光电通讯技术

2024年3月16日发(作者：)

技术讲座／ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＬＥＣＴＵＲＥＳ中同尤线电电子学、电信技术类核心期刊光通信技术讲座—（四）：光滤波器和波分解复用器　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　原荣〔中国电子科技集团公司第三十四研究所桂林５４１００４）摘要介绍各种可调谐光滤波器和波分解复用器。关健词调谐滤波器Ｆ－Ｐ滤波器声光滤波器Ｍ－Ｚ滤波器迈克尔逊滤波器解复用器电介质镜解复用器平板阵列波导光栅布喇格光栅光纤光栅中图分举县下ＮｇＺｇ空献抚ｉ４码Ａ，可调谐光滤波器电子滤波器是从包含多个频率分量的电子信号　　　　１．１法布里一拍罗滤波器中提取出所需要频率的信号。光滤波器也与此类似，它是光通信系统的关键器件。光频滤波根据其基理可分为于涉型、衍射型和吸收型三类，每一类根据其实现的原理又可以分为若于种，根据其调谐的能力又可分为光频固定滤波器和可调谐滤波器。　　　　基本法布里一泊罗十涉仪（（Ｆ－Ｐｔ）由两块平行镜面组成的谐振腔构成，如图２所示，一块镜面固定，另－块可移动，以改变谐振腔的长度，从波分复用信道中选取所需要的信道。但这种结构的干涉仪构成的滤波可调谐光滤波器是一种波长（　　　　或频率）选择器件，其功能是从许多不同频率的输人光信号中，选择出－个特定频率的光信号。图１给出可调谐光滤波器的基本功能。图中为输人的最高频率信道和最低频率信道之间的频率差，为信道间隔，助为滤波器的传输函数。在ＷＤＭ系统中，每个接收机都必须选择所需要　　　　的信道。对于直接检测，要求在接收机前放置可调谐光滤波器八．（／）器体积大，使用不便。光纤法布里一拍罗（ＦＦ－Ｐ）干涉仪，如图３所示，光纤端面本身就充当两块平行的镜面。如果将光纤（即Ｆ－Ｐ的反射镜面）固定在压电陶瓷上，通过外加电压使压电陶瓷产生电致伸缩作用来改变谐振腔的长度，同样可以从复用信道中选取所需要的信道，这种结构可实现小型化。图４为马赫一曾德尔（　　　　Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ）干涉滤波器的示意图，它由两个３ｄＢ藕合器串联组成一个马赫－曾德尔干涉仪，于涉仪的两臂长度不等，光程差为ＡＬ，马赫一曾德尔千涉滤波器的原理是基于两个相干　　　　单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。考虑两个波长入，和入２复用后的光信号由光纤送人马赫一曾德尔干涉滤波器的输人端１，两个波长的光功率经第一个３ｄＢ藕合器均匀地分配到干涉仪的两臂上，由于两阳，可调谙光泣波．的‘本功能了初压电陶资管臂的长度差为ＡＬ，所以经两臂传输后的光，在到达第二个３ｄＢ祸合器时就产生相位差ｄ（ｐ＝２－ｒｒｆ　（ＡＬ）ｎ／ｃ，式中ｎ是波导折射率指数，复合后每个波长的信号光在满足一定的相位条件下，在两个输出光纤中的一个相长干涉，而在另一个相消干涉。如果在输出端口３，Ａ２满足相长条件，入；满足相消条件，则输出入：光；如果在输出端口４，Ａ：满足相消条件，入；满足相长条件，则输出Ａ，光。热敏薄膜内ｚ５反衬　　　　图２旅本Ｆ－ＰＴＶＱ图ａ光纤Ｆ－Ｐ流波器收箱日期：２００３－０２－２８作者简介：原荣男，１９４２年生，研究员级高级丁程师主要若作Ｃ光纤通偏网络》、《光纤通信》、《宽带光接入网》（待出版）ｆ．　　　　　　　　　　　　　　　　　　圈４　Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ泊波器．．毛吸付位术２加３年第４期——

