CN101806938A - 基于一维膜腔结构的不等带宽光交错滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于一维膜腔结构的不等带宽光交错滤波器，包括输入光纤、准直透镜、11层光学介质层、聚焦透镜和输出光纤，其特征是11层光学介质层沿光束前进的方向依次为：第1、11层为B种介质层、第2、10层为C种介质层、第3、9层为B种介质层、第4、8层为A种介质层、第5、7层为D种介质层、第6层为C种介质层；C种介质层为各向同性的光学玻璃，A、B、D种介质层为不同折射率的光学薄膜；A、B、D种介质层膜的光学厚度均为中心波长的1/4，C种介质层的光学厚度的表达式为C/(2·Δf)。该滤波器成本低、性能好、可靠性高，且通带和阻带均具有平坦的滤波特性，用于波分复用通信系统中进行波长信号的选择，光放大器的噪声滤除、增益均衡等。

Description

基于一维膜腔结构的不等带宽光交错滤波器

技术领域：

本发明涉及的是一种具有平坦通带和阻带特性的不等带宽光交错滤波器，主要用在波分复用通信系统中进行波长信号的选择、光放大器的噪声滤除、增益均衡等。

背景技术：

光滤波器是用来进行波长选择的仪器，它可以从众多的波长中挑选出所需的波长，而除此波长以外的光将会被拒绝通过。它可以应用于密集波分复用(DWDM)系统，用于波长选择、光放大器的噪声滤除、增益均衡、光复用/解复用等。现阶段随着DWDM技术的不断发展，信号间隔愈来愈小，这对光滤波器提出了更高的光谱分辨要求，需要采用更窄频率间隔的滤波器件来分离信号，有效地提高通信容量。2000年在国际上正式被提出的光交错复用器(optical interleaver)实质上是一种周期性的光学滤波器，具有将一路频率间隔很窄的光信号分解成两路分别包含奇数和偶数的信道间隔倍增的光信号的功能(其输出谱的通、阻带带宽相等，简称等带宽interleaver)。它是不增加现有复用/解复用器技术负担而实现更加密集波分复用的一种有效解决方案。为了有效选择信号，实现低通道间串扰，interleaver必须具备平坦而高对比度的通带和阻带的光谱透过特性。近年来，随着光网络的不断发展和网络需求的多样化，为了更好的拓宽现有网络容量提高带宽利用率、降低系统升级的成本以及实现灵活的光分插复用等，具有通、阻带带宽不相等的不等带宽型interleaver滤波器成为了研究者们的研究热点。

在先技术[1](参见中日微波会议论文集，杨小伟等，2008，595-598)描述的是一种基于级联双折射晶体结构的不等带宽光交错滤波器。该滤波器采用三块厚度比为2∶3∶2的双折射晶体，方位角分别为-63.0998°，-135.3269°和-207.4795°，实现了通、阻带带宽不相等的平坦化光谱透射率谱输出。但由于该结构是采用各向异性的双折射晶体，因而该在先技术插入损耗较大，成本偏高。

在先技术[2](参见光学学报，伍树东等，2008，31-35)描述的是一种不等带宽光交错复用滤波器。其采用Gires-Tournois标准具和在该标准具内外分别放置一双折射晶体波片的结构实现了两路不等带宽的透射谱输出。但该滤波器输出的透射谱尤其是窄口输出谱的矩形度较差。此外，该滤波器由于采用了Gires-Tournois标准具，因而色散较大，常需进行色散补偿处理，且该结构中也采用了各向异性的双折射晶体波片，因而该滤波器成本也不便宜。

在先技术[3](参见光子学报，韩鹏等，2009，38(2)，272-275)描述的是一种可产生多个平顶透射峰的滤波器。其基于一维光子晶体超晶格理论及耦合腔理论，把传统单一材料的耦合腔换成了有限周期的光子晶体结构，形成了一种超晶格结构，通过使插入的光子晶体的光场有效耦合，从而实现了多通道的平坦滤波功能.该在先技术由于采用了超晶格结构，因而结构复杂，不易实现。

