CN103018928A - 基于光注入半导体激光器系统的可调谐微波光子滤波器 - Google Patents

基于光注入半导体激光器系统的可调谐微波光子滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光注入半导体激光器系统的可调谐微波光子滤波器，该可调谐微波光子滤波器包括主激光器、第一偏振控制器、可调光衰减器、光环形器、从激光器、第二偏振控制器、第三偏振控制器、相位调制器、第四偏振控制器、光隔离器、3dB光耦合器、Sagnac环滤波器、单模色散光纤、光放大器和光电探测器。该滤波器结构利用光注入半导体激光器系统的非线性动态特性，通过激发半导体激光器的单周期振荡效应P1，产生频率间隔可调的类似梳妆光谱，通过调整主激光器注入到从激光器的注入强度或两个激光器间的失谐频率，以实现滤波窗口可调的微波光子滤波器，并可同时实现滤波器的可重构性及多抽头结构。

Description

基于光注入半导体激光器系统的可调谐微波光子滤波器
技术领域
本发明涉及光通信以及无线通信技术领域，尤其是涉及微波光子滤波器在光载无线电(RoF)通信系统中的应用，即一种基于光注入半导体激光器系统的可调谐微波光子滤波器。
背景技术
近年来，随着宽带无线接入网、UMTS、WLAN、LMDS以及WIMAX等通信网络的兴起，为了减小覆盖面积并同时增大通信容量，一个可能的解决技术就是RoF通信，在RoF通信中，将原本在基站对信号进行的一些处理功能集中到中央站统一处理，这样就大大降低了基站的成本。
由于微波光子滤波器具有高带宽、低损耗以及不受电磁干扰等特点，使得微波在光域的处理技术引起了广泛的研究兴趣。微波光子滤波器的使用目的就是取代传统微波滤波器，从而实现微波在光域的处理，这样的好处是，可以实现与RoF光纤通信系统的天然匹配，无需再进行光电和电光转换。除此之外，微波光子滤波器在雷达，相位阵列天线领域也有明显的应用优势。
在对微波光子滤波器的研究中，可调谐、多抽头带通滤波器是研究中的一个热点方向，为了实现可调谐的目的，就要改变延时差，也即采样间隔，目前比较常见的方法是使用高色散光纤以及利用光纤布拉格光栅，但这两种方式都需要使用可调谐的光源，除此之外，使用多激光源或激光阵列也是常用实现方式，但也需要激光源间的波长差可变，才能实现可调谐性。对于多抽头的实现，可调谐光源、激光阵列或宽带切割光源是必要元件之外，通常需要相等或大于抽头数量的延时元件，比较复杂，成本也比较高。
综上所述，实现微波光子带通滤波器，无论是为了实现可调谐或者实现多抽头，光源成本都将会很高。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于光注入半导体激光器系统的可调谐微波光子滤波器，以实现滤波器的可调谐性和可重构性。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于光注入半导体激光器系统的可调谐微波光子滤波器，该可调谐微波光子滤波器包括主激光器1、第一偏振控制器3、可调光衰减器5、光环形器7、从激光器11、第二偏振控制器9、第三偏振控制器12、相位调制器16、第四偏振控制器18、光隔离器20、3dB光耦合器23、Sagnac环滤波器26、单模色散光纤27、光放大器29和光电探测器31，其中：
该主激光器1输出端连接于该第一偏振控制器3的第一端2，该第一偏振控制器3的第二端4连接于该可调光衰减器5的输入端，该可调光衰减器5的输出端连接于该光环形器7的第一端口6；
该光环形器7的第二端口8连接于该第二偏振控制器9的第一端8，该第二偏振控制器9的第二端10连接于该从激光器11；
该光环形器7的第三端口13连接于该第三偏振控制器12一端，该第三偏振控制器12的另一端连接于该相位调制器16的光输入端14，微波调制信号15对该光输入端14输入的光进行调制；
该相位调制器16的光输出端17通过第四偏振控制器18连接于该光隔离器20的输入端，该光隔离器20的输出端连接于该3dB光耦合器23的第一端口21，该3dB光耦合器23的第三端口24和第四端口25均连接于该Sagnac环滤波器26；
