光纤滤波器的研究进展与应用要求不断提高

光纤滤波器是从光波中分离出所需波长光的器件，可用于光的选择、噪声滤除、增益均衡、光复用/解复用等。例如，窄带带通滤波器可用于激光器，宽带带通滤波器可用于能量补偿，宽带带阻滤波器可用于光纤放大器增益平坦等。

最简单的光纤滤波器是在单模光纤的两端镀上高反膜形成谐振腔而制得。但典型的单模光纤滤波器只能实现带阻滤波，且一般只能工作于可见光和近红外波段。若要实现调频，通常需要由工作在不同频率的滤波器级联而成［239］，而级联方法虽然简单清晰，但其物理尺寸过大。因此人们开始基于复合光纤，发展波长可调谐、插入损耗低、与光纤通信系统易于集成的全光纤新型滤波器。

锥形光纤级联是将单模光纤转换为指定响应波长滤波器的一种方法，如采用锥形光纤级联构成Mach－Zehnder滤波器，入射光在经过锥形光纤锥区时，随着纤芯半径的减小，光波从纤芯模传播逐渐变为包层模传播，在纤芯中传播的光与在包层中传播的光由于所处的环境不同使得两路光产生相位差，最终在经过下一段锥形光纤时耦合叠加并产生干涉滤波效应。1986年，Suzanne等提出在一根光纤上级联四个不同长度的锥形光纤，制作了一个窄带滤波器，其中心波长为766 nm，半高全宽为5.8 nm［240］。

基于光纤光栅的光纤滤波器也是一种常见滤波技术，包括布拉格光栅滤波器、长周期光纤光栅滤波器和基于啁啾相移光纤光栅滤波器，前两种已经商业化。光纤光栅滤波器可以通过在磨去部分包层的D形光纤侧面刻制光栅而制得。其原理是通过光栅的周期性微扰作用，形成反射，从而构成一个带阻滤波器。由于反射峰的峰值和带宽由光纤结构参数决定，因此可以通过调整光纤的曲率半径和光栅与纤芯之间的距离，满足不同反射度和带宽的需要。

相较于布拉格光纤光栅，长周期光纤光栅可实现更灵活的波长选择。Gu等提出将两个长周期光纤光栅对接在一起，实现多波长滤波和可调谐多波长滤波器的功能［241，242］。2001年，Lin和Wang［243］研制出一种长周期光纤光栅，该长周期光纤光栅的带阻可以通过施加扭转（030 rad/m）进行调节，调节范围为15951635 nm；带阻的透射率可以通过施加拉力进行调节，当拉力为600με时，透射率小于－30dB。2003年，Choi等在长周期光纤光栅滤波器的基础上，加入了空芯光纤作为纤芯模式隔离装置，使之从带阻型滤波器转变为带通型滤波器，由此同时实现了调频段和带宽可调谐［244］。但长周期光纤光栅滤波器只能作为宽带型滤波器，不能用作窄带滤波器，特别是多波长窄带滤波。

2004年，Li等利用线性啁啾光纤光栅实现了可调节窄带带通滤波器［245］。采用金属丝加热部分线性啁啾光纤光栅（总长度为6 cm，啁啾色散为2.25 nm/cm），相当于在线性啁啾光纤光栅的带阻窗口中引入相移，实现窄带带通滤波器。更为重要的是，随着加热区域的移动，相移的位置也发生相应变化，从而实现带通窗口在1539.251555.65 nm区间可调节，其边模抑制比超过25 dB，3 dB带宽为7 pm。(www.xing528.com)

近些年还出现了超窄带滤波器（ultra－narrowband filter）［246］和超宽带滤波器（ultra－broadband filter）［247］，它们的带宽分别小于1 pm和大于200 nm。2006年，Jung等将高通光子晶体光纤和低通空芯多层环形纤芯光纤这两种不同微结构光纤串接，通过改变两光纤的弯曲半径，实现了带宽可调谐的宽带带通滤波器，其调谐范围为3001000 nm，消光比20 dB［248］。

