[发明专利]降低光纤法布里-珀罗滤波器插入损耗的方法

说明书

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。