摘要：为了进一步优化光纤光栅法布里-珀罗窄带滤波器的滤波性能，提出了基于光纤布拉格光栅的全光纤型非对称级联法布里-珀罗腔（FBG-FP）结构。通过传输矩阵方法，建立了数学仿真分析模型，推导出FBG-FP结构产生单峰谐振需满足的条件。对其传输特性进行了详尽的理论分析和模拟仿真，数值分析结果表明：通过对光纤布拉格光栅折射率调制深度以及谐振腔长等结构参量的优化组合，可以改善非对称双腔结构谐振光谱的通带平坦性和过渡带滚降特性；双腔FP器件可以得到更高的波长选择度，因此可用作信道化滤波与可调单频光纤激光器。
关键词 ：光纤布拉格光栅；法布里-珀罗腔；非对称级联腔；透射特性
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）31-7137-05
随着全光通信网络的发展，光纤光栅在光纤通信领域中得到广泛的应用，如窄带滤波器、色散补偿器、波分复用/解复用器等[1]。利用光纤光栅的反馈作用构造光纤光栅法布里-珀罗（FP）腔是其典型应用[2]。而基于光纤布拉格光栅（FBG）的法布里-珀罗滤波器以其优良的选频特性、灵活的可调谐性、低插入损耗、与光纤通信系统良好的兼容性等，成为光器件、光网络等研究领域极具实用价值的光学器件[3]。
基于FBG的FP结构是由光纤芯内反射器FBG充当FP腔的两个反射镜，而中间的光纤构成谐振腔[4]。利用了FBG只在其中心耦合波长附近的窄带宽内对光波有较强的耦合反射作用，使得FBG-FP腔只能对在其反射带宽以内的光波提供反馈，而在带宽以外没有谐振峰[5]。FBG-FP腔作为一种多光束干涉仪，具有优良的滤波特性[6]。与普通FP结构器件的不同之处在于，FBG-FP器件能够在光纤光栅阻带内中心波长处产生一个窄带谐振峰，但单腔FP器件透射谱的通带边缘处滚降特性较弱，这将提高对激光器及滤波器的要求，不利于实际使用。
为了增强器件的通带边缘处滚降特性，该文提出一种基于FBG的非对称双腔级联FP滤波器，利用传输矩阵理论推导出非对称双腔结构的能量透射率计算公式，并仿真分析了不同的光栅参数对滤波器滤波性能的影响。计算结果表明：级联非对称FP滤波器的透射光谱具有相互叠加作用，增加了自由光谱范围，减小了谱线宽，实现了更好的边带抑制作用，得到更好的滤波效果。
1 原理分析
基于FBG的全光纤型双腔FP结构的实质是在一段光纤上用紫外激光曝光的方式刻入三段参数相同的光纤布拉格光栅（FBG1，FBG2，FBG3）组成双级联谐振腔结构，两两光栅之间的纤芯部分即为谐振腔，其腔长分别为L1、L2，如图1所示。
由图4能够看出单双腔两种结构的谐振谱线半宽度基本相同，但两级FBG-FP结构的谐振峰峰顶相较单级结构更为平坦光滑，干涉条纹锐利度更好，且其透射谱线形状更接近方波，因此当用作窄带滤波器时，双腔结构的滤波性能更好。由图中两条谱线的对比显示，采用双腔结构后的滤波器的通带光谱更加平坦，对边带的抑制作用也更好，由此体现了采用双腔结构的优势。
2.3 光栅长度对两级不对称FBG-FP滤波器透射特性的影响
由前面讨论的单腔FP结构的传输特性可知，光栅长度的调节是一种改变光栅反射率的方法，下面设定折射率调制深度Δn1=1.5×10-4，Δn2=3.0×10-4保持不变，通过增加、减小光栅的长度分析透射光谱的变化情况。
如图5所示，随着l的增大，滤波器中心波长处的透射谐振峰峰值半宽度值逐渐减小，透射展宽的程度变小，并且透射谱边缘变得越来越陡峭。这是因为光栅长度的变化引起了光栅自身反射率的改变，反射率越大，谐振谱线宽越窄。因此，l值的改变对滤波器的波长选择度有影响。
2.4 不同折射率调制深度下的透射特性
图6显示了不同Δn组合时的双腔结构透射光谱，由图可见：随着光纤光栅折射率调制深度的增大，滤波器透射峰的线宽变得越来越窄，过渡带的滚降特性得到改善，阻带的深度逐渐加深，同时可以看出谐振峰的FWHM明显减小。这是由于光栅折射率调制深度的增大使其反射谱宽度变宽所致。由此可见，不同的调制深度，对滤波器的窄带滤波性能有影响。
2.5 腔长变化对非对称双腔FBG-FP结构传输特性的影响
3 结论
本文采用传输矩阵理论分析了光纤布拉格光栅非对称级联全光纤型FP滤波器的透射特性，仿真分析了光栅特性变化、谐振腔长对非对称级联FP结构透射谐振峰的影响，比较了单腔与非对称双腔结构的透射特性，得出如下结论：对于相同的FWHM，采用非对称双腔结构不仅可以增加透射峰间距，还可以加强透射光谱的通带平坦性和过渡带的滚降特性，说明双腔结构滤波器的滤波效果更佳，达到了引入多腔结构的目的；增大光纤布拉格光栅的反射率能够改善谐振峰的滚降特性，通过优化组合谐振腔长及光栅反射率大小，能够大大改善滤波器的波长选择能力。在实际应用中用双腔结构的FBG-FP谐振腔产生较宽的自由光谱范围，需要增大光栅的反射率，还要选择一定数值的腔长比例系数。
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