新型滤波器件研究【文献综述】

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毕业论文文献综述应用物理新型滤波器件研究摘要：对当下的主要的光学滤波器的原理，结构、特性与用途作了介绍，还介绍了基于旋光材料设计的光学滤波器及其优缺点和发展前景。关键字：光学滤波器、干涉型、衍射型、吸收型、旋光色散一、引言光学滤波器是一种波长选择器件，能够在连续谱中能透过一定宽度的波长或在线状谱中提取某些辐射的波长[1]，它在空间通讯、光谱分析、光纤通信、激光技术以及雷达技术等领域有着广泛的应用，基于不同的原理，光学滤波器大致可以分为干涉型、衍射型和吸收型三类[2]。当前，随着光纤传感技术，密集波分复用（DWDM），光时分复用（OTDM）技术的发展，对光学滤波器的可调谐性、透过率以及精细度的要求越来越高，同时也对器件的小型化和低成本提出了一定要求。本文对当下研究较多的光学滤波器作了介绍，从原理和机构上对其进行分析，还着重介绍了基于旋光色散原理所设计的光学滤波器。二、干涉型光学滤波器2.1多层膜干涉可调谐光滤波器（TFF）多层膜干涉可调谐光滤波器是基于多光束干涉原理所形成的课调谐滤波器件，通过改变滤光片的入射角度实现可调谐滤波。其基本结构由镀制在玻璃基片上的高（H）/低（L）折射率材料膜层构成多个F-P腔，从而实现窄带滤波。如图1所示。图1.TFF滤波器结构示意图2.2F-P腔可调谐光学滤波器 F-P腔可调谐光滤波器的结构如图2所示，由F-P腔和准直器两个部分组成。光经准直器准直之后进入F-P腔，通过改变F-P腔的腔长来实现波长选择；F-P腔可受直流电压控制，通过调节直流电源的电压达到选择所要求的输出光波长。单F-P腔技术的可调谐光滤波器可以由MEMS、压电、液晶等技术实现。图.2F-P腔滤波器结构示意2.3Mach-Zehnder光滤波器[3-5]其结构如图1所示，由两个输入、输出端和3dB耦合器组成。两个3dB耦合器中间的两臂光纤长度不等，相差ΔL，在臂上贴上热敏膜或加上PZT就能够调整ΔL。其原理同样基于光的干涉理论，即两束相干光经过不同波长的光纤传输后发生干涉。两个不同波长的光通过光纤传输进滤波器端口1，经3dB耦合器后光强均匀的分布到两臂上，由于两臂的长度相差ΔL，故而两束相干光经两臂传输后，会产生相位差，通过调整期中一臂（光波导）的折射率来改变ΔL，当为特定值时即能在输出端输出未被相消得波长，故而将不同波长分离开来。图.3Mach-Zehnder光滤波器示意图三、衍射型光学滤波器3.1闪耀光栅光栅滤波器是不可调谐滤波器中的一种，衍射光栅的最基本结构是在一块透明材料(平面波导)上平行地刻划出一系列沟槽或在材料中形成光折射率周期变化的区域。例如对于正弦光栅，当用具有不同空间频率（波长）的光入射时，由于所有非零级主极大的条纹都出现在不同位置上，使得不同波长的光被分离开来[6]。而为了实际工作中将光强集中在位置可分辨的非零级主极大中，人们设计了一种闪耀光栅，其是在玻璃基底上等间距的刻出锯齿状槽面儿形成的，其剖面如图4所示，其通过闪耀角β的设计，使光栅使用与某一特定波段的某级光谱上，目前很多光栅光谱仪均使用闪耀光栅。 图.4闪耀光栅3.2波导光栅路由器[7]衍射光栅的另一种应用是波导光栅路由器（WaveguideGratingRouter,WGR），又称集成阵列波导光栅(ArrayedWaveguideGrating,AWG)。集成阵列波导光栅的典型结构如图5所示。它由输入/输出波导、星型波导和阵列波导三部分组成。其中，输入星形波导与阵列波导组成一个相位控制器，使得到达衍射光栅的光波相位与光的输入端口、光波长λ有关。与阵列波导输出端面相连的星形波导的输入端面充当衍射光栅的作用。它不需要用模拟信号来控制滤波特性,也不需要反馈控制电路及鉴频电路来保持稳定，故而使得它一诞生就在WDM光网络中得到广泛的应用。图.5AWG的基本结构构四、吸收型光学滤波器4.1选择吸收滤光片[1]滤光片主要分为液体滤光片、有色玻璃滤光片、有机物质滤光片和气体滤光器。其中，有色玻璃滤光片的应用较为广泛，同时也较为常见，并且广泛的应用到人们的日常生活中。其大多由无机盐制成，其优点是稳定、均匀和良好的光学质量。然而，由于其带通很少低于30nm，故而会掺杂一些稀土元素，从而使通带减少至10nm左右。 4.2原子共振光滤波器[9]原子共振滤波器（AtomicResonanceFilter，简写成ARF）于70年代末期开始研究，它是一种超高Q值（105~106）的光学滤波器,具有超窄带宽（0.001nm），各向同性，全视角接收（接收角接近180），其中心波长对环境因素不敏感等特点。ARF是利用原子跃迁制造出的超窄带滤波装置。具有原子跃迁线（波长）的入射光子在共振线被含在蒸气炉中的原子吸收，然后这些原子以另外波长重新辐射，替代了入射波长中允许通过的发射光，同时阻止了入射波长中的其它辐射。故而它尤其适用于低能窄带辐射的检测。例如，连续背景光（如太阳光）下微弱窄带（如激光信号）信号的检测。ARF的工作波长可由近紫外、可见到近红外谱区。