滤波片复用器(TFF WDM无源器件组成结构)

Posted 2023-06-01

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滤波片复用器(TFF WDM无源器件组成结构)

滤波片式波分复用器，即Filter Wavelength Division Multiplexing，简称Filter WDM，因其由薄膜滤波器（TFF）构成，也称为TFF型三端口波分复用器件，其主要由以下几个部分组成：左侧是单纤准直器和C-Lens，点胶固定在一起后用玻璃管连接固定，右侧是波片，G-Lens，双纤准直器依次点胶固定后，外套与单纤准直器侧相同外径尺寸的玻璃管，最后使用大玻璃管来连接左右两侧，最终形成标准的三端口器件。(阴影部分为胶水)

组成详解：

① C-Lens：球面透镜（Conventional Lens）

1. 机械尺寸图：

2. 作用：C-Lens是一种固定折射率的柱状厚透镜，透射原理与普通透镜相同，透镜各处折射率相同，但C-lens在材料上与普通透镜的不同，它采用了一种在光纤通信波段具有高折射率的材料，这种材料具有良好的耐酸碱腐蚀性，并且它的一个端面为球面，另一个端面为斜面，在C-lens两个端面镀增透膜的情况下，对光纤通信所用波段有着极高的透过率，可达 99. 9% 以上。

在TFF WDM中，为满足光纤通信的要求，要求C-lens光纤准直器的回波损耗值要大于60dB，经理论计算，当其斜面倾角θ为8°时，可满足此条件，所以市场大多都是斜8°的透镜和准直器，其大致光路图如下。

C-Lens准直器原理3D模型图

②G-Lens：自聚焦透镜(Gradient-index Lens)

1. 机械尺寸图：

2. 作用：G-lens是自聚焦透镜，又称梯析透镜，它于普通透镜C-Lens最大的区别就是其折射率是透镜中心轴向外部沿径向逐渐减小，能够使沿轴向传输的光产生连续折射，从而实现出射光线平滑且连续的汇聚到一点，其折射率变化见公式1，变化曲线如图：

其中，No 为G-Lens中心折射率， r为G-Lens半径，A为G-Lens的折射率分布常数。光线从G-Lens中心入射后，在G-Lens中按照正弦或余弦曲线进行传播，传播曲线如图，而光纤行进完整的一个正弦周期称为节距P，这是G-Lens中的一重要参数，它的长度决定了不同的成像特性。

如图，以入射面A点作为基点，顺光线传播方向为正，反之为负；

由ABCD矩阵光学有：

（1）物面到入射面O→A矩阵（公式2）：

（2）入射面到出射面A→B矩阵（公式3）：

（3）出射面到象面B→I矩阵（公式4）：

（4）由公式2，3，4简化可得O→I矩阵（公式5）：

（5）在G-Lens中，当入射面位于端面，I=0 ，I'=z，可简化公式5得到（公式6）：

（6）我们令r0=0 ，就可以得出（公式7）：

（7）节距（公式8）：

由此可看出，如若z=P/4 时，

此时有

输出为平行光线。将光纤置于G-Lens焦点处，按照理论选取G-Lens的透镜长度为时，正是四分之一个正弦周期，所以当将光纤从G-Lens焦点处入射后，在出射位置会形成一组平行光；由于光路可逆，一组平行光入射时，刚好可以将一组平行光聚焦到一点，可以完成准直和聚焦。

G-Lens内部光路传播曲线图

Z=0.25P时，聚焦原理3D模型如图：

③Dual fiber Pigtail：双纤准直器

1. 机械尺寸图：

2. 作用：作为光的输入/输出载体，起到保护光纤的作用，在斜8°面镀增透膜后更利于光纤传输，在TFF WDM器件中，其中一根光纤作为输入端COM，另一端作为输出端Reflect，斜8°面再与G-Lens的斜8°面进行耦合后光线从COM入光后在G-Lens另一端垂直于光轴的面上聚焦，最终根据filter上两面所镀膜系的具体波段，反射和透射出俩段无关的波段，其中反射波段从双纤pigtail的输出端Reflect出射。

④Single fiber Pigtail：单纤准直器

1. 机械尺寸图：

2. 作用：作为光的输入/输出载体，起到保护光纤的作用，耦合C-Lens，接收从双纤pigtail输入端COM经filter透射出的波段，输出端为Pass。

⑤Glass Tube：玻璃管

1. 机械尺寸图：

2. 作用：主要起到固定和连接的作用，保护内部光路的稳定性，其中玻璃管①较短，用于双纤准直器部位，起到封腰鼓的作用，保证与单纤准直器外径尺寸一致；玻璃管②起到固定单纤pigtail的作用，包裹C-Lens和单纤准直器的点胶处；玻璃管③保护与连接单双纤两端，保证光路的稳定性和可靠性。

⑥Filter：滤波片

作用：常规尺寸都是1.4*1.4*1.0mm的矩状晶体，由玻璃衬底，再将几十层不同材料、不同折射率和不同厚度的介质膜组合而成。以高/低折射率介质膜构成的周期结构，从而对一定的波长范围呈通带，而对另外的波长范围呈阻带，形成所要求的滤波特性。其功能类似于部分反射膜，中间的腔层将两个反射镜隔开；而在玻璃基底的另一面也会镀上一层增透膜，增加波长的透过率，正反镀膜面可用肉眼分辨，一般都是反射面的颜色更深一些，如图。

@飞宇集团研发工程部——研发工程师李冬燮

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