F-P可調(diào)諧濾波器

1、可調(diào)諧F-P濾波器 劉志杰 時(shí)光 Sheila 1提綱一、FP濾波器的歷史和發(fā)展二、FP濾波器的基本原理和參數(shù)三、可調(diào)諧FP濾波器的分類及實(shí)現(xiàn)方法四、可調(diào)諧FP濾波器的應(yīng)用2光濾波器只讓特定的光波長的光通過，并阻止其他光波長通過基于干涉原理 熔錐光纖濾波器 FabryFabry-Perot-Perot濾波器濾波器 多層介質(zhì)膜濾波器 馬赫-曾德干涉濾波器基于光柵原理 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3F-P濾波器的歷史和發(fā)展1897年由C.Fabry和A.Perot提出的平行平面腔干涉儀。由于這種干涉儀所產(chǎn)生的干涉條紋非常細(xì)銳，因此它一直是長度計(jì)量和研

2、究超精細(xì)光譜的有效工具。1960年在世界上第一臺激光器紅寶石激光器中，F(xiàn)-P腔起到了選模作用。F-P腔成為激光器的重要組成部分。20世紀(jì)80年代，隨著硅、微機(jī)械加工技術(shù)的進(jìn)展，為了滿足光通信、傳感和激光等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用需求，提出了可調(diào)諧F-P腔，通常被用作可調(diào)諧濾波器。 4F-P濾波器的主要應(yīng)用 光插分復(fù)用器（OADM）光通信領(lǐng)域 解調(diào)器傳感探測領(lǐng)域 模式和波長選擇激光領(lǐng)域5可調(diào)諧F-P濾波器的優(yōu)點(diǎn)插入損耗低，可調(diào)諧范圍廣，精細(xì)度高體積小，溫度穩(wěn)定性好，工作溫度范圍寬，易于與光纖集成，光譜分辨率較高，條紋細(xì)度極高結(jié)構(gòu)靈活，成本低，可做成不同結(jié)構(gòu)來滿足各種自由光譜區(qū)的需求6F-P干涉儀的結(jié)構(gòu)和工

3、作原理利用兩個(gè)平行放置的介質(zhì)平板構(gòu)成一個(gè)平-平腔，介質(zhì)板內(nèi)表面鍍高反射膜，形成兩個(gè)反射鏡面。 7平行平板多光束干涉位相差inndinndindDFnABnT22122221sin2sin2cos22indT22sin2相鄰兩束透射光之間的光程差ind220sin4對應(yīng)的位相差8多光束干涉的強(qiáng)度分布11aEt設(shè)第一束透射光復(fù)振幅為a1，初位相為0，光波在平板兩內(nèi)表面間反射系數(shù)為r，相鄰相干光束之間位相差為)exp(122jarEt)2exp(143jarEt) 1(exp(1)1(22 kjarEkt定域面上合振幅)exp(1211jraEEktkT9多光束干涉的強(qiáng)度分布干涉場強(qiáng)度2r02021

4、)1 (III)2/(sin4)1 ()1 (2220IIT4221cos21rraEEITTT211aI 反射光束干涉強(qiáng)度)2/(sin4)1 ()2/(sin422020IIIITR10越大，亮紋越銳越大，暗紋越銳多光束干涉的強(qiáng)度分布透射場反射場11多光束干涉的襯比度襯比度端面反射率襯比度221RRMmMmIIII12F-P腔的選頻功能光在FP腔內(nèi)多次反射和透射相干疊加，其結(jié)果使透射光的光譜結(jié)構(gòu)明顯地區(qū)別于入射光譜，F(xiàn)P腔將入射光的連續(xù)寬光譜改變?yōu)橥干涔獾臏?zhǔn)分立譜。那些能出現(xiàn)譜峰的特定波長，必定滿足往返光程差為其波長的整數(shù)倍。即：2cosmnLm13F-P腔的參數(shù)其中n為腔內(nèi)折射率，m為正

5、整數(shù)。中心波長中心波長(c)根據(jù)F-P腔的諧振特性有142cosmnLmF-P腔的參數(shù)增加FSR范圍有兩種方法: 一，減小腔內(nèi)介質(zhì)的折射率n 二，減小腔長。CnLFSR22自由光譜范圍自由光譜范圍(FSR)兩個(gè)相鄰的透射極大值對應(yīng)的波長間隔為一個(gè)FSR。自由光譜范圍(FSR) 在空間域可表示為:15F-P腔的參數(shù)RCFFSRRRnL122通帶半寬度通帶半寬度(FWHM)透射率強(qiáng)度為峰值一半的兩個(gè)點(diǎn)對應(yīng)的波長差叫通帶半寬度，可以用來表征條紋的銳度，也稱為3dB帶寬。當(dāng)反射率R確定之后，當(dāng)自由光譜范圍變大的時(shí)候，也會(huì)隨著變大，可調(diào)諧F一P濾波器的濾波特性也會(huì)變差。16F-P腔的參數(shù)中心波長透射率中

