光纖光柵在微波光子濾波器中的應(yīng)用
光纖光柵具有體積小、質(zhì)量輕、波長選擇性好、不受非線性效應(yīng)影響、偏振不敏感、帶寬范圍大、附加損耗小、器件微型化、耦合性能好，可與其他光纖器件融成一體等特性；而且光纖光柵制作工藝比較成熟，易于形成規(guī)模生產(chǎn)，成本低，具有很好的實(shí)用性，其優(yōu)越性是其他許多器件無法替代的。這使得光纖光柵以及基于光纖光柵的器件成為光學(xué)領(lǐng)域理想的關(guān)鍵器件之一[1-6]。
微波光子濾波器是微波光子學(xué)中的關(guān)鍵器件之一，可用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的方法來處理射頻（RF）信號(hào)，即將RF信號(hào)直接調(diào)制光載波，并在光域內(nèi)進(jìn)行處理。該濾波器具有高緊湊性，電磁環(huán)境下高兼容性，體積小且易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，隨著人們對(duì)寬帶通信容量不斷增長的需求，微波光子濾波器逐漸成為國內(nèi)外眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)[7]。鑒于光纖布拉格光柵（FBG）獨(dú)特的波長選擇特性，近年來提出了許多基于FBG的微波光子濾波器結(jié)構(gòu)。縱觀國內(nèi)外的報(bào)道，從最初利用光纖光柵色散特性到利用其延時(shí)得到連續(xù)可調(diào)諧濾波特性，微波光子濾波器在光纖光柵制作工藝等技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，性能不斷改善，并逐步實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。
1、基于FBG的微波光子濾波器
目前有兩大類微波光子濾波器，一類是以光纖環(huán)作為延遲單元，另一類是以光纖光柵作為延遲單元。光纖環(huán)作為延遲單元在實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧性和可重構(gòu)性上遇到了困難，而光纖光柵作為延遲單元具有很大的靈活性，且能比較容易地實(shí)現(xiàn)多抽頭。
1.1、微波光子濾波器的理論分析[8]
圖1為基于單光源的微波光子濾波器工作原理圖，多光源微波光子濾波器的工作原理與其相同。RF信號(hào)x（t）經(jīng)過電光調(diào)制器（EOM）調(diào)制到光載波上，經(jīng)過1×N分光器將光分成N路，在每路中，光強(qiáng)受到了可控的調(diào)節(jié)wn（ n=0，1，2，?，N-1），并經(jīng)過不同的延時(shí)，然后N束光經(jīng)N×1耦合器輸入到光電探測器（PD）中進(jìn)行檢測，輸出的RF信號(hào)表示為:
?
比較輸入和輸出，可以得到微波光子濾波器的傳輸函數(shù):
對(duì)應(yīng)的頻域響應(yīng)為:
從傳輸函數(shù)的頻域響應(yīng)可以看出，決定濾波器響應(yīng)的兩個(gè)重要因素是每一路的權(quán)重wn 和延時(shí) nτ。權(quán)重wn決定了濾波器傳輸函數(shù)的形狀，而延時(shí)單元τ決定了自由頻譜范圍（ FSR） ，自由頻譜范圍為1/τ。
1.2、基于FBG的微波光子濾波器的工作原理
圖2為典型的基于FBG陣列的微波光子濾波器的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過EOM后的寬帶光進(jìn)入由多個(gè)FBG組成的光柵陣列中，每個(gè)FBG的中心反射波長和反射率均不同，相鄰兩個(gè)FBG之間的距離均為l。根據(jù)FBG反射波長，調(diào)制的寬帶光被切割成和光柵數(shù)目相同的光束，光束的寬度由光柵的反射帶寬決定。寬帶光中，波長為λ0附近的光被第一個(gè)光柵反射，波長為λ1附近的光則透過第一個(gè)光柵被第二個(gè)光柵反射，以此類推。由于λ0，λ1，?，λN的反射光之間因?yàn)榉瓷潼c(diǎn)的空間位置不同，因此相鄰之間有一定的時(shí)延。
