CN102520487A - 基于马赫增德尔调制器和变频器的平坦微波光子滤波器 - Google Patents

基于马赫增德尔调制器和变频器的平坦微波光子滤波器 Download PDF

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祁春慧
裴丽
高嵩
宁提纲
李晶
李卓轩
刘超
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Abstract

基于马赫增德尔调制器和变频器的平坦微波光子滤波器，涉及一种微波光子滤波器，用于光纤微波通信、微波光子等领域。解决了微波光子滤波器品质因数，滤波性能，实现平坦带通、带阻问题。可调谐激光器经第一光纤耦合器与第一、二马赫增德尔调制器光信号输入端相连；第一、二马赫增德尔调制器的调制信号输入端分别与第一、二射频信号发生器相连；输出端经过第一、二光纤连接到第二光纤耦合器，与第三光纤耦合器的第一输入端相连，第三光纤耦合器的第一输出端经光电探测器与网络分析仪相连；第二输出端经光纤变频器与第一波分复用器的第一端相连，第一波分复用器的第二端与第一泵浦相连，第三端经掺杂有源光纤与第三光纤耦合器的第二输入端相连。

Description

基于马赫增德尔调制器和变频器的平坦微波光子滤波器
技术领域
本发明涉及一种微波光子滤波器，适用于光纤微波通信(RoF：Radioon/over Fiber)、微波光子、卫星通信以及雷达等领域。
背景技术
日新月异的通信技术和IT技术，促进社会不断发展。大容量数字微波传输系统投入使用后不久，就被大容量长距离光纤通信系统取代。近几年，伴随着电子技术高速、高频化的出现，毫米波波段又迎来复兴期，在电磁波波段，先进的光纤通信技术正发挥着作用。对人类来说，21世纪留给人们的最大资产是电波和光融合的电磁波波段。换言之，现代通信的关键是“光和无线”。
微波在卫星通信和陆地移动通信系统中的应用日益普遍，而微波滤波器在通信系统中占有十分重要的地位，是一种关键的射频器件。
目前微波滤波器的发展趋势主要包括阶跃阻抗谐振滤波器，具有较好的抑制谐波性能且加工尺寸小；微波有源滤波器，可以不失真地通过所要求的通带信号，同时尽可能大地抑制不需要的阻带信号，是实现该频段低损耗和高性能微波集成滤波器的重要手段，具有很大的市场潜力；薄膜声学体波共振技术，在小型化方面占有绝对的优势，可实现体积小于目前基于陶瓷产品10％的产品；此外，微波、毫米波通信，雷达、测量仪表等系统和设备，要求微波器件与电路达到更高、更新的水平，超导材料的出现为微波技术的发展带来新的推动力。随着移动通信、电子对抗和导航技术的飞速发展，对新的微波元器件的需求和现有器件性能的改善提出了更高的要求。
微波光子技术将微波学和光学融合在一起，成为一个全新的技术领域，通常称为Microwave Photonics(简称MWP)。光子技术和微波、毫米波的集成在远程通信的发展上打开了一个神奇的、充满希望的领域。光技术和电波技术相融合，利用光纤具有的低损耗、大容量、无感应、重量轻、易于搬运等特点，在传统的微波技术中引入光技术，可组成信息社会的基础网络，达到个别技术不断发展也无法实现的通信系统高功能化和高度化。最近十年，微波光子学引起了世界各国的重视，现在专门的微波光子国际会议每年在北美、欧洲、亚太地区轮流召开，其中2009年在北京成功举行。
事实上，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已经引起了众多研究者的兴趣，成为近年来一个国际上的研究热点。比起传统的电子微波滤波器，微波光子滤波器有着电磁环境兼容性好、体积小、重量轻和工作带宽较宽等优点。光纤光栅具有良好的波长选择性能和滤波特性，能以灵巧的方式构建微波光子滤波器，因此近年提出了许多基于光纤光栅的微波光子滤波器结构，如不平衡马赫曾德干涉仪结构、基于宽带光源和光纤光栅阵列的结构、采用超结构光栅和宽带光源的结构、采用光纤光栅对的结构、基于可调谐激光器和光纤光栅的结构以及应用计算机控制差分延迟线的可调滤波结构等，但是存在的主要问题是成本较高，结构复杂，可调谐性较差，尤其是在通带或者阻带内的平坦性很差，因此在信道平衡以及选择中的应用受到了很大的限制。
