【文章內容簡介】 fRfR??????? FＰ濾波器的功率傳遞函數(shù) TFP(f)與光的頻率 f有關： 法布里 珀羅 (FP)濾波器由兩塊平行放置的高反射率的鏡面形成的腔構成的 ， 也稱 FP干涉儀 ， 輸入光垂直到達第一個鏡面 ， 從第二個鏡面輸出 。 可作干涉儀及 WDM系統(tǒng)中作濾波器 。 圖 18 FP濾波器 輸入信號F P 濾波器反射若用自由空間波長 λ表示 ， 則 22( 1 )1( ) ( 11 )221 [ si n( ) ]1FTARTR nlR????????A為每個鏡面的吸收損耗 ， R是每個鏡面反射率 (假設兩個鏡相同 )， 光在腔內單程傳播的時延為 τ， 腔內介質的折射率為 n， 腔長為 l, τ=nl/c。 功率傳遞函數(shù) TFP(f)是頻率 f的周期函數(shù)， f滿足 fτ=k/2， k為正整數(shù)時，傳遞函數(shù) TFP(f)的值處在波峰 (通帶 )上。 圖 19 FP 濾波器的功率傳遞函數(shù) － 40－ 30－ 20－ 100－ 1 . 5 － 1 － 0 . 5 0 0 . 5 1 1 . 5R ＝ 0 . 9 9R ＝ 0 . 9 0R ＝ 0 . 7 5f / F S R功率傳遞函數(shù) / dB由圖可見：反射率 R越大，相鄰信道的隔離就越好。 FP濾波器兩個緊鄰通帶間的光譜范圍稱自由光譜范圍 (FSR)， 用 FWHM表示傳遞函數(shù)的半高寬 ， 比值FSR/FWHM稱作 FP濾波器的精細度 F, 則 ( 12)RF R??1. 改變腔的長度； 2. 改變腔內介質的折射率 。 改變腔長有機械移鏡和用壓電材料 (PZT)兩種辦法 。 FP濾波器選擇不同波長的兩種方法： 5. 多層介質薄膜濾波器 薄膜諧振腔濾波器是 FP干涉儀 ， 反射鏡采用多層介質薄膜 ， 稱多層介質薄膜濾波器 。 用作帶通濾波器時 ，只允許特定波長的光通過而其它所有波長的光反射 ，腔長決定通過的波長 。 濾波器特點：通帶頂部平坦 ， 邊緣尖銳 ， 溫度變化時性能穩(wěn)定 ， 插入損耗低 ， 對光的偏振不敏感 ， 濾波器多個級聯(lián)可做波分復用器 。 薄膜諧振多腔濾波器結構：由反射介質薄膜隔開的兩個或多個腔構成 。 改成多腔后與單腔相比 ， 通帶頂部更加平坦 ， 邊緣更尖銳 。 圖 20 三腔介質薄膜諧振腔濾波器 腔 3腔 2腔 1反射介質玻璃襯底圖 21 單腔 、 雙腔 、 三腔介質薄膜濾波器的傳輸譜 － 40 － 30 － 20 0 － 10 1 3腔 2腔 1腔 ? 0 / ? 濾波器的傳輸譜 / dB 圖 22 基于多層介質薄膜濾波器的波分復用 /解復用器 透鏡透鏡透鏡透鏡透鏡透鏡透鏡透鏡透鏡窄帶濾波器光纖?1?3?5?7?1, ?2, … ?8光纖?2?4?8?6玻璃襯底光纖6. 馬赫 曾德爾干涉儀 馬赫 曾德爾干涉儀 (MZI)使用兩條不同長度的干涉路徑決定不同的波長輸出 。 MZI以集成光波導形式出現(xiàn) ，用兩個 3dB定向耦合器連接兩條不同長度的光通路 。 級聯(lián)幾個 MZI后 ， 由于波長隨溫度和時間變化漂移 ，串擾性能不如理想情況 ， 級聯(lián)后的窄帶 MZI的通帶不平坦 。 MZI用作濾波器和波分復用器 ， 在寬帶濾波方面 MZI用于分開 。 通過級聯(lián)幾個 MZI可做窄帶濾波器 ， 但導致?lián)p耗增加 。 圖 23 馬赫 曾德爾干涉儀 (MZI) (a) 結構圖； (b) 方框圖； (c) 四級 MZI 輸入 1輸入 2路程差， ? L輸出 1輸出 2( a )M Z I( ? L )輸入 1輸入 2輸出 1輸出 2( b )M Z I( ? L )M Z I(2 ? L )M Z I(3 ? L )M Z I(4 ? L )輸入 1輸入 2輸出 1輸出 2( c )1. MZI作解復用器時 ， 有一個輸入 ， 假設從輸入端口1輸入 ， 經過第一個定向耦合器后 ， 功率平均分配到兩臂上 ， 但在兩臂上的信號有 π/2的相差 ， 下臂的信號比上臂滯后 π/2。 