CN101655578B - 降低光纤法布里-珀罗滤波器插入损耗的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了降低光纤法布里-珀罗滤波器插入损耗的方法，包括：首先根据滤波器精细度指标Finesse确定镀膜层反射率R的大小；再按照介质薄膜膜系材料的高、低折射率n_H和n_L及光纤折射率n_G，计算镀膜层数p；根据滤波器自由谱FSR指标和中心波长λ₀，确定空气隙长度d的大小；由此得到FFP滤波器腔内的实际结构。然后利用双向光束传输法计算得到入射端点的反射能量和出射端点的透射能量；改变镀膜直径大小，通过监测峰值输出点透射和反射功率变化，透射功率最大值对应的镀膜直径即为插入损耗最小的最优镀膜直径。

Description

降低光纤法布里-珀罗滤波器插入损耗的方法

技术领域

本发明涉及光纤法布里-珀罗(Fiber Fabry-Perot，FFP)滤波器，特别是涉及一种降低FFP滤波器插入损耗的新方法。

背景技术

FFP滤波器是光纤通信系统中的关键器件之一，其实用化研究正越来越受到人们的重视；在光谱分析和光纤传感技术中FFP滤波器也有重要应用。FFP滤波器具有超高光谱分辨力、极低偏振相关损耗等优良特性，在密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)系统的信号处理和光电子集成电路(OEIC)领域一直是研究的热点之一。插入损耗反映了入射光经光滤波器后的衰减程度，如设光波λ1的入射功率为P1，经光滤波器后功率为P2，且P2＜P1，则此光滤波器的插入损耗为P1-P2，它可以由光谱仪测量滤波器前、后端点的峰值进行计算得到。在光纤通信系统的解复用、信号解调、波长锁定及动态增益均衡等应用中，都要求光滤波器插入损耗越小越好。

将两根单模光纤端面镀上1/4波长的高低介质膜作为反射镜，然后插入毛细管中，形成中间是空气的法布里-珀罗腔，通过改变空气间隙的长度来改变腔长，可以实现FFP滤波器的波长调谐。在FFP滤波器所处的单模光纤中，光束沿光纤纵向传播的基模场束腰半径略大于纤芯半径，即在归一化频率满足条件1≤V≤2.405时，基模场除了在芯层中不衰减的纵向传播以外，还有少量能量在靠近纤芯的覆层(Cladding)中传输，其能量分布近似为以纤芯中心为原点的高斯分布。从入射光纤出射的光能量进入法布里-珀罗腔后，被分成三个部分：一部分为经过出射光纤传输的透射能量；另一部分为沿入射光纤返回的反射能量；最后一部分为留在腔内的能量。而腔内能量又分为两个部分：一部分为腔内来回反射的谐振能量，另一部分为衍射能量。光束从单模光纤入射进入空气隙腔后，由于衍射效应会产生发散，在法布里-珀罗腔内来回多次反射时，就有大量的光不能进入出射光纤，从而产生插入损耗。从模式匹配的角度看，入射光纤的基模场LP01直径应该与法布里-珀罗腔的谐振模宽带相当，光才能有效地耦合进入出射光纤。由于一般单模光纤纤芯直径不到10μm，要控制光纤端面的曲率半径非常困难，因此只能选择平面镜作为反射镜，这样一方面导致腔内谐振模的横向尺寸扩大，与直径较小的光纤模式不能匹配，另一方面反射镜的尺寸限制，决定了发散的光束不可能完全参与腔内的来回反射，产生了谐振腔的衍射损耗。由于这种衍射造成的插入损耗与空气隙长度密切相关，在DWDM光通信网络中，它限制了该结构的腔长不得大于10μm，使得利用该结构设计的滤波器自由谱及波长半宽度等指标在某些应用中受到限制。

为了实现FFP滤波器的低插入损耗，目前主要通过以下两种途径解决：一是采用大模场直径的光纤来增加输入光束的尺寸，使之与空气隙谐振腔的模式尺寸接近。增加输入光纤的模场直径可以通过增大光纤的芯径或减小光纤的归一化频率V来实现，但这两个参数都受到单模传输条件的限制，也就是说模场直径不可能无限增大，因而插入损耗的降低较为有限。