技术讲座／　　　　　　　　　　　　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＬＥＣＴＵＲＥＳ布喇格栅的基本特性就是以共振波长为中心的　　　　一个窄带光学滤波器。该共振波长称为布喇格波长。１．３．２光纤光栅裸波器光纤光栅是利用光纤中的光敏性而制成的。光敏　　　　之图５级联马幼一．恤尔干涉泣波趁这种滤波器要求输人光波的频率间隔必须精确　　　　地控制在Ａｆ＝ｃ／（２ｎＡＬ）的整数倍。当波长数为４个时，需要３个马赫一曾德尔干涉滤波器级联；波长数为８个时，需要三级共７个马赫一曾德尔干涉滤波器级联，而且要使第１级的频率间隔为Ａｆ，第二级的频率间隔为２３ｆ　，第月级的频率间隔为４Ａｆ，才能将它们分升，如图５所不改变ＡＬ既可以通过分别控制有效光通道的折射　　　　率ｎ和长度差，也可以同时控制ｎ和ＡＬ。另外，还可以通过对热敏薄膜加热或者改变压电晶体的控制性是指强激光辐照掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化，变化的大小与光强成线性关系。如用特定波长的激光干涉条纹（全息照相）从侧面辐照掺锗光纤，就会使其内部折射率呈现周期性变化，就象一个布喇格栅，成为光纤光栅，如ＲＩ　７（ａ）所示。这种光栅在大约５００℃以下稳定不变，但用５００℃以上的高温加热时就可擦除。在１ｎｐ衬底上用材料制成凸凹不平结构的表面，其间距为Ａ光栅，就构成一个单片集成布喇格光栅，如图７（ｂ）所示。光纤布喇格栅是一小段光纤，１　　　　般几毫米长，其纤芯折射率经两束相互十涉的紫外光（峰值波长为２４０ｎｍ　）照射后产生周期性地调制，干涉条纹周期由两光束之间的夹角决定，大多数光纤的纤芯对于紫外光来说是光敏的，这就意味着将纤芯直接曝光于紫外光下将导致纤芯折射率永久性变化。这种光纤布布喇格栅的基本特性就是以共振波长为中心的一个窄带电压来达到。级联马赫一曾德尔干涉滤波器可以用光纤辆合器或硅衬底上的硅波导（平面光波导）来实现。因为这种滤波器的调谐机理是热电的，所以切换时间光学滤波器。该共振波长称为布喇格波长，由式（１）可知，其值为约为ｌｍｓ此外，马赫一曾德尔干涉仪（（Ｍ－ＺＩ）构成的可调谐滤波器制造成本低，对偏振很不灵敏，串音很低。但是调谐控制复杂，调谐速度较慢。１．３光栅滤波器１．３．１布喇格光栅　　　　　　Ａｄ＝２Ａ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）由式（２）可知，工作波长由干涉条纹周期决定，对于１．５５Ｗｍ附近，Ａ为（１－１０）ｐ，ｍ。沿光纤施加拉力，可以改变光纤布布喇格栅的间距，实现机械调谐＿加热光纤也可以改变光栅的间距，实现热调谐＋ｒ外千污光　　　　布喇格（（Ｂｒａｇｇ）光栅由间距为Ｌ的一列平行半反射镜组成，Ｌ称为布拉格间距，如图６所示。如果半反射镜数量Ｎ（布喇格周期）足够大，那么对于某个特定波长的光信号，从第一个反射镜反射出来的总能量Ｅ．约为人射的能量，即使功率反射系数ｆｔ很小。该特定波长ＡＢ强反射的条件是Ａ＝一。Ａ，　　　　　　／２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）１．）　１１１ｖ９ＦＴｖ光制件光盯ｍ　ｒ．ｚｍ　ＹＬ０３ＡＭｓ式中ｎ代表布喇格栅的阶数，当ｎ＝１时，表示一阶布喇格光栅，此时；当ｎ＝２时，表示二阶布喇格栅，此时Ａ＝ＡＡ。式（１）表明，布喇格间距（或光栅周期）应该是ＡＢ波长一半的整数倍，负号代表是反射。圈６布一格光姗圈Ｓ光奸光粉带通泣波ａ２００３年第４期毛吸佑技术．．