2. 下臂與上臂長度差 ΔL，則下臂信號的相位進一步滯后 βΔL, β為光在 MZI介質中的傳輸常數(shù)。在第二個定向耦合器的輸出 1處，來自下臂的信號比來自上臂的信號延遲 π/2，在輸出 1處，兩信號總相位差為 π/2+βΔL+ π/2 。 MZI工作原理： 3. 輸出 2處 ， 兩信號總相位差為 輸入 1的所有波長中 ， 滿足 (k為奇數(shù) )條件的波長 ， 由輸出 1輸出 ,滿足 (k為偶數(shù) )條件的波長由輸出 2輸出 。 通過適當設計可實現(xiàn)波的解復用 。 LL ????? ???? 22?? kL ?? ??? n2?)(2cos2sin)()(221211???????????????????LLfTfT??其中 f為光頻率。 若兩臂長度差為 ΔL，輸入 1輸入， 則單個 MZI的功率傳遞函數(shù)為 將 MZI級聯(lián)可構成多級馬赫 曾德爾干涉儀 。 MZI是互易器件 ， 也可作 2 1 復用器 。 (前 4個為每單個 MZI的傳遞函數(shù)， 最后一個為級聯(lián)后 4級 MZI的傳遞函數(shù) 圖 24 MZI的傳遞函數(shù) 第一級第二級第三級第四級所有級的級聯(lián)?0 / ? 7. 陣列波導光柵 陣列波導光柵 (AWG)是 MZI的推廣和一般形式 ， 由兩個多端口耦合器和連接它們的陣列波導構成 。 AWG可用作 n 1波分復用器和 1 n波分解復用器 。 與多級 MZI相比 ， AWG損耗低 ， 通帶平坦 ， 易集成在一塊襯底上 。 AWG可作靜態(tài)波長路由器 。 圖 25 陣列波導光柵 (AWG) 輸出耦合器輸入耦合器輸出波導陣列波導輸入波導圖 26 基于 AWG的靜態(tài)波長路由器 A W G?1, ?2, ?3, ?41 1 1 1?1, ?2, ?3, ?42 2 2 2?1, ?2, ?3, ?43 3 3 3?1, ?2, ?3, ?44 4 4 4?1, ?2, ?3, ?41 2 3 4?1, ?2, ?3, ?44 1 2 3?1, ?2, ?3, ?43 4 1 2?1, ?2, ?3, ?42 3 4 11. 設 AWG的輸入端口數(shù)和輸出端口數(shù)均為 n， 輸入耦合器為 n m形式 ， 輸出耦合器為 m n形式 ，輸入和輸出耦合器間由 m個波導連接 ， 每相鄰波導的長度差均為 ΔL。 2. MZI是 AWG在 n=m=2情形的特例 。 輸入耦合器將某個輸入端口的輸入信號分成 m部分 ， 各部分相對相位由從輸入波導到陣列波導在輸入耦合器中傳輸?shù)木嚯x決定 。 AWG工作原理： 8. 聲光可調諧濾波器 (AOTF) AOTF能同時選擇多個波長，可構造波長路由器。其基本原理是聲與光的相互作用。 AOTF原理：波導材料是雙折射物質 ， 能支持最低階TE模和 TM模 。 假設輸入光是 TE模 ， 只能選擇 TM模的偏振器放在波導輸出端 。 如果在被選擇波長附近的一個窄譜范圍內光能量轉換為 TM模式 ， 其余光能量仍保持 TE模式 ， 可制成波長選擇性濾波器 。 圖 27 集成光波導 AOTF 輸入 1輸入 2輸出 1輸出 2TE ＋ TM TETMTM TE TE ＋ TM輸入偏振器聲傳感器聲波輸出偏振器圖 28 簡化的 AOTF 偏振器聲傳感器 聲波輸入 輸出TMTE濾波器可通過沿光波的傳播方向或逆著光波的傳播方向發(fā)射一列聲波完成 。 