图2为采用大模式尺寸光纤减小插入损耗的FFP滤波器结构示意图，由于滤波器输入端的大模式尺寸入射光纤13比DWDM系统中标准单模入射光纤11的尺寸大，需要进行额外的焊接。另外滤波器输出端的大模式尺寸出射光纤14也不能与标准单模光纤连接，而应该与多模出射光纤12连接。J.Stone在1989年的Electron.Lett.中报道，采用这种结构将空气隙为7μm、波长为1.5μm的滤波器的插入损耗减少了3～4dB。

另一种途径是在腔内插入光波导(光纤或空芯波导)以减小法布里-珀罗腔的模场直径，使腔中来回反射的光被限制在波导内而不能在横向上扩展，通过限制谐振腔模场直径实现与光纤模场的匹配。但是在腔内插入光纤或空芯波导的工艺非常复杂，而且由于需要与入射光纤的反射膜接触，容易伤害反射膜，使加工器件的成品率降低。

图3为采用腔内插入光波导减小插入损耗的FFP滤波器结构图。当光波导为光纤时，滤波器输入、输出光纤都采用单模光纤，此时需要把腔内光纤与单模入射光纤覆层1、单模入射光纤纤芯3连接起来，否则会带来额外的连接损耗。连接过程中要注意内插波导覆层17、内插波导芯层18不能直接与入射端镀膜层6接触，如果伤害到镀膜层的反射膜就会影响端面反射效果，所以这种方式的连接损耗不可避免。当光波导为空芯光波导时，内插波导芯层18的折射率为1，而内插波导覆层17与单模入射光纤覆层1的直径相当，这段空芯光波导可以通过精密的蚀刻技术实现。内置空芯光波导与内置光纤相比的最大优势在于不直接与入射端镀膜层6接触，因此不会伤害到反射膜；但其缺点在于空芯波导存在泄漏损耗，而且单模入射光纤纤芯3、单模出射光纤纤芯4必须同时选用大模场直径的光纤，因为在小模场直径时，空芯波导的泄露损耗导致在反射率增加时透射率迅速下降，此时空芯波导实际上会引起插入损耗增大。

总之，这两种方法都需要额外引入新的材料(如大模场直径的光纤或光波导)，会增加成本及工艺难度等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种降低光纤法布里-珀罗滤波器插入损耗的方法，该方法通过优化光纤端面的镀膜层(即反射镜面)直径来释放腔内衍射能量，通过减小腔内衍射损耗来降低插入损耗。

本发明所采用的技术方案是：降低光纤法布里-珀罗滤波器插入损耗的方法，包括：

首先根据滤波器精细度指标Finesse由式(a)确定镀膜层反射率R的大小，

$\mathrm{Finesse}=\frac{\mathrm{\π}\sqrt{R}}{1-R}---\left(a\right);$

再按照介质薄膜膜系材料的高、低折射率n_H和n_L及光纤折射率n_G，按式(b)计算镀膜层数p，

$R={\left[\frac{1-{(n_H/n_L)}^{2p}(n_H^2/n_G)}{1+{(n_H/n_L)}^{2p}(n_H^2/n_G)}\right]}^2---\left(b\right);$

然后根据滤波器自由谱FSR指标和中心波长λ₀，按式(c)确定空气隙长度d的大小，

$\mathrm{FSR}=\frac{{{\mathrm{\λ}}_0}^2}{2D}---\left(c\right);$

由此得到FFP滤波器腔内的实际结构，利用双向光束传输法计算得到入射端点的反射能量和出射端点的透射能量；然后改变镀膜直径大小，通过监测峰值输出点透射和反射功率变化，透射功率最大值对应的镀膜直径即为插入损耗最小的最优镀膜直径。

本发明相对于现有技术具有以下突出的优点：

(1)不需要额外的材料和器件，可以节约制造成本。与采用大模场直径的光纤或腔内插入波导相比，成本低得多。

(2)易于实现，工艺难度低。仅仅在原来镀膜工艺的基础上，通过工艺手段调整膜层的直径大小，非常方便。

(3)可获得较低的插入损耗。特别是对于端面反射率高、空气隙长度大和小模场半径的光纤，插入损耗的改善明显。

(4)通用性。对于利用法布里-珀罗原理和端面镀膜的固定和调谐式法布里-珀罗滤波器、传感器，无论入射、出射介质是单模光纤还是硅基平面波导器件，腔内介质是空气或其他介质等条件，只要入射到法布里-珀罗腔的光束为基模高斯光束，都可以采用该方法降低插入损耗，提高滤波器的性能。

