光纖可調諧濾波器怎么選？光纖可調諧濾波器的類型

一．基本概念

在展開介紹之前，有必要先解釋“光纖可調諧濾波器”的概念。首先，這里的“濾波器“指的是光學濾波器，是一種能對入射光光譜成分進行“篩選”的器件。一般情況下，我們更多關注的是帶通濾波器。接著，“可調諧”可以指波長可調諧，也可以指帶寬可調諧。一般情況下，更常見的是波長可調諧的濾波器。最后，“光纖”說明該器件的進端和出端都是光纖，而且一般是單模光纖或保偏光纖。

二．濾波原理

早在17世紀，牛頓就利用一塊三棱鏡把白光分成了紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種顏色。三棱鏡實驗反映了光在介質中的色散本質，它開創了現代物理學的重要領域——光譜學研究的先河。

可以想象，如果在三棱鏡前后均加上光纖準直器，那么對于一束寬帶光譜的入射光，經過三棱鏡后，能通過準直器耦合回光纖的就只剩下一部分的光譜成分。這就是一個簡單的光纖濾波器，如圖2所示。（提示：準直器的基本結構/作用是將光纖端面放置于凸透鏡的焦點，從而使光纖端面出射的光經過透鏡后變成平行光（嚴格來說是發散角更小的高斯光束）。反過來，準直器也可以將入射的平行光耦合回到光纖。準直器是眾多光纖器件的輸入和輸出端口。）

圖2 基于三棱鏡的光濾波器

帶通光學濾波器的本質是從寬帶的光譜中取出其中的一部分。除了三棱鏡對光有色散的效果外，衍射光柵也是一類色散元件。利用衍射光柵對不同波長的光在空間上的展開，同樣可以制作出光學濾波器，如圖3所示。

圖3 基于反射光柵的光濾波器

除了可以利用三棱鏡或衍射光柵對光譜有空間展開的特性外，還可以利用光纖布拉格光柵（FBG）或法布里珀羅腔對特定波長光譜具有反射或透射的特性來制作光學濾波器。圖4是FBG對寬帶光譜的反射原理圖。布拉格條件為：λ=2neffΛ，其中λ是真空波長，neff是光纖的有效折射率，Λ為光柵周期。反射峰的中心波長滿足布拉格條件。

圖4 光纖布拉格光柵（FBG）的選頻原理圖

法布里珀羅（FP）腔是一類非常重要的光學選頻結構，它由一對鍍有高反膜的鏡面構成，如圖5所示。理論上，FP腔的透射譜是一組梳狀譜。透射峰的中心波長滿足λ=2nLcosθ/m，其中n為腔內介質的折射率，L為腔長，θ為光的入射角，m為正整數。根據該表達式，可以通過改變n、L或θ實現對透射峰中心波長的調諧。相鄰譜線的間隔稱為自由光譜范圍（FSR），該值與腔長（光程）成反比。譜線的寬度（3dB帶寬）則由腔長和鍍膜反射率共同決定。腔長越長、反射率越高，則譜線寬度越小。一個自由光譜范圍含有譜線寬度的數目稱為精細度（Finess），它反映了FP腔的分辨率。

圖5 法布里珀羅（FP）腔的選頻原理圖

三．光纖可調諧濾波器的類型

以上介紹了四種常見的實現光學濾波的方案，在實際的應用中，一般基于后三種原理制作光纖可調諧濾波器。為了達到調諧的目的，可以采用手動、電機、MEMS、壓電陶瓷和材料熱脹冷縮等驅動方式?；诟鞣N驅動方法和具體的光學濾波器結構，可以制作出不同結構的可調諧濾波器。

手動或電機 +衍射光柵

基于衍射光柵的機械（手動或電機）調諧濾波器方案有兩種，如圖6所示。其中，圖6(a)是平頂型透射譜可調諧濾波器，實施方案是在第一個透鏡后方放置可移動光闌，通過移動光闌選擇不同波長的光譜透過。圖6(b)是高斯型可調諧濾波器，實施方案是通過轉動旋轉鏡選擇不同的波長耦合進輸出準直器。這兩種濾波器優點在于波長重復性較好、能承受光功率高，缺點在于透射帶寬較大、電動調諧速度慢。主要的應用有ASE噪聲抑制、CWDM信道濾波、光脈沖整形和光信號濾波等。

圖6 基于衍射光柵的可調諧濾波器

(a) 平頂型透射譜，(b) 高斯型透射譜

（圖片源自WL Photonics產品介紹）

手動或電機 + FBG

改變FBG的光柵周期，是制作波長調諧FBG濾波器的基本方式。圖6給出了FBG可調諧濾波器的原理圖。通過驅動夾持FBG的可形變滑片，可以達到壓縮或拉伸光纖。相應地，可以改變FBG的光柵周期，從而實現反射光波長可調諧的目的。該類濾波器的的優點在于插入損耗低、承受光功率高，缺點在于反射帶寬小和調諧范圍小。主要的應用有可調諧激光、光纖傳感和光波混頻等。

圖7 基于改變FBG周期的可調諧濾波器

（圖片源自FLT Photonics產品介紹）

手動或電機 + FP腔

根據FP腔透射峰中心波長的公式λ=2nLcosθ/m可知，改變光束的入射角θ則透射波長相應地發生改變。圖8是這類濾波器的原理圖。圖中，濾波片是一個兩面均鍍有高反膜的FP腔，通過機械轉動濾波器的角度可以達到調諧濾波目的。這類濾波器在插入損耗、調諧范圍和承受光功率等方面均表現得中規中矩，缺點在于電動調諧速度慢。主要的應用有DWDM光網絡、光纖傳感、ASE噪聲抑制和可調諧激光等。

圖8 基于改變FP腔角度的可調諧濾波器

MEMS + 衍射光柵

相比于手動調諧結合衍射光柵的方案，MEMS方案的特點在于反射鏡采用MEMS結構，如圖9所示。MEMS可調諧濾波器的優點在于波長重復性好，缺點在于插入損耗較大。主要的應用包括可重新配置的光分/插復用器、光纖傳感、光功率監控和低成本光譜儀等。

圖9 基于衍射光柵的MEMS可調諧濾波器

壓電陶瓷 + FP腔

根據FP腔的透射峰中心波長的表達式可知，除了調節光的入射角θ外，還可以調節腔的長度，從而達到調諧透射波長的目的。圖10是基于壓電陶瓷驅動光纖FP腔的可調諧濾波器原理圖。圖中，FP腔由一對表面鍍有高反膜的光纖構成，光纖通過插芯實現固定和對準，壓電陶瓷通過支架驅動插芯和光纖。該類濾波器的優點在于插損小、調諧范圍寬、透射帶寬窄和調諧速度快，缺點在于波長重復性差。主要的應用有光譜分析、可調諧光噪聲濾波、光分/插復用器和可調諧光源等。

圖10 基于改變FP腔腔長的可調諧濾波器