该3dB光耦合器23的第二端口22连接于该单模色散光纤27的一端，该单模色散光纤27另一端连接于该光放大器29的输入端28，该光放大器29的输出端30连接于该光电探测器31，最终在该光电探测器31的输出端口32输出滤波后的微波信号。
上述方案中，所述主激光器1和所述从激光器11均为单模激光器，且从激光器11的波长大于主激光器1的波长，通过所述主激光器1注入到所述从激光器11，从而激发所述从激光器11的非线性动态特性单周期振荡(P1)状态来产生等间距的类似梳状的光谱，从而实现微波光子滤波器的多抽头。
上述方案中，该可调谐微波光子滤波器通过采用该可调光衰减器5调整该主激光器1注入到该从激光器11的注入光强，实现从激光器11的非线性动态特性单周期振荡(P1)的光谱的频率间隔可调，从而实现滤波器可调谐性。
上述方案中，该可调谐微波光子滤波器通过直接选取该主激光器1和该从激光器11间的波长差，实现从激光器11的非线性动态特性单周期振荡(P1)的光谱的频率间隔可调，从而实现滤波器的可调谐性。
上述方案中，该可调谐微波光子滤波器是通过改变该主激光器1注入到该从激光器11中的光强以及该主激光器1与该从激光器11之间的波长差，从而改变非线性动态特性单周期振荡(P1)的光谱的功率分配，来实现滤波器的可重构性。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种基于光注入半导体激光器系统的可调谐微波光子滤波器，通过调整主激光器注入到从激光器的注入强度或两个激光器间的波长差，实现频率间隔可调的类似梳妆的光谱，从而实现滤波器的可调谐性，同时也可以实现滤波器的可重构性，同时此结构实现了多抽头滤波器，抽头的数量与注入条件有关。
2、常规微波光子滤波器结构中通常采用可调激光器、多激光器或者宽带光源的切割来提供实现抽头的光源，因而成本较高且较为复杂，而本发明提供的这种基于光注入半导体激光器系统的可调谐微波光子滤波器，只需要两个普通单模激光器即可实现多抽头光源，同时可以调节注入参数来实现微波光子滤波器的连续可调谐性，因而大大降低了使用成本。
3、本发明提供的这种基于光注入半导体激光器系统的可调谐微波光子滤波器，由于固定注入强度或主从激光器间的频差中的一个注入参数就可以实现梳妆光谱间隔的改变，同时会使光谱中某些谱线功率的加强与减弱，那么，如果调节两个参数就可实现滤波器的可重构性，省去了许多衰减器或光放大器，因而，又降低了系统的成本。
3、本发明提供的这种基于光注入半导体激光器系统的可调谐微波光子滤波器，激光器的频差应该与鉴频滤波器的正、负系数传输曲线带宽配合选择，从而实现带有负系数滤波器。
附图说明
图1是本发明提供的基于光注入半导体激光器系统的可调谐微波光子滤波器的示意图。
图2是注入后从激光器的非线性动态特性单周期振荡效应(P1)的光谱示意图。
图中：1.主激光器，3.偏振控制器，2、4.偏振控制器的两个端口，5.可调光衰减器，7.光环形器，6、8、13，光环形器的三个端口，9.偏振控制器，10.偏振控制器一个端口11.从激光器，12.偏振控制器，16.相位调制器，14、15、17，分别为光输入、调制信号输入、光输出端口，18.偏振控制器，20.光隔离器，23.3dB光耦合器，21、22、24、25.3dB光耦合器的第一、第二、三、四端口，26.Sagnac环形滤波器，27.单模色散光纤，29.光放大器，28、30.光放大器的输入、输出端，31.光电探测器，32光电探测器的输出端。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1是本发明提供的基于光注入半导体激光器系统的可调谐微波光子滤波器的示意图，该可调谐微波光子滤波器包括主激光器1、第一偏振控制器3、可调光衰减器5、光环形器7、从激光器11、第二偏振控制器9、第三偏振控制器12、相位调制器16、第四偏振控制器18、光隔离器20、3dB光耦合器23、Sagnac环滤波器26、单模色散光纤27、光放大器29和光电探测器31。
