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光滤波器
阅读:9630时间:2011-05-16 14:34:49

  光滤波器就是光频(或光波长)选择器件,它可以从众多的波长中挑选出所需的波长,而除此波长以外的光将会被拒绝通过。它可以用于波长选择、光放大器的噪声滤除、增益均衡、光复用/解复用。应用最广泛的是基于F-P腔原理和光纤光栅原理的光滤波器。

理论基础

  凡是能够选择光频的技术,原则上都可用于制造光滤波器。光滤波器基本是由以下理论构筑其理论基础。

  1、角色散理论

  由光学理论可知,光栅和三棱镜是一种典型的角色散元件。当多种波长的混合光通过这些元件时,就会发生衍射,由于衍射角的不同,可使混合波发生分离,从而获得单一波长的光。

  a.光栅的分光原理

光栅分光原理示意图

  从光纤输入的混合波(λ1、λ2、λ3),经过透镜(L1)准直后射向光栅,不同波长的光信号由于衍射角不同,经过透镜(L2)聚焦在不同的位置上,并将光信号耦合进不同的光纤中进行输出。这就是光栅的分光原理。

  b.棱镜的分光原理

棱镜的分光原理示意图

  它的工作原理是:含有多个光波长的信号的光,经透镜准直后,通过三棱镜将光分离,分离后的光再经过另一透镜聚焦并耦合进相应的光纤中进行传播。众所周知,不同波长在同一种物质中的传播速度是不一样的,也就是说折射率n(n=c/V)随波长而变。若选用dn/dλ,大的材料作棱镜,就可以得到大的角色散本领和高的色分辨本领。

  此外,若使棱镜面的宽度适当增大并尽可能减小准直透镜的直径,就可获得性能的分光效果。以上系统中的透镜,可以用自聚焦透镜来代替,其效果完全一样。

  2、干涉膜滤波原理

于涉膜潞光器结构示意图

  干涉膜的结构如附图所示。它由两种折射率(n)大小不等的介质膜交替叠加而成。其厚度为1/4波长,通过介质膜的不同选择构成长波通、短波通和带通滤波器。高折射率层反射的光线其相位不会偏移,低折射率层反射的光线其相位偏移180度。通过每层薄膜界面上多次反射和透射光的线性叠加,当光程差等于光波长时,或是同相位时,多次透射光就会发生干涉,同相加强,形成强的透射光波,而反相光波相互抵消。通过适当设计多层介质膜系统,就可得到滤波性能良好的滤光片。

  干涉膜滤光片的每一层薄膜类似于法布里-罗(F-P)腔。众所周知,法布里一泊罗腔的选频特性是基于在腔内形成驻波。通过腔长的控制来控制谐振波的多少,当腔长很短时,只允许几个甚至于一个波存在。由于干涉膜是多层结构,从而可以达到对多种波长的选择。

  总之,利用干涉原理,就可设计出滤波器。例如马赫一曾德(Mach-Zahnder,M-Z)干涉结构就可作光滤波器,如附图所示。输入信号光功率Pin经个3dB耦合器后,等分为P1和P2两部分。由于路程差不同,当到达第二个3dB耦合器时,相位差将决定合成后输出光的强度。同相加强,反相相消。因此,只要调整光波导的长度,便可选出所需要的波长。

  3、耦合模滤波原理

  当两根单模光纤通过熔融拉锥而使其芯部很接近时,在锥形的腰部,其中一根光纤中传输的多波长信号,其基模(芯模)将会通过消失场变为耦合模。而耦合比的大小由锥形几何尺寸分布所决定。当某一波长有较大耦合比时,就可从混合波中分离出来,从而达到光滤波作用。单模光纤方向耦合器作c光解复用器就是利用这种原理。

分类

      基于干涉原理的滤波器:熔锥光纤滤波器、Fabry-Perot滤波器、多层介质膜滤波器、马赫-曾德干涉滤波器。

      基于光栅原理的滤波器:体光栅滤波器、阵列波导光栅滤波器(AWG)、光纤光栅滤波器、声光可调谐滤波器。

      按照选频特性可以分为带通滤波器、带阻滤波器、低通滤波器、高通滤波器以及梳指形滤波器;从选频功能区分可分为固定光频滤波器和可调光滤波器;若从结构上划分,光滤波器的种类很多,如薄膜滤波器(TFF)、阵列波导光栅(AWG) 滤波器、光纤布喇格光栅(FBG)滤波器、全息光栅滤波器、光子晶体滤波器,以及这些结构混合型的滤波器等等。

应用

    光滤波器除在光纤通信、光网络中应用之外. 还在民用高科技产品中有广泛的应用,如电视机、照相机、 手机中的光电显示,在激光及光电子技术中,在航空、 航天、卫星技术等诸多领域都有重要应用。

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