在先技术[4](参见光学学报，陈海星等，2004，24(1)，62-64)描述的是一种实现平坦滤波特性的滤波器。其采用级联F-P腔理论，通过在熔融石英的两个表面镀上几十层的交替的1/4周期的Ta2O5和SiO2反射膜，得到固体间隔层的薄膜法布里珀罗腔单元，然后将4个该同样结构的腔叠加在一起而构成。该在先技术蒸镀膜层数较多，因而成品率不高。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种基于一维膜腔结构的不等带宽光交错滤波器，该滤波器具有结构简单、成本低，易于实现的特点，而且通带和阻带均具有平坦的滤波特性。

为达到上述目的，本发明的具体构思是：该滤波器由三个各向同性材料的薄膜介质腔级联，每个薄膜介质腔是由在玻璃介质的两个表面蒸镀的若干层介质反射薄膜组成。

根据上述的发明构思，本发明的具体技术解决方案如下：

基于一维膜腔结构的不等带宽光交错滤波器，包括输入光纤1、准直透镜2、11层光学介质层3、聚焦透镜4和输出光纤5，其特征在于：上述11层光学介质层3沿光束前进的方向依次排列如下：第1、11层为B种介质层、第2、10层为C种介质层、第3、9层为B种介质层、第4、8层为A种介质层、第5、7层为D种介质层、第6层为C种介质层。

上述C种介质层为各向同性的光学玻璃，上述A、B、D种介质层为不同折射率的光学薄膜。

上述A、B、D种介质层膜的光学厚度均为中心波长的四分之一，上述C种介质层的光学厚度的表达式为：

$d_c=\frac{C}{2\·\mathrm{\Δf}}$

其中，d_c为C种介质层的光学厚度，C为光在真空中的速度，Δf为滤波器的光谱频率间隔。

当上述滤波器的光谱频率应用于频率间隔较小的密集波分复用系统时，C种介质层的光学厚度较其它A、B、D种介质层的光学厚度大得多，因此C种介质层可看成光学介质腔。而且通过选择不同折射率的各介质层，即可实现不同占空比的平坦化光谱透射率谱。

本发明的技术效果：

本发明的基于一维膜腔结构的不等带宽光交错滤波器，从一维光子晶体理论出发进行研究，提出采用11层光学介质层结构，其中3个介质层为各向同性的光学玻璃，其余各介质层为光学薄膜，避免使用在先技术[1]和[2]中的双折射晶体，降低了成本和插入损耗等；与在先技术[3]的采用超晶格结构和在先技术[4]的在熔融石英的两个表面镀上几十层的交替的1/4周期的Ta2O5和SiO2反射膜结构相比，本发明结构简单，易于实现和精确控制。此外，由于光学玻璃和薄膜的种类很多，因此，该滤波器中的各介质层的选择范围较大。综上所述，本发明的基于一维膜腔结构的不等带宽光交错滤波器具有结构简单、生产成本低、性能好和可靠性高等优点，可广泛用于波分复用通信系统中进行波长信号的选择，而且通带和阻带均具有平坦的滤波特性。

附图说明

图1为本发明的基于一维膜腔结构的不等带宽光交错滤波器的结构示意图。

图2为本发明在100GHz频率间隔的占空比1∶5时的平坦化光谱透射率波形图。

图3(a)-(d)分别为在近似保持平坦特性的条件下，A，B，C，D种介质层的折射率偏离理想情况时占空比对应的N值(占空比定义为1∶N)的变化情况图。

图4为本发明在100GHz频率间隔的占空比分别为1∶4和1∶3时的平坦化光谱透射率波形图。

具体实施方式：

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明的基于一维膜腔结构的不等带宽光交错滤波器，包括输入光纤1、准直透镜2、11层光学介质层3、聚焦透镜4和输出光纤5，其特征在于：上述11层光学介质层3沿光束前进的方向依次排列如下：第1、11层为B种介质层、第2、10层为C种介质层、第3、9层为B种介质层、第4、8层为A种介质层、第5、7层为D种介质层、第6层为C种介质层。上述C种介质层为各向同性的光学玻璃，上述A、B、D种介质层为不同折射率的光学薄膜。