基于FB G 陣列的微波光子濾波器的權(quán)值由每個(gè)光柵的反射率決定，而單位延時(shí)τ由相鄰FBG之間的距離l決定，即
式中neff為有效折射率，c為真空中的光速。
2、基于FBG的幾種典型微波光子濾波器的結(jié)構(gòu)
利用FBG構(gòu)成微波光子濾波器的結(jié)構(gòu)非常靈活。根據(jù)FBG不同的應(yīng)用方式可分為FBG陣列、特殊結(jié)構(gòu)的FBG、FBG對(duì)、啁啾光纖光柵環(huán)等結(jié)構(gòu)。
2.1、利用FBG陣列[9]
圖3為一種利用FBG陣列構(gòu)成的微波光子濾波器的結(jié)構(gòu)?？烧{(diào)諧激光器的輸出光被RF信號(hào)外調(diào)制后由光纖分光器送入到FBG陣列中，在每一路中，光載RF信號(hào)被FBG陣列分割成與FBG數(shù)目相同的光束，所有的反射信號(hào)經(jīng)過不同的延時(shí)均通過光纖環(huán)行器注入到光纖耦合器中，耦合器輸出的信號(hào)再由PD進(jìn)行檢測。
該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是通過改變可調(diào)諧激光器的波長可以選擇工作的光纖光柵，因此其頻率響應(yīng)可以很容易地實(shí)現(xiàn)調(diào)諧，是一種可調(diào)諧的帶通濾波器。但這種濾波器除了精度不易控制以外，要想得到更大的調(diào)諧范圍，就需要增加FBG的個(gè)數(shù)，因此結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。
2.2、利用特殊結(jié)構(gòu)的FBG
隨著FBG的發(fā)展，各種特殊結(jié)構(gòu)的FBG相繼問世，圖4為利用超結(jié)構(gòu)FBG構(gòu)成的微波光子濾波器的結(jié)構(gòu)[10]。超結(jié)構(gòu)FBG的折射率調(diào)制是周期性間斷的，其反射譜是一組分立的反射峰。如果在 FBG間加入色散介質(zhì)，則不同的峰將會(huì)經(jīng)歷不同的 時(shí)延，相當(dāng)于光經(jīng)過一系列不同波長不同反射率的 光纖光柵后產(chǎn)生一系列的光抽頭。
利用超結(jié)構(gòu)FBG構(gòu)成的微波光子濾波器，可實(shí)現(xiàn)帶通響應(yīng)，且結(jié)構(gòu)簡單，但其難點(diǎn)在于超結(jié)構(gòu)FBG的制作非常復(fù)雜，為保證FBG的反射峰幅度以中心波長對(duì)稱分布，其制作工藝非常嚴(yán)格。
2.3、利用FBG和摻鉺光纖[11]
圖5為利用FBG和摻鉺光纖的高Q值帶通微波光子濾波器的結(jié)構(gòu)。其中，F(xiàn)BG1的反射率為50%，F(xiàn)BG2的反射率為100%，調(diào)制光通過耦合器進(jìn)入到FBG對(duì)中，其中一半信號(hào)被FBG1反射回來，另一半經(jīng)過摻鉺光纖的放大后被FBG2全部反射到FBG對(duì)中，通過摻鉺光纖放大后再次進(jìn)入到FBG1中，F(xiàn)BG1又耦合近一半的信號(hào)輸出，而被FBG1再次反射的另一半的信號(hào)再次經(jīng)過上述的過程，這樣信號(hào)被FBG對(duì)向前向后不斷地反射和延時(shí)形成了脈沖響應(yīng)的大量抽頭，并且不同抽頭之間的延時(shí)都是相同的。該結(jié)構(gòu)在FBG對(duì)中引入了摻鉺光纖從而實(shí)現(xiàn)了高Q值，但摻鉺光纖的長度受到一定限制，該濾波器不能實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧性。
2.4、利用啁啾光纖光柵環(huán)[12-13]