6、心波長透射率 當(dāng)入射波長為中心波長時(shí)，F(xiàn)-P腔的透過率有最大值,理想FP干涉儀(鏡面對稱，不存在吸收損耗和鏡面缺陷)的峰值透射率為1 考慮吸收損耗： 其中A為兩側(cè)膜的吸收散射損耗，R為膜的反射率2max(1)1ATR17F-P腔的參數(shù)1RRFR精細(xì)度（精細(xì)度（ ）它的定義為自由光譜范圍和半通帶寬度的比值：它表征了器件的分辨能力。精細(xì)度越高，F(xiàn)-P濾波器的濾波特性就越好。在理想情況下，精細(xì)度只和F-P腔鏡的反射率R有關(guān)系，反射率R越大，精細(xì)度越高。端面反射率精細(xì)度RF18影響F-P濾波器性能的因素由上可知，理想的F-P濾波器的性能取決于F-P腔的光學(xué)長度和腔鏡的反射率實(shí)際的FP濾波器中，對反射鏡

7、平板的平行度、粗糙度和反射鏡薄膜表面的缺陷控制都要求非常高，因?yàn)檫@些誤差都會(huì)造成光線的散射等，從而降低FP濾波器的性能。19影響F-P濾波器性能的因素腔體端面平行度對F-P濾波器性能影響相鄰兩個(gè)透射光束的相位差則不再為恒定值，透射光束數(shù)目減少a=5mrada=1mrada=020影響F-P濾波器性能的因素腔內(nèi)損耗對F-P濾波器性能影響精細(xì)度峰值透過率鏡面透過率1%0.01%0.2%2%0.01%0.2%21可調(diào)諧F-P濾波器原理利用機(jī)械、壓電、電光和熱效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)中心波長調(diào)制。2cosmnLm22可調(diào)諧F-P濾波器的分類TFP折射率調(diào)諧液晶型FP波導(dǎo)型FP角度調(diào)諧腔長調(diào)諧FP體濾波器光纖型FPM

8、EMS FP23可調(diào)諧F-P體濾波器（Bulk Filter）逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：在外電場作用下壓電體會(huì)產(chǎn)生形變PZT壓電陶瓷(鋯鈦酸鉛) 壓電應(yīng)變常數(shù)=1010/gm V24光纖FP 濾波器l 在兩光纖端面鍍上高反膜，光纖本身構(gòu)成F-P腔。壓電陶瓷拉伸光纖來調(diào)控腔長。l 腔長長，F(xiàn)SR較小l光纖端面與中間的空氣腔形成F-P腔，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)其中之一的腔鏡沿軸向運(yùn)動(dòng)，對腔長進(jìn)行掃描。l腔長一般小于10m ， FSR 較大，插入損耗較大。25改進(jìn)型波導(dǎo)腔FFPF在空氣隙腔濾波器的基礎(chǔ)上，腔內(nèi)加入一段光纖波導(dǎo)，通過調(diào)節(jié)波導(dǎo)段的長度來調(diào)整其FSR（其長度一般100m 到厘米量級）。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)

9、也使第二種FFPF 存在的模式失配和插入損耗較大的問題得到解決。26光纖FP 濾波器光纖FabryPerot 濾波器的特點(diǎn)是：l 纖入纖出，器件的損耗可以做到比較小，約3dB 左右；l FSR 覆蓋范圍極大，可根據(jù)不同的要求以不同的結(jié)構(gòu)來滿足其不同的FSR，從MHz 量級到上百個(gè)nm；l 分辨率較高，精細(xì)度可以做到上千；l 器件穩(wěn)定性好，偏振無關(guān)；調(diào)諧簡單。該濾波器用途較為廣泛，在光纖傳感系統(tǒng)可用作傳感元件進(jìn)行溫度，壓強(qiáng)和應(yīng)力的測量；在光通訊系統(tǒng)中，可作在WDM 系統(tǒng)的解復(fù)用，還可用在光纖環(huán)形激光器中實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧波長輸出，用在摻鉺光纖放大器（EDFA）中進(jìn)行噪聲抑制等。27MEMS（Micro-

