產品 求購 供應 文章 問題

0431-81702023
光學工程
光纖濾波器的原理、結構設計及其進展

摘要 介紹了光纖濾波器的原理、結構及主要應用,提出了級聯設計濾波器的概念。在總結典型級聯式濾波器的基礎上,詳細分析了其結構設計及工作原理,評述了其優缺點。結合微結構光纖(MOF)及光柵的特殊性質,闡述了典型的微結構光纖濾波器的結構設計及工作原理,展示了其典型應用。提出了級聯微結構光纖及光柵設計濾波器方案,展望了光纖濾波器的發展,并指出了進一步拓展及應用的方向。

關鍵詞 光柵;光纖濾波器;級聯;微結構光纖;微結構光纖光柵

1 引 言

      光纖濾波器是波分復用(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、插入損耗低、與光纖通信系統易于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)基于耦合器的光纖濾波器:如拋光非平衡光纖耦合器、級聯熔錐光纖耦合器、非對稱雙芯光纖耦合器[1]等。

      2)基于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 Bragg光柵濾波器和長周期光柵濾波器[2],此外還有基于啁啾相移光纖光柵濾波器[3]等。

      3)基于光纖干涉儀的光纖濾波器:FabryPerot干 涉 儀、非 平 衡 MachZehnder 干 涉 儀[4] 和Michelson干涉儀等光纖濾波器。

      4)基于聲光調制機制的聲光濾波器[5]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[6]、小模場面積與高非線性[7]、大模場面積[8]、高雙折射[9]及光子帶隙效應等,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,為研制新型光纖濾波器注入了新的設計理念,并且有望使濾波器的設計與研制達到一個新的水平。

      本文總結了幾類典型的光纖濾波器,分析了其結構設計及濾波原理,并展望了新型光纖濾波器的設計。

2 光纖濾波器的基本原理及構成

 2.1 濾波器的一般分類

      濾波器的分類方式較多,常見的一般分類方法有:

2.1.1 從頻帶區域選擇上劃分

      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1所示。

2.1.2 從濾波寬窄范圍上劃分

      濾 波 器 又 可 分 為 窄 帶 濾 波 器 (Narrowbandfilter)和寬帶濾波器(Broadbandfilter),通常認為帶寬小于0.8nm 的為窄帶濾波器,大于100nm 的為寬帶濾波器。隨著對濾波器性能要求的不斷提高以及應用范圍的不斷擴大,近些年又出現了超窄帶濾波器(Ultranarrowbandfilter)[10]和超寬帶濾波器(Ultrabroadbandfilter)[11],它們的帶寬分別達到小于1pm 和大于200nm 的標準,這無疑是對濾波器濾波范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,許多器件盡管不被稱為濾波器,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范疇,例如,光開關、光調制器、干涉儀、光柵等。

 2.2 濾波器的原理及用途

      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,其中包含較大范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2所示。

      正是由于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著廣泛的應用。一些以光纖為基本元件研制的光纖濾波器也可用于氣體的高精度定標[12]、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[13]。例如,窄帶帶通濾波器可用作激光器,寬帶帶通濾波器可用于能量補償,寬帶帶阻濾波器可用于摻餌光纖放大器(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、帶寬和峰值功率等的要求亦有差異。

2.3 光纖濾波器的類型

      構成光纖濾波器的結構設計有多種選擇,常見的有基于Sagnac雙折射環型、耦合器型、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[14],這些類型的光纖濾波器都具有各自的濾波區域、濾波范圍以及可調諧范圍。其中,采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、耦合器等)按照一定拼接方式(如順次串聯、空間并聯以及混合拼接等)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,或者采取不同的級聯方式,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。并且,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,可設計并研制出結構新穎、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,采用級聯方式可以設計并研制諸如帶通型、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[15]等。

3 幾種典型級聯式濾波器的結構及原理

3.1 基于耦合器的光纖濾波器

3.1.1 基于側面拋光定向耦合器的光纖濾波器

      1994年,J.L.Archambarlt等[16]將 Bragg光柵引入普通2×2定向耦合器,設計并實現了耦合器型光纖濾波器,其結構如圖3所示。

     

       設計方法:將兩根相同的單模光纖側面拋光,形成定向耦合器,耦合器的最大耦合效率達97%,犔C為耦合器有效耦合長度。將其中的光纖2纖芯上刻制 Bragg反射式光柵,該光柵長度為 犔G,中心波長 λB=1535nm。將該器件進行封裝,制作成基于耦合器型的光纖濾波器。

       工作原理:當入射波長遠離λB 時,該濾波器與普通2×2定向耦合器一樣,即將光纖1中的光波耦合到光纖2中傳輸;當入射波長接近λB 時,入射光因受 Bragg光柵作用不能從光纖 1 耦合到光纖 2中,而是從另一個通道輸出。