上述A、B、D种介质层膜的光学厚度均为中心波长的四分之一，上述C种介质层的光学厚度的表达式为：

$d_c=\frac{C}{2\·\mathrm{\Δf}}$

其中，d_c为C种介质层的光学厚度，C为光在真空中的速度，Δf为滤波器的光谱频率间隔。

实施例1：如图1所示，本发明的光交错滤波器在频率间隔100GHz，占空比为1∶5时，光束自输入光纤1沿光束前进的方向依次经准直透镜2、11层光学介质层3、聚焦透镜4，从输出光纤5输出。该滤波器各介质层材料A、B、C、D分别选为氟化镁、硫化锌、玻璃和锑化铅，折射率分别为1.38、2.35、1.51和4.1。A、B和D介质的光学厚度均为387.53nm，C介质的光学厚度为1498.97μm。透射谱如图2所示。从图中可见，该滤波器的通带和阻带均具有平坦的滤波特性，且各中心频率符合国际电信联盟ITU-T标准，适用于密集波分复用系统进行波长信号的选择。

从图3中(a)-(d)可知，该滤波器各介质层折射率偏离理想情况时占空比对应的N值也近似线性变化。N随A，C介质折射率的增大而减小，随B，D折射率的增大而增大。相比较而言，A介质的折射率变化时，占空比的变化最快，而D介质的折射率变化时，占空比的变化最慢。可见，在结构不变的情况下，合理选择不同折射率的介质材料，可以获得其它占空比的光交错滤波器。

实施例2：如图1所示，本发明的光交错滤波器在频率间隔100GHz，占空比分别为1∶3和1∶4时，光束自输入光纤1沿光束前进的方向依次经准直透镜2、11层光学介质层3、聚焦透镜4，从输出光纤5输出。当该滤波器的各介质层A，B，C，D折射率分别为1.45、1.99、1.56和3.23时得到占空比为1∶3的光谱透射率谱。当各介质层A，B，C，D折射率分别为1.45、2.35、1.57和4.1时得到占空比为1∶4的光谱透射率谱。A、B和D介质的光学厚度均为387.53nm，C介质的光学厚度为1498.97μm。透射谱如图4所示。可见，该滤波器通阻带特性仍较平坦，且各中心频率符合国际电信联盟ITU-T标准，适合应用于密集波分复用通信系统用于滤波。

Claims (3)

1.一种基于一维膜腔结构的不等带宽光交错滤波器，包括输入光纤(1)、准直透镜(2)、11层光学介质层(3)、聚焦透镜(4)和输出光纤(5)，其特征在于：所述的11层光学介质层(3)沿光束前进的方向依次排列如下：第1、11层为B种介质层、第2、10层为C种介质层、第3、9层为B种介质层、第4、8层为A种介质层、第5、7层为D种介质层、第6层为C种介质层。

2.根据权利要求1所述的基于一维膜腔结构的不等带宽光交错滤波器，其特征在于上述C种介质层为各向同性的光学玻璃，上述A、B、D种介质层为不同折射率的光学薄膜。

3.根据权利要求2所述的基于一维膜腔结构的不等带宽光交错滤波器，其特征在于，上述A、B、D种介质层膜的光学厚度均为中心波长的四分之一，上述C种介质层的光学厚度的表达式为：

$d_c=\frac{C}{2\·\mathrm{\Δf}}$

其中，d_c为C种介质层的光学厚度，C为光在真空中的速度，Δf为滤波器的光谱频率间隔。

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