CN100536372C - 一种可调谐微波光子滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调谐微波光子滤波器。滤波器采用无限脉冲响应有源滤波器结构，具有Q值高、频率选择性好的特点，并且通过改变入射光载波的波长可实现滤波器自由频程的调谐。滤波器主要由一光纤环构成，光纤环是在3dB耦合器的输入端和输出端通过一段光纤连接而成，在光纤环中放置一段掺铒光纤，并由980nm泵浦激光器作为泵浦源。为实现可调谐特性，在光纤环中放置一工作在反射模式的线性啁啾光纤光栅。由于线性啁啾光纤光栅的不同位置的反射波长不同，因而滤波器的自由频程可通过改变输入光的波长来实现调谐。为实现可调谐特性，本发明所涉及的滤波器在系统中应用，需要可调谐激光器配合使用。该滤波器可实现的Q值可达200以上。

Description

一种可调谐微波光子滤波器

技术领域

本发明涉及光通信和无线通信领域，尤其涉及一种可调谐微波光子滤波器。

背景技术

近年来，Radio over Fiber(RoF)技术引起了广泛的重视，RoF是一种模拟调制的副载波复用技术，它在无线/移动通信系统的接入系统中、在军用的天线远程控制以及智能交通系统中有着广泛的应用。RoF技术在无线/移动通信系统中应用，可将基站端的基带处理、调制、混频功能后移到基站控制器端集中处理，而基站端只保留光电转换、滤波和放大功能，这样可大大降低基站的成本，在未来的密集微蜂窝通信系统中，由于基站数量众多，采用RoF技术可大大降低系统的成本。由于在微波/毫米波光纤系统中潜在的应用价值，光域上的微波信号处理技术(即所谓的微波光子信号处理)引起了众多研究者的兴趣。比起传统基于电子设备的微波信号处理，微波光子信号处理的好处是时间带宽积高、抗电磁干扰、线路和设备间的串扰小、调谐方便，最重要的是微波光子信号处理技术是在光域上对微波信号处理，它能与RoF等微波/毫米波光纤传输系统天然匹配，中间无需光电和电光转换设备。

微波光子信号处理技术中的一个重要课题就是全光纤的微波光子滤波技术，它在微波光纤系统和远程雷达信号处理等领域有着重要用途。比起传统的电子微波滤波器，微波光子滤波器有着许多优点，如电磁环境兼容性好、体积小、重量轻、较宽的工作带宽、与光子传输系统匹配等等。鉴于全光纤微波光子滤波器存在的优点，近年来，研究者提出了几种微波光子滤波结构。在G.Ning，S.Aditya，P.Shum，Y.D.Gong，J.H.Ng and G.Teo，“Tunable photonic microwavefilter with Hi-Bi chirped graing free from chromatic dispersion，”Electronics Letters，2004，Vol.40，No.16，pp999-1000中，给出了一种基于啁啾光纤光栅的陷波滤波器中，该滤波器只有两个抽头，虽然可有效应用于微波光子系统的噪声抑制，但是由于Q值很低(＜5)，在多个副载波复用的微波/毫米波光纤传输系统中很难实现选频功能。在W.Zhang and J.A.R.Williams，Fibre optic bandpasstransversal filter employing fibre grating arrays，Electronics Letters，1999，Vol.35，No.12，pp1010-1011提出的四抽头横向微波光子滤波器中，由于是采用有限脉冲响应结构，且只有四个抽头，可实现的Q值也不高(＜10)，因而频率选择性较差，很难适用于副载波复用光纤通信系统中。另外，采用这种结构，要实现多个抽头会导致滤波系统非常复杂，因而实用性也不强。C.Fraser and M.J.Lancaster，“Microwave filtering realized through incoherent optical processing，”IEEE Microwave and Guided Wave Letters，Vol.7，No.8，1997，pp225-226给出了一种基于无限脉冲响应的滤波器结构，它采用一对光纤耦合器构成一个光纤环，理论上具有无限抽头，但是由于是无源结构，脉冲响应中各抽头随时间衰减很快，实际上的抽头数不会超过50，能够达到的Q值也较为有限(15～20)，同时该滤波器的最大的缺陷是，不具备调谐能力，因而也限制了其应用。

