信息光学中滤波器分类(数字信号处理滤波器的分类)

20世纪80年代中期，光纤激光器开始进入实用化阶段，随后在光通光学信、光传感、激光加工和医疗等领域得到了飞速发展。而扫频光纤激光器作为光纤激光器的一种，主要特点是输出波长随着时间不断变化，其在光纤传感、生物医学以及光谱学等领域有着极其重要的应用价值。

扫频光纤激光器的应用特点

扫频光纤激光器的性能参数主要包括中心波长、扫频速度、扫频范围、瞬时线宽和输出功率等，不同的性能参数可以应用在不同领域。

在光纤传感系统中，为了获得传感信号，必须对光谱信息进行解调，从而分析出光谱各波长携带的物理信息。利用扫频光纤激光器波长随时间变化的特点，输出激光在扫频机制的作用下，以特定的扫描的步长在光谱上进行信息采集。信息采集的精度决定于扫频光纤激光器的扫频范围，而解调的速度则取决于扫频速度。

在生物医学领域应用扫频光纤激光器尤为重要。光学成像技术是生物医学领域的重要技术之一，光学相干层析成像（OCT）技术作为最新的光学成像技术，具有探测灵信息敏度高、空间分辨率高以及动态范围大等优点。而扫频源OCT技术是目前最前沿的OCT技术，其关键组成部分就是扫频光源。扫频源OCT的成像性能由扫频光源的输出特性决定：成像速度取决于扫频光源的扫描速度；轴向分辨能力取决于扫频光源的扫频范围；成像深度由扫频光源瞬时线宽决定；成像灵敏度与扫频光源输出功率有关。

扫频光纤激光器的分类

目前扫频光纤激光器的研究可分为两类：一类是基于色散时延的扫频光纤激光器，另一类是较为普遍的基于光学滤波器的扫频光纤激光器。相对于前者，后者的输出波长较为稳定，应用更为广泛。

下面我们来看看基于光学滤波数字器不同类别的扫频光纤激光器的研究进展、性能优缺点及发展展望。

01

基于光栅多面镜可调谐滤波器的扫频光纤激光器

2003年，哈佛大学首次提出了基于光栅多面镜可调谐滤波器的扫频光纤激光器，如图1所示。滤波器主要由光栅、多面转镜（24面）以及由两个透镜组成的望远镜三部分组成，其中光栅用于分光，多面镜用于选频，望远镜系统用于实现光路转换。

图 1 望远镜型光栅多面光学镜的滤波器结构图

光栅多面镜滤波器选频机制为：只有垂直于多面镜前镜面的某个波长的光才可以沿原光路返回，通过旋转多面转镜，就可以实现不同波长的选择。多面转镜的面数越多，对应的扫频速度越快。望远镜系统布局可用于调节光栅色散角度范围与扫描角度范围匹配，进而实现了单向、高速、线性的波长扫描。

为了进一步拓展滤波器的调谐范围，增大扫频光纤激光器的扫频范围，提高输出光功率，简化扫频光纤激光器的结构，2008年，一种基于非望远镜型光栅多面镜的扫频光源被研制出来。该光栅多面镜可调谐滤波器采用了非望远镜型利特罗布局，如图2所示，结构紧凑、易于调节，而且能确保两倍于单望远中镜系统型滤波器的自由光谱范围。

图2 非望远镜型光栅多面镜可调谐滤波器结构图

扫频光源的输出功率决定了扫频OCT系统的成像灵敏度，输出功率越高，成像灵敏度越好。

200分类9年信号处理，一种基于光栅多面镜的高功率扫频光纤激光器被研究出来，这是目前输出功率最大的扫频光纤激光器。采用非望远镜型利特罗结构多面镜滤波器作为波长调谐元件，并且增加了一个端部中反射镜。将光栅中的衍射光耦合到激光腔中，从而减小了线宽。结合傅里叶域锁模技术，在激光腔中合并两个串行半导体光放大器来实现高输出功率。

基于光栅多面镜调谐滤波器的扫频光纤激光器能够实现快速、单向、线性的扫描，并且结构简单，易于调节。由表1可知，该类激光器的扫频速度和扫频范围虽然还不够大，但是输出光功率相对较高，最高可达131 mW。扫频光源输出功率越高，扫频源OCT系统成像的灵敏度越高，这对于信息实现高灵敏度OCT成像具有重要意义。

表1 基于光栅多面镜调谐滤波器的扫频光纤激光器性能参数

02

基于FFP-TF的扫频光纤激光器

2005年，麻省理工学院小组提出一种新技术，采用光纤法布里-珀罗调谐滤波器（FFP-TF）来选频滤波。FFP-TF作为滤波器可以实现极其细微的调制，输出光瞬时线宽窄，可以达到pm级，插入损耗很低；并且FFP-TF是光纤型可调谐滤波器，容易操作且维护简单。

为了解决激光在谐振腔内建立时间与扫频速度之间的难题，2006年，傅里叶域锁模（FDML）技术被提出，实现高速的扫频激光输出。而基于FDML扫频光源大大提高了激光扫频速度，其如图3所示。

