专利名称：光纤波导型法布里－珀罗光滤波器的制作方法
技术领域：
本发明属于光纤通信系统和光传感系统中使用的光无源器件。
背景技术：
光滤波器(或称滤光器)是一种波长选择器件，在光纤通信系统和光传感系统中有着重要的应用，这些应用包括半导体激光器和光纤激光器的反射腔镜和窄带滤波、光波长复用/解复用器、光放大器中的噪声抑制、波长选择器、波长转换器、色散补偿器及延时器等。
法布里-珀罗F-P(Fabry-Perot)谐振腔型滤波器一种无源器件，是建立在F-P干涉仪的基础上，其主要结构为由两个具有高反射系数镜面所形成的平行腔体，光束在两个平行镜间多次反射产生干涉，对特定波长的光波发生谐振而形成频率选择性。
1.F-P滤波器基本原理如图7所示，F-P滤波器的结构简图。F-P(Fabry-Perot)滤波器有两面相互平行的镜面16构成，光线由光线输入腔中并在两镜面间多次反射。通过调整两镜面间距，某一波长的光可以被选择通过腔体。入射光从输入光纤进入经过校准后，穿过腔体，重新聚焦于输出光纤。当光行经两个高反射系数镜面所形成的平行腔体时，若腔体长度L满足入射光的半个波长λ/2的整数倍时(即2L＝Nλ)，则会产生干涉而输出光波。
令R为两个平面镜的功率反射率，令T为光到达第一块平面镜的透过率，令A为光在F-P腔内单程传播的透过率，则F-P滤波器的功率传输函数可以表示为H(f)=AT2(1-AR)2+4ARsin2(2πnfc0d)]]>在假设A＝1，T＝1条件下F-P滤波器透射谱线如图8所示是一组梳状窗口，平面反射率决定了窗口宽度。
F-P滤波器两峰值的间隔即自由光谱区(FSR)由功率传输函数可得FSR=c02nd;]]>透射峰宽度(FWHM)也可由传输函数得到FWHM=c0(1-R)2ndπR.]]>反映F-P滤波器精度的参量精细度(finesse)为Fine=FSRFWHM=πR(1-R).]]>2.平面反射镜平行度F-P腔结构对平面反射镜平行度的要求很高，如果两个平面有一很小的倾角，就会导致入射光经过几次反射后就偏离出反射面。图9a是倾角产生偏移的原理，图9b显示平面倾角和经过6次反射，出射点位置的偏移量。横轴是倾角的角度值，纵轴是偏移量和F-P腔长的比值。图中可以看出即使0.5度倾角也会产生0.3倍腔长的偏移。这对大多数滤波器都是不可接受的。
反射面的倾角造成反射次数减少，F-P滤波器的性能参数也会因此受到影响。图10是理想平行平面透射谱线曲线和倾角为0.1度(反射8次后，偏移出平行平面)的透射谱线曲线，其中R为反射率。可见反射面不平行使得滤波器窗口展宽，消光比恶化，精细度下降。
3.与本发明相关的现有技术3.1F-P滤波器结构1滤波器结构见图4，光纤两端直接镀高反射膜7，腔长(即光纤长度)一般为厘米级到米级。这是因为工艺上制作长度短精度高的光纤有困难，因此一般滤波器腔长较长，自由光谱区较小，或者自由光谱区较大但精度很低。
3.2F-P滤波器结构2滤波器结构见图5，在压电陶瓷管10中放置两个聚焦透镜，中间形成空气隙。透镜内侧平面平行度很高，并且镀了高反射膜8与空气隙形成F-P腔9。两侧光纤11通过聚焦透镜将入射光耦合进腔内。
这种结构的F-P腔的缺点是腔长一般小于10μm，因此自由光谱区较大。由于空气腔的模场分布和光纤的模场分布不匹配，致使这种结构的腔长不能大于10μm，插入损耗也比较大。曾有插入损耗为4.3dB，腔长为7μm，精细度为100的结果报道。另外对两个反射面的平行度要求很高，难以实现高精细度。
3.2F-P滤波器结构3滤波器结构见图6，在瓷管中放置一光纤波导腔13，两侧是瓷棒12紧固住耦合光纤15。在瓷棒端面镀高反射膜14与波导腔形成F-P腔。这种结构腔内采用光纤波导，在反射腔内振荡过程中避免了模式失配。通过延长中间波导长度可以增加F-P腔长，从而可以制作出自由光谱区小的滤波器。
