光学滤波器

入射光 反射光
折射率
4
高
低
高
低
高
透射光
滤波器1 滤波器2
1, 2, 3
2, 3
3
1
2
介质薄膜滤波器
用介质薄膜滤波器构成解 复用器
• 介质薄膜光滤波器解复用器利用光的干涉效应选择波长。连续反 射光在前表面相长干涉复合，在一定的波长范围内产生高能量的 反射光束，在这一范围之外，则反射很小。
• 这样通过多层介质膜的干涉，通过某一波长，阻止其它波长。
F FSR R
F 1 R
R越大，精细度越大。
Frequency F
高反射率窄带滤波器
FSR＝C/2nd
F FSR R
F 1 R
传输函数
(f)
(a)
输入功率
Pin(f) (b)
FSR
输出功率 f1 f2 f3 …………. fN
DWDM系统对F-P滤波 器参数的要求：
•F-P腔的自由谱区FSR 必须大于多信道复用信 号的频谱宽度，以免使 信号重叠，造成混乱。
• 长度为d的耦合器的传输矩阵Mcoupler为：
cosCd j sin Cd
M coupler
j
sin
Cd
cosCd
C为耦合系数 • 对于平分功率的3dB耦合器，Cd=/4：
•在DWDM中，信道间 距小于1nm，所以要求 F-P腔有较窄的带宽F。
Pout(f) (c)
P1 P2 P3
…………. PN
f1 f2 f3 …………. fN F-P滤波器的传输特性
精细度F要高 级联F-P腔
(a)传输函数 (b)N个信道经波分复用后加到 滤波器输入端的频谱图 (c)滤波器输出端
多层介质膜滤波器
这样的反射后，透射光强度将很小，而反射系 数将达到 1。
薄膜多共振腔滤波器
传输特性： 腔越多滤波器顶越平
边缘越陡
光纤光栅
• 光纤光栅是近几年发展最为迅速的一种光纤无源 器件。
• 它是利用光纤中的光敏性而制成的。 • 光敏性是指当外界入射的紫外光照射到纤芯中掺
锗的光纤时，光纤的折射率将随光强而发生永久 性改变。 • 人们利用这种效应可在几厘米之内写入折射率分
F-P 滤波器特性
• 自由谱区FSR(Free Spectral Range)：相邻两个谐振 频率的间距。 FSR=C/2nd n-中间介质折射率；d-腔长
• 3dB带宽F：传输系数的数值降为最大值的一半应的 频带宽度。 F C(1 R) R越大， F越窄
2dn R
• 精细度F(Finesse)：自由谱区与3dB带宽之比。
• 光纤光栅最显著的优点是插入损耗低，结构简单，
光纤光栅的产生
(1) 干涉法 干涉法是利用双光束干涉原理，将一束紫 外光分成两束平行光，并在光纤外形成干 涉场，调节两干涉臂长，使得形成的干涉 条纹周期满足制作光纤光栅的要求。
(2) 相位掩膜板法 相位掩膜板法，是利用预先制作的膜板， 当紫外光通过相位板时产生干涉，从而在 光纤圆柱面形成干涉场，将光栅写入光纤。
2. 切趾型光栅： 两端折射率分布逐渐递减至零，消除了折射率突 变，从而使反射谱不存在旁瓣
高斯切趾
平均值为零 的升余弦切
趾
3. 啁啾光栅：
折射率调制幅度不变，而周期沿光栅轴向变化， 反射谱宽增加
长波长
短波长
4. 取样光栅Sampled gratings：梳状滤波器 5. 相移光栅Phase-shifted FBGs:
如果在输入端的波长
满足L = k (k为耦)
那么光信号由下输出 端口输出
因此不同的波长可以 解复用到不同输出端
Input 1
Output 1 /2+L+ /2= L+ Output 2 /2+L- /2= L
L=2neff L /=k
k为奇数 k为偶数
Output 1 Output 2
利用传输矩阵进行分析(1)
相移
Mach-Zehnder型滤波器
对输入信号 进行分路的 3dB耦合器
长度相差L的两根波 导，用来在两臂间产 生与波长有关的相移
在输出端将 信号复合的 3dB耦合器
通过分裂输入光束以及在一条通路上引进一个相移，重组 的信号将在一个输出端产生相加性干涉，而在另一个输出 端产生相消性干涉，信号最后只会在一个输出端口出现。
第九章 光学滤波器
光滤波器
光滤波器：在光纤通信系统中，只允许一 定波长的光信号通过的器件。 光滤波器可分为固定的和可调谐的两种。 固定滤波器允许一个固定的、预先确定的 波长通过，而可调谐的滤波器可动态地选 择波长。
Fabry-Perot滤波器
基本原理：F-P干涉仪， 平行平板的多光束干涉。
当入射光波的波长为腔长 的整数倍时， 光波可 形成稳定振荡， 输出 光波之间会产生多光束 干涉， 最后输出等间 隔的梳状波形（对应的 滤波曲线为梳状）。
多层介质膜工作原理
入射光
A 反 射 光CB
1 / 4
n1
1
2 /4
n2
透射光
2
n2 > n1 n1 n 2
透射光
1
2
(a)对反射光相长干涉的原理
反1
射
系
数 0
o
(nm)
Biblioteka Baidu
330 550 770
(b) 反射系数与波长的关系
• 所有从前后相挨的两个界面上反射的波都具有 相长干涉的特性(相位差为180度)，经过几层
外部写入法
紫外掩模写入法： 1. 用两束紫外光照射光纤并发生干涉 2. 掺锗的高光敏纤芯在光强部分折射率增加 3. 光栅永久写入光纤
光纤光栅工作原理
• 对于同向传输的两个波，如果传播常数满足Bragg条 件，两波之间将发生能量的耦合。
• Bragg条件：
1 2
2
• 特别地，如果满足
光栅周期
1
工作原理
0
0
/2
/2 /2 0
0
L
/2 + L + /2
从端口1输出的光： 途径下臂的光相对上臂的相位差为/2 + L + /2
0
0
/2
/2 /2 /2
0
L
/2 + L
从端口2输出的光： 途径下臂的光相对上臂的相位差为/2 + L - /2
：传播常数
如果在输入端的波长
满足L = k (k为奇)
两个支路的光在上输 出端口相差2的整数 倍，在下端口的光相 差的整数倍，因此， 光最终从上端口输出
1
21
2
能量将耦合至波长与入射波相同的反向传输的散射 中--反射式滤波器FBG
FBG:
length
Period
反射中 2neff 光栅
心波长
周期
纤芯的有效折射率
根据不同的折射率分布，FBG分类：
1. 均匀的Bragg光栅：
谐振峰两边有一些旁瓣。 由于光纤光栅两端折射率突变引起F-P效应导致的。 旁瓣分散了光能量，不利于其应用，需进行旁瓣抑制。