(5)可制造更小自由谱和半波宽度的FFP滤波器。由于降低了插入损耗，可以突破腔长不得大于10μm的限制，在较小工艺难度的条件下得到更小自由谱和半波宽度的FFP滤波器，满足DWDM通信系统和信号处理的各种实际要求。

附图说明

图1.1为本发明涉及的FFP滤波器框图。

图1.2为本发明涉及的FFP滤波器镀膜截面图。

图2为大光纤模式尺寸的FFP滤波器结构示意图。

图3为腔内插入光波导的FFP滤波器结构图。

图4.1为不同自由谱(不同空气隙长度)时峰值透射、反射功率与镀膜直径的关系；

图4.2为不同光纤直径时峰值透射、反射功率与镀膜直径的关系；

图4.3为不同反射率(不同镀膜层数)时峰值透射、反射功率与镀膜直径的关系。

其中：1是单模入射光纤覆层，2是单模出射光纤覆层，3是单模入射光纤纤芯，4是单模出射光纤纤芯，5是空气隙，6是入射端镀膜层，7是出射端镀膜层，8是光纤纤芯直径，9是光纤覆层直径，10是镀膜直径，11是标准单模入射光纤，12是多模出射光纤，13是大模式尺寸入射光纤，14是大模式尺寸出射光纤，15是滑套，16是毛细套管，17是内插波导覆层，18是内插波导芯层。

具体实施方式

本发明的工作原理：当介质薄膜完全覆盖光纤的纤芯和覆层时，由于镀膜介质较光纤对空气的反射率大得多，衍射能量大多通过空气隙侧面直接逸出法布里-珀罗腔；当介质薄膜不完全覆盖纤芯和覆层时，除了从空气隙直接逸出的能量外，衍射能量既有可能通过入射或出射光纤的覆层逸出造成损耗，也有可能通过覆层沿着入射光纤反射和出射光纤透射增加反射和透射能量。显然，介质薄膜完全覆盖光纤的纤芯和覆层时会带来最大的衍射损耗，在同样工艺条件下这类滤波器的插入损耗最大。因此，如何选择不完全覆盖光纤的纤芯和覆层的镀膜介质，使逸出能量最低就为我们选择最佳的镀膜直径的衡量标准。

按照多光束干涉原理描述法布里-珀罗腔内能量的准确数学表达式非常复杂，事实上我们感兴趣的也只是如何通过减少腔内的逸出衍射损耗而增加透射能量。利用双向光束传输法(Bidirectional Beam Propagation Method，Bidirectional BPM)计算入射端点的反射能量和出射端点的透射能量，通过监测峰值输出点透射和反射功率变化，可以得到最优的介质薄膜直径大小。对镀膜层直径进行优化后，一方面可防止因为衍射能量通过包层从入射光纤出射，导致增大反射能量，使透射能量降低；另一方面可有效阻止衍射能量全部从空气隙中逸出产生的衍射损耗。其对于利用法布里-珀罗原理和端面镀膜设计的固定或调谐式FFP滤波器，都可以采用该方法降低插入损耗，提高滤波器的性能。

具体而言，降低光纤法布里-珀罗滤波器插入损耗的方法，包括：

首先根据滤波器精细度指标Finesse由式(a)确定镀膜层反射率R的大小，

$\mathrm{Finesse}=\frac{\mathrm{\π}\sqrt{R}}{1-R}---\left(a\right);$

再按照介质薄膜膜系材料的高、低折射率n_H和n_L及光纤折射率n_G，利用薄膜光学理论按式(b)计算镀膜层数p，

$R={\left[\frac{1-{(n_H/n_L)}^{2p}(n_H^2/n_G)}{1+{(n_H/n_L)}^{2p}(n_H^2/n_G)}\right]}^2---\left(b\right);$

然后根据滤波器自由谱FSR指标和中心波长λ₀，按式(c)确定空气隙长度d的大小，

$\mathrm{FSR}=\frac{{{\mathrm{\λ}}_0}^2}{2d}---\left(c\right);$

由此得到FFP滤波器腔内的实际结构，包括腔长、镀膜层和腔内空气介质，然后利用双向光束传输法计算得到入射端点的反射能量和出射端点的透射能量；在FFP滤波器的实际应用中，我们更为关心的是透射峰值输出点的透射功率大小，最后通过监测峰值输出点透射和反射功率变化，即得到插入损耗最小的介质薄膜直径大小。经过实验，最优介质薄膜直径为光纤纤芯直径的2～3倍，具体值与精细度和自由谱等设计指标有关。

