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。

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

由光學理論可知，光柵和三棱鏡是一種典型的角色散元件。當多種波長的混合光通過這些元件時，就會發(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）準直后射向光柵，不同波長的光信號由于衍射角不同，經(jīng)過透鏡（L2）聚焦在不同的位置上，并將光信號耦合進不同的光纖中進行輸出。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擾，信道之間的間隔應(yīng)遠大干復(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)或周期性光學性質(zhì)的結(jié)構(gòu)者都可認為它是一種光柵。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數(shù)。當然，這種追求會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：含有多個光波長的信號的光，經(jīng)透鏡準直后，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相應(yīng)的光纖中進行傳播。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增大并盡可能減小準直透鏡的直徑，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，當光程差等于光波長時，或是同相位時，多次透射光就會發(fā)生干涉，同相加強，形成強的透射光波，而反相光波相互抵消。通過適當設(shè)計多層介質(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，當腔長很短時，只允許幾個甚至于一個波存在。由于干涉膜是多層結(jié)構(gòu)，從而可以達到對多種波長的選擇。

總之，利用干涉原理，就可設(shè)計出濾波器。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。輸入信號光功率Pin經(jīng)第一個3dB耦合器后，等分為P1和P2兩部分。由于路程差不同，當?shù)竭_第二個3dB耦合器時，相位差將決定合成后輸出光的強度。同相加強，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

當兩根單模光纖通過熔融拉錐而使其芯部很接近時，在錐形的腰部，其中一根光纖中傳輸?shù)亩嗖ㄩL信號，其基模（芯模）將會通過消失場變?yōu)轳詈夏！６詈媳鹊拇笮∮慑F形幾何尺寸分布所決定。當某一波長有較大耦合比時，就可從混合波中分離出來，從而達到光濾波作用。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）。當復(fù)用光波信號從1端口輸入時，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λ3從端口4輸入時，而由于耦合而進入端口2的復(fù)用光波之中，從而實現(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。

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。

本項目基于準相位匹配技術(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)點結(jié)構(gòu)，提高網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)重構(gòu)能力，適應(yīng)了光通信器件的發(fā)展的要求。同時，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》的認可。項目組所在的光通信與光波技術(shù)教育部重點實驗室具備相應(yīng)的實驗設(shè)備。項目組成員構(gòu)成合理并做了充分準備。詳細的理論和數(shù)值計算表明，有望率先研制出一臺具有路由功能的寬帶可調(diào)全光波長轉(zhuǎn)換器樣機。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。