几种常用滤波器的特性

.OPTICAL COMMUNICATDN TECHNOLOGYNo. 1.几种常用滤波器的特性。冯丹琴盛秋琴陈凯贾宝华韩军摘要对几种滤波器的原理、特性和应用进行了研究比较,并特别介绍了目前的研究热点:各种光纤光栅滤波器及集成阵列波导滤波器等。如今滤波器的蓬勃发展表明,它将在未来的光通信系统中发挥越来越重要的作用。关键词滤波器光纤滤波器梳状光纤光栅相移长周期光纤光栅集成阵列波导光栅.。冯丹琴,女,1978年生,硕士研究生 2001-03-05 收稿中图分类号TN713 文献标识码A 1引言滤波器是一种波长选择器件,它在光纤传感以及光纤通信系统中具有许多重要的应用,可以用于半导体激光器或光纤激光器的反射腔镜和窄带滤波、复用/解复用器、光放大器中的噪声抑制、波长选择器波长转换器色散补偿器以及延时器等。滤波器的研究发展十分迅速,受到了人们的普遍关注。最新的基于DFB激光二极管和光纤布喇格光栅的可调谐非相干光纤横向滤波器以及利用WDM技术的并联光纤-光学-基底的RF滤波器2等结构更为复杂,性能也更佳。滤波器的种类繁多,性能各异,功能也各不相同,它们在未来的光纤通信和传感领域必将发挥更重要的作用。2几种滤波器的原理、特性和应用实现波长选择的方法主要有干涉滤波法、棱镜和光栅的色散分光法、光纤布喇格光栅光谱滤波法、声光滤波法、集成纤维或集成波导滤波法等等。下面分别介绍这些滤波器。2 1干涉膜滤光器所谓多层介质膜干涉滤波器,就是高低折射率的材料以预先设计的厚度沉积在玻璃基片上,以达到所要求的波长响应特性,如图1所示。这种器件的光学特性,取决于光学膜的反射、透射特性。其光学膜一般镀制成截止滤光片或带通滤光片。当前的镀膜技术结合了材料科学、真空物理学、薄膜物理化学、计算机辅助设计等先进技术,可以将多层介质膜干涉滤光器制成超窄带型,由此可制成密集型波分复用器,其复用信道间隔+ AA时,匹配层选择合适的位相厚度可以达到中心波长为A。实验时采用的多层介质结构为G5H2LH 5A G为玻璃,对应折射率为n s= 1.52,nH= 2. 35,瓜=1.38MgF2;A 为空气,对应折射率为n0= 1 00。多层膜分别为十一层,中心波长分别K- AA= 500nm和K+ AA= 600nm,匹配层厚度为二分之一波长,中心波长K= 550nm。膜系对应阻带范围从445nm到715nm。当米用的多层介质结构为G5HLH 5A时,中心波长分别K- AA= 460nm和K+ AA= 640nm,匹配层厚度为四分之一波长,中心波长K= 550nm。膜系对应阻带范围从400nm到750nm。1 2法布里-珀罗谐振腔滤波器众所周知,法布里-珀罗谐振腔对满足下面相位条件的光波可形成稳定振荡并输出等间隔的梳状被形。C . n/cos6i- ,o= 4n 、= 2m nA其中5为相位变化量,6为光波入射腔体的入射角,l 为谐振腔长,n为腔体内介质的折射率,m为整数。这样,Fabry-尸erot腔和耦合器组合即可构成滤波器。由式1可知,当m值取定后,确定满足相位条件的具有峰值透过率波长的因素为:n、l和Q,因此调节这三个变量就可以达到波长调谐的目的。2 2 1腔长调谐的法布里-珀罗谐振腔滤波器可调谐色散补偿MEM S全通滤波器是基于微型电动机械控制的可变反射层和热调谐腔镜的多级光学全通滤波器。如图2所示,全通滤波器6的主要结构是机械可调抗反射膜装置,即厚度可变的Pabry-Perot腔。腔由硅衬底、空气隙和四图2电压引起空气隙变化的M EM S全通滤波器结构示意图分之一波长厚度的介质膜组成。通常空气隙宽度为3K/4,介质膜的材料是硅酸氮。通过加上不同的电压,介质膜和衬底顶部构成的腔镜的反射率会变化,同时,通过衬底处的热-电致冷装置可控制腔的厚度来实现调谐。由介质膜和衬底顶部构成的腔镜的反射率为70%左右。当电压加到介质膜上方的电极时,空气隙宽度由3K/4变化为K/2。这是由于电压能产生静电力把介质膜拉近衬底,同时介质张力产生线性回复力综合产生的。当空气隙宽度为A/2时,由于硅酸氮对硅衬底来说相当于抗反射涂层,所以反射率减到约0%。在衬底的底部需要涂上筒反射率涂层,用多层堆时,能获得大于97%的反射率。