纵观国内外的相关研究，对于平坦微波光子滤波器的报导非常少，而且大都利用了光纤光栅的结构，但光纤光栅具有对环境敏感的特性，因此不利于实际的应用。总之，微波滤波器在通信系统中占有十分重要的地位，是一种关键的射频器件。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提高微波光子滤波器的品质因数，改善滤波器性能，提供一种基于马赫增德尔调制器和变频器的平坦微波光子滤波器，同时实现平坦带通以及平坦带阻的效果。
本发明的技术方案：
基于马赫增德尔调制器和变频器的平坦微波光子滤波器，构成该滤波器的器件之间的连接为：可调谐激光器的输出端接第一光纤耦合器的输入端，第一光纤耦合器的一个输出端与第一马赫增德尔调制器的光信号输入端口相连，第一光纤耦合器的另一个输出端与第二马赫增德尔调制器的光信号输入端口相连。
第一射频信号发生器与第一马赫增德尔调制器的调制信号输入端口相连，第二射频信号发生器与第二马赫增德尔调制器的调制信号输入端口相连。
第一马赫增德尔调制器的输出端口与第一光纤的一端相连，第二马赫增德尔调制器的输出端口与第二光纤的一端相连，第一光纤和第二光纤的另一端分别连接到第二光纤耦合器的两个输入端，第二光纤耦合器的输出端与第三光纤耦合器的第一输入端口相连。
第三光纤耦合器的第一输出端口和光电探测器的输入端相连，光电探测器的输出端与网络分析仪的输入端相连。
第三光纤耦合器的第二输出端口与光纤变频器的输入端相连，光纤变频器的输出端与第一波分复用器的第一端口相连，第一波分复用器的第二端口与第一泵浦相连，第一波分复用器的第三端口通过掺杂有源光纤与第三光纤耦合器的第二输入端口相连。
本发明的有益效果具体如下：
本发明所述的基于马赫增德尔调制器和变频器的平坦微波光子滤波器，充分利用马赫增德尔加载不同偏置电压产生π的相位差的特性，在光纤耦合器输入与输出端构成的光纤环中加入掺杂有源光纤，大幅度提高了微波光子滤波器的品质因数，改善了微波光子滤波器的性能，其自由频程可通过调节光纤以及掺杂有源光纤的长度实现调谐，滤波的频率通过调节光纤变频器而进行改变，整个结构通过调节光纤耦合器的分光比，掺杂光纤产生的增益实现平坦带通以及平坦带阻的效果。该高性能的微波光子滤波器与低噪声前置放大器、小型制冷机和电子控制系统可组成滤波器系统代替现有移动通信基站中由普通金属滤波器组成的常规滤波器系统，能够较大幅度地提高通话质量，增加通话容量，扩大基站的覆盖面积，增强基站的抗干扰能力，降低手机发射功率，具有诱人的发展前景。基于马赫增德尔调制器和变频器的平坦微波光子滤波器具有带通，高品质因数，稳定，结构简单，而且同时实现平坦带通以及平坦带阻的作用。
附图说明
图1为基于马赫增德尔调制器和变频器的平坦微波光子滤波器同向泵浦结构示意图。
图2为基于马赫增德尔调制器和变频器的平坦微波光子滤波器后向泵浦结构示意图。
图3为基于马赫增德尔调制器和变频器的平坦微波光子滤波器双向泵浦结构示意图。
图中：可调谐激光器10、第一光纤耦合器21、第二光纤耦合器22、第一光纤41、第二光纤42、光纤变频器50、第一泵浦70、第二泵浦71、光电探测器80、掺杂有源光纤90、第一射频信号发生器121、第二射频信号发生器122。第一马赫增德尔调制器的光信号输入、调制信号输入、输出端口(311、312、313)，第二马赫增德尔调制器的光信号输入、调制信号输入、输出端口(321、322、323)，第三光纤耦合器的第一、二、三输出端口(1001、1002、1003)。第一波分复用器的第一、第二、第三端口(601、602、603)，第二波分复用器的第一、第二、第三端口(611、612、613)。
具体实施方式
下面结合附图对为基于马赫增德尔调制器和变频器的平坦微波光子滤波器作进一步描述。
实施例一
基于马赫增德尔调制器和变频器的平坦微波光子滤波器，如图1，构成该滤波器的器件之间的连接为：