其中，该主激光器1输出端连接于该第一偏振控制器3的第一端2，该第一偏振控制器3的第二端4连接于该可调光衰减器5的输入端，该可调光衰减器5的输出端连接于该光环形器7的第一端口6；该光环形器7的第二端口8连接于该第二偏振控制器9的第一端8，该第二偏振控制器9的第二端10连接于该从激光器11；这样，主激光器1的光就注入到从激光器11中，激发从激光器11产生了非线性动态特性P1，如图2所示。图2中只是给出的一个仿真光谱图。
该光环形器7的第三端口13连接于该第三偏振控制器12一端，该第三偏振控制器12的另一端连接于该相位调制器16的光输入端14，微波调制信号15对该光输入端14输入的光进行调制；该相位调制器16的光输出端17通过第四偏振控制器18连接于该光隔离器20的输入端，该光隔离器20的输出端连接于该3dB光耦合器23的第一端口21，该3dB光耦合器23的第三端口24和第四端口25均连接于该Sagnac环滤波器26；该3dB光耦合器23的第二端口22连接于该单模色散光纤27的一端，该单模色散光纤27另一端连接于该光放大器29的输入端28，在该单模色散光纤27中会产生一个适当的延迟。
该光放大器29的输出端30连接于该光电探测器31，最终在该光电探测器31的输出端口32输出滤波后的微波信号。该光放大器29的使用是为了对光电探测器31提供足够的功率，这样经过光电检测器31后，就可以还原出在光域滤波后的微波信号了。
主激光器1和从激光器11均为单模激光器，且从激光器11的波长大于主激光器1的波长，通过主激光器1激发从激光器11的非线性动态特性单周期振荡(P1)状态来产生等间距的梳状光谱，从而实现微波光子滤波器的多抽头。
该可调谐微波光子滤波器通过采用该可调光衰减器5调整该主激光器1注入到该从激光器11的注入光强，实现从激光器11的非线性动态特性单周期振荡(P1)的光谱的频率间隔可调，从而实现滤波器可调谐性。
该可调谐微波光子滤波器通过直接选取该主激光器1和该从激光器11间的波长差，实现从激光器11的非线性动态特性单周期振荡(P1)的光谱的频率间隔可调，从而实现滤波器的可调谐性。
该可调谐微波光子滤波器是通过改变该主激光器1注入到该从激光器11中的光强以及该主激光器1与该从激光器11之间的波长差，从而改变非线性动态特性单周期振荡(P1)的光谱的功率分配，来实现滤波器的可重构性。
再参照图1，主激光器1通过可调光衰减器5和光环形器7注入到从激光器11中，其中主激光器1和从激光器11均为单模DFB激光器，通过激发半导体激光器的单周期振荡效应(P1)状态产生等间距的梳状光谱，在此，可调光衰减器5的作用是改变注入到从激光器11中的光强，这样可以改变非线性动态特性P1光谱谱线间距，从而实现可调谐性。
单周期振荡效应(P1)光谱示意图如图2所示，该光谱的注入条件为：归一化注入强度0.065，失谐频率+20GHz，在此条件下产生了基频频率为21.67GHz的等间距光谱结构，在一定的失谐频率下，该基频频率随注入光强的增加而增大。具体实现时，需搭配Sagnac环滤波器正、负系数传输曲线线性区的带宽，选择注入参数从而使所产生的抽头谱线在其带宽范围内。
为了实现滤波器的可调谐性，除了上面改变注入光强外，还可以通过温度或电流调节主激光器1和从激光器11的波长差实现，来实现改变P1光谱基频的目的。通过相位调制器16，将微波信号调制到光载波上，经过光隔离器20以及3dB光耦合器，调制后的光进入Sagnac环形滤波器26，为了实现负系数的带通滤波器，同时也为将相位调制转换为强度调制，P1光谱谱线应该在Sagnac环形滤波器26传输曲线的正、负系数的线性区内。经过色散光纤27的延迟作用，其延迟时间的大小选择依光谱谱线的相干程度而定，一般要使延迟时间远大于相干时间。再经过光放大器29的放大，在光电探测器31检测后，恢复出光域滤波后的微波信号。
除单模色散光纤外，其它未声明的光器件间的连接光纤都为保偏光纤，同时使用偏振控制器，这样可以去除光偏振态因环境变化而不稳定的影响，使微波光子滤波器性能更加稳定可靠，而且在本发明中，为了使主、从激光器处于正失谐状态，从而更易实现P1非线性动态特性，要使主激光器的波长小于从激光器的波长。