它的应用范围很广，可用于水下通信，激光雷达，空间激光通信，气象雷达，卫星跟踪，激光遥感与测绘，火箭排烟与诊断，燃烧研究等等。五、旋光色散光学滤波器当前对旋光色散滤波器的报道并不多见，且主要集中在石英晶体。2003年，芬兰欧鲁大学的Ye首次报道了一种利用旋光色散特性研制而成的新型可调谐光学滤波器[9]，它是将n个厚度比分别为1:2:4:8:…:2n-1的旋光器依次放置在n+1个方位角成比例的偏振片之间构成的，只需通过改变滤波器中每级出射偏振片的方位角就可以对出射光进行调谐。这种滤波器具有制作方便、透射率高且没有使用波段限制等优点。而后，其在2004年又报道了一种带通可调谐的光学滤波器[10]，其引入了铁电液晶，使得其能被电所调制。国内的曲阜师范大学的张姗等人在2007年报道了将石英晶体旋光滤波器应用于激光倍频的测试的研究[11]，得出当倍频光和基频光的偏振器的旋转角相差(2n+1)π/2(n=0,1,3,…)时就能获得倍频激光的二次谐波。在2008年，又报道了对ChunYe所设计的光学滤波器的滤波特性所作的研究[12]，得出多级石英晶体旋光光学滤波器与单级相比通带半宽度得到了有效的压缩，且随滤波器级数的增大，压缩的程度也随之增大。总体上来说，旋光色散光学滤波器由于其基于旋光色散原理，使得该类滤波器本身就具无使用波段限制，制作相对简便和透射率高等特点，故具有较好的发展前景。六、总结从上文中可见，当前所使用的光学滤波器主要基干涉原理，也有基于光栅等结构设计的可调谐的光学滤波器，但基于具有旋光特性的手性晶体所设计的滤波器在国内报道较少。近年来，手性材料及其波导器件的理论、设计和实验测试等也正受到越来越多学者的关注，但国内外基于晶体旋光色散特性的光学滤波器的设计几乎集中在石英晶体，而石英晶体作为一种各向异性的固体手性介质存在双折射现象。 氯酸钠晶体作为一种合适的各向同性的手性晶体，较之石英晶体在光学特性上有很大的优势，因为其各向同性的特性，并不存在类似石英晶体的光轴，故能更好的利用光在晶体内部传输时的各种光学特性，2010年，就报道了关于氯酸钠晶体内反射时的光学特性的研究[13]。同时，由于手性晶体自身所具有的旋光色散特性，故具有高透射率、易制作、无使用波段限制等优势，且原材料易于制备，所以将其设计成光滤波器有着良好的前景。参考文献：[1]弗朗松M.著,徐森禄译.用于辐射分离的光学滤光片[M].北京:科学出版社,1984.[2]原荣.光通信技术讲座—(四):光滤波器和波分解复用器[J].光通信技术,2003,(4):50~54.[3]廖青.可调谐光纤Fabry-Perot光滤波器的研究[D].北京:清华大学电子工程系,1993,5~10.[4]H.L.An,X.Z.Lin,E.Y.B.Pun,H.D.Liu.Multi-wavelengthoperationofanerbium-dopedfiberringlaserusingadual-passMach-Zehndercombfilter[J],OpticsCommunications,1999,169:159~165.[5]RomeoBernini,AndreaCusano.GeneralizedMach-Zehnderinterferometersforsensingapplications[J],SensorsandActuatorsB:Chemical,2004,100(122):72~74.[6]游璞,于国萍.光学[M].北京:高等教育出版社,2003.[7]郑小平,施红园,陈雯路等.利用集成阵列波导光栅实现信道选择[J].光电子激光,2000,11(3):235～237.[8]张华,迎春,俞俊华.原子共振滤波器研究的发展[J].激光技术,2000,24(5):318~321.[9]ChunYe.Wavelength-tunablespectralfiltersbasedontheopticalrotatorydispersioneffect[J].AppliedOptics,2003,42(22),4505~4513.[10]ChunYe．Liquid-crystalbandpassfilterbasedontheopticalrotatorydispersioneffect[J].Applied　Optics,2004,43(4):4007.[11]ShanZhang,FuquanWu,WendiWu,andHaifengWang.Quartzopticalfilterforwavelengthselectionoffrequency-doubledlaserbasedonopticalrotatorydispersioneffect[J].ChineseOpticsLetters,2007,5(12):717.[12]张姗,吴福全,吴闻迪.多级石英晶体旋光光学滤波器的滤波特性[J].2008,57(8):5020~5026[13]张斌,谭炳辉,潘雪丰,潘建国,陶卫东,大尺寸旋光晶体内反射偏振特性的研究[J].光学仪器,2010,32(1):54~58.