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1、第 九 章 光 學(xué) 濾 波 器 光 濾 波 器 光 濾 波 器 ： 在 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 中 ， 只 允 許 一 定波 長 的 光 信 號 通 過 的 器 件 。 光 濾 波 器 可 分 為 固 定 的 和 可 調(diào) 諧 的 兩 種 。 固 定 濾 波 器 允 許 一 個 固 定 的 、 預(yù) 先 確 定 的波 長 通 過 ， 而 可 調(diào) 諧 的 濾 波 器 可 動 態(tài) 地 選擇 波 長 。 Fabry-Perot濾 波 器基 本 原 理 ： F-P干 涉 儀 ，平 行 平 板 的 多 光 束 干 涉。當(dāng) 入 射 光 波 的 波 長 為 腔 長的 整 數(shù) 倍 時 ， 光 波 可形 成 穩(wěn) 定

2、 振 蕩 ， 輸 出光 波 之 間 會 產(chǎn) 生 多 光 束干 涉 ， 最 后 輸 出 等 間隔 的 梳 狀 波 形 （ 對 應(yīng) 的濾 波 曲 線 為 梳 狀 ） 。 F-P 濾 波 器 特 性 自 由 譜 區(qū) FSR(Free Spectral Range)： 相 鄰 兩 個 諧 振 頻率 的 間 距 。 FSR=C/2 nd n-中 間 介 質(zhì) 折 射 率 ； d-腔 長 3 dB帶 寬 F： 傳 輸 系 數(shù) 的 數(shù) 值 降 為 最 大 值 的 一 半 應(yīng) 的頻 帶 寬 度 。 R越 大 ， F越 窄 精 細(xì) 度 F(Finesse)： 自 由 譜 區(qū) 與 3 dB帶 寬 之 比 。 RRF

3、FSRF 1 Rdn RCF 2 )1( RRFFSRF 1 f1 f2 f3 . fNP1 P2 P3 . PNf1 f2 f3 . fN 多 層 介 質(zhì) 膜 濾 波 器 介 質(zhì) 薄 膜 光 濾 波 器 解 復(fù) 用 器 利 用 光 的 干 涉 效 應(yīng) 選 擇 波 長 。 連 續(xù) 反射 光 在 前 表 面 相 長 干 涉 復(fù) 合 ， 在 一 定 的 波 長 范 圍 內(nèi) 產(chǎn) 生 高 能 量 的 反 射 光 束 ， 在 這 一 范 圍 之 外 ， 則 反 射 很 小 。 這 樣 通 過 多 層 介 質(zhì) 膜 的 干 涉 ， 通 過 某 一 波 長 ， 阻 止 其 它 波 長 。 多 層 介 質(zhì) 膜

4、工 作 原 理 所 有 從 前 后 相 挨 的 兩 個 界 面 上 反 射 的 波 都 具 有相 長 干 涉 的 特 性 (相 位 差 為 1 8 0 度 )， 經(jīng) 過 幾 層 這樣 的 反 射 后 ， 透 射 光 強(qiáng) 度 將 很 小 ， 而 反 射 系 數(shù)將 達(dá) 到 1 。 2n入 射 光 反 射 光 透 射 光AB 1n2n 1n C 1 2 1 2 1n 2n透 射 光4/2 4/1 (a)對 反 射 光 相 長 干 涉 的 原 理 1 550330 770 o (nm) 反射系數(shù) 0 (b) 反 射 系 數(shù) 與 波 長 的 關(guān) 系 薄 膜 多 共 振 腔 濾 波 器 光 纖 光 柵 光

5、 纖 光 柵 是 近 幾 年 發(fā) 展 最 為 迅 速 的 一 種 光 纖 無 源器 件 。 它 是 利 用 光 纖 中 的 光 敏 性 而 制 成 的 。 光 敏 性 是 指 當(dāng) 外 界 入 射 的 紫 外 光 照 射 到 纖 芯 中 摻鍺 的 光 纖 時 ， 光 纖 的 折 射 率 將 隨 光 強(qiáng) 而 發(fā) 生 永 久性 改 變 。 人 們 利 用 這 種 效 應(yīng) 可 在 幾 厘 米 之 內(nèi) 寫 入 折 射 率 分布 光 柵 ， 稱 為 光 纖 光 柵 。 光 纖 光 柵 最 顯 著 的 優(yōu) 點 是 插 入 損 耗 低 ， 結(jié) 構(gòu) 簡 單， 便 于 與 光 纖 耦 合 ， 而 且 它 具 有