衬底的厚度l 决定自由光谱范围FSR= c/angI,其中ng为群折射率。若要得到100GHz的F SR,硅的厚度为411 _。要减少色散损耗,可通过大的膨胀光束束腰接近300_来实现。一级可调谐色散补偿MEM S全通滤波器由两根光纤,一个透镜和全通滤波器构成。为了更好地耦合反射光,光纤要和透镜同轴。小角度的入射角能减少多重反射和偏振损耗。此滤波器的频率依赖的群时延是周期性的,当选择的滤波周期和WDM 系统的通道间隔相同时,多通道色散补偿即能实现。C K Madsen等7制作了FSB为100GHz且偏振不敏感的可调谐全通滤波器。该滤波器利用了两级装置,调谐范围100ps/nm,通带宽度50GHz,群时延脉动透明电极层、高反射介质镜层、定向层和液晶层组成,ITO透明电极层、高反射介质镜层和定向层依次镀在平行玻璃基板上。由于电调谐液晶滤波器具有带宽窄、低损耗、调谐范围大、控制电压低、连续可调、结构简单、低成本等优点,因而很有希望应用于未来的光波分复用及光交换系统中。电调谐液晶滤波器可用于光解复用,可调谐光源,可调谐波长转换器等。据报导,图4所示的的可调谐波长转换器8在外腔长度约为45nm及外部反射镜反射率为90%的情况下,当输入光波在149h 1515nm 范围内变化时,其输出光波可在148h 1552nm之间进行调谐输出。2 2 3角调谐的法布里-珀罗谐振腔滤被器TE吸收E 认散.又拟能3 Ajf*it3FPC; 光纤准直仪 0SA:光谱分析仪图5角调谐F-P腔滤波器结构示意图图7声光可调谐滤波器结构图 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ,V放大部分相位控制部分f透棱多量子阱激光器抗k膜液晶波光片文献9报导了具有周期性高斯透射比曲线的角调谐F-P腔滤波器,结构如图5所示。它在光谱范围内的高斯透射比大小是40dB到峰值透射。它的特性使它可以作为入射高斯光束光纤耦合输出的偏置。此滤波器可以当作通常的窄带滤波器使用,还可用作波分复用通道的光学噪声滤波,消除自发放大辐射以及双向传输的反向散射光。23 声光调谐滤波器声光调谐滤波器是一种多样性的器件, 它是建立在声光相互作用基础上的。图6所示是一种简单的AO TF,它包括一个由双折射材料制成的波导,即声音传感器。我们假设入射光能量都处于TE 模式中,一个只选择TM模式光能量的偏振器即TE 通偏振器放在波导的另一端。当选定波长附近的一个窄光带的光能量转换成为TM模式,而其它的光继续以TE模式传播时,我们就得到了一个波长选择滤波器。声光可调谐滤波器具有多态波分复用开关的功能,可提供大量彼此间独立且可调谐的波长通道、应用灵活、调谐范围宽,目前已成为国际上研究和应用的热点。但是,它有一个明显的缺点,即它的串扰很严重。而且,要提高它的性能,声光作用的长度必须加大,这样的器件制造起来很困难。所以在目前情况下, 声光调谐滤波器尚需进一步完善,实践中应用相对较少。国内已有实用的将TE/IM模转换器和TE通偏振器集于一体的集成光学声光可调谐滤波器1 它的结构如图7所示。其中心波长为1. 523_,在射频驱动功率为35nW、声光相互作用长度为16mm 时,对信号的插入损耗最大为-4dB、带宽为1. 6nm、调谐范围为140nm、模式转换效率大于99 3%。性能参数方面达到国外与偏振有关的同类器件的先进水平。整个器件封装在13mm X 10mm X 32mm的银合金盒子中,两端接有尾纤。该器件性能稳定,可用于光纤通信波分复用系统中的滤波器路由器。又由于它的带宽很窄且可连续调谐,所以也适用于光谱测量与分析。24 光纤滤波器为了进一步使光纤通信系统发展成为全光网络,需要各种能够具有波长选择的功能单元。光纤滤波器是完成上述功能单元的关键器件之一,因此一直受各国研究部门的关注。2 4 1光纤布喇格光栅滤波器由于光纤布喇格光栅具有中心反射波长可以精密控制、反射带宽可以任意选择且可以做得很小、反射率几乎可达100%、与普通光纤连接简便等优点,用光纤布喇格光栅做滤波器,可以对光纤透射频谱中的任一波长进行窄带滤出。器件的性能由光纤布喇格光栅光谱特性决定。基于布喇格光谱特性,可以构成窄带带阻、宽带带阻、宽带带通等不同滤波器。窄带带阻滤波器常使用多个不同波长的光纤光栅串联,这样可用于波分复用器,反射分离不同的波长。