專利名稱：光纖波導(dǎo)型法布里－珀羅光濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖通信系統(tǒng)和光傳感系統(tǒng)中使用的光無源器件。
背景技術(shù)：
光濾波器(或稱濾光器)是一種波長選擇器件，在光纖通信系統(tǒng)和光傳感系統(tǒng)中有著重要的應(yīng)用，這些應(yīng)用包括半導(dǎo)體激光器和光纖激光器的反射腔鏡和窄帶濾波、光波長復(fù)用/解復(fù)用器、光放大器中的噪聲抑制、波長選擇器、波長轉(zhuǎn)換器、色散補(bǔ)償器及延時器等。
法布里-珀羅F-P(Fabry-Perot)諧振腔型濾波器一種無源器件，是建立在F-P干涉儀的基礎(chǔ)上，其主要結(jié)構(gòu)為由兩個具有高反射系數(shù)鏡面所形成的平行腔體，光束在兩個平行鏡間多次反射產(chǎn)生干涉，對特定波長的光波發(fā)生諧振而形成頻率選擇性。
1.F-P濾波器基本原理如圖7所示，F(xiàn)-P濾波器的結(jié)構(gòu)簡圖。F-P(Fabry-Perot)濾波器有兩面相互平行的鏡面16構(gòu)成，光線由光線輸入腔中并在兩鏡面間多次反射。通過調(diào)整兩鏡面間距，某一波長的光可以被選擇通過腔體。入射光從輸入光纖進(jìn)入經(jīng)過校準(zhǔn)后，穿過腔體，重新聚焦于輸出光纖。當(dāng)光行經(jīng)兩個高反射系數(shù)鏡面所形成的平行腔體時，若腔體長度L滿足入射光的半個波長λ/2的整數(shù)倍時(即2L＝Nλ)，則會產(chǎn)生干涉而輸出光波。
令R為兩個平面鏡的功率反射率，令T為光到達(dá)第一塊平面鏡的透過率，令A(yù)為光在F-P腔內(nèi)單程傳播的透過率，則F-P濾波器的功率傳輸函數(shù)可以表示為H(f)=AT2(1-AR)2+4ARsin2(2πnfc0d)]]>在假設(shè)A＝1，T＝1條件下F-P濾波器透射譜線如圖8所示是一組梳狀窗口，平面反射率決定了窗口寬度。
F-P濾波器兩峰值的間隔即自由光譜區(qū)(FSR)由功率傳輸函數(shù)可得FSR=c02nd;]]>透射峰寬度(FWHM)也可由傳輸函數(shù)得到FWHM=c0(1-R)2ndπR.]]>反映F-P濾波器精度的參量精細(xì)度(finesse)為Fine=FSRFWHM=πR(1-R).]]>2.平面反射鏡平行度F-P腔結(jié)構(gòu)對平面反射鏡平行度的要求很高，如果兩個平面有一很小的傾角，就會導(dǎo)致入射光經(jīng)過幾次反射后就偏離出反射面。圖9a是傾角產(chǎn)生偏移的原理，圖9b顯示平面傾角和經(jīng)過6次反射，出射點位置的偏移量。橫軸是傾角的角度值，縱軸是偏移量和F-P腔長的比值。圖中可以看出即使0.5度傾角也會產(chǎn)生0.3倍腔長的偏移。這對大多數(shù)濾波器都是不可接受的。
反射面的傾角造成反射次數(shù)減少，F(xiàn)-P濾波器的性能參數(shù)也會因此受到影響。圖10是理想平行平面透射譜線曲線和傾角為0.1度(反射8次后，偏移出平行平面)的透射譜線曲線，其中R為反射率。可見反射面不平行使得濾波器窗口展寬，消光比惡化，精細(xì)度下降。
3.與本發(fā)明相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)3.1F-P濾波器結(jié)構(gòu)1濾波器結(jié)構(gòu)見圖4，光纖兩端直接鍍高反射膜7，腔長(即光纖長度)一般為厘米級到米級。這是因為工藝上制作長度短精度高的光纖有困難，因此一般濾波器腔長較長，自由光譜區(qū)較小，或者自由光譜區(qū)較大但精度很低。
3.2F-P濾波器結(jié)構(gòu)2濾波器結(jié)構(gòu)見圖5，在壓電陶瓷管10中放置兩個聚焦透鏡，中間形成空氣隙。透鏡內(nèi)側(cè)平面平行度很高，并且鍍了高反射膜8與空氣隙形成F-P腔9。兩側(cè)光纖11通過聚焦透鏡將入射光耦合進(jìn)腔內(nèi)。
