光濾波器

光濾波器是用來進行波長選擇的儀器，它可以從眾多的波長中挑選出所需的波長，而除此波長以外的光將會被拒絕通過。它可以用於波長選擇、光放大器的噪聲濾除、增益均衡、光復用/解復用。

概述

光耦合器或者光復用器是把不同波長的光復用到一根光纖中的，不同的波長傳載著不同的信息。那么在接收端，要從光纖中分離出所需的波長，就要用到光濾波器。

理論基礎

籠統地講，凡是能夠選擇光頻的技術，原則上都可用於製造光濾波器。光濾波器基本是由以下理論構築其理論基礎。

角色散理論

由光學理論可知，光柵和三稜鏡是一種典型的角色散元件。當多種波長的混合光通過這些元件時，就會發生衍射，由於衍射角的不同，可使混合波發生分離，從而獲得單一波長的光。

光柵分光原理示意圖

a.光柵的分光原理

附圖是利用光柵將混合光波進行分離的原理示意圖。從光纖輸入的混合波（λ1、λ2、λ3），經過透鏡（L1）準直後射向光柵，不同波長的光信號由於衍射角不同，經過透鏡（L2）聚焦在不同的位置上，並將光信號耦合進不同的光纖中進行輸出。這就是光柵的分光原理。

角色散元件的主要性能指標是角色散和色分辨本領。角色散本領是相距單位波長的光波被散開（分離）的角度。其表達式為：

D(θ)δθ/δλ

它的物理意義是表明不同波長的譜線中心分開的程度。而色分辨本領是分辨波長很接近的譜線的能力，它定義為：

R=λ/δλmin

式中δλmin是瑞利判據所規定的角色散元件能夠分辨的兩譜線的最小波長差。由這裡可以想像到，在密集波分復用（DWDM）系統，為了減少光信道之間的串擾，信道之間的間隔應遠大幹復用器能夠分辨的最小波長差。在這裡須指出，光柵的含義不僅僅是指在單位距離內所刻蝕出的眾多溝槽的那一種結構。凡是具有周期性空間結構或周期性光學性質的結構者都可認為它是一種光柵。也就是說，應該從廣義上去理解光柵。

光柵的相鄰兩峰之間的距離，通常稱為光柵常數，記作d。依此表示的角色散本領為：

D（θ）=K/（2dcosθ）

色分辨本領為：

R∝NK

上兩式中，K是光柵的衍射級數。由此可知D（θ）與d成反比，與K成正比。而色分辨本領與光柵的總槽數N和K成正比。因此，要想得到性能好的光柵，總槽數N應儘量大，光柵常數d應儘量小，並儘量選用高的衍射級數。當然，這種追求會給光柵的製造帶來一定的困難。

稜鏡的分光原理示意圖

b.稜鏡的分光原理

稜鏡的分光原理如附圖所示。它的工作原理是：含有多個光波長的信號的光，經透鏡準直後，通過三稜鏡將光分離，分離後的光再經過另一透鏡聚焦並耦合進相應的光纖中進行傳播。眾所周知，不同波長在同一種物質中的傳播速度是不一樣的，也就是說折射率n（n=c/V）隨波長而變。若選用dn/dλ，大的材料作稜鏡，就可以得到大的角色散本領和高的色分辨本領。

此外，若使稜鏡面的寬度適當增大並儘可能減小準直透鏡的直徑，就可獲得最佳性能的分光效果。以上系統中的透鏡，可以用自聚焦透鏡來代替，其效果完全一樣。

干涉膜濾波原理

干涉膜的結構如附圖所示。它由兩種折射率（n）大小不等的介質膜交替疊加而成。其厚度為1/4波長，通過介質膜的不同選擇構成長波通、短波通和帶通濾波器。高折射率層反射的光線其相位不會偏移，低折射率層反射的光線其相位偏移180度。通過每層薄膜界面上多次反射和透射光的線性疊加，當光程差等於光波長時，或是同相位時，多次透射光就會發生干涉，同相加強，形成強的透射光波，而反相光波相互抵消。通過適當設計多層介質膜系統，就可得到濾波性能良好的濾光片。

於涉膜潞光器結構示意圖

干涉膜濾光片的每一層薄膜類似於法布里-羅（F-P）腔。眾所周知，法布里一泊羅腔的選頻特性是基於在腔內形成駐波。通過腔長的控制來控制諧振波的多少，當腔長很短時，只允許幾個甚至於一個波存在。由於干涉膜是多層結構，從而可以達到對多種波長的選擇。

總之，利用干涉原理，就可設計出濾波器。例如馬赫一曾德（Mach-Zahnder，M-Z）干涉結構就可作光濾波器，如附圖所示。輸入信號光功率Pin經第一個3dB耦合器後，等分為P1和P2兩部分。由於路程差不同，當到達第二個3dB耦合器時，相位差將決定合成後輸出光的強度。同相加強，反相相消。因此，只要調整光波導的長度，便可選出所需要的波長。

M—Z干涉濾波器

耦合模濾波原理

當兩根單模光纖通過熔融拉錐而使其芯部很接近時，在錐形的腰部，其中一根光纖中傳輸的多波長信號，其基模（芯模）將會通過消失場變為耦合模。而耦合比的大小由錐形幾何尺寸分布所決定。當某一波長有較大耦合比時，就可從混合波中分離出來，從而達到光濾波作用。單模光纖方向耦合器作c光解復用器就是利用這種原理。

錐光纖與微球諧振腔組成的光上下復用器

附圖是利用耦合模理論製作的光濾波器及光的上下復用器（OADM）。當復用光波信號從1連線埠輸入時，由於耦合模λ3與微球諧振腔發生共振，而從連線埠3輸出（濾波作用）。當λ3從連線埠4輸入時，而由於耦合而進入連線埠2的復用光波之中，從而實現了OADM的功能。以上是光濾波器的最基本也是最重要的理論基礎。利用這些理論或這些理論的相互結合就可研製出各種各樣的光濾波器。各種光濾波器大都是以這些理論作為依據的，包括平面集成器件，如AWG等。除以上之外，還有一些其它方法，如利用雙折射原理，也可製作光濾波器。

分類

基於干涉原理的濾波器：熔錐光纖濾波器、Fabry-Perot濾波器、多層介質膜濾波器、馬赫-曾德干涉濾波器。

多層介質膜濾波器原理圖

基於光柵原理的濾波器：體光柵濾波器、陣列波導光柵濾波器（AWG）、光纖光柵濾波器、聲光可調諧濾波器。

基於光柵原理的體型光柵濾波器示意圖

附圖分別是基於干涉原理的多層介質膜濾波器原理圖和基於光柵原理的體型光柵濾波器示意圖。