光濾波器理論基礎(chǔ)

籠統(tǒng)地講，凡是能夠選擇光頻的技術(shù)，原則上都可用于制造光濾波器。光濾波器基本是由以下理論構(gòu)筑其理論基礎(chǔ)。

光濾波器角色散理論

由光學(xué)理論可知，光柵和三棱鏡是一種典型的角色散元件。當(dāng)多種波長的混合光通過這些元件時(shí)，就會(huì)發(fā)生衍射，由于衍射角的不同，可使混合波發(fā)生分離，從而獲得單一波長的光。

a.光柵的分光原理

附圖是利用光柵將混合光波進(jìn)行分離的原理示意圖。從光纖輸入的混合波（λ1、λ2、λ3），經(jīng)過透鏡（L1）準(zhǔn)直后射向光柵，不同波長的光信號(hào)由于衍射角不同，經(jīng)過透鏡（L2）聚焦在不同的位置上，并將光信號(hào)耦合進(jìn)不同的光纖中進(jìn)行輸出。這就是光柵的分光原理。

角色散元件的主要性能指標(biāo)是角色散和色分辨本領(lǐng)。角色散本領(lǐng)是相距單位波長的光波被散開（分離）的角度。其表達(dá)式為：

D(θ)δθ/δλ

它的物理意義是表明不同波長的譜線中心分開的程度。而色分辨本領(lǐng)是分辨波長很接近的譜線的能力，它定義為：

R=λ/δλmin

式中δλmin是瑞利判據(jù)所規(guī)定的角色散元件能夠分辨的兩譜線的最小波長差。由這里可以想象到，在密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)，為了減少光信道之間的串?dāng)_，信道之間的間隔應(yīng)遠(yuǎn)大干復(fù)用器能夠分辨的最小波長差。在這里須指出，光柵的含義不僅僅是指在單位距離內(nèi)所刻蝕出的眾多溝槽的那一種結(jié)構(gòu)。凡是具有周期性空間結(jié)構(gòu)或周期性光學(xué)性質(zhì)的結(jié)構(gòu)者都可認(rèn)為它是一種光柵。也就是說，應(yīng)該從廣義上去理解光柵。

光柵的相鄰兩峰之間的距離，通常稱為光柵常數(shù)，記作d。依此表示的角色散本領(lǐng)為：

D（θ）=K/（2dcosθ）

色分辨本領(lǐng)為：

R∝NK

上兩式中，K是光柵的衍射級(jí)數(shù)。由此可知D（θ）與d成反比，與K成正比。而色分辨本領(lǐng)與光柵的總槽數(shù)N和K成正比。因此，要想得到性能好的光柵，總槽數(shù)N應(yīng)盡量大，光柵常數(shù)d應(yīng)盡量小，并盡量選用高的衍射級(jí)數(shù)。當(dāng)然，這種追求會(huì)給光柵的制造帶來一定的困難。

b.棱鏡的分光原理

棱鏡的分光原理如附圖所示。它的工作原理是：含有多個(gè)光波長的信號(hào)的光，經(jīng)透鏡準(zhǔn)直后，通過三棱鏡將光分離，分離后的光再經(jīng)過另一透鏡聚焦并耦合進(jìn)相應(yīng)的光纖中進(jìn)行傳播。眾所周知，不同波長在同一種物質(zhì)中的傳播速度是不一樣的，也就是說折射率n（n=c/V）隨波長而變。若選用dn/dλ，大的材料作棱鏡，就可以得到大的角色散本領(lǐng)和高的色分辨本領(lǐng)。

此外，若使棱鏡面的寬度適當(dāng)增大并盡可能減小準(zhǔn)直透鏡的直徑，就可獲得最佳性能的分光效果。以上系統(tǒng)中的透鏡，可以用自聚焦透鏡來代替，其效果完全一樣。

光濾波器干涉膜濾波原理

干涉膜的結(jié)構(gòu)如附圖所示。它由兩種折射率（n）大小不等的介質(zhì)膜交替疊加而成。其厚度為1/4波長，通過介質(zhì)膜的不同選擇構(gòu)成長波通、短波通和帶通濾波器。高折射率層反射的光線其相位不會(huì)偏移，低折射率層反射的光線其相位偏移180度。通過每層薄膜界面上多次反射和透射光的線性疊加，當(dāng)光程差等于光波長時(shí)，或是同相位時(shí)，多次透射光就會(huì)發(fā)生干涉，同相加強(qiáng)，形成強(qiáng)的透射光波，而反相光波相互抵消。通過適當(dāng)設(shè)計(jì)多層介質(zhì)膜系統(tǒng)，就可得到濾波性能良好的濾光片。