中國浙江大學(xué)的研究人員根據(jù)FBG的特性提出了兩種新穎的濾波結(jié)構(gòu):可調(diào)諧無限脈沖響應(yīng)（IIR）濾波器和可調(diào)諧陷波濾波器。它們都基于啁啾光纖光柵（CFBG）環(huán)，其FSR可通過改變光載波波長實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)諧。
圖6為利用CFBG和光纖環(huán)構(gòu)成啁啾光纖光柵環(huán)的可調(diào)諧IIR微波光子濾波器的結(jié)構(gòu)。調(diào)制光信號(hào)注入耦合器中，耦合器的輸入端2和輸出端4通過光纖構(gòu)成光纖環(huán)，在環(huán)中設(shè)置環(huán)行器，環(huán)行器的端口3串接若干個(gè)不同工作波長的CFBG，這樣光信號(hào)在光纖環(huán)中被CFBG陣列切割延時(shí)，并通過環(huán)行器返回到耦合器的輸入端2，得到不同的抽頭響應(yīng)后通過耦合器的輸出端3輸出。改變輸入光的波長可以選擇不同的CFBG，這樣光信號(hào)在環(huán)中走的距離不同，延時(shí)就不同，從而改變?yōu)V波器的FSR。
圖7為利用CFBG和光纖環(huán)構(gòu)成啁啾光纖光柵環(huán)的可調(diào)諧陷波濾波器的結(jié)構(gòu)，與可調(diào)諧IIR濾波器結(jié)構(gòu)不同，在耦合器的輸出端3和4通過光纖構(gòu)成光纖環(huán)，耦合器輸出的兩個(gè)強(qiáng)度相同的信號(hào)在環(huán)中沿相反方向傳輸，分別經(jīng)過CFBG切割反射后經(jīng)歷了不同的延時(shí)，并從耦合器的輸入端2輸出。兩個(gè)抽頭的光程差由相應(yīng)的CFBG在光纖環(huán)中的位置和輸入光波長決定。由于采用的是CFBG，因此該陷波濾波器的FSR可連續(xù)調(diào)諧。與IIR結(jié)構(gòu)相比，其主要缺點(diǎn)是:由于有1/2的光信號(hào)返回到原光信號(hào)的入射端，因而存在3dB的光損耗；同時(shí)，為了避免光反射進(jìn)可調(diào)諧激光器，還需在光路中放置光隔離器。
IIR濾波器和陷波濾波器均利用了啁啾光纖光柵環(huán)實(shí)現(xiàn)不同特性的濾波功能，且都可調(diào)諧。采用更多CFBG的濾波器，兩者可以實(shí)現(xiàn)更大范圍的調(diào)諧，但結(jié)構(gòu)會(huì)更加復(fù)雜。另外可以通過控制CFBG在光纖環(huán)上的位置來保證調(diào)諧的精度。
3、結(jié)論
由于FBG具有獨(dú)特的波長選擇特性，因而可用來更加靈巧地構(gòu)建微波光子濾波器，而在構(gòu)成方式上，利用CFBG代替FBG可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)諧，且結(jié)構(gòu)比較簡單；另外可以利用特殊結(jié)構(gòu)的光纖光柵構(gòu)成微波光子濾波器，但其制作比較復(fù)雜，精度難以控制，可以考慮用多個(gè)FBG代替特殊結(jié)構(gòu)的光纖光柵實(shí)現(xiàn)特殊結(jié)構(gòu)光纖光柵的濾波功能。近幾年來利用CFBG環(huán)構(gòu)成微波光子濾波器的結(jié)構(gòu)屢見報(bào)道，理論和試驗(yàn)都證明，這種方式不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且濾波功能更完善，如果在光纖環(huán)中加入摻鉺光纖，可實(shí)現(xiàn)高Q 值和連續(xù)可調(diào)諧的微波光子濾波器，相信這將是微波光子濾波器的發(fā)展趨勢。
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作者：祁春慧、裴麗、郭蘭、吳樹強(qiáng)、趙瑞峰，北京交通大學(xué)，光波技術(shù)研究所，全光網(wǎng)與現(xiàn)代通信網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
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項(xiàng)目成果