可调谐激光器10的输出端接第一光纤耦合器21的输入端，第一光纤耦合器21的一个输出端与第一马赫增德尔调制器的光信号输入端口311相连，第一光纤耦合器21的另一个输出端与第二马赫增德尔调制器的光信号输入端口321相连。
第一射频信号发生器121与第一马赫增德尔调制器的调制信号输入端口312相连，第二射频信号发生器122与第二马赫增德尔调制器的调制信号输入端口322相连。
第一马赫增德尔调制器的输出端口313与第一光纤41的一端相连，第二马赫增德尔调制器的输出端口323与第二光纤42的一端相连，第一光纤41和第二光纤42的另一端分别连接到第二光纤耦合器22的两个输入端，第二光纤耦合器22的输出端与第三光纤耦合器的第一输入端口1001相连。
第三光纤耦合器的第一输出端口1002和光电探测器80的输入端相连，光电探测器80的输出端与网络分析仪110的输入端相连。
第三光纤耦合器的第二输出端口1003与光纤变频器50的输入端相连，光纤变频器50的输出端与第一波分复用器的第一端口601相连，第一波分复用器的第二端口602与第一泵浦70相连，第一波分复用器的第三端口603通过掺杂有源光纤90与第三光纤耦合器的第二输入端口1004相连。
掺杂有源光纤90为掺铥光纤，长度为0.5米。第一、第二光纤41和42的长度为0.5米。
第一和第二光纤耦合器21和22的分光比为20∶80；第三光纤耦合器100的分光比为30∶70。
第一泵浦光60的泵浦方式为同向泵浦。
所述的第一、第二马赫增德尔调制器所加载的偏置电压分别为1.6V和15.3V，位于调制器传输函数的线性偏置点，且相位相差180度。
如图1，可调谐激光器10的输出光通过第一光纤耦合器21分成两束光，其中一束20％的光进入第一马赫增德尔调制器，另一束80％的光进入到第二马赫增德尔调制器，第一射频信号发生器121输出射频信号进入第一马赫增德尔调制器，第二射频信号发生器122输出射频信号进入第二马赫增德尔调制器，对第一、第二马赫增德尔调制器分别加载1.6V和15.3V的偏置电压，来自第一光纤耦合器21的一束20％的光信号与来自第一射频信号发生器121的射频信号在第一马赫增德尔调制器中进行调制，来自第一光纤耦合器21的另一束80％的光信号与来自第二射频信号发生器122的射频信号在第二马赫增德尔调制器中进行调制，调制信号通过第一、第二光纤41和42进入到第二光纤耦合器22中，其中第一、第二光纤41和42的长度差为0.5米，第二光纤耦合器22输出光进入到第三光纤耦合器中，第三光纤耦合器的第三端口1003输出70％的光通过光纤变频器50进入到第一波分复用器60中，并经过长度同为0.5米的掺铥光纤90返回第三光纤耦合器的第四端口1004，第三光纤耦合器的第三端口1003再次输出70％的光进入到光纤变频器50中进行循环，第三光纤耦合器的第二端口1002输出30％光进入到光电探测器80中，并进入到网络分析仪110中进行频率响应的监测。第一泵浦70输入到第一波分复用器60中进行同向泵浦，对循环中的光信号进行放大。通过重复的循环，在网络分析仪中可以监测到平坦微波光子滤波器的频率响应，通过改变泵浦产生的增益，可以得到平坦带通或者平坦带阻的滤波器响应。
实施方式二
基于马赫增德尔调制器和变频器的平坦微波光子滤波器，如图2，构成该滤波器的器件之间的连接为：
可调谐激光器10的输出端接光纤耦合器21的输入端，第一光纤耦合器21的一个输出端与第一马赫增德尔调制器的光信号输入端口311相连，第一光纤耦合器21的另一个输出端与第二马赫增德尔调制器的光信号输入端口321相连。
第一射频信号发生器121与第一马赫增德尔调制器的调制信号输入端口312相连，第二射频信号发生器122与第二马赫增德尔调制器的调制信号输入端口322相连。
第一马赫增德尔调制器的输出端口313与第一光纤41的一端相连，第二马赫增德尔调制器的输出端口323与第二光纤42的一端相连，第一光纤41和第二光纤42的另一端分别连接到第二光纤耦合器22的两个输入端，第二光纤耦合器22的输出端与第三光纤耦合器的第一输入端口1001相连。
