光噪聲的過濾器——窄帶矩形光學(xué)濾波器

　　基于光柵局域溫度控制的高精度光學(xué)濾波器的基本原理及應(yīng)用場景。包含噪聲的多制式光學(xué)載波信號通過低損耗通信光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離信息傳輸，通過在光纖光柵內(nèi)引入多個(gè)局域可控相移形成由性能可重構(gòu)的矩形光學(xué)濾波響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對光學(xué)信號噪聲的濾除和信息的高保真?zhèn)鬏敗?/p>

　　圖中以不同顏色的光束表示多制式的光學(xué)載波信息;圖中的波形表示傳輸?shù)男畔ⅲ渲行盘栔g的藍(lán)色雜亂波形表示存在的噪聲;整個(gè)圓形管道代表光信號傳輸?shù)耐ǖ?中間多個(gè)圓片代表了光纖局域相移點(diǎn)的引入，組成了本文描述的高精度光學(xué)濾波器。

　　研究背景

　　光纖布拉格光柵(FBG)由于具有抗電磁干擾、插入損耗小等優(yōu)點(diǎn)，作為關(guān)鍵濾波器件在微波光子學(xué)、相干通信等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

　　理想的光學(xué)濾波器應(yīng)具有由平坦的通帶和陡峭的邊緣組成的矩形頻率響應(yīng)，以得到高的信號保真度。雖然FBG通過相移點(diǎn)的引入可以獲得100 MHz以下的帶寬，但是準(zhǔn)洛倫茲線型的頻率響應(yīng)限制了其在高分辨率信號處理中的應(yīng)用。

　　研究實(shí)現(xiàn)窄帶寬、高矩形度的FBG頻率響應(yīng)，已經(jīng)成為推動(dòng)FBG濾波器在新一代光通信系統(tǒng)中廣泛落地應(yīng)用的核心問題。

　　實(shí)現(xiàn)窄帶寬、高矩形度的FBG頻率響應(yīng)的核心是多個(gè)相移點(diǎn)的精確設(shè)計(jì)和引入。當(dāng)前的主流方案是機(jī)械拉伸法和加溫法。但仍然存在著裝置復(fù)雜，相移控制低，長期一致差等技術(shù)瓶頸。因此，探索一種簡單、經(jīng)濟(jì)、高效的制作MPSFBG的方法是至關(guān)重要的。

　　創(chuàng)新研究

　　中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所蔡海文研究員課題組提出了一種利用熱電冷卻器(TEC)進(jìn)行局域溫度控制動(dòng)態(tài)改變FBG相移的方法，該方法能夠在FBG中高精度地引入可控的、穩(wěn)定的相移，為制作多相移FBG提供了切實(shí)可行的有效方法。

　　圖1 (a)實(shí)驗(yàn)裝置圖;(b)FBG利用局域溫度控制引入多個(gè)相移的理論模型;(c)局域溫度控制結(jié)構(gòu);(d)局域溫度控制結(jié)構(gòu)的剖面圖

　　如圖1所示，課題組通過特殊設(shè)計(jì)的局域溫度控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對mm級光柵局域區(qū)域mK級溫度的精度控制。由于熱脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)，F(xiàn)BG局部的折射率和調(diào)制周期會(huì)隨著溫度的變化而改變，進(jìn)而在FBG中引入相移。

　　通過對理論仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可以得到，本研究提出的這種對FBG進(jìn)行無損改變形成可擦除相移的方法可以達(dá)到的相移引入精度(相移量精度：0.0007π，相移位置精度：30 μm)，滿足理論分析過程中多相移FBG獲得插入損耗較小、矩形度較高的窄帶平頂濾波響應(yīng)所需要的相移精度(相移量精度：0.0029π，相移位置精度：368 μm)。

　　另外，課題組利用這種方法制作了雙相移光纖光柵，獲得了與理論仿真結(jié)果相一致的頻率響應(yīng)特性，插入損耗約為0.5 dB，3 dB帶寬約為366 MHz，20 dB帶寬約為972 MHz，形狀因子約為0.38.

　　更進(jìn)一步地，課題組通過多個(gè)相移量的動(dòng)態(tài)改變，實(shí)現(xiàn)了濾波器帶寬70 MHz~1050 MHz的重構(gòu)和中心波長22 GHz范圍的調(diào)諧，這是當(dāng)前公開報(bào)導(dǎo)的最佳結(jié)果之一。相關(guān)測量結(jié)果如圖2和圖3所示。

　　圖2 均勻FBG受到不同溫度加熱時(shí)的透射譜的(a)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及(b)理論擬合結(jié)果;(c)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其線性擬合的差異

　　圖3 多相移光纖光柵的光譜圖

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的這種制作MPSFBG濾波器的方法精確、簡單、經(jīng)濟(jì)，沒有對光纖光柵的結(jié)構(gòu)造成性的改變，具有相移量可擦除的優(yōu)勢，具備廣泛制備光譜可重構(gòu)的新型可調(diào)諧光纖濾波器的應(yīng)用潛力，可有效推動(dòng)FBG在新一代光通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。

　　展望

　　課題組接下來會(huì)開展更加深入的研究工作，結(jié)合相關(guān)技術(shù)措施，集成相光柵局域溫度控制裝置，減小器件體積;并進(jìn)一步提高光纖光柵濾波器的各項(xiàng)性能指標(biāo)，如濾波帶寬、矩形度、邊模抑制比等。所研制的FBG濾波器將實(shí)現(xiàn)在微波光子學(xué)、相干探測等領(lǐng)域的落地應(yīng)用。

　　參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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