如前所述目前已有的微波光子滤波器，存在的主要问题是系统复杂，Q值低导致频率选择性差，同时缺乏灵活的调谐能力，因而限制在实际副载波复用光纤通信系统和RoF系统中的应用。本发明提出的一种高Q值的可调谐微波光子滤波器，它在光纤环中放置一段掺铒光纤实现有源结构，同时，通过在光纤环中放置一个工作在反射模式的线性啁啾光纤光栅，这样可以通过改变输入光的波长方便地实现滤波器的调谐功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可调谐微波光子滤波器，具有很好的频率选择性，可应用于副载波复用光纤传输系统中。比起现有的微波光子滤波器，这种滤波器能够实现高Q值，具有很好的频率选择性，可有效应用于副载波复用光纤传输系统中。滤波器中配置有线性啁啾光纤光栅，结合可调谐激光器的使用，通过改变输入光的波长能够调整滤波器的自由频程，从而实现调谐性能。

本发明设计了一种基于无限脉冲响应的高Q值有源微波光子滤波器，配合可调谐激光器作为微波信号的光载波，这种滤波器可实现连续调谐。这种滤波器的特征在于由于在系统中使用了光纤环，光纤环是通过连接3dB耦合器的输入端和输出端构成。3dB耦合器的另一个输入端作为输入载有微波信号的光信号的输入端，而3dB耦合器的另一个输出端作为滤波器的输出端。光纤环中放置一段掺铒光纤(并由980nm激光器作为泵浦源)，由于掺铒光纤具有放大光信号的功能，用以补偿信号经过耦合器和光纤链路的损耗，因而该结构的滤波器能够实现抽头数量较多的无限脉冲响应，从而达到极高的Q值。为实现可调谐，光纤环中放置工作在发射模式的线性啁啾光纤光栅，配合三端口光纤环形器使用，由于光信号在光栅上反射的位置取决于光波长，因而通过改变输入光的波长，可实现不同的光纤环的长度，从而抽头间的时间间隔也发生变化，从而可改变滤波器的自由频程。因而通过改变输入光的波长就可实现该滤波器自由频程的连续调谐，从而也就实现了滤波器通带的连续调谐。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：3dB耦合器的第一端接已调制上微波信号的光信号，3dB耦合器的第三端为滤波器的输出口，3dB耦合器的第四端接三端口环形器的第一端，三端口环形器的第二端经阻止逆时针方向的光传输的光隔离器、掺铒光纤接980nm/1550nm波分复用器的第一端，980nm/1550nm波分复用器的第二端接3dB耦合器的第二端，980nm/1550nm波分复用器的第三端接作为泵浦源的980nm激光器，三端口环形器的第三端接线性啁啾光纤光栅。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

目前已有的微波光子滤波器，存在的主要问题是系统复杂，Q值低导致频率选择性差，同时缺乏灵活的调谐能力，因而限制在实际副载波复用光纤通信系统和RoF系统中的应用。本发明提出的一种高Q值的可调谐微波光子滤波器，它在光纤环中放置一段掺铒光纤实现有源结构，同时，通过在光纤环中放置一个工作在反射模式的线性啁啾光纤光栅，这样可以通过改变输入光的波长方便地实现滤波器的调谐功能。由于本发明的滤波器采用有源的无限脉冲响应结构，Q值可达200以上。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图。