第三光纤耦合器的第一输出端口1002和光电探测器80的输入端相连，光电探测器80的输出端与网络分析仪110的输入端相连。
第三光纤耦合器的第二输出端口1003与光纤变频器50的输入端相连，光纤变频器50的输出端通过掺杂有源光纤90与第一波分复用器的第三端口603相连，第一波分复用器的第一端口601与第三光纤耦合器的第四端口1004相连，第一波分复用器的第二端口602与第一泵浦70相连。
掺杂有源光纤90为掺铒有源光纤，长度为1米。第一光纤41与第二光纤42的长度差为1米。
所述的第一、第二光纤耦合器和第三光纤耦合器分光比均为50∶50。
所述的泵浦源70的泵浦方式为后向泵浦泵浦。
所述的第一、第二马赫增德尔调制器所加载的偏置电压分别为1.4V和17.3V，位于调制器传输函数的线性偏置点，且相位相差180度。
如图2所示，可调谐激光器10的输出光通过第一光纤耦合器21分成两束光，其中一束50％的光进入第一马赫增德尔调制器的光信号输入端口311，另一束50％的光进入到第二马赫增德尔调制器的光信号输入端口321，第一射频信号发生器121输出射频信号进入第一马赫增德尔调制器的调制信号输入端口312，第二射频信号发生器122输出射频信号进入第二马赫增德尔调制器的调制信号输入端口322，对第一和第二马赫增德尔调制器加载1.4V和17.3V的偏置电压，来自第一光纤耦合器21的一束50％的光信号与来自第一射频信号发生器121的射频信号在第一马赫增德尔调制器中进行调制，来自第一光纤耦合器21的另一束50％的光信号与来自第二射频信号发生器122的射频信号在第二马赫增德尔调制器中进行调制，调制信号通过第一光纤41和第二光纤42进入到第二光纤耦合器22中，其中第一光纤41和第二光纤42的长度差为1米，第二光纤耦合器22输出光进入到第三光纤耦合器中，第三光纤耦合器的第三端口1003输出50％的光通过光纤变频器50进入到第一波分复用器中，并经过长度同为1米的掺铒光纤90返回第三光纤耦合器的第四端口1004，第三光纤耦合器的第三端口1003再次输出50％的光进入到光纤变频器50中进行循环，第三光纤耦合器的第二端口1002输出50％光进入到光电探测器80中，并进入到网络分析仪110中进行频率响应的监测。第一泵浦70输入到第一波分复用器60中进行后向泵浦，对循环中的光信号进行放大。通过重复的循环，在网络分析仪中可以监测到平坦微波光子滤波器的频率响应，通过改变泵浦产生的增益，可以得到平坦带通或者平坦带阻的滤波器响应。
实施方式三
实施方式三，如图3，与实施方式二的区别：
所述的光纤变频器50的输出端与第二波分复用器的第一端口611连接，第二波分复用器的第二端口612与第二泵浦71相连，第二波分复用器的第三端口613通过掺杂有源光纤90与第一波分复用器的第三端口603相连。
所述的第一光纤耦合器21、第二光纤耦合器22和第三光纤耦合器分光比均为40∶60。
所述的第一、第二光纤41、42的长度差与掺杂有源光纤90的长度均为2米，选择掺杂有源光纤90为掺镱光纤。
所述的泵浦源的泵浦方式为双向泵浦泵浦。
如图3所示，可调谐激光器10的输出光通过第一光纤耦合器21分成两束光，其中一束40％的光进入第一马赫增德尔调制器，另一束60％的光进入到第二马赫增德尔调制器，第一射频信号发生器121输出射频信号进入第一马赫增德尔调制器，第二射频信号发生器122输出射频信号进入第二马赫增德尔调制器，对第一和第二马赫增德尔调制器加载18V和13.3V的偏置电压，位于调制器调制函数的线性偏置点，且相位相差180度，来自第一光纤耦合器21的40％的光信号与来第一自射频信号发生器121的射频信号在第一马赫增德尔调制器中进行调制，来自第一光纤耦合器21的60％的光信号与来自第二射频信号发生器122的射频信号在第二马赫增德尔调制器中进行调制，调制信号通过第一、第二光纤41和42进入到第二光纤耦合器22中，其中第一、第二光纤41和42的长度差为2米，第二光纤耦合器22输出光进入到第三光纤耦合器中，第三光纤耦合器的第三端口1003输出60％的光通过光纤变频器50进入长度同为2米的掺镱光纤90中，第一泵浦70和第二泵浦71输入到第一波分复用器60和第二波分复用器61中对掺镱光纤90进行双向泵浦，从而将循环中的光信号放大，之后掺镱光纤90的输出光通过第一波分复用器的601端口返回第三光纤耦合器的第四端口1004，第三光纤耦合器的第三端口1003再次输出60％的光进入到光纤变频器50中进行循环，第三光纤耦合器的第二端口1002输出40％光进入到光电探测器80中，并进入到网络分析仪110中进行频率响应的监测。