这种滤波器在分辨率和体积尺寸方面,比传统的光栅及棱镜波分复用器优异得多,而且调谐方便。早在1995年,文献11就报道了用于4个信道,波长间隔为0 8nm,传输100km的WDM网络传输实验,效果很好。Se Yoon Km等12人报导了在一段光纤上刻入4个完全相同的可调谐光纤光栅和2个环行器构成的OADM,调节压电转换器来改变光纤光栅的布喇格波长。在1根光纤上刻有多个特定反射谱的光纤光栅工艺复杂,技术要求高。为简化工艺,可把几个不同中心波长的光纤光栅串联在一起,效果是一样的。宽带带阻滤波器可用于激光放大器泵浦光反射镜,提高泵浦效率,又可降低输出光中泵浦光对信号光的干扰,干扰可降低30dB。布喇格光栅起的是反射作用,即对特定波长的光产生反射。要想建立起带通滤波器,即从宽波带中选出特定波长的光,并使其具有窄的带宽,这可由多种方法来实现。这里介绍一种利用光纤偏振分光器和布喇格光栅相结合起来形成的一种带通滤波器,其特点是损耗低。光纤偏振分光器的作用是将入射光分成偏振方向互相垂直的两束光线,对一偏振方向的光近100%的通过,对另一偏振方向的光近100%的耦合出去。滤波器结构如图8,原理为光被耦合入臂1,其偏振方向通图8光纤布喇格光栅带通滤波器过调节环行偏振控制器PC1控制。通过FPS后耦合入臂2、4,臂2、4上各有一环行偏振控制器PC2和PC3,它起四分之一波片作用。任意偏振光进入FPS 后均变为互垂两偏光,经臂2、4分别反射,都耦合入臂3,则可实现带通滤波。这种装置的损耗可通过减少FPS的损耗,两臂写入相同布喇格光栅等方法来降低,损耗可低于0 5dB。窄带带通滤波器除可用作带通滤波器外,还可用于窄带隔离器波长选择器色散补偿器等。此滤波器的缺点是布喇格光栅必须与耦合器环路器等器件联合使用,使得其结构复杂、成本较高。2 4 2 Moire光纤光栅带通滤被器Moire光纤光栅的折射率分布是一种具有慢变包络的快变结构,这种结构不仅可以有效抑制布喇格光纤光栅反射谱中的边瓣效应,而且可以在反射阻带中打开一个或多个透射窗口,轻而易举地实现多带通滤波的作用。同时,Moire光纤光栅带通的位置及带通宽度可通过控制写入条件灵活改变。利用这种Moire光纤光栅可制成带通或梳E状滤波器等。和布喇格光纤光栅带通滤波器相比较,M o ire光纤光栅克服了必须与耦合器环路器等器件联合使用的缺点。为了避免高速率系统传输中的阻塞,要求传输滤波器具有带通平稳、陡直、接近线形的相位响应特性以及近似于零的色散。L aw rencet小组13在啁啾Moire光纤光栅中引入常数折射率,得到多通道平稳带通滤波器,带通陡直平稳,其抖动的光谱特性制作而成的。取样光纤光栅可以采用振幅掩模板与位相掩模板叠加的方法写制。通过改变振幅掩模板的周期p= a+ b ,占空比,即取样率为T= a/p,.M 1547 1540 IM9 1550 1551 1552 1553 1554波长T=0, lf L=20mm, P=l. Omm图10基于PSLPG的OADM结构图图9理论上8波长梳状滤波器的反射谱及光纤光栅总长度L等参数,来改变取样光栅光谱特性。图9为结合数值法解方程得到的T= 0 1,L= 2Qnm, P= 1 0mm的光谱图。从图中可以看出梳状滤波器具有反射率高、反射峰均匀、反射峰间隔稳定及谱宽窄等优点。这种滤波器可用作密集型被分复用系统中多波长输出激光器的反馈谐振腔,上/下载复用器,光放大器中的抑制噪声。它的缺点是不能实现调谐。2 4 4相移长周期光纤光栅滤波器长周期光纤光栅是一类特殊的光纤光栅,它的周期相对较长,满足相位匹配条件的是同向传输的导模和包层模。这一特点导致长周期光纤光栅在光纤通信及光纤传感领域有着许多布喇格光纤光栅及其他光器件所不能替代的优势和重要应用,也极大地推进了它的理论研究。随着长周期光纤光栅制作技术的日益成熟,已有可能制作出复杂结构的长周期光纤光栅滤波器件。而且作为一种带阻滤波的传输型全光纤器件,其后向反射极小,有独特优势,通过合理的结构设计,完全可以将其应用到波分复用网络的光分插复用器或光交叉互联单元等关键器件中作为滤波、波长路由单元。