改造者：孫建國 吳雄峰 王 強 周 坤 林世春

基于Matlab光學(xué)濾波器的優(yōu)化方案

改造者：孫建國 吳雄峰 王 強 周 坤 林世春

實現(xiàn)光纖F-P可調(diào)諧濾波器的精確濾波一直是光學(xué)中的一個重要研究領(lǐng)域，為了能夠在進(jìn)行參數(shù)設(shè)計時為設(shè)計者提供便捷，先對光學(xué)F-P腔理論進(jìn)行分析再基于硬件結(jié)構(gòu)的具體實施方案，進(jìn)而設(shè)計GUI控件的布局以及編寫具體程序，最終得出基于Matlab光學(xué)濾波器設(shè)計與優(yōu)化交互界面。

概述

光纖F-P可調(diào)諧濾波器是一種波長選擇性器件，是光學(xué)領(lǐng)域中比較重要的一種光學(xué)元器件，尤其是在光纖通信和光纖傳感技術(shù)中具有極其廣泛的應(yīng)用。由于受到工藝的限制，以往的基于標(biāo)準(zhǔn)具的光學(xué)濾波器在調(diào)諧動態(tài)范圍以及插入損耗等方面的性能比較差，難以滿足實際應(yīng)用的需求。所以本論文旨在設(shè)計出一種主要依靠腔長變化以及其它參數(shù)的調(diào)節(jié)實現(xiàn)從一些波長中選擇出適用于光纖通信的載波的光纖F-P可調(diào)諧濾波器。

本論文就是要開發(fā)出一種便于光纖F-P可調(diào)諧濾波器設(shè)計的應(yīng)用軟件，使其能夠從1550nm附近的一定波段范圍內(nèi)（1520nm～1580nm）的入射光中透射出適用于光纖通信的1550nm的通信光波。運用多光束干涉理論以及通過編寫相應(yīng)的Matlab程序來設(shè)計和優(yōu)化出合理的光學(xué)濾波器的參數(shù)，并將設(shè)計的濾波器的仿真結(jié)果呈現(xiàn)在由Matlab GUI所運行的對話框中，以便設(shè)計者對所設(shè)計的光學(xué)濾波器參數(shù)進(jìn)行評估。最終開發(fā)出一款基于Matlab的光學(xué)濾波器設(shè)計與仿真軟件。

光纖F-P可調(diào)諧濾多光束干涉理論

光纖F-P可調(diào)諧濾波器是根據(jù)多光束干涉的原理，利用光束在鍍有高反射膜的平面鏡間所進(jìn)行的多次來回震蕩最終只有特定濾波波長的光出射而設(shè)計制作的。影響腔內(nèi)相鄰兩束反射光的位相差的因素有：腔內(nèi)介質(zhì)的折射率、F-P腔的長度、光波長、入射腔內(nèi)光線的折射角。圖1為單色平面波入射到透明平行平面玻璃板原理圖。

由光的反射定律和折射定律可以求解得：

無論對于反射光還是透射光，它們每相鄰兩條光線之間的位相差為：

式中：n為玻璃板的折射率；h為平行平面玻璃板的厚度；λ0為真空中的光波長；θt為折射角。若入射光垂直于玻璃板，即θ=0，所以θt=0，從而波長為λ0的相鄰兩條光線之間的位相差為：

F-P腔是由兩個鍍有高反膜的平面鏡和腔內(nèi)的工作介質(zhì)所構(gòu)成，所以，進(jìn)入F-P腔中的折射光會不斷的發(fā)生反射，于是在鏡面處腔內(nèi)相鄰的光存在一定的位相差且在其他條件不變的情況下保持恒定，從而在F-P腔內(nèi)發(fā)生多光束干涉。只有位相差滿足2π整數(shù)倍時對應(yīng)光波長的光才可以發(fā)生透射進(jìn)而形成極大透射峰，最終實現(xiàn)了濾波的功能。圖2為F-P腔多光束干涉的原理示意圖。