      實驗測得濾出光 犜1 的帶寬為0.7nm,從而實現了窄帶帶通濾波;而從該濾波器另一個輸出端測量犜2,則只缺少了λB,從而實現某一波長(λB)的帶阻濾波。

      該濾波器的缺點:實驗測量和理論分析結果存在較大差異,其濾波性能有待進一步提高。

3.1.2 基于光纖扭轉拉錐耦合器的光纖濾波器

      2007年,M.J.Kim 等[11]將兩根光纖拉錐的方法構成耦合器,設計并研制出了超長帶寬的光纖濾波器。

      設計方法:將兩根纖芯刻有長周期光柵的單模光纖扭轉在一起,再用普通熔錐方法將其拉錐構成耦合器結構,從而設計并實現了具有超長帶寬的光纖濾波器,其結構如圖4所示。該濾波器中的長周期光柵長度為200mm,柵格周期Λ=400μm,響應波長為1480nm。

      工作原理:光從入射端入射,首先經第一個長周期光纖光柵(LPG)后,纖芯 LP01模與同向傳輸的LP08高階包層模耦合,通過消逝場作用,傳輸光被耦合到與其扭轉的另一根光纖中;然后,經過第二個LPG 后,滿足相位匹配條件的包層模式又將與纖芯模式耦合,并從出射端輸出。采用這種結構的光纖濾波器,可以實現帶寬大于200nm 的超寬帶濾波。

        

        該濾波器的缺點:插入損耗相對較大,一般可達5dB。降低插入損耗,將是該濾波器研制必須解決的關鍵問題。

        上述兩種光纖濾波器的結構均采用兩根光纖以拉制耦合器的方式進行設計。然而,從設計方法的角度考察,在一根光纖內部利用雙芯或多芯的耦合作用,也 可 以 實 現 濾 波 性 能。2007 年,F.Y.M.Chan等[17]就設計出了一種基于不對稱非線性雙芯光纖的長周期耦合器模型,這種耦合器預期耦合效率可達100%,有望實現波長可調諧優異濾波性能。但是,這種結構的濾波器要求工藝嚴格,制作難度較大,在實驗上需要進一步探索及相應的證明。此外,董小偉等[18]利用布拉格光柵反射作用的聯合效應形成的雙光柵耦合器,具有結構緊湊、濾波效率顯著的優點。

      3.2 串聯式光纖濾波器

 

      串聯式光纖濾波器是級聯式光纖濾波器中的一種類型。事實上,光學元件的級聯方式不限于順次拼接(串聯),也可以并列拼接,即并聯方式。基于耦合器的光纖濾波器,就可以認為是一種并聯式的光纖濾波器。在實際應用中,串聯式光纖濾波器的設計與研制占有重要地位。串聯式光纖濾波器是級聯式光纖濾波器中的一種類型。事實上,光學元件的級聯方式不限于順次拼接(串聯),也可以并列拼接,即并聯方式。基于耦合器的光纖濾波器,就可以認為是一種并聯式的光纖濾波器。在實際應用中,串聯式光纖濾波器的設計與研制占有重要地位。

      3.2.1 基于單模和多模光纖的串聯式濾波器

      2004年,W.S.Mohammed等[19]報道了對基于多模干涉效應的波長可調諧光纖鏡的研究,他們將普通單模光纖與多模光纖對接在一起,通過改變入射光波長使軸向聚焦位置發生變化,發現二者呈線性關系,并在實驗上得到了驗證。隨后,研究人員利用自成像現象和多模干涉效應,對此類結構作了進一步研究。

      設計方法:2006 年,W.S.Mohammed 等[20]在上述研究基礎上,將單模—多模—單模光纖順次級聯,基于多模干涉和再成像效應,研制出光纖帶通濾波器,其結構如圖5所示。

     

      該濾波器13dB對應的帶寬約100nm,而插入損耗只有0.4dB;6cm 的長度使其易于封裝,中心波長位于1550nm 附近,這在通信領域具有很好的應用前景。此后,Q.Wang 等[21]又對這種結構作了更細致、精確的研究,并提出了一種簡單的光譜響應分析方法。

 

      工作原理:光波由單模光纖輸入端以類高斯場入射到多模光纖,多模光纖長度為狕。當光波沿多模光纖傳播時,輸入的類高斯場會激發出一些傳導模,狊對于纖芯半徑較大的多模光纖而言,輸入光場可僅由這些傳導模來表征。分析表明,增大多模光纖半徑,可以有效增加其導模的數量和限制包層模能量的損耗。于是,多模光纖末端的場分布可表示為