在本发明中，光隔离器20的作用是使Sagnac环形滤波器26单向输出，从而不会影响输入的光谱。上面实现可调谐性的同时，还可以实现光谱谱线功率的改变，从而实现可重构性。在图2中，实现了五个抽头的微波光子滤波器，实际实现中，可以动态选择注入参数，实现更多抽头，抽头的数量与注入条件有关。
在本发明中，利用P1非线性动态特性的多谱线结构，实现多抽头滤波器。由于改变注入强度和主、从激光器间失谐频差不仅可以改变P1光谱中谱线间基频频率，还可以改变光谱谱线的功率，从而在一定程度上实现滤波器的可重构性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于光注入半导体激光器系统的可调谐微波光子滤波器，其特征在于，该可调谐微波光子滤波器包括主激光器(1)、第一偏振控制器(3)、可调光衰减器(5)、光环形器(7)、从激光器(11)、第二偏振控制器(9)、第三偏振控制器(12)、相位调制器(16)、第四偏振控制器(18)、光隔离器(20)、3dB光耦合器(23)、Sagnac环滤波器(26)、单模色散光纤(27)、光放大器(29)和光电探测器(31)，其中：
该主激光器(1)输出端连接于该第一偏振控制器(3)的第一端(2)，该第一偏振控制器(3)的第二端(4)连接于该可调光衰减器(5)的输入端，该可调光衰减器(5)的输出端连接于该光环形器(7)的第一端口(6)；
该光环形器(7)的第二端口(8)连接于该第二偏振控制器(9)的第一端(8)，该第二偏振控制器(9)的第二端(10)连接于该从激光器(11)；
该光环形器(7)的第三端口(13)连接于该第三偏振控制器(12)一端，该第三偏振控制器(12)的另一端连接于该相位调制器(16)的光输入端(14)，微波调制信号(15)对该光输入端(14)输入的光进行调制；
该相位调制器(16)的光输出端(17)通过第四偏振控制器(18)连接于该光隔离器(20)的输入端，该光隔离器(20)的输出端连接于该3dB光耦合器(23)的第一端口(21)，该3dB光耦合器(23)的第三端口(24)和第四端口(25)均连接于该Sagnac环滤波器(26)；
该3dB光耦合器(23)的第二端口(22)连接于该单模色散光纤(27)的一端，该单模色散光纤(27)另一端连接于该光放大器(29)的输入端(28)，该光放大器(29)的输出端(30)连接于该光电探测器(31)，最终在该光电探测器(31)的输出端口(32)输出滤波后的微波信号。
2.根据权利要求1所述的基于光注入半导体激光器系统的可调谐微波光子滤波器，其特征在于，所述主激光器(1)和所述从激光器(11)均为单模激光器，且从激光器(11)的波长大于主激光器(1)的波长，通过所述主激光器(1)注入到所述从激光器(11)，从而激发所述从激光器(11)的非线性动态特性单周期振荡(P1)状态来产生等间距的类似梳状的光谱，从而实现微波光子滤波器的多抽头。
3.根据权利要求1所述的基于光注入半导体激光器系统的可调谐微波光子滤波器，其特征在于，该可调谐微波光子滤波器通过采用该可调光衰减器(5)调整该主激光器(1)注入到该从激光器(11)的注入光强，实现从激光器(11)的非线性动态特性单周期振荡(P1)的光谱的频率间隔可调，从而实现滤波器可调谐性。
4.根据权利要求1所述的基于光注入半导体激光器系统的可调谐微波光子滤波器，其特征在于，该可调谐微波光子滤波器通过直接选取该主激光器(1)和该从激光器(11)间的波长差，实现从激光器(11)的非线性动态特性单周期振荡(P1)的光谱的频率间隔可调，从而实现滤波器的可调谐性。
5.根据权利要求1所述的基于光注入半导体激光器系统的可调谐微波光子滤波器，其特征在于，该可调谐微波光子滤波器是通过改变该主激光器(1)注入到该从激光器(11)中的光强以及该主激光器(1)与该从激光器(11)之间的波长差，从而改变非线性动态特性单周期振荡(P1)的光谱的功率分配，来实现滤波器的可重构性。
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