDM光網(wǎng)中得到廣泛 的應(yīng)用。3結(jié)論本文綜述了目前比較常見的已應(yīng)用的和正在研 究的濾波器，并討論了它們的特點。這對選擇使用、設(shè) 計研究濾波器有一定的意義。參考文獻(xiàn)1 L i Shenping et al A novel Tunable al卜optical incoherent negative-tap fiberoptic transversal filter based on aDFB laser diode and fiber bragg gratings Techniques IEEE Photon

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