     由(3)式可知,通過調整多模光纖長度,可使耦合效率達到極大,即在多模光纖端面上的場分布恰好是入射光場的像。此時,幅角θ必須為2π的整數倍,而此條件的成立依賴于入射波長。當不滿足此條件時,有效耦合效率將下降。于是,光濾波功能得以實現。

     W.S.Mohammed等[19]從理論和實驗兩方面研究了多模光纖的長度、單模和多模光纖的幾何尺寸等因素對濾波器中心波長、帶寬等的影響,其理論分析與實驗結果相符合。由此,可得到兩點結論:濾波器的帶寬由多模光纖纖芯尺寸決定,半徑越小,帶寬越寬;多模光纖長度可用于控制濾波器中心波長的位置。通過綜合選擇多模光纖纖芯尺寸和長度,可使濾波器中心波長位置保持不變。

3.2.2 包含長周期光柵對的光纖濾波器結構

      1996年,A.M.Vengsarkar等[2]首先提出將長周期光纖光柵作為均衡器應用于 EDFA 和帶阻濾波器。LPG可作為寬帶帶阻型濾波器使用,但不能用作窄帶濾波器,特別是多波長窄帶濾波器。

      設計方 法:1998 年,X.J.Gu[22]提 出 將 兩 個LPG 對接在一起,此器件可用于 WDM 系統中的多波長濾波。利用這種結構,還可實現可調諧多波長濾波器的功能[23]。此后,研究者又在該結構基礎上加以改進,將長周期帶阻型濾波器轉變成帶通濾波器。一種典型的基于 LPG 光纖帶通濾波器結構如圖6所示,該結構包含一對長周期光柵和一根纖芯模式隔離裝置[24,25]。

      工作原理:入射光波經過第一根LPG1,纖芯基模被耦合到滿足相位匹配條件的包層模,這些模式繼續向前傳播;在經過纖芯模式隔離裝置時,纖芯模式被阻止,而包層模向前傳播;包層模到達第二根LPG2時,又被耦合到滿足相位匹配條件的纖芯模,從而實現光濾波功能。其他研究者也提出了類似的結構,所不同的是:文獻[24]中纖芯模式隔離裝置采用的是空芯光纖,而文獻[25]中則是通過一種自準直技術制作完成的。

      該濾波器的缺點:對于LPG 級聯,對每個LPG的匹配性要求很高,而且外插入的纖芯模式隔離裝置長度不能太長,否則將使傳播的光能量有很大的衰減。

3.2.3 其他串聯結構

      近些年,光纖濾波器迅速發展的原因還包括濾波器的組成元件(光纖和光柵)的不斷更新,這使得濾波器的結構有了更豐富的組合形式。設計方法:2008年,W.Shin等[26]提出螺旋面長周期光柵—空芯光纖—多模光纖的光纖濾波器結構,如圖7所示。采用這種結構,能夠實現波長可調諧帶通濾波功能。

      工作原理:對于不滿足相位匹配的模式,經過長周期光柵后到達空芯光纖時被阻止,而滿足相位匹配條件的模式,則被耦合到包層中經空芯光纖繼續向前傳播;在空芯光纖中傳播的模式被耦合到多模光纖纖芯模式;通過對螺旋面長周期光柵施加不同扭轉力來改變長周期光柵響應波長,從而實現光纖濾波器波長可調功能。

      該濾波器的缺點:因制作螺旋面長周期光柵工藝的限制,導致該結構插入損耗相對較高,約3dB。降低插入損耗,將是該濾波器應用必須解決的關鍵問題。

4 基于微結構光纖的濾波器設計

     微結 構 光 纖 (MOF)及 微 結 構 光 纖 光 柵(MOFG)具有比常規光纖(GF)及光纖光柵(GFG)更為豐富的結構和光學特性。改變 MOF中微孔的排列、大小以及占空比,設計雙芯或多芯,或者將特殊介質載入微孔,均可改變 MOF及 MOFG 的光學性質,獲得優于 GF及 GFG 的光學特性[27]。因此,MOF及 MOFG 的出現,為新型光濾波器的設計與研制提供了廣闊的創造空間。

     4.1 利用微結構光纖彎曲損耗特性設計濾波器

      根據級聯型光纖濾波器的設計理念及方法,將具有不同彎曲損耗邊沿的微結構光纖相對接,通過改變兩光纖不同的彎曲半徑,可以實現帶寬可調諧寬帶帶通濾波器[13,28]設計。文獻[28]中選擇的兩種 MOF,其端面圖和彎曲損耗邊沿特性曲線如圖8和圖9所示。

     

