光纖可調(diào)諧濾波器怎么選？光纖可調(diào)諧濾波器的類型

一．基本概念

在展開介紹之前，有必要先解釋“光纖可調(diào)諧濾波器”的概念。首先，這里的“濾波器“指的是光學(xué)濾波器，是一種能對(duì)入射光光譜成分進(jìn)行“篩選”的器件。一般情況下，我們更多關(guān)注的是帶通濾波器。接著，“可調(diào)諧”可以指波長(zhǎng)可調(diào)諧，也可以指帶寬可調(diào)諧。一般情況下，更常見的是波長(zhǎng)可調(diào)諧的濾波器。最后，“光纖”說明該器件的進(jìn)端和出端都是光纖，而且一般是單模光纖或保偏光纖。

二．濾波原理

早在17世紀(jì)，牛頓就利用一塊三棱鏡把白光分成了紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種顏色。三棱鏡實(shí)驗(yàn)反映了光在介質(zhì)中的色散本質(zhì)，它開創(chuàng)了現(xiàn)代物理學(xué)的重要領(lǐng)域——光譜學(xué)研究的先河。

可以想象，如果在三棱鏡前后均加上光纖準(zhǔn)直器，那么對(duì)于一束寬帶光譜的入射光，經(jīng)過三棱鏡后，能通過準(zhǔn)直器耦合回光纖的就只剩下一部分的光譜成分。這就是一個(gè)簡(jiǎn)單的光纖濾波器，如圖2所示。（提示：準(zhǔn)直器的基本結(jié)構(gòu)/作用是將光纖端面放置于凸透鏡的焦點(diǎn)，從而使光纖端面出射的光經(jīng)過透鏡后變成平行光（嚴(yán)格來說是發(fā)散角更小的高斯光束）。反過來，準(zhǔn)直器也可以將入射的平行光耦合回到光纖。準(zhǔn)直器是眾多光纖器件的輸入和輸出端口。）

圖2 基于三棱鏡的光濾波器

帶通光學(xué)濾波器的本質(zhì)是從寬帶的光譜中取出其中的一部分。除了三棱鏡對(duì)光有色散的效果外，衍射光柵也是一類色散元件。利用衍射光柵對(duì)不同波長(zhǎng)的光在空間上的展開，同樣可以制作出光學(xué)濾波器，如圖3所示。

圖3 基于反射光柵的光濾波器

除了可以利用三棱鏡或衍射光柵對(duì)光譜有空間展開的特性外，還可以利用光纖布拉格光柵（FBG）或法布里珀羅腔對(duì)特定波長(zhǎng)光譜具有反射或透射的特性來制作光學(xué)濾波器。圖4是FBG對(duì)寬帶光譜的反射原理圖。布拉格條件為：λ=2neffΛ，其中λ是真空波長(zhǎng)，neff是光纖的有效折射率，Λ為光柵周期。反射峰的中心波長(zhǎng)滿足布拉格條件。

圖4 光纖布拉格光柵（FBG）的選頻原理圖

法布里珀羅（FP）腔是一類非常重要的光學(xué)選頻結(jié)構(gòu)，它由一對(duì)鍍有高反膜的鏡面構(gòu)成，如圖5所示。理論上，F(xiàn)P腔的透射譜是一組梳狀譜。透射峰的中心波長(zhǎng)滿足λ=2nLcosθ/m，其中n為腔內(nèi)介質(zhì)的折射率，L為腔長(zhǎng)，θ為光的入射角，m為正整數(shù)。根據(jù)該表達(dá)式，可以通過改變n、L或θ實(shí)現(xiàn)對(duì)透射峰中心波長(zhǎng)的調(diào)諧。相鄰譜線的間隔稱為自由光譜范圍（FSR），該值與腔長(zhǎng)（光程）成反比。譜線的寬度（3dB帶寬）則由腔長(zhǎng)和鍍膜反射率共同決定。腔長(zhǎng)越長(zhǎng)、反射率越高，則譜線寬度越小。一個(gè)自由光譜范圍含有譜線寬度的數(shù)目稱為精細(xì)度（Finess），它反映了FP腔的分辨率。

圖5 法布里珀羅（FP）腔的選頻原理圖

三．光纖可調(diào)諧濾波器的類型

以上介紹了四種常見的實(shí)現(xiàn)光學(xué)濾波的方案，在實(shí)際的應(yīng)用中，一般基于后三種原理制作光纖可調(diào)諧濾波器。為了達(dá)到調(diào)諧的目的，可以采用手動(dòng)、電機(jī)、MEMS、壓電陶瓷和材料熱脹冷縮等驅(qū)動(dòng)方式。基于各種驅(qū)動(dòng)方法和具體的光學(xué)濾波器結(jié)構(gòu)，可以制作出不同結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧濾波器。

