F-P可调谐滤波器

可调谐F-P滤波器刘志杰时光Sheila1提纲一、FP滤波器的历史和发展二、FP滤波器的基本原理和参数三、可调谐FP滤波器的分类及实现方法四、可调谐FP滤波器的应用2光滤波器只让特定的光波长的光通过，并阻止其他光波长通过基于干涉原理•熔锥光纤滤波器•Fabry-Perot滤波器•多层介质膜滤波器•马赫-曾德干涉滤波器基于光栅原理•体光栅滤波器•阵列波导光栅滤波器（AWG）•光纤光栅滤波器•声光可调谐滤波器3F-P滤波器的历史和发展1897年由C.Fabry和A.Perot提出的平行平面腔干涉仪。由于这种干涉仪所产生的干涉条纹非常细锐，因此它一直是长度计量和研究超精细光谱的有效工具。1960年在世界上第一台激光器——红宝石激光器中，F-P腔起到了选模作用。F-P腔成为激光器的重要组成部分。20世纪80年代，随着硅、微机械加工技术的进展，为了满足光通信、传感和激光等领域的实际应用需求，提出了可调谐F-P腔，通常被用作可调谐滤波器。4F-P滤波器的主要应用•光插分复用器（OADM）光通信领域•解调器传感探测领域•模式和波长选择激光领域5可调谐F-P滤波器的优点插入损耗低，可调谐范围广，精细度高体积小，温度稳定性好，工作温度范围宽，易于与光纤集成，光谱分辨率较高，条纹细度极高结构灵活，成本低，可做成不同结构来满足各种自由光谱区的需求6F-P干涉仪的结构和工作原理利用两个平行放置的介质平板构成一个平-平腔，介质板内表面镀高反射膜，形成两个反射镜面。7平行平板多光束干涉位相差inndinndindDFnABnT22122221sin2'sin2'cos22indT22sin2相邻两束透射光之间的光程差ind220sin4对应的位相差8多光束干涉的强度分布11aEt设第一束透射光复振幅为a1，初位相为0，光波在平板两内表面间反射系数为r，相邻相干光束之间位相差为)exp(122jarEt)2exp(143jarEt))1(exp(1)1(22kjarEkt定域面上合振幅)exp(1211jraEEktkT9多光束干涉的强度分布干涉场强度2r02021)1(III)2/(sin4)1()1(2220IIT4221cos21rraEEITTT211aI反射光束干涉强度)2/(sin4)1()2/(sin422020IIIITR10ρ越大，亮纹越锐ρ越大，暗纹越锐多光束干涉的强度分布透射场反射场11多光束干涉的衬比度衬比度端面反射率衬比度221RRMmMmIIII12F-P腔的选频功能光在FP腔内多次反射和透射相干叠加，其结果使透射光的光谱结构明显地区别于入射光谱，FP腔将入射光的连续宽光谱改变为透射光的准分立谱。那些能出现谱峰的特定波长，必定满足往返光程差为其波长的整数倍。即：2cosmnLm13F-P腔的参数其中n为腔内折射率，m为正整数。中心波长(λc)根据F-P腔的谐振特性有142cosmnLmF-P腔的参数增加FSR范围有两种方法:一，减小腔内介质的折射率n二，减小腔长。CnLFSR22自由光谱范围(FSR)两个相邻的透射极大值对应的波长间隔为一个FSR。自由光谱范围(FSR)在空间域可表示为:15F-P腔的参数RCFFSRRRnL122通带半宽度(FWHM)透射率强度为峰值一半的两个点对应的波长差叫通带半宽度，可以用来表征条纹的锐度，也称为3dB带宽。当反射率R确定之后，当自由光谱范围变大的时候，△λ也会随着变大，可调谐F一P滤波器的滤波特性也会变差。16F-P腔的参数中心波长透射率当入射波长为中心波长时，F-P腔的透过率有最大值,理想FP干涉仪(镜面对称，不存在吸收损耗和镜面缺陷)的峰值透射率为1考虑吸收损耗：其中A为两侧膜的吸收散射损耗，R为膜的反射率2max(1)1ATR17F-P腔的参数1RRFR精细度（）它的定义为自由光谱范围和半通带宽度的比值：它表征了器件的分辨能力。