通过重复的循环，在网络分析仪中可以监测到平坦微波光子滤波器的频率响应，通过改变泵浦产生的增益，可以得到平坦带通或者平坦带阻的滤波器响应。

Claims (8)

1.基于马赫增德尔调制器和变频器的平坦微波光子滤波器，其特征在于：
构成该滤波器的器件之间的连接为：可调谐激光器(10)的输出端接第一光纤耦合器(21)的输入端，第一光纤耦合器(21)的一个输出端与第一马赫增德尔调制器的光信号输入端口(311)相连，第一光纤耦合器(21)的另一个输出端与第二马赫增德尔调制器的光信号输入端口(321)相连；
第一射频信号发生器(121)与第一马赫增德尔调制器的调制信号输入端口(312)相连，第二射频信号发生器(122)与第二马赫增德尔调制器的调制信号输入端口(322)相连；
第一马赫增德尔调制器的输出端口(313)与第一光纤(41)的一端相连，第二马赫增德尔调制器的输出端口(323)与第二光纤(42)的一端相连，第一光纤(41)和第二光纤(42)的另一端分别连接到第二光纤耦合器(22)的两个输入端，第二光纤耦合器(22)的输出端与第三光纤耦合器的第一输入端口(1001)相连；
第三光纤耦合器的第一输出端口(1002)和光电探测器(80)的输入端相连，光电探测器(80)的输出端与网络分析仪(110)的输入端相连；
第三光纤耦合器的第二输出端口(1003)与光纤变频器(50)的输入端相连，光纤变频器(50)的输出端与第一波分复用器的第一端口(601)相连，第一波分复用器的第二端口(602)与第一泵浦(70)相连，第一波分复用器的第三端口(603)通过掺杂有源光纤(90)与第三光纤耦合器的第二输入端口(1004)相连。
2.根据权利要求1所述的基于马赫增德尔调制器和变频器的平坦微波光子滤波器，其特征在于：
掺杂有源光纤(90)为掺铒、掺镱、掺钬、镱铒共掺、掺钍、掺镨或掺钕 有源光纤。
3.根据权利要求1所述的基于马赫增德尔调制器和变频器的平坦微波光子滤波器，其特征在于：
所用的第一、第二光纤耦合器(21、22)和第三光纤耦合器的分光比为任意值。
4.根据权利要求1所述的基于马赫增德尔调制器和变频器的平坦微波光子滤波器，其特征在于：
所述的泵浦源(70)的泵浦方式为同向泵浦、后向泵浦或双向泵浦。
5.根据权利要求1所述的基于马赫增德尔调制器和变频器的平坦微波光子滤波器，其特征在于：
所述的第一、第二光纤(41、42)的长度差与掺杂有源光纤(90)的长度相等，并均≥0.5米。
6.根据权利要求1所述的基于马赫增德尔调制器和变频器的平坦微波光子滤波器，其特征在于：
所述的第一、第二马赫增德尔调制器所加载的偏置电压为调制器传输函数的线性偏置点，且相位相差180度。
7.根据权利要求1所述的基于马赫增德尔调制器和变频器的平坦微波光子滤波器，其特征在于：
所述的光纤变频器(50)的输出端通过掺杂有源光纤(90)与波分复用器的第三端口(603)相连；
波分复用器的第一端口(601)与第三光纤耦合器的第二输入端口(1004)相连。
8.根据权利要求7所述的基于马赫增德尔调制器和变频器的平坦微波光子滤波器，其特征在于： 
所述的光纤变频器(50)的输出端与第二波分复用器的第一端口(611)连接，第二波分复用器的第二端口(612)与第二泵浦(71)相连，第二波分复用器的第三端口(613)通过掺杂有源光纤(90)与第一波分复用器的第三端口(603)相连。 
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