3.3 可调谐光滤波器

电子滤波器是从包含多个频率分量的电子信号中提取出所需要频率的信号，让其通过的滤波器叫作带通滤波器，阻止其通过的叫作带阻滤波器。光滤波器也与此类似，它是光通信系统，特别是WDM网络中非常重要的器件。人们可以把这种光滤波器放在光探测器的前端构成一个调谐接收机；把这种滤波器放在激光腔体内，又可以构成波长可调光源。

光频滤波根据其机理可分为干涉（衍射）型和吸收型两类，每一类根据其实现的原理又可以分为若干种，根据其调谐的能力又可分为光频固定滤波器和可调谐光滤波器。

可调谐光滤波器（Tunable Optical Filters）是一种波长（或频率）选择器件，它的功能是从许多不同频率的输入光信号中选择一个特定频率的光信号。图3.3.1给出可调谐光滤波器的基本功能，图中Δf_s为输入的最高频率信道和最低频率信道之间的频率差，Δf_ch为信道间隔。如果调谐范围覆盖的Δf_L等于光纤整个1.3μm或1.5μm低损耗窗口，那么调谐范围应为200nm（25000GHz），实际系统的要求往往小于这个数值。T（f）为滤波器的传输函数。

在WDM系统中，每个接收机必须选择所需要的信道。信道选择可采用相干检测或直接检测技术。若采用相干检测，则要求有可调谐本地振荡器；若采用直接检测，则要求在接收机前放置可调谐光滤波器。

对可调谐光滤波器的要求是：调谐范围宽，滤波器带宽必须足够大，以传输所选择信道的全部频谱成分，但又不能太大，以避免邻近信道的串扰。可调谐光滤波器还要求调谐范围宽（覆盖整个系统的波长复用范围）、调谐速度快、插入损耗小、对偏振不敏感，另外还要求稳定性好，以免受环境温度、湿度和震动的影响，当然成本还要低。

本节介绍3种光滤波器：法布里-珀罗（Fabry-Perot, F-P）滤波器、马赫-曾德尔（Mach-Zehnder, M-Z）干涉滤波器、各种光栅滤波器，特别是阵列波导光栅（AWG）滤波器。

3.3.1 法布里-珀罗（F-P）滤波器

1.基本的法布里-珀罗（F-P）干涉仪

基本的法布里-珀罗（F-P）干涉仪是由两块平行镜面组成的谐振腔构成，一块镜面固定，另一块可移动，以改变谐振腔的长度，如图3.3.2所示。镜面是经过精细加工并镀有金属反射膜或多层介质膜的玻璃板，图中略去输入和输出光纤及透镜系统，而集中讨论谐振腔。光纤输入光经过谐振腔反射一次后，聚焦在输出光纤端面上，由式（1.3.3b）可知，只有两块平行镜面间的距离L（谐振腔的长度）是半波长的整数倍时，在两块镜面间来回反射的某一波长的光波发生相长干涉，才会形成驻波透射出去。但这种结构的干涉仪构成的滤波器体积大，使用不便。

2.光纤F-P干涉仪

光纤法布里-珀罗（F-P）干涉仪的结构如图3.3.3所示，光纤端面本身就充当两块平行的镜面。图3.3.4a和图3.3.4b分别表示间隙型和内波导型光纤F-P滤波器。如果将光纤（即F-P的反射镜面）固定在压电陶瓷上，通过外加电压使压电陶瓷产生电致伸缩作用来改变谐振腔的长度，同样可以从复用信道中选取所需要的信道。这种结构可实现小型化。

光纤F-P干涉仪可用作调谐滤波器的基本物理机理与1.3.2节讨论过的光多次干涉和谐振特性类似。对于无源F-P滤波器，因为滤波器只能允许满足谐振腔单纵模传输的相位条件的频率信号通过，所以传输特性与波长有关。F-P滤波器的传输特性如图3.3.5a所示，它具有多个谐振峰，每两个谐振峰间的频率间距由式（1.3.4）可知

式中，n是构成F-P滤波器的材料折射率，L是谐振腔长度。Δf_L就是滤波器的自由光谱范围FSR。假如滤波器设计成只允许复用信道中的一个信道通过，如图3.3.5c中的f_i=f₁信道的频率正好对准传输特性的谐振峰，所以只有f_i=f₁的信道才能通过滤波器，而其他信道被抑制了。但是由于传输特性的非理想性，其他信道的信号也有一小部分通过滤波器，从而造成对f₁信道的干扰。

3.F-P滤波器的传输特性

进入F-P滤波器的N个不同频率的波分复用光信号，其总带宽为复用信号的总带宽

必须小于Δf_L，这里N是信道数，S_ch是归一化信道间距，其值为S_ch=Δf_ch/B，B是比特率，Δf_ch是信道间距，如图3.3.5b所示。同时，滤波器带宽Δf_F-P（定义为图3.3.5表示的传输函数波形的半最大值全宽）应该足够大，以便让所选信道的整个频谱成分通过，对于归零码Δf_F-P=B。于是得到最多可以选择出的信道数为