技术讲座／ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＬＥＣＴＵＲＥＳ栅，因此对波长具有选择性。声波引起折射率的变化元卜元可表示为４介出光？＇Ｗ图９光栅Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ沁波器　　　　利用光纤布喇格栅反射布喇格共振波长附近光的特性．可以做成波长选择分布式反射镜或带阻滤光器。如果在一个２ｘ２光纤藕合器输出侧的两根光纤上写人同样的布喇格栅，则还可以构成带通滤波器，如图８所示１．３．３迈克尔逊干涉滤波器迈克尔逊（　　　　Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ）干涉滤波器如图９所示，它由一个３ｄＢ光纤藕合器和两个位于迈克尔逊干涉仪两臂上的光纤光栅组成，该光栅起反射镜的作用。大部分光栅滤波器都可以在硅衬底上用硅波导制成平面波导电路实现１．３．４墓于ＤＦＢ半导体激光器技术的光栅滤波器　　　　Ａ（Ｉ／ｎ勺＝ＰＳ　　　　　　　　　　　　　　　　（３）式中５是声波信号产生的应力，ｐ是光弹性系数通过电极施加在压电晶体上的射频调制信号，　　　　在品体表面产生应力，这就是压电效应，从而产生表面声波（ＳＡＷ，　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｗａｖｅ），如图１０所示，ＡＯＴＦ包含一个表面声波器件、两个正交偏振器和两个靠得很紧的光波导组成。ＳＡＷ的作用是在射频信号的作用「使声光偏振态从ＴＥ模转化到ＴＭ模，光波导靠得很紧的月的是使光信号很容易从一个波导藕合到另一个波导ＡＯＴＦ也是一种与极化无关的器件。ＡＯＴＦ选择　　　　的波长Ａ与材料双折射Ａｎ和声波波长Ａ有关，即Ａ＝Ａ　　　　　　　（Ａｎ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（４）滤波器通带为ＡＡ＝（　　　　　　０．８ＡＺ）／（ＬＡｎ）（ｐｍ）　　　　　　　　　　　　　　（５）式中Ｌ为产生ＴＥ／１＇Ｍ模式变化的宽度ＡＯＴＦ可以是同线器件，也可以是异线器们当　　　　光信号的传输与声波相互作用是在同一直线Ｉ一时就是同线器件，否则就是异线器件。典型同线ＡＯＴＦ的特　　　　．用「作在１５５１１ｍ波段的ＩｎＧａＡｓＰ／１ｎＰ材料，制成内部包含一个或多个布喇格光栅的平面波导，就构成基十ＤＦＢ半导体激光器技术的光栅滤波器，它的波长调谐可通过对腔体注人电流实现。类似于多段ＤＦＢ半导体激光器使用的相位控制段，也用于ＤＢＲ滤波器的性是：Ｋ谐范围宽（１．２－１．６ｐｍ），带宽窄（１ｎｕ），Ｋ谐快戈ｉ约ｔｏｗｓ），插人损耗可以接收（＜ｓｄｓ），串话小（（＜－２０ｄ）ｔ），波长稳定性好等。这种器件可用于单／多波长调谐接收机调谐。这种滤波器的调谐速度很快，约为几个ｎｓ，而且可以提供增益，因为可以把放大器和滤波器集成在‘起。这种滤波器也可以和接收机集成在一起，因为它们使用同」种半导体材料。和波长选择空分交换（解复用器）。ＡＯＴＦ的缺点是输人光偏振态难于调整，尽管偏振方向已知，但输人光偏振态在单模光纤中很难保持和控制。这种偏振失配将产生荆合损耗。另一个缺点是光的频移，由于多普利用窄带宽（　　　　小于信道间隔）的光放大器对人射复用信号的选择放大，也可以构成光滤波器，光纤受激布勒（Ｄｏｐｐｌｅｒ）效应，光频产生等于声频的频差，不过已有抵消这种效应的器件里渊放大器的带宽很窄（约１００ＭＨｚ），通过对泵浦波长的调谐，改变增益峰可以实现对多信道信号的选择放大作）Ｉ）　ｏ１．３．５声光滤波器　　　　前面介绍的儿种滤波器，光栅是永久性刻蚀在Ｓｉ或ＩｎＧａＡｓＰ波导表面。