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【摘要】本文简要介绍了光纤光栅传感解调系统中光梳状滤波器的原理，讨论了梳状滤波器的基本制作方法，详细分析了两种制作方法制作的光梳状滤波器，分析了制作方法不同对梳状滤波器的性能的影响。采用梳状滤波器作为光纤光栅解调系统的波长校准的参考。对梳状滤波器的工艺制作进行了改进，在制作中引入了零温度系数玻璃，降低了梳状滤波器的温漂。
【关键词】FP梳状滤波器；解调；应用
1.梳状滤波器原理及基本制作方法
1.1 光梳状滤波器的基本原理
光梳状滤波器实际上是一种F-P滤波器，它可以实现多光束干涉。它所产生的干涉条纹非常细锐，常用于对光谱的精细研究和检测。F-P滤波器由平行放置的两块平板P1、P2组成。在两平板相对的面上镀有高反射率的膜。这两个高反射膜表面之间的空气层就是可以作为多光束干涉产生的平板层。为消除两平板P1、P2相背平面上的反射光的干扰，使每块板的两面有一很小的楔角，滤波器中的一块平面板固定不动而另一块可以平移。多数采用把两高反射面的间隔用热膨胀系数很小的钢环固定下来以稳定两平板间的距离。通常将两平板间距离固定的F-P滤波器称为F-P标准具。也可以使用一块平行平板玻璃（或石英玻璃）两面镀膜做成F-P標准具。因其输出光的谱线与梳子类似，故称其为梳状滤波器。
1.2 光纤光栅解调中使用的光梳状滤波器研究
在光纤光栅解调中我们采用的光梳状滤波器是由一对光准直器和一块两面镀有高反射膜的石英玻璃片组成，梳状滤波器结构示意图如图1-1：
图1-1 梳状滤波器结构示意图
石英玻璃板的两面镀有高反射膜，并且允许部分光透射，且两个膜相互平行，光源发出的光经由光准直器一端进入梳状滤波器中，入射光波在两个膜之间发生多次反射，产生干涉现象，从而出射了多个波长的窄带光束，假设透射光的相邻两光束产生的相位差为，则表达式可以写为：
为光在真空中的波长，为光束入射的入射角，此处为0。，d为石英玻璃板的厚度，也就是F-P谐振腔的腔长，当相位差为的整数倍（，k=1，2，…），产生多光束干涉现象，此时公式（1-1）可以改写为：
2.光梳状滤波器制作方法改进
将两面镀有高反射膜的石英玻璃片用室温固化硅橡胶粘在光准直器的一端，静置两小时使硅橡胶干透。将光纤准直器固定在微调架上，向两端准直器中输入红色可见光，对照两准直器的输出的光斑，通过调整，使光斑重合。保持准直器的一端输入可见红光，将另一端接入光功率计检测其通光功率，同时调整准直器的位置，使通过准直器的光强达到最大。然后将输入的可见红光光源换为中心波长为1310nm波段的宽带光源，因为可见红光的光斑与1310nm波段的光斑位置有些微区别，故仍然需要使用微调架来对光纤准直器的相对位置进行调整。通过对通光功率的持续监测，可以将光纤准直器调整至通光光强最大的位置，此时可以将准直器接在光谱仪上察看通过准直器的窄带光束的光谱，观察其损耗是否符合制作要求。当调整工作完毕后，在光纤准直器的外部套上铜制镀金管，镀金管两端各有四个定位孔，可以使用烙铁将镀金管与准直器焊接起来以固定光纤准直器的相对位置，得到一个稳定可靠的光梳状滤波器。
在使用上述方法制作光梳状滤波器时，发现该梳状滤波器需要使用恒温电路使其保持一定的温度这样才能避免参考波长随温度漂移过大。可以为梳状滤波器设计一个恒温电路。电路内的稳压管输出的电压由电压跟随器将电压恒定在某一个定值，以保证该部位的温度恒定，同时使用了一个温度传感器用来检测外部实时温度并将温度变化转化为电压的变化，经过电压跟随器与稳压管输出的用来稳定温度的电压通过运放求得差值，根据求得的差值来调整通过三极管的电流分量以控制三极管的发热量，确保温度稳定在预先设定的定值。
光梳状滤波器的制作过程较为复杂，需要的设备也较多，当使用了光梳状滤波器后，在使用恒温电路对梳状滤波器保持恒温时，发现梳状滤波器随温度变化的波长漂移量较大，严重降低了整个解调系统的监测精度。同时由于石英玻璃片在受到温度变化的影响会发生形变，使多光束干涉的F-P腔的长度发生改变，从而导致参考光栅的中心波长发生改变，影响整个系统的检测精度。因此采用了一种新的方法来制作滤波片，简化了梳状滤波器的制作工艺，降低了滤波片的形变对输出窄带光束中心波长的影响，更适合实用化工程化的需要。
