CN103018838A - 宽带调谐高q值单通带微波光子滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种宽带调谐高Q值单通带微波光子滤波器，该光子滤波器为基于相移光纤光栅（6）的有源腔，该有源腔是线性腔或环形腔，在腔中置入光放大器（5）；该光子滤波器包括可调谐光源（1）、相位调制器（2）、环行器（3）、普通光纤光栅（4）、光放大器（5）、相移光纤光栅（6）、光电探测器（7）、耦合器（8）；在线性腔中，可调谐光源（1）、相位调制器（2）、普通光纤光栅（4）、光放大器（5）、相移光纤光栅（6）、光电探测器（7）顺序连接构成微波光子滤波器。配合可调谐光源（1）与宽频带的相移光纤光栅（6）可实现单通带微波光子滤波器的宽带调谐。

Description

宽带调谐高Q值单通带微波光子滤波器

技术领域

本发明属于大容量微波光子通信领域，特别是提供了基于相移光纤光栅有源腔的宽带调谐高Q值单通带微波光子滤波器装置，尤其涉及直接在光域对微波信号进行处理。

背景技术

随着未来宽带光网络与无线网络发展趋势和融合，高容量信息技术需求的高速发展，需要大力发展微波光子技术。微波光子技术集中了微波技术和光子技术的优点，使微波与光子在概念、器件、电路和系统有机结合。用光子方法可实现微波和毫米波的产生、传输、控制和处理。微波光子技术在光通信、无线通信、传感、生物、医学、军事和安全等领域都有广泛的应用前景，近三十年来微波光子技术已引起了世界各国的重视。

为满足下一代宽带泛在接入网络的国家重大需求，同时，基于射频(RF)、微波和毫米波的拓展技术都需要努力发展与之相适应的微波光子信号处理器件。

微波光子滤波器是微波光子信号处理技术所研究的重要内容。利用微波光子学的方法对微波信号进行处理不但克服了传统微波信号处理中的诸多电子瓶颈，而且具有抗电磁干扰能力强，通信带宽大，支持的采样频率高，结构简单，损耗小等优点。

品质因数Q(Quality Factor)是衡量微波光子滤波器的重要指标之一，用来表示滤波器的选频性能，定义为自由谱范围(FSR)与3dB带宽(△f_3dB)的比值，即Q=FSR/△f_3dB。如何获得高Q的微波光子滤波器是当前微波光子领域的研究热点之一。目前已经提出的实现高Q的滤波器的方案主要是基于有源无限冲击响应（IIR）滤波器。然而这些高Q滤波器由于采样过程造成信号在时域内是离散的，从而导致滤波器的传输函数在频率内是周期性的，FSR和相邻两路之间的延迟时间成倒数关系。在许多实际应用中产生非常小的FSR，有时低于GHz或者数百MHz，因而可利用的滤波器响应的FSR非常有限，在信道选择等应用中是一个非常严重的缺陷。虽然利用滤波器级联的方法也可以增加FSR，然而，利用这种方法所增加的FSR范围有限且增加了滤波器的复杂度。因而，为克服微波光子滤波器周期性响应和Q值不高的缺点，需要努力发展高Ｑ的单通带微波光子滤波器。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种宽带调谐高Q值单通带微波光子滤波器，具有高Q、单通带频率响应特性，且能够在宽频率范围内调谐。与现有的单通带滤波器相比，克服了单通带滤波器的Q值不高的问题，结合可调谐光源与宽频带的相移光纤光栅可实现滤波器的宽带调谐。其结构紧凑，具有单片集成的潜力。

技术方案：本发明的宽带调谐高Q值单通带微波光子滤波器为基于相移光纤

光栅的有源腔，该有源腔是线性腔或环形腔，在腔中置入光放大器；该光子滤波器包括可调谐光源、相位调制器、环行器、普通光纤光栅、光放大器、相移光纤光栅、光电探测器、耦合器；在线性腔中，可调谐光源、相位调制器、普通光纤光栅、光放大器、相移光纤光栅、光电探测器顺序连接构成微波光子滤波器。构成基于普通光纤光栅和相移光纤光栅有源线性腔并由相移光纤光栅一端输出的高Q单通带微波光子滤波器。