聲波傳播引起媒質的密度周期性變化 ，其變化周期等于聲波波長 ， 相當于形成布喇格光柵 。 1 ( 16 )TM TEnn???? ?光波從一種模式耦合到另一種模式 ， Λ為聲波波長 ， λ為光波長 。 設 TE和 TM模折射率為 nTE和 nTM， 當滿足布喇格條件 滿足布喇格條件在波長 λ附近的窄譜范圍內的光從 TE模轉換為 TM模 ， 如果輸入光只是 TE模 ， 輸出只選擇 TM模 ，可作窄帶濾波器使用 。 若 nTEnTM=Δn ( 17 )n? ? ? ? ?適當選擇聲波波長 Λ， 經模式轉換又位于 AOTF通帶內的波長被選擇 。 布喇格條件決定選擇的波長，濾波器通帶寬度由聲光相互作用的長度決定，聲光相互作用的長度越長， 通帶越窄。 與偏振無關的 AOTF， 實現(xiàn)方式和與偏振無關的隔離器類似 ， 將輸入光信號分解為 TE和 TM兩個分量 ， 分別通過 AOTF后在輸出端組合在一起 。 Δλ=λλ0, λ0為滿足布喇格條件的波長， 為濾波器通帶寬度的量度， l為器件長度，濾波器的半高寬 FWHM=。 器件越長 (聲光相互作用長度越長 )，濾波器通帶就越窄；調諧速度與器件長度成反比，由聲波通過器件的時間決定。 )/(20 nl ??? ??AOTF的功率傳遞函數(shù)為 22si n [ 1 ( 2 / )2( ) ( 18 )1 2 /T? ??? ????? ??圖 29 AOTF的功率傳遞函數(shù) － 4 － 2 0 2 4－ 40－ 30－ 20－ 100△ ? / ?功率傳遞函數(shù) / dB與偏振無關的 AOTF可用作 2 2波長路由器 ， 滿足布喇格條件的波長被交換 ， 若同時發(fā)射幾個聲波 ， 有幾個光波長同時滿足布喇格條件 ， 在單個器件上可同時完成幾個波長的交換 。 通過改變聲波頻率可作動態(tài)波長路由器 ， 適當級聯(lián) 2 2路由器可構成多輸入多輸出路由器 。 圖 30 基于 AOTF (a) 交換波長 λ1。 (b) 同時交換波長 λ1和 λ4 A O TF?1, ?21 1?1, ?22 2?1, ?22 1?1, ?21 2RF1( a )A O TFRF1, R F4?1, ?2, ?3, ?41 1 1 1?1, ?2, ?3, ?42 2 2 2?1, ?2, ?3, ?42 1 1 2?1, ?2, ?3, ?41 2 2 1( b )三、光 交 換 技 術 光交換有三種方式： 空分光交換、 時分光交換和波分光交換。 空分光交換的功能：使光信號的傳輸通路在空間上發(fā)生改變 。 空分光交換的核心器件是光開關 。 它有電光型 、 聲光型和磁光型等 ， 電光型光開關速度快 、 串擾小 ,結構緊湊 ， 有很好的應用前景 。 典型光開關是用鈦擴散在鈮酸鋰 (Ti:LiNbO3)晶片上形成兩條相距很近的光波導構成 ， 通過對電壓的控制改變輸出通路 。 由 4個 1 2光開關器件組成 2 2光交換模塊 ， 1 2 光開關器件是 Ti: LiNbO3定向耦合器型光開關 ，只是少用一個輸入端 。 2 2光交換模塊是最基本的光交換單元 ， 它有兩個輸入端和兩個輸出端 ， 通過電壓控制 ， 可實現(xiàn)平行連接和交叉連接 。 圖 31 空分光交換 (a) 2 2光交換單元； (b) 平行連接和交叉連接； (c) 4 4光交換單元 1 2 光交換器件平行聯(lián)接交叉聯(lián)接( a )( b )定向耦合器光波導光信號輸出光信號輸入( c ) 時分光交換 時分光交換以時分復用為基礎 ， 用時隙互換原理實現(xiàn)交換 。 時隙互換：把時分復用幀中各個時隙的信號互換位置 。將時分復用信號經過分接器 ， 在同一時間內 ， 分接器每條出線依次傳輸某一時隙的信號；使這些信號經過不同的