图2-1为改进后的滤波片。可以看到，高反射膜附于石英玻璃上，两个高反射膜之间上下各放置了一块零温度玻璃。零温度玻璃顾名思义就是对温度不敏感，外界温度引起其外部形态的变化量微小到可以忽略不计。当输入光从左侧垂直进入滤波片后，在两个高反射膜之间的区域内发生多光束干涉，产生多波长输出。由于零温度玻璃的存在，使两个高反射膜的相对距离固定，不随温度的变化而变化。因此产生多光束干涉的F-P腔长度变化量微小，由公式（1-3）可以得知得到采用该梳妆滤波器的参考光栅波长重复性好，性能稳定。
对改进后的光梳状滤波器进行温度测试，将光梳状滤波器置于高低温试验箱内，在10℃和60℃这两个点对梳状滤波器的测出的梳状峰进行测量。由于梳状峰的个数较多，仅取用其中的一段数据，首先将试验箱温度设定在10℃，温度到达后恒定十五分钟后进行测量，然后将试验箱温度升高到60℃，同样稳定十五分钟后再测量数据，测量完毕后将试验箱温度调回到10℃，稳定十五分钟后进行测量，所测得的数据如表2-1所表示，可以看到梳状峰的中心波长在温度变化50℃的情况下波长漂移量平均约为50pm，在同一温度的中心波长漂移量很小，重复性良好。梳状滤波器由于温度产生的波长漂移需要在后续的数字信号处理中进行修正。
3.光梳状滤波器应用
3.1 使用光梳状滤波器的波长校准方法
光梳状滤波器的波长校准方法[43-45]与采用参考光栅的校准方法类似，梳状滤波器将扫描电压划分的区间数大大多于参考光栅所划分的区间，并且光梳状滤波器输出的窄带光谱损耗较小，各个光谱的输出功率接近，有利于检测精度的提高。在检测过程中，首先在恒温状态下，使用光谱仪测量出光梳状滤波器的波长值 并进行标定，将标定后的波长数值作为解调系统的参考光栅波长值。当解调系统测量传感光栅中心波长时，根据参考光栅波长值，通过各种拟合算法，可以对待测传感光栅的中心波长进行精确解调。
用来进行计算的拟合算法多种多样，采用常用的拉格朗日插值法，根据拉格朗日插值的公式如下：
取用这三个待测光栅采样点，并且三点对应的波长为，根据公式写出x点波长的表达式为：
假设待测光栅波长位于梳状滤波器的某两个相邻的窄带光束所確定的区间内，由于前面已经得到标定的参考光栅波长和电压的关系，即该区间两端的参考光栅的位置坐标已经确定，即和与之对应的波长为已知，设其中点在x轴的坐标，设其对应波长为，对于任意一个位置在该区间内的待测光栅的波长拟合曲线可以写为：
由于这是区间内任一点的位置表达式，因此在每个时刻得到的测量光栅的波长拟合曲线都可以用与之相似的式子表达出来并输入计算机进行数据分析处理得到动态拟合曲线，进而得到待测光纤光栅的中心波长的值。除了拉格朗日插值法，还可以使用其他的插值法对数据进行拟合计算，需要考虑到测量精确度和算法复杂程度之间的相互平衡，可以根据系统设定的要求来选择拟合算法。
3.2 测试结果比较
在实验中，在某一个实验通道上连接了十个不同波长的光栅作为待测光栅，在解调过程中分别使用两种方法进行波长校准。测量数据组1为使用九个参考光栅进行波长校准所测得的数据，测量数据组2是使用了光梳状滤波器作为参考光栅组进行波长校准所测得的数据，以同一温度下光谱仪测得的波长数据作为标准数据来进行对比，可以得到采用九个参考光栅进行波长校准所得到的数据误差较大，而使用光梳状滤波器进行波长校准所测得的数据误差相对较小，因此采用光梳状滤波器后，整个解调系统的测量精度较之传统的参考光栅法有所提高，也就是说使用了光梳状滤波器进行波长校准的解调系统其测量精度也越高。
参考文献
[1]高璇，黄俊斌，顾宏灿，等.基于光纤梳状滤波器的光纤Bragg光栅波长解调技术研究[J].舰船科学技术，2008， 30（3）：122-126.
[2]甘维兵，王立新，张翠.基于调谐滤波的光纤光栅解调技术研究[J].半导体光电，2008，29（3）：451-456.