6、高 波 長 選 擇 性 。 (1) 干 涉 法干 涉 法 是 利 用 雙 光 束 干 涉 原 理 ， 將 一 束 紫外 光 分 成 兩 束 平 行 光 ， 并 在 光 纖 外 形 成 干涉 場 ， 調(diào) 節(jié) 兩 干 涉 臂 長 ， 使 得 形 成 的 干 涉條 紋 周 期 滿 足 制 作 光 纖 光 柵 的 要 求 。 (2) 相 位 掩 膜 板 法 相 位 掩 膜 板 法 ， 是 利 用 預(yù) 先 制 作 的 膜 板， 當(dāng) 紫 外 光 通 過 相 位 板 時 產(chǎn) 生 干 涉 ， 從 而在 光 纖 圓 柱 面 形 成 干 涉 場 ， 將 光 柵 寫 入 光纖 。 光 纖 光 柵 的 產(chǎn) 生 外 部

7、 寫 入 法紫外掩模寫入法：1. 用兩束紫外光照射光纖并發(fā)生干涉2. 摻鍺的高光敏纖芯在光強(qiáng)部分折射率增加 3. 光柵永久寫入光纖 對 于 同 向 傳 輸 的 兩 個 波 ， 如 果 傳 播 常 數(shù) 滿 足 Bragg條件 ， 兩 波 之 間 將 發(fā) 生 能 量 的 耦 合 。 Bragg條 件 ： 特 別 地 ， 如 果 滿 足 能 量 將 耦 合 至 波 長 與 入 射 波 相 同 的 反 向 傳 輸 的 散 射中 -反 射 式 濾 波 器 FBG 221 22 111 光 纖 光 柵 工 作 原 理 effn2 Mach-Zehnder型 濾 波 器 工 作 原 理從 端 口 1 輸 出

8、 的 光 ：途 徑 下 臂 的 光 相 對 上 臂 的 相 位 差 為 /2 + L + /2 從 端 口 2 輸 出 的 光 ：途 徑 下 臂 的 光 相 對 上 臂 的 相 位 差 為 /2 + L - /2 如 果 在 輸 入 端 的 波 長滿 足 L = k (k為 奇 )兩 個 支 路 的 光 在 上 輸出 端 口 相 差 2 的 整 數(shù)倍 ， 在 下 端 口 的 光 相差 的 整 數(shù) 倍 ， 因 此 ，光 最 終 從 上 端 口 輸 出如 果 在 輸 入 端 的 波 長滿 足 L = k (k為 耦 )那 么 光 信 號 由 下 輸 出端 口 輸 出因 此 不 同 的 波 長 可

9、以解 復(fù) 用 到 不 同 輸 出 端 ： 傳 播 常 數(shù) 利 用 傳 輸 矩 陣 進(jìn) 行 分 析 (1 ) 長 度 為 d的 耦 合 器 的 傳 輸 矩 陣 Mcoupler為 ： C為 耦 合 系 數(shù) 對 于 平 分 功 率 的 3 dB耦 合 器 ， Cd=/4 ： CdCdj CdjCdM coupler cossin sincos 1121 j jM coupler 中 心 區(qū) 域 ， 兩 個 波 導(dǎo) 的 輸 出 具 有 的 相 位 差 ： 注 意 ： 相 位 差 可 以 由 不 同 的 路 徑 長 度 (用 L給 出 ) 或n1 n2 時 的 折 射 率 差 產(chǎn) 生 。 這 里 ，

10、考 慮 兩 臂 具 有 相 同 的折 射 率 ， 并 且 n1 =n2 =neff(波 導(dǎo) 中 的 有 效 折 射 率 )， 于 是 ： 。 式 中 2 neff/。 對 一 給 定 的 相 位 差 ， 與 之 相 對 應(yīng) 的 傳 輸 矩 陣 為 ：)(22 21 LLnLn )2/exp(0 0)2/exp( LjLjM L 2, 1,2, 1, ininoutout EEMEE )2/sin()2/cos( )2/cos()2/sin(2221 1211 LL LLjMM MMMMMM couplercoupler LnL eff 2121 112)( effeff n cnL 2112 121 )2(221 effn cLL 13 22 Ln cL eff effn cL 2