手動(dòng)或電機(jī) +衍射光柵

基于衍射光柵的機(jī)械（手動(dòng)或電機(jī)）調(diào)諧濾波器方案有兩種，如圖6所示。其中，圖6(a)是平頂型透射譜可調(diào)諧濾波器，實(shí)施方案是在第一個(gè)透鏡后方放置可移動(dòng)光闌，通過移動(dòng)光闌選擇不同波長(zhǎng)的光譜透過。圖6(b)是高斯型可調(diào)諧濾波器，實(shí)施方案是通過轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)鏡選擇不同的波長(zhǎng)耦合進(jìn)輸出準(zhǔn)直器。這兩種濾波器優(yōu)點(diǎn)在于波長(zhǎng)重復(fù)性較好、能承受光功率高，缺點(diǎn)在于透射帶寬較大、電動(dòng)調(diào)諧速度慢。主要的應(yīng)用有ASE噪聲抑制、CWDM信道濾波、光脈沖整形和光信號(hào)濾波等。

圖6 基于衍射光柵的可調(diào)諧濾波器

(a) 平頂型透射譜，(b) 高斯型透射譜

（圖片源自WL Photonics產(chǎn)品介紹）

手動(dòng)或電機(jī) + FBG

改變FBG的光柵周期，是制作波長(zhǎng)調(diào)諧FBG濾波器的基本方式。圖6給出了FBG可調(diào)諧濾波器的原理圖。通過驅(qū)動(dòng)夾持FBG的可形變滑片，可以達(dá)到壓縮或拉伸光纖。相應(yīng)地，可以改變FBG的光柵周期，從而實(shí)現(xiàn)反射光波長(zhǎng)可調(diào)諧的目的。該類濾波器的的優(yōu)點(diǎn)在于插入損耗低、承受光功率高，缺點(diǎn)在于反射帶寬小和調(diào)諧范圍小。主要的應(yīng)用有可調(diào)諧激光、光纖傳感和光波混頻等。

圖7 基于改變FBG周期的可調(diào)諧濾波器

（圖片源自FLT Photonics產(chǎn)品介紹）

手動(dòng)或電機(jī) + FP腔

根據(jù)FP腔透射峰中心波長(zhǎng)的公式λ=2nLcosθ/m可知，改變光束的入射角θ則透射波長(zhǎng)相應(yīng)地發(fā)生改變。圖8是這類濾波器的原理圖。圖中，濾波片是一個(gè)兩面均鍍有高反膜的FP腔，通過機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)濾波器的角度可以達(dá)到調(diào)諧濾波目的。這類濾波器在插入損耗、調(diào)諧范圍和承受光功率等方面均表現(xiàn)得中規(guī)中矩，缺點(diǎn)在于電動(dòng)調(diào)諧速度慢。主要的應(yīng)用有DWDM光網(wǎng)絡(luò)、光纖傳感、ASE噪聲抑制和可調(diào)諧激光等。

圖8 基于改變FP腔角度的可調(diào)諧濾波器

MEMS + 衍射光柵

相比于手動(dòng)調(diào)諧結(jié)合衍射光柵的方案，MEMS方案的特點(diǎn)在于反射鏡采用MEMS結(jié)構(gòu)，如圖9所示。MEMS可調(diào)諧濾波器的優(yōu)點(diǎn)在于波長(zhǎng)重復(fù)性好，缺點(diǎn)在于插入損耗較大。主要的應(yīng)用包括可重新配置的光分/插復(fù)用器、光纖傳感、光功率監(jiān)控和低成本光譜儀等。

圖9 基于衍射光柵的MEMS可調(diào)諧濾波器

壓電陶瓷 + FP腔

根據(jù)FP腔的透射峰中心波長(zhǎng)的表達(dá)式可知，除了調(diào)節(jié)光的入射角θ外，還可以調(diào)節(jié)腔的長(zhǎng)度，從而達(dá)到調(diào)諧透射波長(zhǎng)的目的。圖10是基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)光纖FP腔的可調(diào)諧濾波器原理圖。圖中，F(xiàn)P腔由一對(duì)表面鍍有高反膜的光纖構(gòu)成，光纖通過插芯實(shí)現(xiàn)固定和對(duì)準(zhǔn)，壓電陶瓷通過支架驅(qū)動(dòng)插芯和光纖。該類濾波器的優(yōu)點(diǎn)在于插損小、調(diào)諧范圍寬、透射帶寬窄和調(diào)諧速度快，缺點(diǎn)在于波長(zhǎng)重復(fù)性差。主要的應(yīng)用有光譜分析、可調(diào)諧光噪聲濾波、光分/插復(fù)用器和可調(diào)諧光源等。

圖10 基于改變FP腔腔長(zhǎng)的可調(diào)諧濾波器