光噪声的过滤器——窄宽矩形光学滤波器

封面 | 梁虹, 应康, 王迪, 魏金金, 李璇, 皮浩洋, 魏芳, 蔡海文. 基于光栅局域温度控制的高精度多相移的产生和滤波器的制备[J]. 中国激光, 2021, 48(16): 1606001

【封面解读】

本封面体现了基于光栅局域温度控制的高精度光学滤波器的基本原理及应用场景。包含噪声的多制式光学载波信号通过低损耗通信光纤进行远距离信息传输，通过在光纤光栅内引入多个局域可控相移形成由性能可重构的矩形光学滤波响应，实现对光学信号噪声的滤除和信息的高保真传输。

图中以不同颜色的光束表示多制式的光学载波信息；图中的波形表示传输的信息，其中信号之间的蓝色杂乱波形表示存在的噪声；整个圆形管道代表光信号传输的通道；中间多个圆片代表了光纤局域相移点的引入，组成了本文描述的高精度光学滤波器。

研究背景

光纤布拉格光栅（FBG）由于具有抗电磁干扰、插入损耗小等优点，作为关键滤波器件在微波光子学、相干通信等领域中得到广泛应用。

理想的光学滤波器应具有由平坦的通带和陡峭的边缘组成的矩形频率响应，以得到高的信号保真度。虽然FBG通过相移点的引入可以获得100 MHz以下的带宽，但是准洛伦兹线型的频率响应限制了其在高分辨率信号处理中的应用。

研究实现窄带宽、高矩形度的FBG频率响应，已经成为推动FBG滤波器在新一代光通信系统中广泛落地应用的核心问题。

实现窄带宽、高矩形度的FBG频率响应的核心是多个相移点的精确设计和引入。当前的主流方案是机械拉伸法和加温法。但仍然存在着装置复杂，相移控制低，长期一致差等技术瓶颈。因此，探索一种简单、经济、高效的制作MPSFBG的方法是至关重要的。文

创新研究

中国科学院上海光学精密机械研究所蔡海文研究员课题组提出了一种利用热电冷却器（TEC）进行局域温度控制动态改变FBG相移的方法，该方法能够在FBG中高精度地引入可控的、稳定的相移，为制作多相移FBG提供了切实可行的有效方法。

图1 （a）实验装置图；（b）FBG利用局域温度控制引入多个相移的理论模型；（c）局域温度控制结构；（d）局域温度控制结构的剖面图

如图1所示，课题组通过特殊设计的局域温度控制结构，实现对mm级光栅局域区域mK级温度的精度控制。由于热胀效应和热光效应，FBG局部的折射率和调制周期会随着温度的变化而改变，进而在FBG中引入相移。

通过对理论仿真和实验结果的分析可以得到，本研究提出的这种对FBG进行无损改变形成可擦除相移的方法可以达到极高的相移引入精度（相移量精度：0.0007π，相移位置精度：30 μm），满足理论分析过程中多相移FBG获得插入损耗较小、矩形度较高的窄带平顶滤波响应所需要的相移精度（相移量精度：0.0029π，相移位置精度：368 μm）。

另外，课题组利用这种方法制作了双相移光纤光栅，获得了与理论仿真结果相一致的频率响应特性，插入损耗约为0.5 dB，3 dB带宽约为366 MHz，20 dB带宽约为972 MHz，形状因子约为0.38。

更进一步地，课题组通过多个相移量的动态改变，实现了滤波器带宽70 MHz~1050 MHz的重构和中心波长22 GHz范围的调谐，这是当前公开报导的最佳结果之一。相关测量结果如图2和图3所示。

图2 均匀FBG受到不同温度加热时的透射谱的（a）实验结果及（b）理论拟合结果；（c）实验结果与其线性拟合的差异

图3 多相移光纤光栅的光谱图

实验结果表明，本文提出的这种制作MPSFBG滤波器的方法精确、简单、经济，没有对光纤光栅的结构造成永久性的改变，具有相移量可擦除的优势，具备广泛制备光谱可重构的新型可调谐光纤滤波器的应用潜力，可有效推动FBG在新一代光通信系统的实际应用。

展望

课题组接下来会开展更加深入的研究工作，结合相关技术措施，集成相光栅局域温度控制装置，减小器件体积；并进一步提高光纤光栅滤波器的各项性能指标，如滤波带宽、矩形度、边模抑制比等。所研制的FBG滤波器将实现在微波光子学、相干探测等领域的落地应用。

课题组简介:

蔡海文研究员领衔的精密光子技术研究团队依托于中科院空间信息传输与探测技术重点实验室。团队面向智能社会发展，聚焦信息的精准感知与传递及前沿应用，以激光产生、传输、探测全过程的光场特性精密测量与调控为核心，从器件、系统和应用多层面究开发精准信息感知与传递的新理论新方法，致力于为国防、工业和科学研究提供高端精密光子器件、极致光纤传感、激光精密测量和高精准时空基准分发等精密光子技术供给。近年来，团队承担了科技部、基金委等多项国家重点项目，在主流学术期刊发表论文200余篇，获授权专利数十项。