【正文】 ? 4? ? ?? 2 , ? 3 , ? 4( c )1 1 1 12 2 2? 1 , ? 2 , ? 3 , ? 42 1 1 2? 1 , ? 2 , ? 3 , ? 41 2 2 12 圖 (a) 單純的濾波應(yīng)用； (b) 波分復(fù)用器中應(yīng)用； (c) 波長路由器中應(yīng)用 如果一個波長路由器的路由方式不隨時間變化 ，就稱為靜態(tài)路由器；路由方式隨時間變化 ， 則稱之為動態(tài)路由器 。 波長分插復(fù)用器可以看成是波長路由器的簡化形式 ， 它只有一個輸入端口和一個輸出端口 ， 再加上一個用于分插波長的本地端口 。 1. 光柵 (Grating)廣泛地用來將光分離為不同波長的單色光 。 圖 ， 圖 (a)是透射光柵 ， 圖(b)是反射光柵 。 如圖 示 ， 設(shè)兩個相鄰縫隙間的距離即柵距為 a, 光源離光柵平面足夠遠 (相對于 a而言 )， 入射角為 θi， 衍射角為 θd， 通過兩相鄰縫隙對應(yīng)光線的光程差由 ( )決定 ， 而 CDAB ? 圖 (a) 透射光柵； (b) 反射光柵 光柵平面 影像平面?2?1?d 1?d 2?i?1＋ ?2光柵平面影像平面?2?1?d 1?d 2?i?1＋ ?2( a ) ( b ) 透射光柵的工作原理 ?i?daDCBA光柵平面去影像平面來自光源)s i n( s i n diaCDAB ?? ???光柵方程為 a (sinθi sinθd ) = mλ 其中 m為整數(shù) ， 當 a和 θi一定時 ， 不同的 θd對應(yīng)不同的波長 λ， 也就是說 ， 像面上的不同點對應(yīng)不同的波長 ， 于是可用作 WDM中的解復(fù)用器 。 一般情況下 ， 傳輸媒質(zhì)的周期性微擾可以看作是布喇格光柵； 這種微擾通常引起媒質(zhì)折射率周期性的變化 。 設(shè)兩列波沿著同一方向傳播 ， 其傳播常數(shù)分別為 β0和 β1， ?????? 221 其中 Λ為光柵周期 ， 則一個波的能量可以耦合到另一個波中去 。 設(shè) β0=2πneff/λ0， 其中 λ0為輸入光的波長 ， neff為波導(dǎo)或光纖的有效折射率 。 隨著入射光波的波長偏離布喇格波長 ， 其反射率就會降低 ， 如圖 (a)所示 。 圖 (a)中的功率反射譜是針對折射率均勻周期性變化的光柵而言的 ， 為了消除不需要的旁瓣 ，新研制成功了一種稱為變跡光柵 (Apodized Grating)的光柵 ， 它與漸變折射率光纖有點類似 ， 其折射率沿光柵纖芯到邊沿逐漸減小 ， 變跡光柵的功率反射譜如圖 (b)所示 。 圖 (a) 均勻折射率情形； (b) 變跡折射率情形 0 2 4－ 2－ 4－ 40－ 30－ 20－ 100( a )( b )△? /△? /0 2 4－ 2－ 4－ 40－ 30－ 20－ 100反射功率譜 / dB反射功率譜 / dB 3. 光纖光柵 光纖光柵 (Fiber Grating)是一種非常有吸引力的全光纖器件 ， 其用途非常廣泛 ， 可用作光濾波器 、 光分插復(fù)用器和色散補償器 。 λ1 λ2 …λn 芯層 包層 Λ 包層折射率 n2 芯層折射率 n1 感光折射率 n λ1 λ2 …λn 芯層 包層 +1級 1級 紫外掩模寫入法 相位掩模板 光纖布喇格光柵 (FBG： Fiber Bragg Grating)是一種反射型光纖光柵 ， 光柵使正向傳輸模 (單模光纖中即為基模 )同反向傳輸模之間發(fā)生耦合 ， 光柵的波矢應(yīng)等于傳輸模波矢的 2倍 ， 也就是說 ， 光柵的周期應(yīng)等于傳輸光波在光纖內(nèi)部的波長的一半 ， 這種光纖光柵只對在布喇格波長及其附近很窄的波長范圍內(nèi)的光發(fā)生反射 ， 而不影響其它波長的光通過 。 