F P可調(diào)諧濾波器ppt課件

1、可調(diào)諧F-P濾波器,劉志杰 時光 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,3,F-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銳，因此它一直是長度計量和研究超精細光譜的有效工具。 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80年代，隨著硅、微機械加工技術(shù)的進展，為了滿足光通信

2、、傳感和激光等領(lǐng)域的實際應(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。,4,F-P濾波器的主要應(yīng)用,5,可調(diào)諧F-P濾波器的優(yōu)點,插入損耗低，可調(diào)諧范圍廣，精細度高 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,6,F-P干涉儀的結(jié)構(gòu)和工作原理,利用兩個平行放置的介質(zhì)平板構(gòu)成一個平-平腔，介質(zhì)板內(nèi)表面鍍高反射膜，形成兩個反射鏡面。,7,平行平板多光束干涉位相差,相鄰兩束透射光之間的光程差,對應(yīng)的位相差,8,多光束干涉的強度分布,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

3、反射系數(shù)為r，相鄰相干光束之間位相差為,定域面上合振幅,9,多光束干涉的強度分布,干涉場強度,反射光束干涉強度,10,越大，亮紋越銳,越大，暗紋越銳,多光束干涉的強度分布,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,12,F-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：,13,F-P腔的參數(shù),其中n為腔內(nèi)折射率，m為正整數(shù)。,中心波長(c) 根據(jù)F-P腔的諧振特性有,14,F-P腔的參數(shù),增加FSR

4、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。,自由光譜范圍(FSR) 兩個相鄰的透射極大值對應(yīng)的波長間隔為一個FSR。 自由光譜范圍(FSR) 在空間域可表示為:,15,F-P腔的參數(shù),通帶半寬度(FWHM) 透射率強度為峰值一半的兩個點對應(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候，也會隨著變大，可調(diào)諧F一P濾波器的濾波特性也會變差。,16,F-P腔的參數(shù),中心波長透射率 當(dāng)入射波長為中心波長時，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

5、中A為兩側(cè)膜的吸收散射損耗，R為膜的反射率,17,F-P腔的參數(shù),精細度（ ） 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，精細度只和F-P腔鏡的反射率R有關(guān)系，反射率R越大，精細度越高。,端面反射率,精細度,18,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 實際的FP濾波器中，對反射鏡平板的平行度、粗糙度和反射鏡薄膜表面的缺陷控制都要求非常高，因為這些誤差都會造成光線的散射等，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

6、F-P濾波器性能影響 相鄰兩個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=5mrad,a=1mrad,a=0,20,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,利用機械、壓電、電光和熱效應(yīng)來實現(xiàn)中心波長調(diào)制。,22,可調(diào)諧F-P濾波器的分類,23,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產(chǎn)生形變 PZT壓電陶瓷(鋯鈦酸鉛) 壓電應(yīng)變常數(shù)=,24,光纖FP 濾波器,在兩光纖端面鍍上高反膜，光纖本身

7、構(gòu)成F-P腔。壓電陶瓷拉伸光纖來調(diào)控腔長。 腔長長，F(xiàn)SR較小,光纖端面與中間的空氣腔形成F-P腔，壓電陶瓷驅(qū)動其中之一的腔鏡沿軸向運動，對腔長進行掃描。 腔長一般小于10m ， FSR 較大，插入損耗較大。,25,改進型波導(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）。,同時這種結(jié)構(gòu)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 濾波器的特點是：,纖入纖出，器件的損耗可以做到比較小，約3dB 左右； FSR 覆蓋范圍極大，可根據(jù)不同的要求以不

8、同的結(jié)構(gòu)來滿足其不同的FSR，從MHz 量級到上百個nm； 分辨率較高，精細度可以做到上千； 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)可用作傳感元件進行溫度，壓強和應(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)形激光器中實現(xiàn)可調(diào)諧波長輸出，用在摻鉺光纖放大器（EDFA）中進行噪聲抑制等。,27,MEMS（Micro-electro Mechanical Systems微機電系統(tǒng)) F-P可調(diào)諧濾波器,該濾波器是通過在F-P兩高反鏡上微機電驅(qū)動裝置，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。 鏡面受到靜電力

9、，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。,電動機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,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。 液晶F-P濾波器的精細度較高，調(diào)制范圍為幾十納米，調(diào)制時間在微秒量級。,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WDM

10、A 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)中進行目標(biāo)識別。,當(dāng)3Uth U 時，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Ti:LiNb03 波導(dǎo)濾波器。沿著y 軸方向的Ti 擴散的直波導(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)

11、速度可達至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，基本依賴進口。 基于壓電驅(qū)動的光纖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，價格相當(dāng)昂貴，同時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

12、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)進行模式選擇，使激光器實現(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，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。 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、價格低、光能利用

13、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，實現(xiàn)準(zhǔn)確的多點同時測量，因此是目前最具發(fā)展前景且實用性較好的解調(diào)方法。,F-P濾波器在傳感解調(diào)中的應(yīng)用,36,F-P濾波器在傳感解調(diào)中的應(yīng)用,37,F-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,實現(xiàn)準(zhǔn)確的多點同時測量,因此是目前最具發(fā)展前景且實用性較好的解調(diào)方法。隨著研究的不斷深入,光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)會向著實用性更強的方向發(fā)展。該解調(diào)方案還有待于進一步完善來提高其解調(diào)精度和速度以達到更好的解調(diào)效果。

14、,38,F-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。 2.可重構(gòu)的光分插復(fù)用器是目前業(yè)界的熱點話題。 3.光交叉連接設(shè)備是未來智能化光網(wǎng)絡(luò)的核心。,39,F-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： 1.解復(fù)用器+開光陣列+復(fù)用器型OADM結(jié)構(gòu)簡單，對上下載話路的控制比較容易，但目前機械光開關(guān)的時延和器件損耗都較大。 2.可調(diào)諧光纖光柵型OADM缺點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

15、F-P腔濾波器的波長可調(diào)諧光分插復(fù)用器，可實現(xiàn)WDM全 光通信信網(wǎng)中一路或多路波長信號同時上下載話路功能。,40,F-P 腔的波長可調(diào)諧光分插復(fù)用器,這種新型OADM一個重要的特點是同頻串?dāng)_很小,甚至可以通過改進結(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)直器與輸出端,下載端與輸入端稍微失準(zhǔn)時,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.,41,F-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。 可調(diào)諧F-P濾波器可分成光纖F-P濾波器、液晶F-P濾波器、微型電動機械系統(tǒng)(MEMS)F-P濾波器和固體F-P濾波器等。,42,F-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、精細度高和線寬窄等優(yōu)點, 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格偏高, 對于經(jīng)過的光纖功率限制較嚴, 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