[3]甘维兵，张翠，齐耀斌.基于可调窄带光源的光纤光栅解调系统[J].武汉理工大学学报，2009，31（5）：118-120.
[4]张侠.多通道光纤光栅传感解调系统研究[D].武汉：武汉理工大学，2010.
【关键词】FP梳状滤波器；解调；应用
1.梳状滤波器原理及基本制作方法
1.1 光梳状滤波器的基本原理
光梳状滤波器实际上是一种F-P滤波器，它可以实现多光束干涉。它所产生的干涉条纹非常细锐，常用于对光谱的精细研究和检测。F-P滤波器由平行放置的两块平板P1、P2组成。在两平板相对的面上镀有高反射率的膜。这两个高反射膜表面之间的空气层就是可以作为多光束干涉产生的平板层。为消除两平板P1、P2相背平面上的反射光的干扰，使每块板的两面有一很小的楔角，滤波器中的一块平面板固定不动而另一块可以平移。多数采用把两高反射面的间隔用热膨胀系数很小的钢环固定下来以稳定两平板间的距离。通常将两平板间距离固定的F-P滤波器称为F-P标准具。也可以使用一块平行平板玻璃（或石英玻璃）两面镀膜做成F-P標准具。因其输出光的谱线与梳子类似，故称其为梳状滤波器。
1.2 光纤光栅解调中使用的光梳状滤波器研究
在光纤光栅解调中我们采用的光梳状滤波器是由一对光准直器和一块两面镀有高反射膜的石英玻璃片组成，梳状滤波器结构示意图如图1-1：
图1-1 梳状滤波器结构示意图
石英玻璃板的两面镀有高反射膜，并且允许部分光透射，且两个膜相互平行，光源发出的光经由光准直器一端进入梳状滤波器中，入射光波在两个膜之间发生多次反射，产生干涉现象，从而出射了多个波长的窄带光束，假设透射光的相邻两光束产生的相位差为，则表达式可以写为：
为光在真空中的波长，为光束入射的入射角，此处为0。，d为石英玻璃板的厚度，也就是F-P谐振腔的腔长，当相位差为的整数倍（，k=1，2，…），产生多光束干涉现象，此时公式（1-1）可以改写为：
2.光梳状滤波器制作方法改进
将两面镀有高反射膜的石英玻璃片用室温固化硅橡胶粘在光准直器的一端，静置两小时使硅橡胶干透。将光纤准直器固定在微调架上，向两端准直器中输入红色可见光，对照两准直器的输出的光斑，通过调整，使光斑重合。保持准直器的一端输入可见红光，将另一端接入光功率计检测其通光功率，同时调整准直器的位置，使通过准直器的光强达到最大。然后将输入的可见红光光源换为中心波长为1310nm波段的宽带光源，因为可见红光的光斑与1310nm波段的光斑位置有些微区别，故仍然需要使用微调架来对光纤准直器的相对位置进行调整。通过对通光功率的持续监测，可以将光纤准直器调整至通光光强最大的位置，此时可以将准直器接在光谱仪上察看通过准直器的窄带光束的光谱，观察其损耗是否符合制作要求。当调整工作完毕后，在光纤准直器的外部套上铜制镀金管，镀金管两端各有四个定位孔，可以使用烙铁将镀金管与准直器焊接起来以固定光纤准直器的相对位置，得到一个稳定可靠的光梳状滤波器。
在使用上述方法制作光梳状滤波器时，发现该梳状滤波器需要使用恒温电路使其保持一定的温度这样才能避免参考波长随温度漂移过大。可以为梳状滤波器设计一个恒温电路。电路内的稳压管输出的电压由电压跟随器将电压恒定在某一个定值，以保证该部位的温度恒定，同时使用了一个温度传感器用来检测外部实时温度并将温度变化转化为电压的变化，经过电压跟随器与稳压管输出的用来稳定温度的电压通过运放求得差值，根据求得的差值来调整通过三极管的电流分量以控制三极管的发热量，确保温度稳定在预先设定的定值。
光梳状滤波器的制作过程较为复杂，需要的设备也较多，当使用了光梳状滤波器后，在使用恒温电路对梳状滤波器保持恒温时，发现梳状滤波器随温度变化的波长漂移量较大，严重降低了整个解调系统的监测精度。同时由于石英玻璃片在受到温度变化的影响会发生形变，使多光束干涉的F-P腔的长度发生改变，从而导致参考光栅的中心波长发生改变，影响整个系统的检测精度。因此采用了一种新的方法来制作滤波片，简化了梳状滤波器的制作工艺，降低了滤波片的形变对输出窄带光束中心波长的影响，更适合实用化工程化的需要。