這種濾波器也叫 F P干涉儀 ， 輸入光垂直到達第一個鏡面 ， 從第二個鏡面出來的光就是輸出 。 FＰ濾波器的功率傳遞函數(shù) TFP(f)與光的頻率 f有關(guān)： TFP(f)= 22)]2s i n (12[1)11(?? fRRRA???? 圖 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 TFP(λ)= 22)]2s i n (12[1)11(?? nlRRRA???? 這里 A表示每個鏡面的吸收損耗 ， R為每個鏡面的反射率(假設(shè)兩個鏡相同 )， 光在腔內(nèi)單程傳播的時延為 τ， 腔內(nèi)介質(zhì)的折射率為 n， 腔長為 l, 因此 τ=nl/c， c為真空中光速 。 反射率 R越大 ， 相鄰信道的隔離就越好 。 FP濾波器的兩個緊鄰的通帶之間的光譜范圍稱作自由光譜范圍 (FSR： Free Spectral Range)， 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: Finesse), 則 RRF ?? FP濾波器選擇不同的波長時一般有兩種方法：一種是改變腔的長度；另一種是改變腔內(nèi)介質(zhì)的折射率 。 5. 薄膜諧振腔濾波器 (Thin Film Resonant Cavity Filter)也是一個 FP干涉儀 ， 只不過其反射鏡是采用多層介質(zhì)薄膜而已 ， 常稱為多層介質(zhì)薄膜濾波器 (Multilayer Dielectric Thin Film Filter)。 薄膜諧振多腔濾波器 (Thin Film Resonant Multicavity Filter)的結(jié)構(gòu)如圖 ， 由反射介質(zhì)薄膜隔開的兩個或多個腔構(gòu)成 。 這種濾波器多個級聯(lián)后 ， 就可以做成波分復(fù)用器 ， 如圖 所示 。 圖 三腔介質(zhì)薄膜諧振腔濾波器 腔 3腔 2腔 1反射介質(zhì)玻璃襯底圖 單腔 、 雙腔 、 三腔介質(zhì)薄膜濾波器的傳輸譜 0 . 9 9 6－ 40－ 30－ 200－ 100 . 9 9 8 1 1 . 0 0 2 1 . 0 0 43 腔2 腔1 腔?0 / ?濾波器的傳輸譜 / dB圖 基于多層介質(zhì)薄膜濾波器的波分復(fù)用 /解復(fù)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 馬赫 曾德爾干涉儀 (MZI: Mach Zehnder Interferometer)使用兩條不同長度的干涉路徑來決定不同的波長輸出 。 一個 MZI可用圖 (b)表示 。 雖然多層介質(zhì)薄膜濾波器在窄帶濾波方面性能較好 ， 但在寬帶濾波方面 MZI非常有用 ， 例如用來分開 μm和 μm兩個波長的光信號 。 圖 馬赫 曾德爾干涉儀 (MZI) (a) 結(jié)構(gòu)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 ) MZI可用來作濾波器和波分復(fù)用器 。 當然 ，通過級聯(lián)幾個 MZI也可以做成窄帶濾波器 ， 如圖 (c)所示 ，但是這將導(dǎo)致?lián)p耗大大增加 。 現(xiàn)在簡單分析 MZI的工作原理 。 這時只有一個輸入 ， 假設(shè)從輸入端口 1輸入 ， 經(jīng)過第一個定向耦合器后 ， 功率平均分配到兩臂上 ， 但是在兩臂上的信號有了 π/2的相差 ， 下臂上的信號比上臂滯后 π/2。 在第二個定向耦合器的輸出 1處 ， 來自下臂的信號又比來自上臂的信號延遲了π/2， 因此 ， 在輸出 1處 ， 兩信號總的相位差為 +βΔL+ 。 在輸入 1的所有波長中 ， 滿足 βΔL=kπ(k為奇數(shù) )條件的波長 ， 由輸出 1輸出；滿足 βΔL=kπ(k為偶數(shù) )條件的波長由輸出2輸出 。 