基于光柵局域溫度控制的高精度光學濾波器的基本原理及應用場景。包含噪聲的多制式光學載波信號通過低損耗通信光纖進行遠距離信息傳輸，通過在光纖光柵內引入多個局域可控相移形成由性能可重構的矩形光學濾波響應，實現(xiàn)對光學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載波信息;圖中的波形表示傳輸?shù)男畔?，其中信號之間的藍色雜亂波形表示存在的噪聲;整個圓形管道代表光信號傳輸?shù)耐ǖ?中間多個圓片代表了光纖局域相移點的引入，組成了本文描述的高精度光學濾波器。

　　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，作為關鍵濾波器件在微波光子學、相干通信等領域中得到廣泛應用。

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

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

　　實現(xiàn)窄帶寬、高矩形度的FBG頻率響應的核心是多個相移點的精確設計和引入。當前的主流方案是機械拉伸法和加溫法。但仍然存在著裝置復雜，相移控制低，長期一致差等技術瓶頸。因此，探索一種簡單、經濟、高效的制作MPSFBG的方法是至關重要的。

　　創(chuàng)新研究

　　中國科學院上海光學精密機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)進行局域溫度控制動態(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提供了切實可行的有效方法。

　　圖1 (a)實驗裝置圖;(b)FBG利用局域溫度控制引入多個相移的理論模型;(c)局域溫度控制結構;(d)局域溫度控制結構的剖面圖

　　如圖1所示，課題組通過特殊設計的局域溫度控制結構，實現(xiàn)對mm級光柵局域區(qū)域mK級溫度的精度控制。由于熱脹效應和熱光效應，F(xiàn)BG局部的折射率和調制周期會隨著溫度的變化而改變，進而在FBG中引入相移。

　　通過對理論仿真和實驗結果的分析可以得到，本研究提出的這種對FBG進行無損改變形成可擦除相移的方法可以達到的相移引入精度(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果相一致的頻率響應特性，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.

　　更進一步地，課題組通過多個相移量的動態(tài)改變，實現(xiàn)了濾波器帶寬70 MHz~1050 MHz的重構和中心波長22 GHz范圍的調諧，這是當前公開報導的最佳結果之一。相關測量結果如圖2和圖3所示。

　　圖2 均勻FBG受到不同溫度加熱時的透射譜的(a)實驗結果及(b)理論擬合結果;(c)實驗結果與其線性擬合的差異

　　圖3 多相移光纖光柵的光譜圖

　　實驗結果表明，本文提出的這種制作MPSFBG濾波器的方法精確、簡單、經濟，沒有對光纖光柵的結構造成性的改變，具有相移量可擦除的優(yōu)勢，具備廣泛制備光譜可重構的新型可調諧光纖濾波器的應用潛力，可有效推動FBG在新一代光通信系統(tǒng)的實際應用。

　　展望

　　課題組接下來會開展更加深入的研究工作，結合相關技術措施，集成相光柵局域溫度控制裝置，減小器件體積;并進一步提高光纖光柵濾波器的各項性能指標，如濾波帶寬、矩形度、邊模抑制比等。所研制的FBG濾波器將實現(xiàn)在微波光子學、相干探測等領域的落地應用。

　　參考文獻： 中國光學期刊網

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