式中，F=Δf_L/Δf_F-P是F-P滤波器的精细度，它决定滤波器的选择性，即能分辨的最小频率差，从而也决定所能选择出的最大信道数。精细度的概念与F-P干涉仪理论中的相同。假如谐振腔内部损耗忽略不计，则精细度由镜面反射率R决定，假设两个镜面的R相等，此时

对于F-P滤波器，信道间距要小于3Δf_F-P（S_ch=3），以便保持串话小于-10dB。将S_ch=3限制值和式（3.3.4）代入式（3.3.3），得到F-P滤波器可以选择出的最多信道数为

由此可见，信道数由镜面反射率决定。具有99%反射率的滤波器可以选出104个信道。改变装在滤波器上的压电陶瓷的电压来改变谐振腔（滤波器）的长度，从而选择出所需要的信道。滤波器长度只要改变不到1μm，就可以选择出不同的信道。滤波器长度L本身在满足Δf_L>Δf_s的条件下，由式（3.3.1）决定，对于Δf_s=100GHz，n=1.5，则需L<1mm。如果信道间距很宽（约1nm），L可能要小到10μm。

光纤滤波器的制作过程如下：首先将光纤密封在标准的玻璃或陶瓷套管中，然后对光纤端面抛光，并镀上多层介质反射膜，再把这些管子和氧化锆套管对准，然后将这一组件放置在一个外径为6.35mm的圆柱形压电外壳中，外壳的端面与管子用环氧树脂黏结。

图3.3.5表示F-P滤波器的传输特性，图3.3.5a为典型滤波器的功率传输函数，两个相邻传输峰的频率差为Δf_L；图3.3.5b表示N个信道经波分复用后，总带宽为Δf_s的输入信号频谱曲线；图3.3.5c表示F-P滤波器的输出频谱曲线。

光纤F-P滤波器的优点是无须增加耦合损耗就集成在系统中。使用两个单腔滤波器级联，可使有效精细度（F）增加到接近1000，从而最多信道数可以大一个数量级（见文献［4］中的3.3.1节）。

F-P滤波器的优点是调谐范围宽，而且通带可以做得很窄，通常可以做到与偏振无关。F-P滤波器可以集成在系统内，减小耦合损耗，其缺点是一般设计的滤波器调谐速度较慢，使用压电调谐技术，调谐速度可以达到1μs。

3.3.2 马赫-曾德尔（M-Z）滤波器

图3.3.6表示马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉滤波器的示意图，它由两个3dB耦合器串联组成一个马赫-曾德尔干涉仪，干涉仪的两臂长度不等，光程差为ΔL。

马赫-曾德尔干涉滤波器的原理是基于两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。考虑两个波长λ₁和λ₂复用后的光信号由光纤送入马赫-曾德尔干涉滤波器的输入端1，两个波长的光功率经第一个3dB耦合器均匀地分配到干涉仪的两臂上，由于两臂的长度差为ΔL，所以经两臂传输后的光，在到达第二个3dB耦合器时就产生由式（1.2.8）决定的相位差Δϕ=kΔL，因k=2π/λ，所以Δϕ=kΔL=（2π/λ）ΔL，因为λ=c/（nf），所以Δϕ=2πf（ΔL）n/c，式中n是波导折射率，复合后每个波长的信号光在满足一定的相位条件下，在两个输出光纤中的其中一个相长干涉，而在另一个相消干涉。如果在输出端口3，相位差为π，λ₂满足相长条件，λ₁满足相消条件，则输出λ₂光；如果在输出端口4，相位差为2π，λ₂满足相消条件，λ₁满足相长条件，则输出λ₁光，如图3.3.6所示。以此类推，如果同时输入λ₁、λ₂、λ₃、λ₄波长的信号，λ₄信号在端口3的相位差为3π，满足相长干涉条件，则也在输出端口3输出；而λ₃信号在端口4的相位差为4π，满足相长干涉条件，则也在输出端口4输出。

这种滤波器要求输入光波的频率间隔必须精确地控制在Δf=c/（2nΔL）的整数倍。当波长数为4个时，需要3个马赫-曾德尔干涉滤波器级联；当波长数为8个时，需要三级共7个马赫-曾德尔干涉滤波器级联，而且要使第一级的频率间隔为Δf，第二级的频率间隔为2Δf，第三级的频率间隔为4Δf，才能将它们分开，如图3.3.7所示。

改变Δf既可以分别控制有效光通道的折射率n和长度差ΔL，也可以同时控制n和ΔL。可以通过对热敏薄膜加热或者改变压电晶体的控制电压来达到。级联马赫-曾德尔干涉滤波器可以用InP衬底或Si衬底平面光波导（Planer Lightwave Circuit, PLC）来实现。因为这种滤波器的调谐机理是热电的，所以切换时间约为1ms。