切趾型相移长周期光纤光栅有着优良的光谱特性,传输光谱中只有两个明显的主阻带,主、次阻带近似等间距地分布在设计波长的两侧,且主阻带峰峰之间的波长间隔随着插入跃变R相移个数的增多而增大。将n个切趾型相移长周期光纤光栅级联起来,通过适当的参数设计,可以实现多个阻带滤波的效果。基于相移长周期光纤光栅带阻滤波器的光分插复用器14结构如图10,此结构配置简单易行,由两个3dB耦合器和相移长周期光纤光栅P SL P G1和P SL P G2 组成。波长为K1K的8个波分复用系统信道从输入端经耦合器1后 1994-2010 China Academic Tourna Electronic Publish分成两路,一路经由PSLPG1 滤除K：、K1信号,再经耦合器2与从ADD端口加入的新信道Az、At 一起汇合输出；而在DROP端口,由三个相移长周期光纤光栅构成的级联长周期光纤光栅可同时对6个信道波长U、A,、K进行带阻滤波,由于在其他波长上有较高的传输率,因此未被滤除的K：、A/信号从DROP端口输出。此器件可灵活地对波分复用网络各波道进行上、下路选择,与以往基于布喇格反射型滤波器的光分插复用器结构相比较,无需光环行器。而且由于相移长周期光纤光栅的双带阻滤波特性,在分插信道较多时,光分插复用器中的光栅数目无明显增加。基于这些优点,此复用器有着潜在的应用前景。2 4 5 Chirped光栅宽带滤波器Chirped光栅有带宽较宽,色散补偿率高等特点。但大的色散同宽带宽是矛盾的,所以需要综合考虑。另外,Chiiped光栅的反射谱具有被动性,这种波动性的产生原因与均匀光栅的一样,也不利于应用。适当地修正折射率分布,即使光纤光栅两端折射率调制度逐步递减,可改善这种波动性。Chirped光栅的独特点使它成为研究的热点。利用Chirp型光栅可构成宽带滤波器用于色散补偿和产生超短脉冲。文献15中报导了宽带滤波器用于色散补偿的优化设计。得到Chirp系数值为70 时,可补偿2 5Gb/系统大约100km的传输距离。2 4 6 Mach-Zehnder光纤滤波器M ach-Zehnder光纤滤波器是一种利用两个不同长度的干涉路径去分辨两列不同波长的波的干涉器件,图11为其结构示意图。它由两个3dB光纤耦合器串联,构成一个有两个输入端、两个输出端的光纤M ach -Zehnder干涉仪。干涉仪的两臂长度相差L,两臂的相位要满足一定的条件。引入紫外微调均衡器,当有紫外光照射时,此均衡器将改.图11 M ach-Zehn der光纤滤波器结构示意图FBRIBTF,1輛合器上栽名尽图12两臂均衡的Mach-Zehnder干涉仪型OADM输入针卩BIEJn下.图13全光纤多波长OADM图14可调双折射单模光纤滤波器结构图.s2,tco变光纤纤心的折射率,从而改变。M ach -Zehnder光纤滤波器的原理是基于耦合波理论,其传输特性为：sin2 。,Y= 2tcAL nfc原则上说,这种滤波器可以达到很好的消除串扰的效果。但在实践中,由于严格控制波长的精度比较困难,这种效果和理想情况相差甚远,而且它的通带顶部也不平坦。图12为典型的两臂均衡的M ach Zehnder干涉仪型平面波导OADM。J AL -bert等16用M ach- Zehnder干涉仪原理,把两块长3. 8nm的布拉格光珊置于干涉仪两臂,并用紫外微调均衡技术制作OADM,整个装置长25mm,插入损耗仅1dB,隔离度达36dB,可用于无光放大器的局域网。这种OADM 的优点是偏振不敏感,由于干涉仪两臂随温度变化相同,温度变化时,干涉仪两臂仍会保持平衡。缺点是温度变化时将导致光纤光栅中心波长移动。2 4 7光纤双锥型滤波器双锥型滤波器透射谱由交替出现的峰值和零值组成,工作原理与非等臂的M ach-Zehnder干涉仪相近。但由于BTF由一根光纤组成,所以偏振不敏感。图13所示17的为3波长OADM。它由4个3dB 耦合器,1个光纤布喇格反射滤波器和4个光纤双锥型滤波器组成。插入损耗小,后向反射低,在透射带内色散较低,具有良好的热稳定性和机械稳定性。2 4 8可调双折射单模光纤滤波器如图14所示,此器件是由三个不连续的光纤环组成。其工作原理是基于索尔克滤波器。双折射的产生是通过扭转光纤或相邻的光纤环来实现。