精细度越高，F-P滤波器的滤波特性就越好。在理想情况下，精细度只和F-P腔镜的反射率R有关系，反射率R越大，精细度越高。端面反射率精细度RF18影响F-P滤波器性能的因素由上可知，理想的F-P滤波器的性能取决于F-P腔的光学长度和腔镜的反射率实际的FP滤波器中，对反射镜平板的平行度、粗糙度和反射镜薄膜表面的缺陷控制都要求非常高，因为这些误差都会造成光线的散射等，从而降低FP滤波器的性能。19影响F-P滤波器性能的因素腔体端面平行度对F-P滤波器性能影响相邻两个透射光束的相位差则不再为恒定值，透射光束数目减少a=5mrada=1mrada=020影响F-P滤波器性能的因素腔内损耗对F-P滤波器性能影响精细度峰值透过率镜面透过率1%0.01%0.2%2%0.01%0.2%21可调谐F-P滤波器原理利用机械、压电、电光和热效应来实现中心波长调制。2cosmnLm22可调谐F-P滤波器的分类TFP折射率调谐液晶型FP波导型FP角度调谐腔长调谐FP体滤波器光纤型FPMEMSFP23可调谐F-P体滤波器（BulkFilter）逆压电效应（电致伸缩效应）：在外电场作用下压电体会产生形变PZT压电陶瓷(锆钛酸铅)压电应变常数=1010/gmV24光纤FP滤波器在两光纤端面镀上高反膜，光纤本身构成F-P腔。压电陶瓷拉伸光纤来调控腔长。腔长长，FSR较小光纤端面与中间的空气腔形成F-P腔，压电陶瓷驱动其中之一的腔镜沿轴向运动，对腔长进行扫描。腔长一般小于10μm，FSR较大，插入损耗较大。25改进型波导腔FFPF在空气隙腔滤波器的基础上，腔内加入一段光纤波导，通过调节波导段的长度来调整其FSR（其长度一般100μm到厘米量级）。同时这种结构也使第二种FFPF存在的模式失配和插入损耗较大的问题得到解决。26光纤FP滤波器光纤Fabry－Perot滤波器的特点是：纤入纤出，器件的损耗可以做到比较小，约3dB左右；FSR覆盖范围极大，可根据不同的要求以不同的结构来满足其不同的FSR，从MHz量级到上百个nm；分辨率较高，精细度可以做到上千；器件稳定性好，偏振无关；调谐简单。该滤波器用途较为广泛，在光纤传感系统可用作传感元件进行温度，压强和应力的测量；在光通讯系统中，可作在WDM系统的解复用，还可用在光纤环形激光器中实现可调谐波长输出，用在掺铒光纤放大器（EDFA）中进行噪声抑制等。27MEMS（Micro-electroMechanicalSystems微机电系统)F-P可调谐滤波器该滤波器是通过在F-P两高反镜上微机电驱动装置，加上反偏电压后利用静电力或热应变的作用使腔长收缩而持续调节滤波器的谐振波长。镜面受到静电力，梁弹性形变产生恢复力，根据力平衡关系得到电压与镜面位移关系。电动机械滤波器通常由常规半导体技术制成，其调谐速度较慢，在毫秒和微秒之间。28液晶光调谐滤波器在F-P谐振腔内填充液晶材料，利用加电场后液晶分子的晶向排列会发生变化从而改变其折射率，因此可以改变F-P腔的光学厚度，完成对中心波长的调制。液晶F-P滤波器的精细度较高，调制范围为几十纳米，调制时间在微秒量级。属于块状结构，不利于与光纤的输入输出耦合;FSR在50nm左右；插入损耗在4dB左右；分辨率在0.17～0.4nm左右；调谐电压低；偏振态敏感；液晶存在散射损耗与吸收。29液晶光调谐滤波器此滤波器可用作WDMA光网络系统中的信号解调器，可调谐激光器中的调谐元件，还可以用于光谱成像系统中进行目标识别。当3UthU时，指向矢方向与外加电场方向基本平行，液晶F-P滤波器光学特性与偏振无关，此时o光e光有相同的谐振波长.30波导FP滤波器左图是一个Ti:LiNb03波导滤波器。沿着y轴方向的Ti扩散的直波导制作在X切的LiNb03衬底上。波导的两端抛光后镀上反射率为89％的绝缘反射膜。