本方法可以在固定式光纤法布里-珀罗滤波器、调谐式光纤法布里-珀罗滤波器、硅基平面波导器件、非本征光纤传感器和法布里-珀罗腔内包含介质的滤波器中得到应用。本方法还可以在包含法布里-珀罗腔，并在腔内利用端面镀膜的集成器件中得的应用，如内含有光纤法布里-珀罗滤波器的光纤环等。上述应用中，至少在法布里-珀罗腔的一个端面镀膜。本方法在非本征光纤传感器的应用中，镀膜膜系可以为增反膜或增透膜。

本方法在固定式光纤法布里-珀罗滤波器、调谐式光纤法布里-珀罗滤波器、硅基平面波导器件和非本征光纤传感器的应用中，法布里-珀罗腔的腔内介质可以为单一介质，也可以在腔内插入光纤或光波导。本方法在法布里-珀罗腔内包含介质的滤波器的应用中，法布里-珀罗腔内可以为液晶，也可以为其他介质；同时使入射到法布里-珀罗腔的光束为基模高斯光束。

下面结合附图和实例详细说明。

本发明涉及的FFP滤波器框图如图1.1所示，其中入射端镀膜层6和出射端镀膜层7一般为对称形式，即1/4中心波长的高、低折射率交替的镀膜介质层数和材料完全相等，此时两个镀膜层镜面的反射率相等，滤波器的透射谱以中心点对称。两个镀膜层镜面的反射率也可以不相等，则滤波器的透射谱不对称，称之为边带滤波器(Edge Filter)。在薄膜光学领域，镀膜介质层的膜系表现为(HL)^p，其中H代表光学厚度为1/4中心波长的高折射率层，L代表光学厚度为1/4中心波长的低折射率层，p代表高低折射率膜层周期的重复次数。镀膜层反射率可以由菲涅耳系数矩阵法计算得到。p越大，中心波长的反射率越高，当膜层足够多时，理论上反射率可以达到100％。但由于受到膜层吸收和散射损耗的限制，膜系的层数不能无限制的增加，膜系的反射率也会由于吸收和散射达到某一极限。由于FFP腔内光束来回反射及光束的发散，腔内能量的分布非常复杂，至今几乎没有相关文献和实验报道，本发明从与FFP腔最接近的镀膜层研究出发，找出如何增加透射能量的腔结构。

图1.2中单模光纤的覆层直径9为125μm，而纤芯直径8只有8～10μm，每层介质膜的缺陷都可能对FFP滤波器的性能造成严重的影响。由于1/4中心波长的膜系在制备过程中可以用极值法监控光学厚度，而且各膜层厚度的误差相互之间有补偿作用，所以通常采用这种基本膜系。在光纤端面的平整度及光纤端面与光纤轴线的垂直度等工艺因素的影响确定后，镀膜层唯一可变的因素就是其尺寸大小(直径)，采用本发明的Bidirectional BPM对不同镀膜直径进行扫描计算，可以从理论上得到最优的介质薄膜直径大小。

图4.1～4.3是采用本发明涉及的Bidirectional BPM分析不同参数下反射和透射功率与镀膜直径的关系曲线。滤波器的基本参数为：单模光纤纤芯折射率为n_c1＝1.4859396，覆层折射率为n_co＝1.49，纤芯直径为8～16μm，覆层直径为80μm。高折射率镀膜层介质折射率为n_H＝2.3，低折射率镀膜层介质折射率为n_L＝1.3，中心波长λ₀＝1.495μm，满足1/4中心波长高折射率镀膜层厚度为e_H＝0.1625μm，低折射率镀膜层厚度为e_L＝0.2875μm。

其中：图4.1为不同自由谱即不同空气隙长度(airgap)时峰值透射、反射功率与镀膜直径的关系曲线，R1、R2、R3依次表示三种结构滤波器下峰值反射功率，T1、T2、T3依次表示三种结构滤波器下峰值透射功率。空气隙长度分别为中心波长λ₀的3、6、9倍时，最大峰值透射功率对应的镀膜直径分别为18μm、23μm和25μm，即空气隙距离越短，最优镀膜直径越小。若镀膜直径小于最优值，峰值透射功率急剧减小；若镀膜直径大于最优值，峰值透射功率减小到一定程度后(对应镀膜直径分别为33μm、40μm、42μm)达到稳定，不再发生变化。相比镀膜直径较大的稳定值，采用最优镀膜直径时峰值透射功率的改善值分别为20％、29.7％和77.4％，即在不同空气隙长度的情况下，镀膜直径优化后都对插入损耗有明显的改善，其中在空气隙长度较长时，采用最优镀膜直径对插入损耗的改善较大。