在所述的相位调制器、普通光纤光栅之间插入一个环行器，环行器的三个端

口分别接相位调制器、普通光纤光栅、光电探测器，构成基于普通光纤光栅和相移光纤光栅有源线性腔并由环行器的一端输出的高Q单通带微波光子滤波器。

所述有源腔是环形腔时，可调谐光源、相位调制器、耦合器、光电探测器顺

序连接，环行器、光放大器、耦合器顺序连接，相移光纤光栅接在环行器的一个端上，环行器的三个端口分别接光放大器、相移光纤光栅、耦合器，构成基于相移光纤光栅有源环行腔的高Q单通带微波光子滤波器。

所述的有源腔内，光放大器为掺铒光纤放大器、半导体光放大器。

可调谐光源经过相位调制器调制后，微波信号就加载到光载波上面。光放大器放在腔内构成有源腔，有源腔可使微波信号在腔内循环形成高Q的频率响应，相移光纤光栅用来解调相位调制后的微波信号，因为相移光纤光栅的反射谱中有很窄的陷波，或者通带谱中有一个很窄的通带。因而，利用相移光纤光栅反射谱或者通带谱对相位调制的微波信号所实现的单通带的频率响应，从有源腔所形成的高Q频率响应中选择出一个响应峰，通过光电探测器检测后，就可实现具有高Q的单通带频率响应。配合可调谐光源与宽频带的相移光纤光栅可实现滤波器的宽带调谐。

有益效果： 宽带调谐高Q值单通带微波光子滤波器所实现的单通带频率响应具有高Q和宽带调谐等方面的优点特性可望在Radio-over-fiber(RoF)通信系统以及新型光电振荡器（OEO）中得到重要应用。对推动微波光子滤波器在下一代宽带泛在接入网络中的应用以及推动OEO的发展具有重要的意义。

创新之处在于： 

1） 真正的单通带响应，不受光电探测器带宽的限制。

2） 单通带带宽较窄、Q 值较高。

3） 宽范围可调谐，在可调过程中，可保持单通带的带宽不变。

4） 结构紧凑，具有单片集成的潜力。

附图说明

图1基于普通光纤光栅和相移光纤光栅有源线性腔并由相移光纤光栅一端

输出的高Q单通带微波光子滤波器。

图2 基于普通光纤光栅和相移光纤光栅有源线性腔并由环行器的一端输出

的高Q单通带微波光子滤波器。

图3基于相移光纤光栅有源环行腔的高Q单通带微波光子滤波器。

具体实施方式

本发明设计了基于相移光纤光栅6有源腔的高Q单通带微波光子滤波器，配合可调谐光源1与宽频带的相移光纤光栅6可实现滤波器的宽带调谐。这种滤波器使用了基于相移光纤光栅6的有源腔，有源腔可以是线性腔或环形腔，在腔中置入光放大器5。有源线性腔是由普通光纤光栅4与相移光纤光栅6组成线性腔，存在两种情况，第一种情况，普通光纤光栅4与相移光纤光栅6都是部分反射部分透射的，在这种情况下，光信号的输出直接在相移光纤光栅6一端引出；第二种情况，普通光纤光栅4是部分反射部分透射的，相移光纤光栅6是全反射或者部分反射的，在这种情况下，光信号的输出是通过环行器3在普通光纤光栅4一端引出的；两种情况都通过光放大器5把普通光纤光栅4与相移光纤光栅6连接起来。环形腔是通过连接耦合器8的输入端和输出端连接而成，通过环行器3把相移光纤光栅6连接到环形腔中，光放大器5的两端分别连接环行器3和耦合器8。基于有源腔的滤波器均包括可调谐光源1、相位调制器2、光放大器5、相移光纤光栅6、光电探测器7。可调谐光源1经过相位调制器2调制后，微波信号就加载到光载波上面。光放大器5放在腔内组成有源腔（线性腔或环形腔），有源腔可使微波信号在腔内循环形成高Q的频率响应，相移光纤光栅6用来解调相位调制后的微波信号，因为相移光纤光栅6的反射谱中有很窄的陷波，或者通带谱中有一个很窄的通带。因而，利用相移光纤光栅6反射谱或者通带谱对相位调制微波信号所具有的单通带频率响应特性，可以从有源腔所形成的高Q频率响应中选择出一个响应峰，通过光电探测器7检测后，就可实现高Q的单通带的频率响应。