对两个反射腔的面的平行度而言，这种结构制作工艺上虽然较结构2难度有所降低，但仍然要求的平行度较高，而且插入损耗较大的问题没有解决。因此制作成本很高。例如opticalwave公司精细度为1012的40GHzF-P滤波器售价3000美元左右。
发明内容本发明的目的是解决现有F-P滤波器结构对腔面平行度要求很高，制作工艺非常难实现，致使精细度较高的滤波器造价很高的问题，提供一种光纤波导型法布里-珀罗光滤波器。
本发明提供的光纤波导型法布里-珀罗光滤波器，包括外层的套管、套管内的中空瓷棒和磁棒内部的光纤波导腔构成，外层的套管为起导热和对内部坚固作用的紫铜套管，紫铜套管内是一个与之紧密相连的中空瓷棒，瓷棒中心是一根单模光纤，单模光纤两端面镀有高反射膜，形成光纤波导法布里-珀罗(F-P)腔。
所述的单模光纤是使得归一化频率V低于2.405的光纤，此时临近基模的高阶模式都被截止。
紫铜套管采用FC型光纤活动连接器法兰盘内的套筒，以便和FC型跳线方便连接，实现光输入输出的耦合；瓷棒采用PC型跳线的插针套管，与内部单模光纤紧密结合，瓷棒两侧与跳线接头直接耦合。
本发明的优点和积极效果1、本发明在F-P腔内采用单模光纤波导镀膜结构，不需要反射腔面平行度很高，克服了反射面不平行对F-P滤波器性能的影响，因此降低了工艺的制作难度。2、本滤波器可以像光纤活动连接器一样直接与光纤跳线接头耦合，应用于光纤通信工程中非常方便。3、本滤波器结构所需的材料都是制作光纤活动连接器的中间材料，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。
图1是本发明光纤波导F-P滤波器结构示意图；图2是利用本发明F-P滤波器进行全光时钟提取的示意图；图3a是光数字信号光谱图、b是本发明F-P滤波器提取的光时钟脉冲光谱图；图4是现有F-P滤波器结构1示意图；图5是现有F-P滤波器结构2示意图；图6是现有F-P滤波器结构3示意图；图7是F-P滤波器的结构原理简图；图8是F-P滤波器的透射谱线图；图9是反射面倾角与产生偏移量的关系示意图；图10是反射面倾角对F-P滤波器透射谱的影响示意图。
具体实施方式实施例1如图1所示，滤波器外层是紫铜套管3，起到导热和对内部坚固的作用。紫铜套管采用FC型光纤活动连接器法兰盘内的套筒，可以和FC型跳线方便的连接，实现光输入输出的耦合。紫铜套管内是一个与之紧密相连的中空瓷棒1，瓷棒中心是一根单模光纤2。瓷棒采用PC型跳线的插针套管，能与内部单模光纤紧密结合。根据预先设计的F-P腔长，将瓷棒磨成相应长度且两端磨平。单模光纤两端面镀有高反射膜4，形成光纤波导F-P腔。瓷棒两侧可以直接与跳线接头5耦合。所有使用的器材都直接采用标准件或对标准件进行简单加工得到，所以制作这种结构的F-P滤波器非常方便。而且可以根据需求制作任意腔长的滤波器。
在本发明中采用单模光纤作为F-P腔。根据光波导的模式截止条件，恰当设计光纤的纤芯的折射率、芯径，包层的折射率、半径以及工作波长，使得归一化频率V低于2.405。此时临近基模(LP01)的高阶模式(通常是LP11)都被截止，这样的光纤即为单模光纤。单模光纤只能传输唯一的模式HE11。入射光透过端面进入F-P腔内只能延纤芯轴向传播，到达另一端面反射后仍然沿纤芯轴向传播。这样光线在腔内反复振荡，始终延纤芯轴向传播，不会遇到光线偏出反射面的问题。而且反射面直接镀在两光纤端面上，避免了结构2，3中每次反射出现的耦合衰减，减小了插入损耗。
上述结构设计的F-P滤波器不要求两反射面很高的平行度，减低了工艺制作难度。同时克服其他结构F-P滤波器因反射面不平行造成的滤波器窗口展宽，消光比恶化，精细度下降等问题。
关于归一化频率V光波在波导中传播时，其传输过程可用麦克斯韦(J.C.Maxwell)方程来描述。在利用其来描述光波沿导传播，并进行求解时，会得到包含参数β的方程，β的大小由边界条件所确定的方程决定，因此，求解β是关键，而这个方程称为特征方程。
