论光纤滤波器的基本原理与结构设计

论光纤滤波器的基本原理与结构设计

摘要：本文对光纤滤波器的原理与结构设计进行了介绍，并和光栅的特殊性质及微结构光纤(MOF)相结合，对典型的微结构光纤滤波器的结构设计进行了阐述，展望了光纤滤波器的发展。

关键词：光纤滤波器基本原理光栅微结构光纤

1.引言

光纤滤波器是传感系统和波分复用(WDM)光通信系统中最基本地关键器件之一。利用光的衍射和干涉原理实现光纤滤波的途径有很多，目前已经设计出了多种光纤滤波器结构。包含:以声光调制机制为基础的声光滤波器、如Michelson干涉仪和Fabr-Perot干涉仪等基于光纤干涉仪的光纤滤波器、如长周期光栅滤波器和Bragg光栅滤波器等基于光纤光栅的光纤滤波器、如级联熔锥光纤藕合器和抛光非平衡光纤藕合器等基于祸合器的光纤滤波器。

2.光纤滤波器的基本原理

2.1光纤滤波器的类型

有多种选择可以实现光纤滤波器的结构设计，一般有级联光栅或光纤型、藕合器型、基于Sagnac的双折射环型等。其中，最新的方法是采用级联方式来设计光纤滤波器。整合或选择不同光栅或光纤等级联元件的某些光谱特性，可设计且研制出性能优异、结构新颖、可调谐的级联式新型高性能光纤滤波器。同时通过采取不同的级联方式或选择不同的级联元件来对光纤滤波器的设计结构进行进一步的丰富，对光纤滤波器的设计自由度进行有效的扩大。

2.2光纤滤波器的原理及用途

光纤滤波器是利用光衍射和干涉的原理设计而成，主要用于对信号中没用的频率(波长)成分进行滤除。例如，包含较大范围其他波长信号干扰，中心波长是1550nm的窄带信号。例如低通滤波器，原理如图1所示。

图1 滤波器滤波原理示意图

某些光纤滤波器是用光纤为基本元件研制的，能用于具有特殊光谱函数、光相干层析技术(OCT)、光纤激光器中的波长选择以及气体高精度定标的新型光学系统等中。比如，宽带带阻滤波器能够用于掺饵光纤放大器(EDFA)增益平坦、宽带带通滤波器能够用于能量补偿、窄带带通滤波器能够用于作激光器等。由于应用方面的不同，对滤波器峰值功率、带宽和中心响应波长等的要求也不同。

3.光纤滤波器的结构设计

与常规光纤(GF)和光纤光栅(GFG)相比，微结构光纤光栅(MOFG)和微结构光纤(MOF)具有更加丰富的光学特性和结构。为了改变MOFG和MOF的光学性质，获取优于GFG及GF的光学特性，可以采用将特殊介质载人微孔、设计双芯或多芯、改变MOF中微孔的占空比、大小以及排列等方式。

3.1利用微结构光纤带隙特性设计滤波器

根据传光机制，微结构光纤可分为光子带隙效应和全内反射方式。MOF具有普通光纤无法相比的独特性质，因其具有灵活的设计结构和特殊的传导机制。设计与研制滤波器时利用MOFG和MOF，能够使滤波器的滤波性能更为优良，结构更为简洁。2008年，Danny等人采用的设计方法是:将高折射率液晶填充到具有大模场面积特性的MOF包层空气孔里，设计出了一种液晶填充光子晶体带隙凹口滤波器。

工作原理:该滤波器所实现的波长可调谐范围约为50nm，所需元件简单，易于集成。除研究光滤波器、运用光子带隙传导机制设计之外，另有研究者结合光子带隙传导和全内反射机制，设计出了新的双芯微结构光纤，采用的是混合传导机制。由于液晶对温度较为敏感，所以能通过对外界温度进行改变，改变其折射率，进而改变其带隙位置，实现波长可调谐滤波。高折射率液晶填充到MOF包层空气孔中后，能够通过改变外加电场来调整其光轴，且其按一定方向排列的液晶具有单轴双折射性，所以可以使带隙位置发生改变。

3.2利用微结构光纤弯曲损耗特性设计滤波器

为实现带宽可调谐宽带带通滤波器的设计，可以结合级联型光纤滤波器的设计方法及理念，把具有不同弯曲损耗边沿的微结构光纤对接起来，进而使两光纤不同的弯曲半径得到改变。

工作原理: 为实现带宽可调谐功能，可以选择不同弯曲的曲率半径，对不同的弯曲损耗边缘进行利用。300-1000nm是该滤波器带宽宽度的可调谐范围。相关文献中把Bragg光纤和全固型MOF对接，设计出了一种可调谐宽带光纤滤波器。这种光纤滤波器设计时采用了MOF不同的弯曲损耗边沿特性，优点是制作工艺相对简单，无需引人光纤光栅等其他元件。

4.新型光纤滤波器总结与展望

随着光栅和光纤工艺的持续发展，关于光纤滤波器的研究有望在介质载人技术、新的光栅写制技术、将滤波器级联获得新型滤波谱线以及对以多种光纤(微结构光纤和常规光纤)为组合元件的新型级联方式进行探索几个方面取得进一步拓展。结合上述内容，既能够为了对提高滤波器更高性能的途径进行探索，引入微结构光栅及其光纤，从元件上入手将光纤滤波器结构中的传统光纤及光栅用新型光学元件来替换，使其在光纤传感和光纤通信方面更广阔的空间开辟出来。也能够为了设计出结构新颖的新型滤波器，从结构方面入手，把光纤的不同特性相

级联。

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