如果兩臂長度差為 ΔL， 只是輸入 1輸入 ， 則單個 MZI的功率傳遞函數(shù)為 2?2?2?2?2?2?T11(f) T12(f) = 2sin2 L??2cos2 L??f 為光頻率 。 圖 (c)示出 4級馬赫 曾德爾干涉儀 ， 其中每個 MZI以及級聯(lián)后整個 4級 MZI的傳遞函數(shù)曲線如圖 。 7. 陣列波導(dǎo)光柵 (AWG: Arrayed Waveguide Grating)是 MZI的推廣和一般形式 。 AWG n 1波分復(fù)用器和1 n波分解復(fù)用器 。 AWG也可用作靜態(tài)波長路由器 ，如圖 。 設(shè) 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 ， 輸入和輸出耦合器之間由 m個波導(dǎo)連接 ， 每相鄰波導(dǎo)的長度差均為 ΔL。 輸入耦合器將某個輸入端口的輸入信號分成 m部分 ，它們之間的相對相位由從輸入波導(dǎo)到陣列波導(dǎo)在輸入耦合器中傳輸?shù)木嚯x來決定 ， 輸入波導(dǎo) i和陣列波導(dǎo) k之間的距離用dinik表示 ， 陣列波導(dǎo) k的長度比陣列波導(dǎo) (k1)的長度長 ΔL， 同樣 ， 陣列波導(dǎo) k和輸出波導(dǎo) j之間的距離用 doutkj表示 。 在輸入波導(dǎo) i的光信號的波長中 ， 滿足 Φijk為 2π的整數(shù)倍的波長將在輸出波導(dǎo) j輸出 。 如果設(shè)計輸入耦合器和輸出耦合滿足 dinik=dini+kδini 和 doutkj=doutj+kδoutj 在輸入波導(dǎo) i 輸 入 的 那 些 波 長 中 若 滿 足 : n1δin i+n2ΔL+n1δoutj=pλ， p為整數(shù) ， 則波長為 λ的光將在輸出波導(dǎo) j輸出 。 AOTF的基本原理是聲與光的相互作用 ， 圖 AOTF的集成光波導(dǎo)形式 。 假設(shè)輸入光完全是 TE模 ， 一個只能選擇 TM模的偏振器放在波導(dǎo)的輸出端 。 圖 集成光波導(dǎo) 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 簡化的 AOTF 偏振器聲傳感器 聲波輸入 輸出TMTE 一個簡化的 AOTF如圖 ， 波導(dǎo)材料是一種雙折射物質(zhì) ， 僅能支持最低階 TE模和 TM模 。 如果在被選擇的波長附近的一個窄譜范圍內(nèi)的光能量轉(zhuǎn)換為 TM模式 ， 而其余光能量仍保持 TE模式 ， 這樣就可以制成一個波長選擇性濾波器 。 聲波傳播引起媒質(zhì)的密度周期性變化 ， 其變化周期等于聲波波長 ， 這相當于形成了一個布喇格光柵 。 滿足布喇格條件在波長 λ附近的窄譜范圍內(nèi)的光將從 TE模轉(zhuǎn)換為 TM模 ， 如果這種器件的輸入光只是 TE模 ，輸出只選擇 TM模 ， 那么就可以作為一個窄帶濾波器使用 。 Δ n () 在 LiNbO3晶體中 ， Δn=。 例如 ， 為了選擇 μm波長 ， 若 Δn=， 則聲波波長大約為 22 μm， 在 LiNbO3晶體中聲速大約為 km/s， 對應(yīng)的聲波頻率為 km/s247。 由于產(chǎn)生該聲波的射頻頻率容易調(diào)諧 ，所以這種濾波器也很容易調(diào)諧 。 圖 AOTF， 其實現(xiàn)方式和與偏振無關(guān)的隔離器相類似 ， 將輸入光信號分解為 TE和 TM兩個分量 ， 分別通過 AOTF后再在輸出端組合在一起 。 AOTF的功率傳遞函 T(λ)= () 其中 Δλ=λλ0, λ0 為 滿 足 布 喇 格 條件 的 光 波 波 長 ， ε=λ20/(l 這說明器件越長 (聲光相