另外，一些新波段滤波器也被开发出来。2018年，Zhang等提出了一种由硫化物光纤组成的Fabry－Perot全光纤可调谐滤波器，精细常数达15［249］。他们将As2 Se3单模和多模光纤串接构成中红外兼容的全光纤可调谐带通滤波器，获得了大于52 nm的连续波长调谐和84 nm的跳变波长调谐，其插入损耗＜3 dB，消光比＞17 dB，3 dB带宽约25 nm［250］。

随着滤波器应用范围的不断扩大，对其性能要求也不断提高。例如在光纤激光、传感和光纤陀螺等领域，要求实现特定偏振的稳定传输（保偏光纤）或者单一偏振态的传输（单偏振光纤），同时要求滤波器具有更低的损耗和更高的精度。2008年，Alhassen等报道了一种基于高偏振分束光纤（high polarization splitting fiber）的滤波器［251］，这种光纤提高了包层模的简并度，可实现全光纤可调谐带通滤波。Lee等将金纳米线嵌入到光子晶体光纤中，利用表面等离子体共振（surface plasmon resonance，SPR）效应实现了偏振滤波，两偏振态之间消光比高达45 dB［252］。2015年，Yan等将两段复合光纤熔接，并接入光纤陀螺仪的环形谐振腔中，通过滤除其它偏振方向的光谐振，提高了光纤陀螺仪的抗干扰能力，实现在积分时间300 s下维持0.3°/h的精度［253］。2017年，Celaschi等基于折射率凹陷型双包层光纤，研制出双锥光纤窄带光谱滤波器［254］。通过拉锥时光纤外径变化，调制对不同模式的有效折射率，在1.5μm光通信窗口，其自由谱域具有约1 nm的高精度和低至0.5 dB的透射损耗。

此外，光纤超材料的发展也为研制新型光纤滤波器注入了新的设计理念［255，256］。超材料的电磁参数可自由设计，利用相位补偿原理，可有效地减少器件的尺寸，实现小型化，是电磁调控特性和高选频特性设计的一种理想材料。超材料滤波器一般由多层二维吸波超材料设计而成，除了受到制备工艺限制外，还有一个明显的问题就是只能对从超材料正上方入射的电磁波产生完全吸收，而对倾斜入射的电磁波吸收能力弱，这样便很难实现对全方位入射特定频段电磁波的吸收。而光纤由于其特殊的对称性，在实现全方向吸波上具有天然优势。因此，由超材料吸波光纤制作而成的超材料光纤滤波器在宽角度调频滤波方面的表现更为优异［257，258］。

近年来，国内外学者在超材料滤波器应用方面做了许多探索。2010年，澳大利亚悉尼大学的Kuhlmey等首次制备了工作频率在太赫兹（THz）的金属线阵列超材料光纤［257］。当电磁波的电场方向与光纤方向平行时，低于金属等离子体共振频率，由于趋肤效应，电磁波入射到光纤阵列后会呈指数级衰减，变成倏逝波；而高于等离子体共振频率，则电磁波可以透过光纤阵列向前传播。因此，光纤阵列出现了高通滤波现象。秦超等所设计的超材料结构滤波器中心频率为7.8 GHz，相对带宽为8%9%，通过增大开口集总电容的值可以缩小器件体积［259］。尤志刚等设计制作了一个超高频段（30300 MHz）调频滤波器，其采用电感耦合并联谐振电路，由变容二极管实现最大频率可调范围［260］。Tuniz等［262］利用金属铟和Zeonex高分子材料形成二维THz频段超材料阵列，能够在0.30.4 THz频段内实现高透过率［261］。他们还制备了开口圆环结构超材料光纤，并排形成二维光纤阵列，在0.10.4 THz频率内表现出明显的磁场谐振增强效应。