干涉膜濾光片的每一層薄膜類似于法布里-羅（F-P）腔。眾所周知，法布里一泊羅腔的選頻特性是基于在腔內(nèi)形成駐波。通過腔長的控制來控制諧振波的多少，當(dāng)腔長很短時(shí)，只允許幾個(gè)甚至于一個(gè)波存在。由于干涉膜是多層結(jié)構(gòu)，從而可以達(dá)到對(duì)多種波長的選擇。

總之，利用干涉原理，就可設(shè)計(jì)出濾波器。例如馬赫一曾德（Mach-Zahnder，M-Z）干涉結(jié)構(gòu)就可作光濾波器，如附圖所示。輸入信號(hào)光功率Pin經(jīng)第一個(gè)3dB耦合器后，等分為P1和P2兩部分。由于路程差不同，當(dāng)?shù)竭_(dá)第二個(gè)3dB耦合器時(shí)，相位差將決定合成后輸出光的強(qiáng)度。同相加強(qiáng)，反相相消。因此，只要調(diào)整光波導(dǎo)的長度，便可選出所需要的波長。

光濾波器耦合模濾波原理

當(dāng)兩根單模光纖通過熔融拉錐而使其芯部很接近時(shí)，在錐形的腰部，其中一根光纖中傳輸?shù)亩嗖ㄩL信號(hào)，其基模（芯模）將會(huì)通過消失場變?yōu)轳詈夏！６詈媳鹊拇笮∮慑F形幾何尺寸分布所決定。當(dāng)某一波長有較大耦合比時(shí)，就可從混合波中分離出來，從而達(dá)到光濾波作用。單模光纖方向耦合器作c光解復(fù)用器就是利用這種原理。

附圖是利用耦合模理論制作的光濾波器及光的上下復(fù)用器（OADM）。當(dāng)復(fù)用光波信號(hào)從1端口輸入時(shí)，由于耦合模λ3與微球諧振腔發(fā)生共振，而從端口3輸出（濾波作用）。當(dāng)λ3從端口4輸入時(shí)，而由于耦合而進(jìn)入端口2的復(fù)用光波之中，從而實(shí)現(xiàn)了OADM的功能。以上是光濾波器的最基本也是最重要的理論基礎(chǔ)。利用這些理論或這些理論的相互結(jié)合就可研制出各種各樣的光濾波器。各種光濾波器大都是以這些理論作為依據(jù)的，包括平面集成器件，如AWG等。除以上之外，還有一些其它方法，如利用雙折射原理，也可制作光濾波器。

基于干涉原理的濾波器：熔錐光纖濾波器、Fabry-Perot濾波器、多層介質(zhì)膜濾波器、馬赫-曾德干涉濾波器。

基于光柵原理的濾波器：體光柵濾波器、陣列波導(dǎo)光柵濾波器（AWG）、光纖光柵濾波器、聲光可調(diào)諧濾波器。

附圖分別是基于干涉原理的多層介質(zhì)膜濾波器原理圖和基于光柵原理的體型光柵濾波器示意圖。

光耦合器或者光復(fù)用器是把不同波長的光復(fù)用到一根光纖中的，不同的波長傳載著不同的信息。那么在接收端，要從光纖中分離出所需的波長，就要用到光濾波器。

本項(xiàng)目基于準(zhǔn)相位匹配技術(shù)，在國際上首次采用和頻 差頻效應(yīng)和雙通構(gòu)型，不但能實(shí)現(xiàn)可變輸入-可變輸出的可調(diào)波長轉(zhuǎn)換，提高了轉(zhuǎn)換效率，而且具有靈活的路由功能，實(shí)現(xiàn)了波長轉(zhuǎn)換和波長路由功能的融合。將其應(yīng)用在光網(wǎng)絡(luò)中，可以簡化節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，提高網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)能力，適應(yīng)了光通信器件的發(fā)展的要求。同時(shí)，方案也可以很方便的配置成可調(diào)光濾波器、可調(diào)光波長轉(zhuǎn)換器、可調(diào)波長上路器以及可調(diào)波長下路器/可調(diào)光濾波器/可調(diào)光信道監(jiān)控器。方案的創(chuàng)新性和可行性得到《IEEE Journal of Quantum Electronics》的認(rèn)可。項(xiàng)目組所在的光通信與光波技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室具備相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。項(xiàng)目組成員構(gòu)成合理并做了充分準(zhǔn)備。詳細(xì)的理論和數(shù)值計(jì)算表明，有望率先研制出一臺(tái)具有路由功能的寬帶可調(diào)全光波長轉(zhuǎn)換器樣機(jī)。研究成果可廣泛應(yīng)用于光開關(guān)、光參量振蕩、光參量放大、倍頻等領(lǐng)域。