基于Fabry-Perot滤波器的光谱检测技术

基于 Fabry-Perot滤波器的光谱检测技术

宋平 聂建华 李志增 刘磊 吴威 盛立文

中电科思仪科技股份有限公司，山东 青岛 266555

摘要:分析了Fabry-Perot滤波器的工作原理，设计了基于全光纤Fabry-Perot滤波器的光谱检测装置，通过对滤波器中的压电陶瓷施加周期性的锯齿波电压，并采用内置光源对测试光谱进行校准，降低F-P滤波器迟滞效应对光谱检测准确度的影响，实现了1530nm~1570nm波段内的光谱检测，光谱分辨率0.2nm，波长准确度±0.05nm，可满足各类近红外半导体激光光源（如DFB-LD、SLD、FP-LD、LED等）的光谱特性、光纤及光纤放大器的光波传输特性、光纤传感器的反射特性等的L波段测试，与衍射光栅型光谱分析仪相比，具有体型小、测试速度快、成本低和便于模块化生产等优点。

关键词：Fabry-Perot滤波器、压电陶瓷、光谱检测、迟滞效应

引言

随着光电子技术的飞速发展及其在光纤通信、信息存储、光纤陀螺、光纤传感等各个方面日益广泛的应用，对半导体光电器件（如LD、LED等）及其组件、各种光纤和其它光学元件的市场需求量与日俱增^[1,2]。众所周知，半导体光电器件及其组件的发射光谱特性、光纤的光波传输特性等是决定其使用质量的主要参数^[3,4]。无论是这些光电及光学元器件的科研院所、生产厂家，还是各种用户，都必须对发光器件的光谱特性，光学器件的光波损耗特性等进行测量^[5]。本文设计并搭建了基于Fabry-Perot滤波器的光谱检测装置，实现了1530nm~1570nm波段的光谱信号检测，与衍射光栅型光谱分析仪相比，具有体型小、测试速度快、成本低和便于模块化生产等优点。

1 工作原理

本文中使用的Fabry-Perot微腔滤波器的结构示意图如图1所示。输入光纤和输出光纤的两个端面被抛光、镀银，形成两个反射镜， 一个反射镜位置固定，另一个反射镜的背面贴有压电陶瓷，通过改变施加在上的扫描压电，可以移动可调谐法布里-珀罗滤波器中的反射镜来使滤波器的腔长发生相应的缩短或者伸长，在两反射镜之间形成多光束干涉，经过反射镜之间的多次反射，该滤波器可以让与可调谐法布里-珀罗腔长呈现倍数关系的波长的光通过，不符合这个条件的光波就会按照爱里函数进行衰减，最后无法透过滤波器输出^[6]，从而实现光谱检测功能。

图1 Fabry-Perot微腔滤波器的结构示意图

基于 F-P 滤波器的光谱检测装置框图如2图所示。一路光信号来自内部校准光源发出的1550nm激光，经光开关进入F-P滤波器进行波长解析，输出的光信号由光电探测器转换为电信号，被微处理器控制的ADC采样模块进行数据采集。另一路光信号是外部的待测信号，由光开关控制后进入F-P滤波器进行波长解析，被微处理器的ADC采样模块采集为一系列数据。在系统工作时，通过合理控制宽带光源激光器和光开关的开闭顺序，实现参考信号和待测信号依次分时通过F-P滤波器，扫描两次F-P滤波器，ADC模块进行两次相应的采样从而完成一次测量过程。

图2 基于 F-P 滤波器的光谱检测装置

由于压电陶瓷的迟滞效应、蠕变效应以及非线性的存在，使得驱动电压和波长之间并非严格的线性对应关系，且每组曲线之间存在着差异性，但趋势是一致的。为了能够减小迟滞特性的影响，在多次试验的基础上采用周期性锯齿波来减小迟滞特性^[7]。

通过施加具有时间间隔的锯齿波电压，保证整个可调谐F-P滤波器的驱动电压只有上升电压，从而去掉下降电压的位移差的影响，同时由于本身存在的迟滞特性，当驱动电压为零时，其腔体长度并未恢复到初始位置，因此增加相应的扫描时间间隔，保证每次驱动电压扫描都从初始位置开始。为了避免压电陶瓷过热，驱动电压设置为0.5V~18V时，即可完成1530nm~1570nm波段范围内的扫描，扫描频率200Hz。

2 实验结果

本方案选用的F-P滤波器是基于全光纤可调谐法布里-珀罗标准具技术而设计的一款特殊的滤波器。调谐波长范围为1530nm~1570nm，精细度500，3dB带宽0.2nm，插入损耗小于2.5dB，最大输入光功率50mW。

采用Keysight公司的81606A可调谐激光源作为测试光源，其波长可调范围1490nm~1650nm，最大输出功率25mW，波长精度±1.5pm。设置光源中心波长为1535nm，1540nm，1545nm，1550nm，1555nm，1560nm，1565nm。采用F-P滤波器光谱检测装置测得的光谱图如图所示，从图中可以看出，其测得的中心波长分别是1534.96nm，1540.00nm，1544.96nm，1550.00nm，1554.96nm，1560.00nm，1564.96nm。测试波长精度优于0.05nm。

图3 光谱测试曲线图

3 结论

设计了基于全光纤的F-P滤波器的光谱检测装置，通过对滤波器中的压电陶瓷施加周期性的锯齿波电压，并通过内置光源对测试光谱进行校准，降低滤波器迟滞效应对光谱检测准确度的影响，实现了1530nm~1570nm波段内的光谱检测，光谱分辨率0.2nm，波长准确度±0.05nm，可满足各类近红外半导体激光光源（如DFB-LD、SLD、FP-LD、LED等）的光谱特性、光纤及光纤放大器的光波传输特性、光纤传感器的反射特性等的L波段测试，与衍射光栅型光谱分析仪相比，具有体型小、测试速度快、成本低和便于模块化生产等优点。

参考文献：

[1] 侯喜报，张志辉，刘磊，罗文建。基于双端口通信的光栅光谱仪设计方法[J]。光学仪器，2016，38（1）：73-78.

[2] 桂厚义,光纤通信在军事领域的应用[J].军事通信技术,2005,26(2):66-69.

[3] Marco Ferrari, Valentina Quaresima. A Brief Review on the History of Human Function Near-infrared Spectroscopy (fNIRS) Development and Fields of Application[J]. Neuro Image, 2012,63(2):921-935.

[4]Pasquini Celio. Near Infrared Spectroscopy: Fundamentals, Practical Aspects and Analytical Applications[J] Journal of the Brazilian Chemical Society, 2003,14(2):198-219.

[5] 孟鑫,李立功,韩顺利,等. 基于准Littrow结构的高动态近红外光谱仪研究[J].光学学报,2017,37(10):1030002

[6] 李营，张书练. 基于可调谐F-P滤波器的光纤光栅解调系统[J]. 激光技术，2005,29(3):237-240.

[7] 吴伟伟，余有龙，李勋涛，吴文斌. 法布里-珀罗滤波器的锯齿波驱动技术[J]. 电子技术，2012,25（8）：16-19.