例如对于平面光波导，以TE偶模为例，分析如何导出特征方程。其模式场的两个表达式为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为电场在y坐标上的分量，hx为磁场在x坐标上的分量，|x|＜a的部分为芯层，|x|＞a的部分为包层。
由(1)、(2)两式可以求出芯层和包层边界上的场。当x由芯层趋向边界时ey=b1cos(k2n12-β2a)]]>当x由包层趋向边界时ey=b2exp(-β2-k2n22a)]]>因为ey在边界上连续，可得b1cos(k2n12-β2a)=b2exp(-β2-k2n22a)---(3)]]>同理，由hx在边界上连续得b1k2n12-β2sin(k2n12-β2a)=b2β2-k2n22exp(-β2-k2n22a)---(4)]]>记U2=(k2n12-β2)a2W2=(β2-k2n22)a2---(5)]]>则有U2+W2=k2(n12-n22)a2=defV2---(6)]]>将(3)、(4)两式相除，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的条件下，即在光波导结构和使用的光波长已知的情况下，求出β。显然该方程有无穷多个解，从而得到一个β解的序列，并由此确定模式的序号。
关于U，W，V的物理意义如下由V2=k2(n12-n22)a2]]>可知，当光波导结构参数(n1，n2，a)已知时，V正比于真空中的波数k，故V是一个表征频率的量，称为归一化频率，或称为该光波导的波导参量。对于V的更直观解释为对于某一模式的电磁场，当其在某一特定光波导中的V值小于某一个值时，模式场不断地向包层扩展，最后能量分散于广大的空间，不能再传输，导致该模式截止。
实施例2如图2所示，全光3R再生或光时分复用中利用本发明F-P光滤波器进行全光时钟提取。
对于高速全光网络，全光时钟提取是一个难度较大的关键技术。采用本发明方案可以较为方便的提取光时钟脉冲。原理如下光数字脉冲信号含有连续的随机码分量和离散的时钟分量。时钟分量的光谱是等间隔的离散谱线，谱线间隔对应数字信号的速率。光数字脉冲信号经过具有梳状谱特性的F-P滤波器后只有离散的时钟分量谱线能够通过。这样通过滤波器输出结果为时钟分量，即实现了时钟提取功能。(见图3a、b所示)
权利要求
1.一种光纤波导型法布里-珀罗光滤波器，包括外层的套管、套管内的中空瓷棒和磁棒内部的光纤波导腔构成，其特征是外层的套管为起导热和对内部坚固作用的紫铜套管，紫铜套管内是一个与之紧密相连的中空瓷棒，瓷棒中心是一根单模光纤，单模光纤两端面镀有高反射膜，形成光纤波导法布里-珀罗(F-P)腔。
2.根据权利要求1所述的光滤波器，其特征是所述的单模光纤是使得归一化频率V低于2.405的光纤，此时临近基模的高阶模式都被截止。
3.根据权利要求1或2所述的光滤波器，其特征是紫铜套管采用FC型光纤活动连接器法兰盘内的套筒，以便和FC型跳线方便连接，实现光输入输出的耦合；瓷棒采用PC型跳线的插针套管，与内部单模光纤紧密结合，瓷棒两侧与跳线接头直接耦合。
全文摘要
光纤波导型法布里－珀罗光滤波器。解决现有滤波器对腔面平行度要求很高，制作难度大，造价高的问题。本发明光滤波器，其外层的套管为起导热和对内部坚固作用的紫铜套管，紫铜套管内是一个与之紧密相连的中空瓷棒，瓷棒中心是一根单模光纤，单模光纤两端面镀有高反射膜，形成光纤波导法布里－珀罗(F－P)腔。由于本发明采用单模光纤波导镀膜结构，不需要反射腔面平行度很高，克服了反射面不平行对F－P滤波器性能的影响，因此降低了工艺的制作难度。本滤波器所需的材料都是制作光纤活动连接器的中间材料，可以像光纤活动连接器一样直接与光纤跳线接头耦合，应用于光纤通信工程中非常方便，因此制作成本低廉。
文档编号H04J14/02GK1828351SQ20061001345
公开日2006年9月6日 申请日期2006年4月11日 优先权日2006年4月11日
发明者于晋龙, 王耀天, 张爱旭 申请人:天津大学