滤波器的中心波长是通过在波导上加电压由电光效应来调节的，其调谐速度可以达到50ns。在抛光后的波导两端镀上高反膜，通过在波导上加电压由电光效应来调节滤波器的中心波长。由于它利用的是电光效应，调节速度可达至ns级。31高性能的滤波器需满足以下要求：调谐范围大精细度高透射率高响应速度快32可调谐滤波器性能比较33可调谐F-P滤波器的应用在可调谐光滤波器的众多技术方案中，目前商用化的可调谐滤波器主要基于三种技术：光纤FP技术(MicronOptics公司)，MEMS-FP技术(NPPhotonics公司)和线性可变滤波片LVF技术(Santec公司等)，国内尚无产品推出，基本依赖进口。基于压电驱动的光纤FP型可调滤波器的滤波特性最好，但由于封装难度较大，成本高，价格相当昂贵，同时压电材料固有的迟滞效应是其目前无法克服的问题。MEMS-FP型可调滤波器具有较好的综合性能指标，基本能满足当前光通信与光纤传感领域的一些应用需求，但是制备工艺技术不稳定，供货非常有限。基于LVF技术的可调滤波器有多家公司可以提供，但响应速度慢，应用上受到很大限制。34可调谐F-P滤波器的应用传感领域作为解调器，是决定整个系统性能的核心器件。光通信领域被用作波分复用（WDM）器件。激光领域在激光腔内进行模式选择，使激光器实现单频输出。35困境：光纤Bragg光栅近几年在国内的发展非常迅速，但是对其波长编码信号的解调一直是制约着光纤Bragg光栅传感器广泛应用的技术难点。新方法：基于光纤F-P滤波器的FBG传感解调系统不仅具有体积小、价格低、光能利用率高、操作简单等优势，而且可以直接输出对应于波长变化的电信号，实现准确的多点同时测量，因此是目前最具发展前景且实用性较好的解调方法。F-P滤波器在传感解调中的应用36F-P滤波器在传感解调中的应用宽带光源耦合器隔离器DSP系统构成的驱动和采集电路可调谐F-P腔光电探测器放大、滤波电路I∕V转换电路传感光纤光栅37F-P滤波器在传感解调中的应用本方法总结：基于光纤F-P滤波器的FBG传感解调系统不仅具有体积小、价格低、光能利用率高、操作简单等优势,而且可以直接输出对应于波长变化的电信号,实现准确的多点同时测量,因此是目前最具发展前景且实用性较好的解调方法。随着研究的不断深入,光纤光栅解调系统会向着实用性更强的方向发展。该解调方案还有待于进一步完善来提高其解调精度和速度以达到更好的解调效果。38F-P腔的波长可调谐光分插复用器WDM波分复用系统的发展趋势：1.超长途DWDM设备近年来成为传输界关注的焦点。2.可重构的光分插复用器是目前业界的热点话题。3.光交叉连接设备是未来智能化光网络的核心。39F-P腔的波长可调谐光分插复用器常见几种类型OADM优缺点：1.解复用器+开光阵列+复用器型OADM结构简单，对上下载话路的控制比较容易，但目前机械光开关的时延和器件损耗都较大。2.可调谐光纤光栅型OADM缺点在于下载波长的隔离度不是很高，一般在25dB左右，并且成本高。3.阵列波导光栅（AWG）型则滤波形状较差、信道间隔离度小、需要温度控制。新方法：基于F-P腔滤波器的波长可调谐光分插复用器，可实现WDM全光通信信网中一路或多路波长信号同时上∕下载话路功能。40F-P腔的波长可调谐光分插复用器输入端输出端PZT上载端下载端OADM基本结构这种新型OADM一个重要的特点是同频串扰很小,甚至可以通过改进结构,基本消除同频串扰.在图所示的基本结构中,同频串扰主要是来源于上载端口对下载端口的串扰,但当微调上载端准直器与输出端,下载端与输入端稍微失准时,上载端与下载端的间损耗相当大,因此这种同频串扰很小.输入端输出端PZT上载端下载端耦合器F-P腔41F-P滤波器在光纤激光器中的应用目前，可调谐F-P滤波器在激光领域的应用非常广泛，在监视激光模式、测量并压窄激光线宽、激光稳频、量子光学、激光光谱学等方面起到了