图2-1为改进后的滤波片。可以看到，高反射膜附于石英玻璃上，两个高反射膜之间上下各放置了一块零温度玻璃。零温度玻璃顾名思义就是对温度不敏感，外界温度引起其外部形态的变化量微小到可以忽略不计。当输入光从左侧垂直进入滤波片后，在两个高反射膜之间的区域内发生多光束干涉，产生多波长输出。由于零温度玻璃的存在，使两个高反射膜的相对距离固定，不随温度的变化而变化。因此产生多光束干涉的F-P腔长度变化量微小，由公式（1-3）可以得知得到采用该梳妆滤波器的参考光栅波长重复性好，性能稳定。
对改进后的光梳状滤波器进行温度测试，将光梳状滤波器置于高低温试验箱内，在10℃和60℃这两个点对梳状滤波器的测出的梳状峰进行测量。由于梳状峰的个数较多，仅取用其中的一段数据，首先将试验箱温度设定在10℃，温度到达后恒定十五分钟后进行测量，然后将试验箱温度升高到60℃，同样稳定十五分钟后再测量数据，测量完毕后将试验箱温度调回到10℃，稳定十五分钟后进行测量，所测得的数据如表2-1所表示，可以看到梳状峰的中心波长在温度变化50℃的情况下波长漂移量平均约为50pm，在同一温度的中心波长漂移量很小，重复性良好。梳状滤波器由于温度产生的波长漂移需要在后续的数字信号处理中进行修正。
3.光梳状滤波器应用
3.1 使用光梳状滤波器的波长校准方法
光梳状滤波器的波长校准方法[43-45]与采用参考光栅的校准方法类似，梳状滤波器将扫描电压划分的区间数大大多于参考光栅所划分的区间，并且光梳状滤波器输出的窄带光谱损耗较小，各个光谱的输出功率接近，有利于检测精度的提高。在检测过程中，首先在恒温状态下，使用光谱仪测量出光梳状滤波器的波长值 并进行标定，将标定后的波长数值作为解调系统的参考光栅波长值。当解调系统测量传感光栅中心波长时，根据参考光栅波长值，通过各种拟合算法，可以对待测传感光栅的中心波长进行精确解调。
用来进行计算的拟合算法多种多样，采用常用的拉格朗日插值法，根据拉格朗日插值的公式如下：
取用这三个待测光栅采样点，并且三点对应的波长为，根据公式写出x点波长的表达式为：
假设待测光栅波长位于梳状滤波器的某两个相邻的窄带光束所確定的区间内，由于前面已经得到标定的参考光栅波长和电压的关系，即该区间两端的参考光栅的位置坐标已经确定，即和与之对应的波长为已知，设其中点在x轴的坐标，设其对应波长为，对于任意一个位置在该区间内的待测光栅的波长拟合曲线可以写为：
由于这是区间内任一点的位置表达式，因此在每个时刻得到的测量光栅的波长拟合曲线都可以用与之相似的式子表达出来并输入计算机进行数据分析处理得到动态拟合曲线，进而得到待测光纤光栅的中心波长的值。除了拉格朗日插值法，还可以使用其他的插值法对数据进行拟合计算，需要考虑到测量精确度和算法复杂程度之间的相互平衡，可以根据系统设定的要求来选择拟合算法。
3.2 测试结果比较
在实验中，在某一个实验通道上连接了十个不同波长的光栅作为待测光栅，在解调过程中分别使用两种方法进行波长校准。测量数据组1为使用九个参考光栅进行波长校准所测得的数据，测量数据组2是使用了光梳状滤波器作为参考光栅组进行波长校准所测得的数据，以同一温度下光谱仪测得的波长数据作为标准数据来进行对比，可以得到采用九个参考光栅进行波长校准所得到的数据误差较大，而使用光梳状滤波器进行波长校准所测得的数据误差相对较小，因此采用光梳状滤波器后，整个解调系统的测量精度较之传统的参考光栅法有所提高，也就是说使用了光梳状滤波器进行波长校准的解调系统其测量精度也越高。
参考文献
[1]高璇，黄俊斌，顾宏灿，等.基于光纤梳状滤波器的光纤Bragg光栅波长解调技术研究[J].舰船科学技术，2008， 30（3）：122-126.
[2]甘维兵，王立新，张翠.基于调谐滤波的光纤光栅解调技术研究[J].半导体光电，2008，29（3）：451-456.
[3]甘维兵，张翠，齐耀斌.基于可调窄带光源的光纤光栅解调系统[J].武汉理工大学学报，2009，31（5）：118-120.
[4]张侠.多通道光纤光栅传感解调系统研究[D].武汉：武汉理工大学，2010.