這種結(jié)構(gòu)的F-P腔的缺點是腔長一般小于10μm，因此自由光譜區(qū)較大。由于空氣腔的模場分布和光纖的模場分布不匹配，致使這種結(jié)構(gòu)的腔長不能大于10μm，插入損耗也比較大。曾有插入損耗為4.3dB，腔長為7μm，精細(xì)度為100的結(jié)果報道。另外對兩個反射面的平行度要求很高，難以實現(xiàn)高精細(xì)度。
3.2F-P濾波器結(jié)構(gòu)3濾波器結(jié)構(gòu)見圖6，在瓷管中放置一光纖波導(dǎo)腔13，兩側(cè)是瓷棒12緊固住耦合光纖15。在瓷棒端面鍍高反射膜14與波導(dǎo)腔形成F-P腔。這種結(jié)構(gòu)腔內(nèi)采用光纖波導(dǎo)，在反射腔內(nèi)振蕩過程中避免了模式失配。通過延長中間波導(dǎo)長度可以增加F-P腔長，從而可以制作出自由光譜區(qū)小的濾波器。
對兩個反射腔的面的平行度而言，這種結(jié)構(gòu)制作工藝上雖然較結(jié)構(gòu)2難度有所降低，但仍然要求的平行度較高，而且插入損耗較大的問題沒有解決。因此制作成本很高。例如opticalwave公司精細(xì)度為1012的40GHzF-P濾波器售價3000美元左右。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有F-P濾波器結(jié)構(gòu)對腔面平行度要求很高，制作工藝非常難實現(xiàn)，致使精細(xì)度較高的濾波器造價很高的問題，提供一種光纖波導(dǎo)型法布里-珀羅光濾波器。
本發(fā)明提供的光纖波導(dǎo)型法布里-珀羅光濾波器，包括外層的套管、套管內(nèi)的中空瓷棒和磁棒內(nèi)部的光纖波導(dǎo)腔構(gòu)成，外層的套管為起導(dǎo)熱和對內(nèi)部堅固作用的紫銅套管，紫銅套管內(nèi)是一個與之緊密相連的中空瓷棒，瓷棒中心是一根單模光纖，單模光纖兩端面鍍有高反射膜，形成光纖波導(dǎo)法布里-珀羅(F-P)腔。
所述的單模光纖是使得歸一化頻率V低于2.405的光纖，此時臨近基模的高階模式都被截止。
紫銅套管采用FC型光纖活動連接器法蘭盤內(nèi)的套筒，以便和FC型跳線方便連接，實現(xiàn)光輸入輸出的耦合；瓷棒采用PC型跳線的插針套管，與內(nèi)部單模光纖緊密結(jié)合，瓷棒兩側(cè)與跳線接頭直接耦合。
本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果1、本發(fā)明在F-P腔內(nèi)采用單模光纖波導(dǎo)鍍膜結(jié)構(gòu)，不需要反射腔面平行度很高，克服了反射面不平行對F-P濾波器性能的影響，因此降低了工藝的制作難度。2、本濾波器可以像光纖活動連接器一樣直接與光纖跳線接頭耦合，應(yīng)用于光纖通信工程中非常方便。3、本濾波器結(jié)構(gòu)所需的材料都是制作光纖活動連接器的中間材料，采用的材料易于得到，只需或稍加加工即可制成，因此制作成本低廉。

圖1是本發(fā)明光纖波導(dǎo)F-P濾波器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是利用本發(fā)明F-P濾波器進(jìn)行全光時鐘提取的示意圖；圖3a是光數(shù)字信號光譜圖、b是本發(fā)明F-P濾波器提取的光時鐘脈沖光譜圖；圖4是現(xiàn)有F-P濾波器結(jié)構(gòu)1示意圖；圖5是現(xiàn)有F-P濾波器結(jié)構(gòu)2示意圖；圖6是現(xiàn)有F-P濾波器結(jié)構(gòu)3示意圖；圖7是F-P濾波器的結(jié)構(gòu)原理簡圖；圖8是F-P濾波器的透射譜線圖；圖9是反射面傾角與產(chǎn)生偏移量的關(guān)系示意圖；圖10是反射面傾角對F-P濾波器透射譜的影響示意圖。