       設計方法:MOF1 具有短波方向彎曲損耗邊沿,MOF2則具有長波方向彎曲損耗邊沿。將兩根MOF對接后,構成的濾波器傳輸光譜如圖10所示。其中,長波和短波方向上的彎曲損耗邊沿曲線,整合成了一條寬帶傳輸光譜曲線。

       工作原理:利用不同的彎曲損耗邊緣,通過選擇不同彎曲的曲率半徑,可以實現帶寬可調諧功能。該濾波器帶寬寬度可調諧范圍達到300~1000nm。

        文獻[13]將全固型 MOF 與 Bragg光纖對接,設計 了 一 種 可 調 諧 寬 帶 光 纖 濾 波 器。這 種 利 用MOF不同彎曲損耗邊沿特性設計的光纖濾波器,其優點在于不需要引入光纖光柵等其他元件,制作工藝相對簡單。

4.2 利用微結構光纖帶隙特性設計濾波器

      微結構光纖按其傳光機制分可分為全內反射方式和光子帶隙效應。由于 MOF特殊的傳導機制和靈活設計的結構,使其具有普通光纖難以比擬的獨特性質。將 MOF 及 MOFG 用于濾波器設計與研制,可使濾波器結構更為簡潔,濾波性能更加優良。

      設計方法:2008年,Danny等[29]在具有大模場面積特性的 MOF 包層空氣孔中填 充 高 折 射 率 液晶,設計了一種液晶填充光子晶體帶隙凹口濾波器。

      工作原理:因液晶對溫度比較敏感,故可通過改變外界溫度使其折射率發生變化,從而改變其帶隙位置,實現波長可調諧濾波。填充于 MOF 包層空氣孔中的高折射率液晶,因其按一定方向排列的液晶具有單軸雙折射性,且其光軸可以通過改變外加電場來調整,因此能夠使帶隙位置發生改變。該濾波器實現的波長可調諧范圍約50nm,而且所需元件簡單,易于集成。

      除了運用光子帶隙傳導機制設計、研究光濾波器之外,還有研究者將全內反射和光子帶隙傳導機制相結合,設計出混合傳導機制的雙芯微結構光纖。這種新型光纖可用于實現波長可選擇濾波功能[1],但這種結構需要通過預填充來實現。在全固型光子帶隙光纖和柚子型微結構光纖中寫制 Bragg光纖光柵,均可實現優良的濾波功能[30,31],其中后者可用于多波長摻鉺光纖激光器的設計與研制。

      總體來看,從微結構光纖成功拉制[32]至今,科研工作者經歷十幾年時間,盡管取得了巨大的突破,但仍有很大的發展空間。在由傳統光纖或光柵構成的濾波器結構中引入微結構光纖,有望獲得性能更優異或結構更簡單的光纖濾波器[33,34],通過選擇填充特種介質,可望實現波長可控、可調諧。

5 新型光纖濾波器總結與展望

      在分析各種典型光纖濾波器的原理和結構的基礎上,提出了級聯設計濾波器的概念;對級聯型光纖濾波器進行了分類,并分析了其優缺點。結合光纖濾波器設計新概念,分析了典型的 MOF 及 MOFG濾波器,闡述了基于 MOF及 MOFG 濾波器的設計方法和工作原理。

       隨著光纖和光柵工藝的不斷發展,光纖濾波器的研究有望在以下幾個方面取得進一步拓展:

      1)探索以多種光纖(常規光纖、微結構光纖等)為組合元件的新型級聯方式。

      2)將濾波器級聯獲得新型濾波譜線:相近自由光譜范圍的濾波器相連接可得到更窄的通帶光譜;將具有不同自由光譜范圍的濾波器相連接后的新 濾 波 器 帶 寬 更 寬[35],從 而 滿 足 在 不 同 方 面 的要求。

       3)新的光柵寫制技術:寫制非均勻長周期光纖光柵和微結構長周期光柵,將其引入到光纖濾波器結構,有望設計出性能更優越、結構更簡單的光纖濾波器。

       4)介質載入技術:不同介質、填充部位等因素對 MOF傳光性能的影響。通過施加外場(力場[36]、溫度場、電磁場或光場)調控光子晶體光纖帶隙位置,有望實現多參數、多方式調節。

      綜上所述,既可以從結構上入手,將光纖的不同特性相結合(級聯)設計出結構新穎的新型濾波器;又可以從元件上入手,引入微結構光纖及其光柵,通過將新型光學元件替換光纖濾波器結構中的傳統光纖及光柵來探索提高濾波器更高性能的途徑,開辟其在光纖通信及光纖傳感方面的更廣闊空間。

 


版權信息:長春市金龍光電科技有限責任公司 | 聯系電話:0431-81702023 | 網站備案號:吉ICP備07002350號-1 | EMAIL:[email protected]
35选7中奖号码