光纖光柵在微波光子濾波器中的應用

光纖光柵具有體積小、質量輕、波長選擇性好、不受非線性效應影響、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，易于形成規模生產，成本低，具有很好的實用性，其優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領域理想的關鍵器件之一^[1-6]。

微波光子濾波器是微波光子學中的關鍵器件之一，可用于代替傳統的方法來處理射頻（RF）信號，即將RF信號直接調制光載波，并在光域內進行處理。該濾波器具有高緊湊性，電磁環境下高兼容性，體積小且易于安裝等優點，隨著人們對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外眾多學者研究的熱點^[7]。鑒于光纖布拉格光柵（FBG）獨特的波長選擇特性，近年來提出了許多基于FBG的微波光子濾波器結構。縱觀國內外的報道，從最初利用光纖光柵色散特性到利用其延時得到連續可調諧濾波特性，微波光子濾波器在光纖光柵制作工藝等技術發展的推動下，性能不斷改善，并逐步實現實用化。

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，一類是以光纖環作為延遲單元，另一類是以光纖光柵作為延遲單元。光纖環作為延遲單元在實現可調諧性和可重構性上遇到了困難，而光纖光柵作為延遲單元具有很大的靈活性，且能比較容易地實現多抽頭。

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x（t）經過電光調制器（EOM）調制到光載波上，經過1×N分光器將光分成N路，在每路中，光強受到了可控的調節w_n（ n=0，1，2，?，N-1），并經過不同的延時，然后N束光經N×1耦合器輸入到光電探測器（PD）中進行檢測，輸出的RF信號表示為:

比較輸入和輸出，可以得到微波光子濾波器的傳輸函數:

對應的頻域響應為:

從傳輸函數的頻域響應可以看出，決定濾波器響應的兩個重要因素是每一路的權重wn 和延時 nτ。權重w_n決定了濾波器傳輸函數的形狀，而延時單元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構。經過EOM后的寬帶光進入由多個FBG組成的光柵陣列中，每個FBG的中心反射波長和反射率均不同，相鄰兩個FBG之間的距離均為l。根據FBG反射波長，調制的寬帶光被切割成和光柵數目相同的光束，光束的寬度由光柵的反射帶寬決定。寬帶光中，波長為λ0附近的光被第一個光柵反射，波長為λ1附近的光則透過第一個光柵被第二個光柵反射，以此類推。由于λ0，λ1，?，λN的反射光之間因為反射點的空間位置不同，因此相鄰之間有一定的時延。

基于FB G 陣列的微波光子濾波器的權值由每個光柵的反射率決定，而單位延時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構　　

利用FBG構成微波光子濾波器的結構非常靈活。根據FBG不同的應用方式可分為FBG陣列、特殊結構的FBG、FBG對、啁啾光纖光柵環等結構。

2.1、利用FBG陣列^[9]

圖3為一種利用FBG陣列構成的微波光子濾波器的結構。可調諧激光器的輸出光被RF信號外調制后由光纖分光器送入到FBG陣列中，在每一路中，光載RF信號被FBG陣列分割成與FBG數目相同的光束，所有的反射信號經過不同的延時均通過光纖環行器注入到光纖耦合器中，耦合器輸出的信號再由PD進行檢測。

該結構的優點是通過改變可調諧激光器的波長可以選擇工作的光纖光柵，因此其頻率響應可以很容易地實現調諧，是一種可調諧的帶通濾波器。但這種濾波器除了精度不易控制以外，要想得到更大的調諧范圍，就需要增加FBG的個數，因此結構比較復雜。

2.2、利用特殊結構的FBG

隨著FBG的發展，各種特殊結構的FBG相繼問世，圖4為利用超結構FBG構成的微波光子濾波器的結構^[10]。超結構FBG的折射率調制是周期性間斷的，其反射譜是一組分立的反射峰。如果在 FBG間加入色散介質，則不同的峰將會經歷不同的 時延，相當于光經過一系列不同波長不同反射率的 光纖光柵后產生一系列的光抽頭。

利用超結構FBG構成的微波光子濾波器，可實現帶通響應，且結構簡單，但其難點在于超結構FBG的制作非常復雜，為保證FBG的反射峰幅度以中心波長對稱分布，其制作工藝非常嚴格。

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構。其中，FBG1的反射率為50%，FBG2的反射率為100%，調制光通過耦合器進入到FBG對中，其中一半信號被FBG1反射回來，另一半經過摻鉺光纖的放大后被FBG2全部反射到FBG對中，通過摻鉺光纖放大后再次進入到FBG1中，FBG1又耦合近一半的信號輸出，而被FBG1再次反射的另一半的信號再次經過上述的過程，這樣信號被FBG對向前向后不斷地反射和延時形成了脈沖響應的大量抽頭，并且不同抽頭之間的延時都是相同的。該結構在FBG對中引入了摻鉺光纖從而實現了高Q值，但摻鉺光纖的長度受到一定限制，該濾波器不能實現可調諧性。

2.4、利用啁啾光纖光柵環^[12-13]

中國浙江大學的研究人員根據FBG的特性提出了兩種新穎的濾波結構:可調諧無限脈沖響應（IIR）濾波器和可調諧陷波濾波器。它們都基于啁啾光纖光柵（CFBG）環，其FSR可通過改變光載波波長實現連續調諧。

圖6為利用CFBG和光纖環構成啁啾光纖光柵環的可調諧IIR微波光子濾波器的結構。調制光信號注入耦合器中，耦合器的輸入端2和輸出端4通過光纖構成光纖環，在環中設置環行器，環行器的端口3串接若干個不同工作波長的CFBG，這樣光信號在光纖環中被CFBG陣列切割延時，并通過環行器返回到耦合器的輸入端2，得到不同的抽頭響應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，這樣光信號在環中走的距離不同，延時就不同，從而改變濾波器的FSR。

圖7為利用CFBG和光纖環構成啁啾光纖光柵環的可調諧陷波濾波器的結構，與可調諧IIR濾波器結構不同，在耦合器的輸出端3和4通過光纖構成光纖環，耦合器輸出的兩個強度相同的信號在環中沿相反方向傳輸，分別經過CFBG切割反射后經歷了不同的延時，并從耦合器的輸入端2輸出。兩個抽頭的光程差由相應的CFBG在光纖環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可連續調諧。與IIR結構相比，其主要缺點是:由于有1/2的光信號返回到原光信號的入射端，因而存在3dB的光損耗；同時，為了避免光反射進可調諧激光器，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實現不同特性的濾波功能，且都可調諧。采用更多CFBG的濾波器，兩者可以實現更大范圍的調諧，但結構會更加復雜。另外可以通過控制CFBG在光纖環上的位置來保證調諧的精度。

3、結論

由于FBG具有獨特的波長選擇特性，因而可用來更加靈巧地構建微波光子濾波器，而在構成方式上，利用CFBG代替FBG可以實現連續調諧，且結構比較簡單；另外可以利用特殊結構的光纖光柵構成微波光子濾波器，但其制作比較復雜，精度難以控制，可以考慮用多個FBG代替特殊結構的光纖光柵實現特殊結構光纖光柵的濾波功能。近幾年來利用CFBG環構成微波光子濾波器的結構屢見報道，理論和試驗都證明，這種方式不僅結構簡單，而且濾波功能更完善，如果在光纖環中加入摻鉺光纖，可實現高Q 值和連續可調諧的微波光子濾波器，相信這將是微波光子濾波器的發展趨勢。

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作者：祁春慧、裴麗、郭蘭、吳樹強、趙瑞峰，北京交通大學，光波技術研究所，全光網與現代通信網教育部重點實驗室