具體實施方式實施例1如圖1所示，濾波器外層是紫銅套管3，起到導(dǎo)熱和對內(nèi)部堅固的作用。紫銅套管采用FC型光纖活動連接器法蘭盤內(nèi)的套筒，可以和FC型跳線方便的連接，實現(xiàn)光輸入輸出的耦合。紫銅套管內(nèi)是一個與之緊密相連的中空瓷棒1，瓷棒中心是一根單模光纖2。瓷棒采用PC型跳線的插針套管，能與內(nèi)部單模光纖緊密結(jié)合。根據(jù)預(yù)先設(shè)計的F-P腔長，將瓷棒磨成相應(yīng)長度且兩端磨平。單模光纖兩端面鍍有高反射膜4，形成光纖波導(dǎo)F-P腔。瓷棒兩側(cè)可以直接與跳線接頭5耦合。所有使用的器材都直接采用標(biāo)準(zhǔn)件或?qū)?biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行簡單加工得到，所以制作這種結(jié)構(gòu)的F-P濾波器非常方便。而且可以根據(jù)需求制作任意腔長的濾波器。
在本發(fā)明中采用單模光纖作為F-P腔。根據(jù)光波導(dǎo)的模式截止條件，恰當(dāng)設(shè)計光纖的纖芯的折射率、芯徑，包層的折射率、半徑以及工作波長，使得歸一化頻率V低于2.405。此時臨近基模(LP01)的高階模式(通常是LP11)都被截止，這樣的光纖即為單模光纖。單模光纖只能傳輸唯一的模式HE11。入射光透過端面進(jìn)入F-P腔內(nèi)只能延纖芯軸向傳播，到達(dá)另一端面反射后仍然沿纖芯軸向傳播。這樣光線在腔內(nèi)反復(fù)振蕩，始終延纖芯軸向傳播，不會遇到光線偏出反射面的問題。而且反射面直接鍍在兩光纖端面上，避免了結(jié)構(gòu)2，3中每次反射出現(xiàn)的耦合衰減，減小了插入損耗。
上述結(jié)構(gòu)設(shè)計的F-P濾波器不要求兩反射面很高的平行度，減低了工藝制作難度。同時克服其他結(jié)構(gòu)F-P濾波器因反射面不平行造成的濾波器窗口展寬，消光比惡化，精細(xì)度下降等問題。
關(guān)于歸一化頻率V光波在波導(dǎo)中傳播時，其傳輸過程可用麥克斯韋(J.C.Maxwell)方程來描述。在利用其來描述光波沿導(dǎo)傳播，并進(jìn)行求解時，會得到包含參數(shù)β的方程，β的大小由邊界條件所確定的方程決定，因此，求解β是關(guān)鍵，而這個方程稱為特征方程。
例如對于平面光波導(dǎo)，以TE偶模為例，分析如何導(dǎo)出特征方程。其模式場的兩個表達(dá)式為ey=b1cos(k2n12-β2x)|x|<ab2exp(-β2-k2n22x)|x|>a---(1)]]>hx=b1k2n12-β2ωμ0sin(k2n12-β2x)|x|<ab2β2-k2n22ωμ0exp(-β2-k2n22x)|x|>a---(2)]]>
式中ey為電場在y坐標(biāo)上的分量，hx為磁場在x坐標(biāo)上的分量，|x|＜a的部分為芯層，|x|＞a的部分為包層。
由(1)、(2)兩式可以求出芯層和包層邊界上的場。當(dāng)x由芯層趨向邊界時ey=b1cos(k2n12-β2a)]]>當(dāng)x由包層趨向邊界時ey=b2exp(-β2-k2n22a)]]>因為ey在邊界上連續(xù)，可得b1cos(k2n12-β2a)=b2exp(-β2-k2n22a)---(3)]]>同理，由hx在邊界上連續(xù)得b1k2n12-β2sin(k2n12-β2a)=b2β2-k2n22exp(-β2-k2n22a)---(4)]]>記U2=(k2n12-β2)a2W2=(β2-k2n22)a2---(5)]]>則有U2+W2=k2(n12-n22)a2=defV2---(6)]]>將(3)、(4)兩式相除，可得UtanU＝W (7)U2+W2＝V2方程(7)就是TE模的特征方程。其作用，是在已知k，n1，n2，a的條件下，即在光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和使用的光波長已知的情況下，求出β。顯然該方程有無窮多個解，從而得到一個β解的序列，并由此確定模式的序號。