另一类滤波器却相反，光栅由声波动态产生，声波又由施加在压电晶体（如ＬｉＮｂＯ办卜的射频信号产生，这类光栅就是声光调谐光滤波器（ＡＯＴＦ，Ａｃｏｕｓｔｏ－ｏｐｔｉｃ　Ｔｕｎａｂｌｅ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｌｔｅｒｓ）。它同样基于布喇格原理，即只有满足布喇格条件的波长才能通过滤波器、这种滤波器工作的物理基理是基于光弹性效应，即通过声光材料传输的声波或超声波信号产生随声波幅度周期性变化的应力，使该材料的分子结构产生局部的密集和疏松，相当于使折射率产生周期性的变化，其结果是声波产生了可以对光束衍射的光（　　ｎ）声光滤波器圈１０声光趁波ｉ６‘目之晚信技术２００３年Ｗ　４１１９

技术讲座／／ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＬＥＣＴＵＲＥＳ１．４调谐滤波器性能比较每种滤波器都有它自己的特性，因此应该根据实　　　　际需要选择那些满足要求的器件。山‘又：　Ａ，　，，　　　　　假如要求调谐的信道数多（比如１００个），此时可以选择法布里一拍罗滤波器和声光滤波器；否则可以选择能够调谐大约１０个信道的电光滤波器和半导体滤波器（．）ｇ分解复用器（）棱镜波分解复用９圈１１波分解复用甜　　　　　　　　　　　　　　　　　　假如要求调谐速度快（约为ｎｓ），那要选择电光滤波器和半导体滤波器，因为声光滤波器的调谐速度为ｍｓ数量级，普通法布里一拍罗滤波器更慢，约为ｍｓ量级，不过使用液晶材料的法布里一拍罗滤波器调谐速度可以提高到ｌｓ级机械调谐滤波器的速度很慢（　　　　１－１０Ｍ习，但是它有很宽的调谐范围（约为５００ｎｍ），与此相比，声光滤波器的调谐范围约为２５０　ｎｍ，而电光滤波器的只有约１６ｎｍ．的不同，波分解复用器件可以分为无源和有源两种类ｊ。无源波分解复ＪＴ月器件又可以分为：棱镜１（＇１，光栅　型、光滤波器型和熔融双锥藕合器（（ＦＢ７｝。有源波分解复用器由无源器件和可调谐探测器组成１２．１棱镜解复用器波分复用光＾　　　　］十ＡＺ＋Ａ十入、经透镜准直后，射人折射率为ｎ２的气角棱镜的输人表面，光线进入棱镜后发生折射，棱镜对不同波长的光有不同的折射角，当这些　　　　假如要求低的插人损耗，最好选择半导体滤波器，闪为它的损耗几乎可以忽略，而其它种类的滤波器则有３一ｓｄＢ的损耗由此可见，　　　　选择滤波器要根据应用和系统提供的业务来决定，对于要求提供大量信道而交换速度低的视频广播系统，最好选择法布里一ｆｌｆ罗滤波器；相反对于要求少量信道而交换速度快的电路交换系统，最好选择电光滤波器和半导体滤波器。此外，调谐范围和费用也要考虑．、各种调谐滤波器的一般特性见表ｔｏ分开的光从楞镜进人空气时，又一次发生折射，从而进一步把复用光束分开，完成解复用，然后再用一个棱镜把各波长的光聚焦到各自的输出光纤中，如图Ｉ１（ｂ）所示。　　　　设两个折射面的夹角为０，，出射光与人射光的偏转角是ｓ，由斯奈尔（Ｓｎｅｌｌ　）定律推导出设Ｂ，是各波长出射光与楞镜输出面法线的夹角，它随二＝ｓ－－ｉｎ蟀　ｒ－＇ｃ）／％２］ｎ３　　ｓｉｕｌ０ｖ／４ｌ（６）ｎ２，０　ｐ，　Ｂ；和光频的增加而增加。楞镜对人射光产生的２波分复用／解奥用器波分复用器（　　　　Ｗ　ＤＭ）的功能是把多个不同波长的发射机输出的光信号复合在一起，并注人到一根光纤。解复用器的功能与波分复川器正好相反，它是把一根光纤输出的多个波长的复合光信号，用解复用器还原成单个不同波长信号，并分配给不同的接收机，如图偏转角与波长和折射率有关２．２光姗解复用器ｄＯＡ＝　　ｄ０，３．　ｄｎＡｄＡ　　　ｄｎｚ　　ｄＡ（７）Ｉ１　（ａ）ＰｆＴＴ由于光波具有互易性，改变传播方向，解复用器可以作为复用器。但解复用器要求有波长选择元件，而复用器可以不要这种元件。