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技术科普 | 光纤可调谐滤波器怎么选?
日期: 2021-08-28
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一.基本概念

在展开介绍之前,有必要先解释“光纤可调谐滤波器”的概念。首先,这里的“滤波器“指的是光学滤波器,是一种能对入射光光谱成分进行“筛选”的器件。一般情况下,我们更多关注的是带通滤波器。接着,“可调谐”可以指波长可调谐,也可以指带宽可调谐。一般情况下,更常见的是波长可调谐的滤波器。最后,“光纤”说明该器件的进端和出端都是光纤,而且一般是单模光纤或保偏光纤。

二.滤波原理

早在17世纪,牛顿就利用一块三棱镜把白光分成了红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色(图1)。三棱镜实验反映了光在介质中的色散本质,它开创了现代物理学的重要领域——光谱学研究的先河。

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图1 牛顿三棱镜实验

可以想象,如果在三棱镜前后均加上光纤准直器,那么对于一束宽带光谱的入射光,经过三棱镜后,能通过准直器耦合回光纤的就只剩下一部分的光谱成分。这就是一个简单的光纤滤波器,如图2所示。(提示:准直器的基本结构/作用是将光纤端面放置于凸透镜的焦点,从而使光纤端面出射的光经过透镜后变成平行光(严格来说是发散角更小的高斯光束)。反过来,准直器也可以将入射的平行光耦合回到光纤。准直器是众多光纤器件的输入和输出端口。)

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图2 基于三棱镜的光滤波器

带通光学滤波器的本质是从宽带的光谱中取出其中的一部分。除了三棱镜对光有色散的效果外,衍射光栅也是一类色散元件。利用衍射光栅对不同波长的光在空间上的展开,同样可以制作出光学滤波器,如图3所示。

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图3 基于反射光栅的光滤波器

除了可以利用三棱镜或衍射光栅对光谱有空间展开的特性外,还可以利用光纤布拉格光栅(FBG)或法布里珀罗腔对特定波长光谱具有反射或透射的特性来制作光学滤波器。图4是FBG对宽带光谱的反射原理图。布拉格条件为:λ=2neffΛ,其中λ是真空波长,neff是光纤的有效折射率,Λ为光栅周期。反射峰的中心波长满足布拉格条件。

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图4 光纤布拉格光栅(FBG)的选频原理图

法布里珀罗(FP)腔是一类非常重要的光学选频结构,它由一对镀有高反膜的镜面构成,如图5所示。理论上,FP腔的透射谱是一组梳状谱。透射峰的中心波长满足λ=2nLcosθ/m,其中n为腔内介质的折射率,L为腔长,θ为光的入射角,m为正整数。根据该表达式,可以通过改变n、L或θ实现对透射峰中心波长的调谐。相邻谱线的间隔称为自由光谱范围(FSR),该值与腔长(光程)成反比。谱线的宽度(3dB带宽)则由腔长和镀膜反射率共同决定。腔长越长、反射率越高,则谱线宽度越小。一个自由光谱范围含有谱线宽度的数目称为精细度(Finess),它反映了FP腔的分辨率。

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图5 法布里珀罗(FP)腔的选频原理图


三.光纤可调谐滤波器的类型

以上介绍了四种常见的实现光学滤波的方案,在实际的应用中,一般基于后三种原理制作光纤可调谐滤波器。为了达到调谐的目的,可以采用手动、电机、MEMS、压电陶瓷和材料热胀冷缩等驱动方式。基于各种驱动方法和具体的光学滤波器结构,可以制作出不同结构的可调谐滤波器。

手动或电机 + 衍射光栅

基于衍射光栅的机械(手动或电机)调谐滤波器方案有两种,如图6所示。其中,图6(a)是平顶型透射谱可调谐滤波器,实施方案是在第一个透镜后方放置可移动光阑,通过移动光阑选择不同波长的光谱透过。图6(b)是高斯型可调谐滤波器,实施方案是通过转动旋转镜选择不同的波长耦合进输出准直器。这两种滤波器优点在于波长重复性较好、能承受光功率高,缺点在于透射带宽较大、电动调谐速度慢。主要的应用有ASE噪声抑制、CWDM信道滤波、光脉冲整形和光信号滤波等。

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图6 基于衍射光栅的可调谐滤波器 

(a) 平顶型透射谱,(b) 高斯型透射谱

(图片源自WL Photonics产品介绍)

手动或电机 + FBG

改变FBG的光栅周期,是制作波长调谐FBG滤波器的基本方式。图6给出了FBG可调谐滤波器的原理图。通过驱动夹持FBG的可形变滑片,可以达到压缩或拉伸光纤。相应地,可以改变FBG的光栅周期,从而实现反射光波长可调谐的目的。该类滤波器的的优点在于插入损耗低、承受光功率高,缺点在于反射带宽小和调谐范围小。主要的应用有可调谐激光、光纤传感和光波混频等。

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图7 基于改变FBG周期的可调谐滤波器

(图片源自FLT Photonics产品介绍)

手动或电机 + FP腔

根据FP腔透射峰中心波长的公式λ=2nLcosθ/m可知,改变光束的入射角θ则透射波长相应地发生改变。图8是这类滤波器的原理图。图中,滤波片是一个两面均镀有高反膜的FP腔,通过机械转动滤波器的角度可以达到调谐滤波目的。这类滤波器在插入损耗、调谐范围和承受光功率等方面均表现得中规中矩,缺点在于电动调谐速度慢。主要的应用有DWDM光网络、光纤传感、ASE噪声抑制和可调谐激光等。

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图8 基于改变FP腔角度的可调谐滤波器

MEMS + 衍射光栅

相比于手动调谐结合衍射光栅的方案,MEMS方案的特点在于反射镜采用MEMS结构,如图9所示。MEMS可调谐滤波器的优点在于波长重复性好,缺点在于插入损耗较大。主要的应用包括可重新配置的光分/插复用器、光纤传感、光功率监控和低成本光谱仪等。

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图9 基于衍射光栅的MEMS可调谐滤波器

压电陶瓷 + FP腔

根据FP腔的透射峰中心波长的表达式可知,除了调节光的入射角θ外,还可以调节腔的长度,从而达到调谐透射波长的目的。图10是基于压电陶瓷驱动光纤FP腔的可调谐滤波器原理图。图中,FP腔由一对表面镀有高反膜的光纤构成,光纤通过插芯实现固定和对准,压电陶瓷通过支架驱动插芯和光纤。该类滤波器的优点在于插损小、调谐范围宽、透射带宽窄和调谐速度快,缺点在于波长重复性差。主要的应用有光谱分析、可调谐光噪声滤波、光分/插复用器和可调谐光源等。

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图10 基于改变FP腔腔长的可调谐滤波器

特别介绍光库科技光纤可调谐滤波器

光库科技独立自主研发了新一代基于压电陶瓷驱动的光纤FP腔可调谐滤波器,成为全球几家掌握该技术的公司之一。基于精密的光纤对准技术和巧妙的机械结构,光库科技的光纤可调谐滤波器在插入损耗、调谐频率和调谐范围等多个参数上表现优秀,特别适用于制作扫频光源和光纤传感系统。

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图11 光库科技光纤可调谐滤波器









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