關(guān)于U，W，V的物理意義如下由V2=k2(n12-n22)a2]]>可知，當(dāng)光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)(n1，n2，a)已知時，V正比于真空中的波數(shù)k，故V是一個表征頻率的量，稱為歸一化頻率，或稱為該光波導(dǎo)的波導(dǎo)參量。對于V的更直觀解釋為對于某一模式的電磁場，當(dāng)其在某一特定光波導(dǎo)中的V值小于某一個值時，模式場不斷地向包層擴(kuò)展，最后能量分散于廣大的空間，不能再傳輸，導(dǎo)致該模式截止。
實施例2如圖2所示，全光3R再生或光時分復(fù)用中利用本發(fā)明F-P光濾波器進(jìn)行全光時鐘提取。
對于高速全光網(wǎng)絡(luò)，全光時鐘提取是一個難度較大的關(guān)鍵技術(shù)。采用本發(fā)明方案可以較為方便的提取光時鐘脈沖。原理如下光數(shù)字脈沖信號含有連續(xù)的隨機(jī)碼分量和離散的時鐘分量。時鐘分量的光譜是等間隔的離散譜線，譜線間隔對應(yīng)數(shù)字信號的速率。光數(shù)字脈沖信號經(jīng)過具有梳狀譜特性的F-P濾波器后只有離散的時鐘分量譜線能夠通過。這樣通過濾波器輸出結(jié)果為時鐘分量，即實現(xiàn)了時鐘提取功能。(見圖3a、b所示)
權(quán)利要求
1.一種光纖波導(dǎo)型法布里-珀羅光濾波器，包括外層的套管、套管內(nèi)的中空瓷棒和磁棒內(nèi)部的光纖波導(dǎo)腔構(gòu)成，其特征是外層的套管為起導(dǎo)熱和對內(nèi)部堅固作用的紫銅套管，紫銅套管內(nèi)是一個與之緊密相連的中空瓷棒，瓷棒中心是一根單模光纖，單模光纖兩端面鍍有高反射膜，形成光纖波導(dǎo)法布里-珀羅(F-P)腔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光濾波器，其特征是所述的單模光纖是使得歸一化頻率V低于2.405的光纖，此時臨近基模的高階模式都被截止。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光濾波器，其特征是紫銅套管采用FC型光纖活動連接器法蘭盤內(nèi)的套筒，以便和FC型跳線方便連接，實現(xiàn)光輸入輸出的耦合；瓷棒采用PC型跳線的插針套管，與內(nèi)部單模光纖緊密結(jié)合，瓷棒兩側(cè)與跳線接頭直接耦合。
全文摘要
光纖波導(dǎo)型法布里－珀羅光濾波器。解決現(xiàn)有濾波器對腔面平行度要求很高，制作難度大，造價高的問題。本發(fā)明光濾波器，其外層的套管為起導(dǎo)熱和對內(nèi)部堅固作用的紫銅套管，紫銅套管內(nèi)是一個與之緊密相連的中空瓷棒，瓷棒中心是一根單模光纖，單模光纖兩端面鍍有高反射膜，形成光纖波導(dǎo)法布里－珀羅(F－P)腔。由于本發(fā)明采用單模光纖波導(dǎo)鍍膜結(jié)構(gòu)，不需要反射腔面平行度很高，克服了反射面不平行對F－P濾波器性能的影響，因此降低了工藝的制作難度。本濾波器所需的材料都是制作光纖活動連接器的中間材料，可以像光纖活動連接器一樣直接與光纖跳線接頭耦合，應(yīng)用于光纖通信工程中非常方便，因此制作成本低廉。
文檔編號H04J14/02GK1828351SQ20061001345
公開日2006年9月6日 申請日期2006年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月11日
發(fā)明者于晉龍, 王耀天, 張愛旭 申請人:天津大學(xué)