根据波长选择机理裹１各种调谐光法波器的一般特性　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｆ－Ｐ　　２．２．１衍射光栅解复用器图１　　　　２为反射光栅解复用器原理图。输人的多波长复合信号聚焦在反射光栅上，光栅对不同波长光的衍射角不一样，从而把复合信号分解为不同波长的分＋ＦｉＥ　Ｎｔ．电光　　Ｈ衍舟，充姗ｅ｝型行ｆ射光姗光纤布喇格介质薄膜吐波器１００　　　　１　　　　声光沈波器４ｏ　　ｏＭ＿２　　半导体阵波器６０　　光姗逮波器建波器胡　　　　逮波器１０　　０．　　０１谊波器滤波器１６　　４－５　　调１皆范围（ｎ　Ｉｎ）３ｄＢ带宽（ｎｍ）信道数【　　Ｊ调谐速度　　２　　　　０．　　０５Ｗ２ｕｔｒ；ｉｔｔ硅光姗向石礼竺溯－竺兰＜０ｌ塑泌一俩一＜０５１０一竺猫１００　　ｗｓ　　＞５　　，Ｉｆ　　）既一４一＞１损耗（　　ｄＢ）极化Ｎ￥Ｅ（ｄＢ）——ｎｗｅｓ１｝１圈１２先栅型解立用ａ－—－一—２００３年第４期之吸信教术．．

技术讲座／／ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＬＥＣＴＵＲＥＳ＃４赚如　０＊４ｉＡ｝Ｎｉｘ，圈１３光纤光姗用作波分解复用翻ｘ，　　　ａ７圈１４由阵列波导光姗和星形摘合器组成的解复用公量，然后由透镜聚焦在每根输出光纤上。所以这种以角度分开波长的器件也叫角色散器件。使用渐变折射率透镜可以简化装置，使器件相当紧凑。如果用凹面光栅，可以省去聚焦透镜，并可集成在硅片波导上。２．２．２光纤光栅解复用器光纤光栅可以被用作密集波分复用系统的解复　　　　进一步减小，可靠性进一步提高。阵列波导光栅属于相位阵列光栅的范畴，其缺点　　　　　　是与偏振和温度有关，’白是一种温度敏感器件，为了减小热漂移，可以使用热电致冷器尽管如此，＿「作在００－８５℃的器件已有报道。信道间距为２５０ＧＨｚ的１２８信道（波长）的Ｓｉ０：阵列波导光栅和信道间距为用器，如图１３所ｎ：。它由在光纤马赫一曾德尔干涉仪的两个十涉臂卜具有两个完全相同的布喇格光纤光栅组成。经波分复用后若干个波长的信息流（假设为５０ＧＨｚ的６４波长Ｉｎｐ阵列波导光栅已经制造出来该器件除用于波分复用和解复用器外，还可以用干波导ＡｌＡ，．．．　Ａ）从端口１输人，若光栅的共振波长为凡，则凡的光将在端口２出现，而其余的光将在端口４输出。理想情况下，Ｆ涉仪的两个臂完全平衡，则端口３不会有光输出。光纤光栅制作简单、　　　　性能稳定可靠、体积小、器件微型化、易于集成，因为它本身就是一段光纤，所以与其它光纤器件、系统易于连接，祸合损耗小。２．２．３波导光栅解复用器光栅路由器（ＷＧＲ，　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　Ｇｒａｔｉｎｇ　Ｒｏｕｔｅｒ），也可以用于分叉复用器、调谐分叉光滤波器和多信道发射和接收机等　　　　另一种适合大规模集成、很有发展前途的制造单模光纤波分复用／解复用器的方法是平板阵列波导光栅（ＡＷＧ，Ａｒｒａｙｅｄ　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　Ｇｒａｔｉｎｇｓ）结构。这种器件由Ｎ个输人波导、Ｎ个输出波导、两个ＮｘＮ平板波导星形锅合器以及个平板阵列波导光栅组成，这种光栅相邻波导间具有恒定的路径长度差ＡＬ，如图１４所示。输人光从第一个星形祸合器输人，该藕合器把光功率几乎平均地分配到波导阵列中的每一个，由干阵列波导中的波导长度不等，相位延迟也不等，其相位差为Ａ（Ｐ＝２ａｎｆｄｆ　ｄｌ／Ａ，这里Ａ是信号波长，ＡＬ是路径长度差，通常为几十微米，ｎ