10、electro Mechanical Systems微機(jī)電系統(tǒng)) F-P可調(diào)諧濾波器 l 該濾波器是通過在F-P兩高反鏡上微機(jī)電驅(qū)動(dòng)裝置，加上反偏電壓后利用靜電力或熱應(yīng)變的作用使腔長收縮而持續(xù)調(diào)節(jié)濾波器的諧振波長。l鏡面受到靜電力，梁彈性形變產(chǎn)生恢復(fù)力，根據(jù)力平衡關(guān)系得到電壓與鏡面位移關(guān)系。l電動(dòng)機(jī)械濾波器通常由常規(guī)半導(dǎo)體技術(shù)制成，其調(diào)諧速度較慢，在毫秒和微秒之間。28液晶光調(diào)諧濾波器l 在F-P諧振腔內(nèi)填充液晶材料，利用加電場后液晶分子的晶向排列會(huì)發(fā)生變化從而改變其折射率，因此可以改變F-P腔的光學(xué)厚度，完成對中心波長的調(diào)制。l 液晶F-P濾波器的精細(xì)度較高，調(diào)制范圍為幾十納米，調(diào)制時(shí)間在微

11、秒量級。l 屬于塊狀結(jié)構(gòu)，不利于與光纖的輸入輸出耦合;FSR 在50nm 左右；插入損耗在4dB 左右；分辨率在0.170.4nm 左右；調(diào)諧電壓低；偏振態(tài)敏感；液晶存在散射損耗與吸收。29液晶光調(diào)諧濾波器此濾波器可用作WDMA 光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的信號解調(diào)器，可調(diào)諧激光器中的調(diào)諧元件，還可以用于光譜成像系統(tǒng)中進(jìn)行目標(biāo)識別。當(dāng)3Uth U 時(shí)，指向矢方向與外加電場方向基本平行，液晶F-P濾波器光學(xué)特性與偏振無關(guān)，此時(shí)o 光e 光有相同的諧振波長.30波導(dǎo)FP 濾波器左圖是一個(gè)Ti:LiNb03 波導(dǎo)濾波器。沿著y 軸方向的Ti 擴(kuò)散的直波導(dǎo)制作在X 切的LiNb03 襯底上。波導(dǎo)的兩端拋光后鍍上反射

12、率為89的絕緣反射膜。濾波器的中心波長是通過在波導(dǎo)上加電壓由電光效應(yīng)來調(diào)節(jié)的，其調(diào)諧速度可以達(dá)到50ns。在拋光后的波導(dǎo)兩端鍍上高反膜，通過在波導(dǎo)上加電壓由電光效應(yīng)來調(diào)節(jié)濾波器的中心波長。由于它利用的是電光效應(yīng)，調(diào)節(jié)速度可達(dá)至ns級。31高性能的濾波器需滿足以下要求：調(diào)諧范圍大精細(xì)度高透射率高響應(yīng)速度快32可調(diào)諧濾波器性能比較33可調(diào)諧F-P濾波器的應(yīng)用在可調(diào)諧光濾波器的眾多技術(shù)方案中，目前商用化的可調(diào)諧濾波器主要基于三種技術(shù)：光纖FP技術(shù)(Micron Optics公司)，MEMS-FP技術(shù)(NP Photonics公司)和線性可變?yōu)V波片LVF技術(shù)(Santec公司等)，國內(nèi)尚無產(chǎn)品推出，基

13、本依賴進(jìn)口?；趬弘婒?qū)動(dòng)的光纖FP型可調(diào)濾波器的濾波特性最好，但由于封裝難度較大，成本高，價(jià)格相當(dāng)昂貴，同時(shí)壓電材料固有的遲滯效應(yīng)是其目前無法克服的問題。MEMS-FP型可調(diào)濾波器具有較好的綜合性能指標(biāo)，基本能滿足當(dāng)前光通信與光纖傳感領(lǐng)域的一些應(yīng)用需求，但是制備工藝技術(shù)不穩(wěn)定，供貨非常有限。基于LVF技術(shù)的可調(diào)濾波器有多家公司可以提供，但響應(yīng)速度慢，應(yīng)用上受到很大限制。34可調(diào)諧F-P濾波器的應(yīng)用傳感領(lǐng)域作為解調(diào)器，是決定整個(gè)系統(tǒng)性能的核心器件。光通信領(lǐng)域被用作波分復(fù)用（WDM）器件。激光領(lǐng)域在激光腔內(nèi)進(jìn)行模式選擇，使激光器實(shí)現(xiàn)單頻輸出。35困境： 光纖Bragg光柵近幾年在國內(nèi)的發(fā)展非常迅速