由干涉原理知：當(dāng)波長λ0使得Ψ滿足Ψ=m×2π（m為正整數(shù)）時，有極大透射峰，這就實現(xiàn)了F-P腔的波長選擇特性，從而達(dá)到光學(xué)濾波的效果。

光纖F-P可調(diào)諧濾波器設(shè)計的整體思路

硬件結(jié)構(gòu)的具體實施方案

圖1　單色平面波入射到透明平行平面玻璃板原理圖

圖2　F-P腔多光束干涉的原理示意圖

圖3　光纖F-P可調(diào)諧濾波器整體示意圖

圖4　承載壓電陶瓷的“工”字型結(jié)構(gòu)的放大示意圖

圖5　長值是1550nm的仿真結(jié)果

圖3為光纖F-P可調(diào)諧濾波器整體示意圖，其中：1.圓環(huán)狀壓電陶瓷，2.圓環(huán)狀彈性阻尼器件，3.有一定厚度的支撐板，4.“工”字型圓筒，5.6.鍍有反射率為98％高反膜的平面鏡，7.8.聚焦透鏡，9.外殼，10.入射光纖，1.出射光纖，12.導(dǎo)線。其中。

圖4為承載壓電陶瓷的“工”字型結(jié)構(gòu)放大示意圖：

光纖F-P可調(diào)諧濾波器參數(shù)的確定

本光纖F-P可調(diào)諧濾波器通過給壓電陶瓷加不同的電壓來控制和改變F-P腔的長度，且使用的壓電陶瓷的壓電特性為：

u為壓電陶瓷所加的電壓，單位：V）；

經(jīng)計算，本設(shè)計所適用的光源的波長范圍為1520nm～1580nm；光纖F-P可調(diào)諧濾波器的初始腔長設(shè)為8～12mm；F-P腔折射率范圍設(shè)為1.0～1.2；壓電陶瓷的壓電系數(shù)范圍設(shè)為0.04～0.08；壓電陶瓷的電壓范圍設(shè)為。

光學(xué)濾波器設(shè)計與優(yōu)化仿真軟件的實現(xiàn)

光學(xué)濾波器設(shè)計與優(yōu)化仿真軟件的整個交互界面主要分為2個大區(qū)，分別為參數(shù)調(diào)試區(qū)和仿真效果顯示區(qū)。其中，“參數(shù)調(diào)試區(qū)”設(shè)置有濾波波長編輯窗口、個別參數(shù)精確計算區(qū)以及參數(shù)綜合調(diào)試區(qū)。“仿真效果顯示區(qū)”主要是將“參數(shù)綜合調(diào)試區(qū)”中所生成或選取的各項參數(shù)值在坐標(biāo)軸中仿真出來。坐標(biāo)軸的橫軸是一定波長范圍的一些波長值，其中，入射光的波長值范圍是1520nm～1580nm，坐標(biāo)軸的縱軸是出射光的光強歸一化值。在其他設(shè)置完畢之后，點擊“仿真效果顯示區(qū)”的“開始仿真”按鈕即可模擬光纖F-P可調(diào)諧濾波器的出射光光譜。

結(jié)束語

隨著計算機運算能力的飛速發(fā)展，計算機仿真技術(shù)作為虛擬實驗的手段已經(jīng)成為計算機應(yīng)用的一個重要分支。無論是在科學(xué)研究還是工程計算領(lǐng)域，計算機仿真技術(shù)正受到越來越多的科學(xué)工作者的青睞。在光學(xué)領(lǐng)域里，計算機仿真技術(shù)也在發(fā)揮著愈來愈重要的作用。本文重點講述了光纖F-P可調(diào)諧濾波器的光學(xué)理論基礎(chǔ)、濾波器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計以及基于Matlab GUI的光學(xué)仿真軟件設(shè)計，旨在設(shè)計開發(fā)出光學(xué)濾波器仿真設(shè)計應(yīng)用軟件。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.042