下面结合附图对基于相移光纤光栅有源腔的高Q单通带滤波器作进一步描述。

    实施例一

如图1所示，基于普通光纤光栅和相移光纤光栅有源线性腔并由相移光纤光栅一端输出的高Q单通带微波光子滤波器，其构成的器件之间的连接：可调谐光源1的输出端接相位调制器2的一个输入端，微波信号通过相位调制器2加载到光载波上，相位调制器2的输出端接普通光纤光栅4的一端，普通光纤光栅4另一端接光放大器5的一端，光放大器5的另一端接相移光纤光栅6的一端，相移光纤光栅6的另一端环与光电探测器7的输入端相连。

利用普通光纤光栅4和相移光纤光栅6的混合结构，结合光放大器5构成一个有源线性腔，光放大器可为掺铒光纤光放大器、半导体光放大器或者其它光放大器。微波信号经相位调制后加载到光载波上面，通过部分反射部分透射的普通光纤光栅4一端进入腔中，被光放大器5放大后到达部分反射部分透射的相移光纤光栅6的一端，由于相移光纤光栅6的反射谱中有一个陷波，陷波对相位调制信号中的某些边带进行抑制，抑制掉的边带频率不能被相移光纤光栅6反射，因而，处在相移光纤光栅6反射谱之内、陷波以外边带频率这一部分的相位调制信号才能被相移光纤光栅6反射回来，并在相移光纤光栅6和普通光纤光栅4所组成的腔之间不断来回反射、延时并在相移光纤光栅6处输出，对相位调制信号来讲，在光载波的两边产生双边带的相位是相反的，不能由光电探测器7探测后直接恢复为微波信号。而由相移光纤光栅6反射谱中的陷波抑制掉的边带(经相移光纤光栅透过的部分)所对应的微波信号则能够在光电探测器7探测后则恢复为相应的微波信号，而其余的光载波两边的边带因为相位依然相反则不能恢复为相应的微波信号。相位调制的光信号在有源线性腔中不断来回反射，并在部分反射部分透射的相移光纤光栅6处输出，形成一个高Q的频率响应。再利用相移光纤光栅6对相位调制信号的处理后所形成的一个单通带从高Q频率响应中选择出一个响应峰。通过光电探测器7后就实现了具有高Q特性的单通带滤波器频率响应。

实施例二

如图2所示，基于普通光纤光栅和相移光纤光栅有源线性腔并由环行器的一端输出的高Q单通带微波光子滤波器，其构成的器件之间的连接：可调谐光源1的输出端接相位调制器2的一个输入端，微波信号通过相位调制器2加载到光载波上，相位调制器2的输出端接环行器3的①端口，环行器3的②端口接普通光纤光栅4的一端，普通光纤光栅4另一端接光放大器5的一端，光放大器5的另一端接相移光纤光栅6的一端，环行器3的第③端口与光电探测器7的输入端相连。