14、，但是對其波長編碼信號的解調(diào)一直是制約著光纖Bragg光柵傳感器廣泛應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)。新方法： 基于光纖F-P濾波器的FBG傳感解調(diào)系統(tǒng)不僅具有體積小、價(jià)格低、光能利用率高、操作簡單等優(yōu)勢，而且可以直接輸出對應(yīng)于波長變化的電信號，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的多點(diǎn)同時(shí)測量，因此是目前最具發(fā)展前景且實(shí)用性較好的解調(diào)方法。F-P濾波器在傳感解調(diào)中的應(yīng)用36F-P濾波器在傳感解調(diào)中的應(yīng)用寬帶光源耦合器隔離器DSP系統(tǒng)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)和采集電路可調(diào)諧F-P腔光電探測器放大、濾波電路IV轉(zhuǎn)換電路傳感光纖光柵37F-P濾波器在傳感解調(diào)中的應(yīng)用 本方法總結(jié)： 基于光纖F - P濾波器的FBG傳感解調(diào)系統(tǒng)不僅具有體積小、價(jià)格低、光能利用

15、率高、操作簡單等優(yōu)勢,而且可以直接輸出對應(yīng)于波長變化的電信號,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的多點(diǎn)同時(shí)測量,因此是目前最具發(fā)展前景且實(shí)用性較好的解調(diào)方法。隨著研究的不斷深入,光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)會(huì)向著實(shí)用性更強(qiáng)的方向發(fā)展。該解調(diào)方案還有待于進(jìn)一步完善來提高其解調(diào)精度和速度以達(dá)到更好的解調(diào)效果。38F-P 腔的波長可調(diào)諧光分插復(fù)用器WDM波分復(fù)用系統(tǒng)的發(fā)展趨勢：1.超長途DWDM設(shè)備近年來成為傳輸界關(guān)注的焦點(diǎn)。2.可重構(gòu)的光分插復(fù)用器是目前業(yè)界的熱點(diǎn)話題。3.光交叉連接設(shè)備是未來智能化光網(wǎng)絡(luò)的核心。39F-P 腔的波長可調(diào)諧光分插復(fù)用器常見幾種類型OADM優(yōu)缺點(diǎn)：1.解復(fù)用器+開光陣列+復(fù)用器型OADM結(jié)構(gòu)簡單，對上下載

16、話路的控制比較容易，但目前機(jī)械光開關(guān)的時(shí)延和器件損耗都較大。2.可調(diào)諧光纖光柵型OADM缺點(diǎn)在于下載波長的隔離度不是很高，一般在25dB左右，并且成本高。3.陣列波導(dǎo)光柵（AWG）型則濾波形狀較差、信道間隔離度小、需要溫度控制。新方法：基于F-P腔濾波器的波長可調(diào)諧光分插復(fù)用器，可實(shí)現(xiàn)WDM全光通信信網(wǎng)中一路或多路波長信號同時(shí)上下載話路功能。40F-P 腔的波長可調(diào)諧光分插復(fù)用器輸入端輸出端PZT上載端下載端OADM基本結(jié)構(gòu)這種新型OADM一個(gè)重要的特點(diǎn)是同頻串?dāng)_很小,甚至可以通過改進(jìn)結(jié)構(gòu),基本消除同頻串?dāng)_.在圖所示的基本結(jié)構(gòu)中,同頻串?dāng)_主要是來源于上載端口對下載端口的串?dāng)_,但當(dāng)微調(diào)上載端準(zhǔn)直

17、器與輸出端,下載端與輸入端稍微失準(zhǔn)時(shí),上載端與下載端的間損耗相當(dāng)大,因此這種同頻串?dāng)_很小.輸入端輸出端PZT上載端下載端耦合器F-P腔41F-P 濾波器在光纖激光器中的應(yīng)用目前，可調(diào)諧F-P濾波器在激光領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，在監(jiān)視激光模式、測量并壓窄激光線寬、激光穩(wěn)頻、量子光學(xué)、激光光譜學(xué)等方面起到了重要的作用?？烧{(diào)諧F-P濾波器可分成光纖F-P濾波器、液晶F-P濾波器、微型電動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)F-P濾波器和固體F-P濾波器等。42F-P 濾波器在光纖激光器中的應(yīng)用美國MicroOptics公司生產(chǎn)的FFP-TF2濾波器最具有代表性, 它具有性能穩(wěn)定、精細(xì)度高和線寬窄等優(yōu)點(diǎn), 在光纖傳感器和低功率光纖激光器領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。但是該光纖濾波器價(jià)格偏高, 對于經(jīng)過的光纖功率限制較嚴(yán), 不能在高功率可調(diào)諧光纖激光器中使用, 否則, 很容易損壞由光纖端面構(gòu)成的反射膜面, 并進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)濾波器損壞。43F-P 濾波器在光纖激光器中