图3 基于F滤波器DML的扫频光纤激光器原理图

虽然FDML扫频光纤激光器在扫频速度上有了很大的提高，但是在谐振腔内加入一段较长的光纤作为延迟线，导致谐振腔长度大大增加，FDML扫频光纤激光器结构较为复杂。为此，2009年次谐波的傅里叶锁模扫频激光器被研制出来，减少了谐振腔长度，并且还实现了光存储和时间复用的扫描，使扫频速度大大提升，最高扫频速度达到570 kHz。

扫频光纤激光器的扫频范围决定了OCT系统的轴向分辨能力。扫频范围越宽，OCT系统的轴向分辨能力越强。

2012年，一种基于FDML的高速偏振敏感型扫频光纤激光器被研究出来，激光器采用环形腔结构，结构如图4所示。同年，研究人员又提出了基于FDML激光器的光纤布拉格光栅传感系统用来克服传统的扫频激光器扫频速率的限制，高速扫频激光可用于高灵敏度、宽动态范围的动态传感测量。

图4 基于FDML的高速偏振敏感型扫频光纤激光滤波器器原理图

为了进一步拓展扫频光纤激光器的扫频范围，武汉理工大学汪鹏飞等在2019年提出了一种并联SOA的FDML高速宽带扫频光源，这是一种增大扫频激光光源带宽的有效方法。

表2基于FFP-TF的扫频光纤激光器性能参数

由表2可知，基于FFP-TP的扫频光纤激光器在保证高速扫频的条件下，有效地展宽了扫频光源的扫频范围，对于提高扫频源OCT的成像速度和轴向分辨能力具有重要意义。

对于基于FFP-TP的扫频光纤激光器而言，采用更快的调谐速度，可以实现更高速的扫频。虽然此类型扫频光纤激光器的扫频速度和扫频范围都较大，但是激光器腔长较长，结构较为复杂，而且输出激光不稳定，光功率相对较低。

03

基于AOTF的扫频光纤激光器

上述光栅多面镜激光器和FFP-TP激光器都有一个共同的缺点，即在滤波过程中滤波元件的内部部件会发生机械移动，并且容易受外界环境因素的影响，从而造成输出扫频激光不稳定、重复性差。针对这一问题，可以使用声光调谐滤波器（AOTF）作为滤波元件，受环境因素影响较小，整个系统的激光输出稳定性好。1997年，基于AOTF的扫频光纤激光器首次被提出，如图5所示。

图5基于AOTF的扫频光纤激光器原理图

基于单一可调谐滤波器的扫频光纤激光器，不能同时实现较宽的光谱带宽和较窄的瞬时线宽，所以应用到OCT成像系统时，直接影响了成像的轴向分辨率和成像深度，限制了OCT系统性能的提升。

为了突破单一滤波器的这种缺陷，上海理工大学陈明惠等于2018年提出了一种双重滤波扫频光源，即在同一个环形腔内串联接入AOTF和FFP-TF两种不分类同滤波器协调滤波，如图6所示。二者串联克服各自的缺点，实现宽光谱带宽与窄瞬时线宽的统一，实现了输出光的稳定性，有效地提升OCT成像的综合性能。

图6 双重滤波扫频光纤激光器原理图

由于AOTF是电控制元件，波长的调谐不需要机械驱动，因此提高了系统的稳定性，其输出激光光谱的重数字复性也很好。同时，衍射光的波长由射频信号频率决定并具有严格的线性关 系。基于AOTF的扫频光纤激光器从被提出到现在，扫频速度和扫频带宽均得到了提高。由表3可知，扫频速度不断提高，扫频带宽不断增加，扫频光源中心波长覆盖范围越来越广。但是由于AOTF变化的精度不高，所以不能对扫频步长进行精确地控制。

表3基于AOTF的扫频光纤激光器性能参数

分析基于光学滤波器的三种不同类型扫频光纤激光器的性能参数及结构特点，如表4所示，可知他们都有各自的优点：

1）

基于光栅多面镜可调谐滤波器的扫频光纤激光器主要优点是输出光功率较高，最高可达131 mW；

2）

基于FFP-TF的扫频光纤激光器扫频速度和扫频范围都较高，扫频速度最高可达570 kHz，扫频范围最大可达318 nm；

3）

而基于AOTF的扫频光纤激光器主要优点则是输出激光稳定性和重复性较好，并且中心波长可覆盖1.0 m、1.3 m 和1.5 m三个波段。

表4 基于光学滤波器的三种不同类型扫频光纤激光器最高性能参数

结 语

从扫频光纤激光器提出到现在，扫频速度、扫频范围、输出光功率等性能参数都有了很大的提升，但是不同类型扫频光纤激光器在不同性能参数上优势不同，目前缺少一种各项性能参数都较高的扫频光纤激光器。而随着光纤技术的发展，高功率光纤激光器日渐成熟，相信在不久的将来，一种扫频速度快、扫频范围宽、扫描瞬时线宽窄以及输出激光功率高的扫频光纤激光器必将得以实现。

作者简介

游关红1，彭万敬2，邹辉1

1 南京邮电大学电子与光学工程学院

2 中国工程物理研究院应用电子学研究所

本文改编自：游关红,彭万敬信号处理,邹辉.基于光学滤波器的扫频光纤激光器研究进展[J].激光与光电子学进展,2021, 58(01):0100006