利用普通光纤光栅4和相移光纤光栅6的混合结构，结合光放大器5构成一个有源线性腔，光放大器5可为掺铒光纤光放大器、半导体光放大器，或者其它光放大器。微波信号经相位调制后加载到光载波上面，通过部分反射部分透射的普通光纤光栅4一端进入腔中，被光放大器5放大后到达相移光纤光栅6的一端，相移光纤光栅6可以是全反射的，也可以是部分反射部分透射的。由于相移光纤光栅6的反射谱中有一个陷波，陷波对相位调制信号中的某些边带进行抑制，抑制掉的边带频率不能被相移光纤光栅6反射，因而，处在相移光纤光栅6反射谱之内、陷波以外边带频率这一部分的相位调制信号才能被相移光纤光栅6反射回来，并在相移光纤光栅6和普通光纤光栅4所组成的腔之间不断来回反射、延时并普通光纤光栅4处输出，对相位调制信号来讲，在光载波的两边所产生的双边带的相位是相反的，不能由光电探测器7探测后直接恢复为微波信号。而由相移光纤光栅6反射谱中的陷波抑制掉的边带(经相移光纤光栅透过的部分)所对应的微波信号则能够在光电探测器7探测后则恢复为相应的微波信号，而其余的光载波两边的边带因为相位依然相反则不能恢复为相应的微波信号。相位调制的光信号在有源线性腔中不断来回反射，并在部分反射部分透射的普通光纤光栅4处输出，形成一个高Q的频率响应。再利用相移光纤光栅6的反射谱中的陷波对相位调制信号的处理所形成的一个单通带从高Q频率响应中选择出一个响应峰。通过光电探测器7后就实现了具有高Q特性的单通带滤波器频率响应。

实施例三

如图3所示，基于相移光纤光栅有源环行腔的高Q单通带微波光子滤波器，其构成的器件之间的连接：可调谐光源1的输出端接相位调制器2的一个输入端，微波信号通过相位调制器2加载到光载波上，相位调制器2的输出端接耦合器8的①端，耦合器8的③端接环行器3的③端，耦合器8的④接光放大器5的一端，光放大器5的另一端接接环行器3的①端，环行器3的②端接相移光纤光栅6的一端，耦合器8的②端与光电探测器7的输入端相连。

经相位调制器2调制后微波信号加载到光载波上，一部分直接输出到达光电探测器7，另一部分进入有源环形腔中，经光放大器5后，经由环行器3到达相移光纤光栅6，经相移光纤光栅6反射通过环行器3，经耦合器8后又分为两部分，一部分输出到达光电探测器7，另一部分再次进入有源环形腔中进行下一次循环。循环往复的微波信号形成一个高Q的频率响应。再利用相移光纤光栅6的反射谱中的陷波对相位调制信号的处理所形成的一个单通带从高Q频率响应中选择出一个响应峰。通过光电探测器7后就实现了具有高Q特性的单通带滤波器频率响应。

Claims (4)

1.一种宽带调谐高Q值单通带微波光子滤波器，其特征在于该光子滤波器为基于相移光纤光栅（6）的有源腔，该有源腔是线性腔或环形腔，在腔中置入光放大器（5）；该光子滤波器包括可调谐光源（1）、相位调制器（2）、环行器（3）、普通光纤光栅（4）、光放大器（5）、相移光纤光栅（6）、光电探测器（7）、耦合器（8）；在线性腔中，可调谐光源（1）、相位调制器（2）、普通光纤光栅（4）、光放大器（5）、相移光纤光栅（6）、光电探测器（7）顺序连接构成微波光子滤波器。

2.根据权利要求1所述的宽带调谐高Q值单通带微波光子滤波器，其特征在于在所述的相位调制器（2）、普通光纤光栅（4）之间插入一个环行器（3），环行器（3）的三个端口分别接相位调制器（2）、普通光纤光栅（4）、光电探测器（7）。

3.根据权利要求1所述的宽带调谐高Q值单通带微波光子滤波器，其特征在于所述有源腔是环形腔时，可调谐光源（1）、相位调制器（2）、耦合器（8）、光电探测器（7）顺序连接，环行器（3）、光放大器（5）、耦合器（8）顺序连接，相移光纤光栅（6）接在环行器（3）的一个端上，环行器（3）的三个端口分别接光放大器（5）、相移光纤光栅（6）、耦合器（8）。

4.根据权利要求1、2或3所述的宽带调谐高Q值单通带微波光子滤波器，其特征在于所述的有源腔内，光放大器（5）为掺铒光纤放大器、半导体光放大器。

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