它能实现波长调谐,在790 920nm光谱范围内,可调波长范围为4550nm；在10851220nm光谱范围内可调波长范围为125 135nm。2 4 9全光纤声光可调谐滤波器全光纤声光可调谐滤波器利用光纤中声致模式耦合来实现开光或滤波功能。由于是全光纤型的,此器件具有很低的插入损耗,但是窄带宽实现比较困难。图15所示为紧凑型窄带宽偏振敏感的AOTF原理结构图,可以用单模光纤、双模光纤、聚焦光纤耦合器代替Taper光纤。其原理如下:压电变频器产生的声振动通过玻璃锥被放大并传输耦合进入光纤,玻璃锥可以从光纤端面或者侧面耦合入光纤。经过光纤传输,弯曲声波被进一步放大,在Taper 光纤束腰位置达到最大振幅。在束腰处,T ap ered稱图15 Tapered光纤声光可调谐滤波器结构图.合器的周期性微扰使选定波长附近能量从HE /模耦合到高阶模,而高阶模不继续传输。其它的光继续以H E /模式传播,这样就实现了波长选择。在文献18 中已报导了使用Taper光纤的全光纤声光可调谐滤波器。其带宽达到2 8nm,损耗为0. 02dB, 大于20dB的消光比,具有偏振敏感,是目前带宽-长度乘积为最小的产品。此类滤波器带宽可以做得更小,理论上最小的带宽-长度乘积可以达到0 75nm. cm。它可用于波长选择开关、频率转换器等。2 4 10集成阵列波导光栅滤波器图16 AWG的基本结构AWG结构图如图16,是一种平面光波回路,它将一个阵列波导光栅与输入/输出波导阵列、星型平面波导集成在同一块衬底上。基本原理为:从功能上讲,AW G可看成由一个相位控制器,一个衍射光栅, 外加辅助的输入、输出波导组成。其中输入星型波导和阵列波导组成相位控制器,使到达衍射光栅的光波相位与光的输入端口、光波长A有关,与阵列波导输出端面相连的星型波导的输入端面充当衍射光栅的作用。通过对AWG结构参数的合理设计,使得周期性AW G输入、输出端口波长对应关系如图17所示。以4X4AWG为例分析数字滤波的实现:如图18,包含KK4的复用光进入1A,解复用后分别到达2B、4B檢入/檢出波导图17 AWG的基本功能1 A A WO dLB2A2B 3A m3B y4A4R W2信道选择器图18信道选择器端口。若开关1、2均为通光状态,则1B、2B端分别输入KK光,复用后由2A端输出。若开关1通光,开关2不通光,则2A端只输出K光;若开关1不通光,开关2通光,则2A端只输出K2光,这样就实现了数字量控制开关的通断状态。利用集成阵列波导光栅可构成可调谐滤波器,并可实现数字式信道选择,克服了模拟滤波器的缺点。其缺点是光开关数量较大,且AW G的通道利用率较低。文献19提出了采用双向光开关及2X1光开关来减少开关数目的优化结构设计的构想。AW G可以用于复用/解复用、分插复用和交叉互连,它在WDM光网中得到广泛的应用。3结论本文综述了目前比较常见的已应用的和正在研究的滤波器,并讨论了它们的特点。这对选择使用、设计研究滤波器有一定的意义。.参考文献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 L ett, 2000, 12: 120712092 Danielpastor experinentaldemonstration of parallelfibeoptic-basedRF filtering usingWDM techniques IEEE photon Lett , 2000, 12: 77 783 Dobrow lski J A, et al Metal dielectric transmission interference filters w ith low reflectance design Appl Opt , 1995, 34: 56734 Larruquert J I, Keski Kuha RAM,et al M ultilayer coatingsw ith high reflectance in the extrem e ultraviolet spectral range of 50 to 121. 6nm. 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