图2为本发明提出的滤波器在RoF系统中应用的示意图。

图中：1、3dB耦合器的第一端，也即本发明的滤波器的输入端，2、3dB耦合器，3、3dB耦合器的第四端，4、三端口光环形器，5、线性啁啾光纤光栅，6、光隔离器，7、掺铒光纤，8、980nm/1550nm波分复用器，9、作为泵浦源的980nm激光器，10、3dB耦合器的第二端，11、3dB耦合器的第三端，也即也即本发明的滤波器的输出端，12、可调谐半导体激光器，13、电光调制器，14、微波信号输入口，15、第一微波放大器，16、光纤链路，17、本发明的微波光子滤波器，18、光电探测器，19、第二微波放大器，20、微波信号输出口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如附图所示，本发明包括：3dB耦合器2的第一端1接已调制上微波信号的光信号，3dB耦合器2的第三端11为滤波器的输出口，3dB耦合器2的第四端3接三端口环形器4的第一端，三端口环形器4的第二端经光隔离器6、掺铒光纤7接980nm/1550nm波分复用器8的第一端，980nm/1550nm波分复用器8的第二端接3dB耦合器2的第二端10，980nm/1550nm波分复用器8的第三端接作为泵浦源的980nm激光器9，三端口环形器4的第三端接线性啁啾光纤光栅5。

图1为本发明提出的可调谐微波光子滤波器的结构原理示意图。

载有微波信号的光信号从3dB耦合器2的输入端口1进入，由于是采用了3dB耦合器2，从3dB耦合器2输出口11和3输出的光各占50％。从输出口11输出的信号作为滤波器响应的一个抽头，而从3dB耦合器输出口3进入光纤环的光首先经过三端口光环形器4，光信号经工作在反射模式的线性啁啾光纤光栅5反射后经过光隔离器6，然后进入掺铒光纤7，作为泵浦源的980nm激光器9发出的光经过980nm/1550nm波分复用器8进入掺铒光纤7，受泵浦作用的掺铒光纤7能够放大延顺时针方向传输的光信号，经放大后的光信号从3dB耦合器输入端10进入3dB光耦合器2，然后部分光从输出口11输出，作为经过时延后的一个抽头，部分光从输出口3进入光纤环中继续传输。环中光隔离器6的作用主要是为了阻止从掺铒光纤7出来的剩余泵浦光继续延逆时针方向在光纤环内传输。光信号通过掺铒光纤7的放大倍数取决于掺铒光纤的掺杂浓度、长度和泵浦激光器的输出光功率。由于高Q值滤波器需要的抽头数较多(数百)，要求各抽头的输出光信号光功率较为接近，因而要求光信号通过掺铒光纤的放大倍数能够接近于(但不能超过)光信号通过耦合器和光纤环的损耗。本发明给出的滤波器中使用的掺铒光纤7、980nm泵浦激光、以及各种光器件都无需特殊设计，可以使用市场上购买的产品。另外，这里所采用的在反射带宽内反射率接近为100％的线性啁啾光纤光栅亦可从市场上购买。滤波器的调谐范围取决于啁啾光纤光栅的有效长度，长度越长，则滤波器的调谐范围也越大。

图2给出了本发明所涉及的微波光子滤波器在微波/毫米波光纤链路中应用的参考示意图。

光信号由可调谐半导体激光器12发出后进入电光调制器13，微波信号从输入端14输入经微波放大器15后调制到光载波上。载有微波信号的光信号经过一段光纤16后，从微波光子滤波器的输入端1输入到本发明所涉及的微波光子滤波器17，然后经微波光子滤波器的输出端11输出经过滤波的光信号，然后通过光探测器18，将光信号转换为微波信号，经微波放大器19后从信号输出口20输出经过滤波的微波信号。通过改变可调谐激光器12的输出光波长，就可改变本发明所涉及滤波器的自由频程，因而也实现了滤波器的自由调谐。

Claims (1)

1、一种可调谐微波光子滤波器，其特征在于：3dB耦合器(2)的第一端(1)接已调制上微波信号的光信号，3dB耦合器(2)的第三端(11)为滤波器的输出口，3dB耦合器(2)的第四端(3)接三端口环形器(4)的第一端，三端口环形器(4)的第二端经阻止逆时针方向的光传输的光隔离器(6)、掺铒光纤(7)接980nm/1550nm波分复用器(8)的第一端，980nm/1550nm波分复用器(8)的第二端接3dB耦合器(2)的第二端(10)，980nm/1550nm波分复用器(8)的第三端接作为泵浦源的980nm激光器(9)，三端口环形器(4)的第三端接线性啁啾光纤光栅(5)。

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