图4.2是不同光纤直径(fiber diameter)时反射和透射功率与镀膜直径的关系，当空气隙长度为中心波长λ₀＝1.495μm的6倍，光纤直径分别为8μm、12μm和16μm，最大峰值透射功率对应的镀膜直径分别为23μm、25μm和26μm，即光纤直径越小，最优镀膜直径越小。同样，当镀膜直径小于最优值时，峰值透射功率急剧减小；当镀膜直径大于最优值，峰值透射功率减小到一定程度后(对应镀膜直径分别为40μm、45μm、47μm)达到稳定，不再发生变化。相比镀膜直径较大的稳定值，峰值透射功率的改善值分别为29.7％、26.4％和23.2％，即在不同光纤直径的情况下，镀膜直径优化后都对插入损耗有明显的改善，其中在光纤直径较小时，采用最优镀膜直径对插入损耗的改善较大。

图4.3为不同镀膜层数(不同反射率)时峰值透射、反射功率与镀膜直径的关系曲线，当空气隙长度为中心波长λ₀＝1.495μm的6倍，光纤直径为8μm，(HL)^p中镀膜层数p分别为2、3、4时，最大峰值透射功率对应的镀膜直径分别为13μm、17μm和23μm，即反射率越低，最优镀膜直径越小。同样，当镀膜直径小于最优值时，峰值透射功率急剧减小；当镀膜直径大于最优值，峰值透射功率减小到一定程度后(对应镀膜直径分别为19μm、25μm、40μm)达到稳定，不再发生变化。相比镀膜直径较大的稳定值，峰值透射功率的改善值分别为3.1％、11.2％和29.7％，即在不同反射率的情况下，镀膜直径优化后都对插入损耗有明显的改善，其中在反射率较大时，采用最优镀膜直径对插入损耗的改善较大。

Claims (10)

1.降低光纤法布里-珀罗滤波器插入损耗的方法，其特征在于，包括：

首先根据滤波器精细度指标Finesse由式(a)确定镀膜层反射率R的大小，

再按照介质薄膜膜系材料的高、低折射率n_H和n_L及光纤折射率n_G，按式(b)计算镀膜层数p，

然后根据滤波器自由谱FSR指标和中心波长λ₀，按式(c)确定空气隙长度d的大小，

由此得到FFP滤波器腔内的实际结构，利用双向光束传输法计算得到入射端点的反射能量和出射端点的透射能量；然后改变镀膜直径大小，通过监测峰值输出点透射和反射功率变化，透射功率最大值对应的镀膜直径即为插入损耗最小的最优镀膜直径。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：其应用所得插入损耗最小的镀膜直径为光纤纤芯直径的2～3倍。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：其在固定式光纤法布里-珀罗滤波器、调谐式光纤法布里-珀罗滤波器、硅基平面波导器件、非本征光纤传感器和法布里-珀罗腔内包含介质的滤波器中的应用。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：其在包含法布里-珀罗腔，并在腔内利用端面镀膜的集成器件中的应用。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于：其应用中，至少在法布里-珀罗腔的一个端面镀膜。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：其在固定式光纤法布里-珀罗滤波器、调谐式光纤法布里-珀罗滤波器、硅基平面波导器件和非本征光纤传感器的应用中，法布里-珀罗腔的腔内介质为单一介质。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：其在固定式光纤法布里-珀罗滤波器、调谐式光纤法布里-珀罗滤波器、硅基平面波导器件和非本征光纤传感器的应用中，在法布里-珀罗腔的腔内插入光纤或光波导。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：其在法布里-珀罗腔内包含介质的滤波器的应用中，法布里-珀罗腔内为液晶。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：其在非本征光纤传感器的应用中，镀膜膜系为增反膜或增透膜。 

10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：其在法布里-珀罗腔内包含介质的滤波器的应用中，使入射到法布里-珀罗腔的光束为基模高斯光束。 

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