此外，马赫-曾德尔干涉仪（M-ZI）构成的可调谐滤波器制造成本低，对偏振很不灵敏，串音很低，但是调谐控制复杂，调谐速度较慢。

3.3.3 布拉格（Bragg）光栅滤波器

1.布拉格光栅（Bragg Grating）

布拉格（Bragg）光栅由间距为Λ的一列平行半反射镜组成，Λ称为布拉格间距，如图3.3.8所示。如果半反射镜数量N（布拉格周期）足够大，那么对于某个特定波长的光信号，从第一个反射镜反射出来的总能量E_{r, tot}约为入射的能量E_in，即使功率反射系数R很小。由式（1.3.3）可知，该特定波长λ_B强反射的条件是

式中，m代表布拉格光栅的阶数，当m=1时，表示一阶布拉格光栅，此时光栅周期等于半波长（Λ=λ_B/2）；当m=2时，表示二阶布拉格光栅，此时光栅周期等于2个半波长（Λ=λ_B）。式（3.3.6）表明，布拉格间距（或光栅周期）应该是λ_B波长一半的整数倍，负号代表是反射。

布拉格光栅的基本特性就是以共振波长为中心的一个窄带光学滤波器，该共振波长称为布拉格波长。式（3.3.6）的物理意义是，光栅的作用如同强的反射镜，该原理适用于光纤光栅、分布式反馈（Distribute Feedback, DFB）激光器和分布式布拉格反射（Distributed Bragg Reflector, DBR）激光器。

2.光纤光栅和光纤光栅滤波器（Fiber Grating Filter）

光纤光栅是利用光纤中的光敏性而制成的。所谓光敏性，是指强激光（在10～40ns脉冲内产生几百毫焦耳的能量）辐照掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化，变化的大小与光强呈线性关系。例如，用特定波长的激光干涉条纹（全息照相）从侧面辐照掺锗光纤，就会使其内部折射率呈现周期性变化，就像一个布拉格光栅，成为光纤光栅，如图3.3.9a所示。这种光栅大约在500℃以下稳定不变，但用500℃以上的高温加热时就可擦除。在InP衬底上用In_xGa_1-xAs_yP_1-y材料制成凸凹不平结构的表面，其间距为Λ的光栅就构成一个单片集成布拉格光栅，如图3.3.9b所示。

光纤布拉格光栅是一小段光纤，一般几毫米长，其纤芯折射率经两束相互干涉的紫外光（峰值波长为240nm）照射后产生周期性调制，干涉条纹周期Λ由两光束之间的夹角决定，大多数光纤的纤芯对于紫外光来说是光敏的，这就意味着将纤芯直接曝光于紫外光下将导致纤芯折射率永久性变化。这种光纤布拉格光栅的基本特性就是以共振波长为中心的一个窄带光学滤波器，该共振波长称为布拉格波长，由式（3.3.6）可知，其值为

由式（3.3.7）可知，工作波长由干涉条纹周期Λ决定，对于1.55μm附近，Λ为1～10μm。沿光纤长度方向施加拉力，可以改变光纤布拉格光栅的间距，实现机械调谐。加热光纤也可以改变光栅的间距，实现热调谐。

利用光纤布拉格光栅反射布拉格共振波长附近光的特性，可以做成波长选择分布式反射镜或带阻滤光器。如果在一个2×2光纤耦合器输出侧的两根光纤上写入同样的布拉格光栅，则还可以构成带通滤波器，如图3.3.10所示。

表3.3.1给出了目前已有的各种商用光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）滤波器参数。温度在-5～70℃范围内变化，反射谱宽变化小于40pm（1pm=10-12m）。增益平坦滤波器用于对拉曼放大器、EDFA、放大自发辐射（Amplified Spontaneous Emission, ASE）光源的增益谱线进行平坦，而且在EDFA级联系统中使用，平坦度误差不线性累积，最大增益峰值可达6～8dB，偏振相关损耗<0.1dB, PMD<0.05ps，温度漂移<1ps/℃。对于光纤激光器用光栅，反射谱宽5年最大漂移50pm，温度每变化1℃，反射谱宽变化7～14pm。

3.基于DFB半导体激光器技术的光栅滤波器

用工作在1.55μm波段的InGaAsP/InP材料，制成内部包含一个或多个布拉格光栅的平板波导，就构成基于DFB半导体激光器技术的光栅滤波器，它的波长调谐可通过对谐振腔注入电流实现。类似于多段DFB半导体激光器使用的相位控制段，也用于DBR滤波器的调谐。这种滤波器的调谐速度很快，约为几个纳秒，而且可以提供增益，因为可以把放大器和滤波器集成在一起。这种滤波器也可以和接收机集成在一起，因为它们使用同一种半导体材料。InGaAsP/InP滤波器的这些特性对WDM应用很有吸引力。

各种调谐滤波器的一般特性列于表3.3.2。