CN103091932B - 一种超宽调谐范围的单带通微波光子滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波光子学技术领域，具体涉及一种基于高非线性光纤受激布里渊散射效应和多泵浦信号的超宽调谐范围的单带通可调谐微波光子滤波器。由激光器、相位调制器、隔离器、N个泵浦源、耦合器、高非线性光纤、环行器、探测器和网络分析仪组成；利用高非线性光纤的受激布里渊散射效应和相位调制器输出信号的相位相反强度相等的特点，通过高非线性光纤的受激布里渊散射效应对相位调制器输出的一阶上边带进行增强或减弱，打破相位调制器输出信号一阶上下边带的强度平衡，从而实现需要频率的信号被滤波输出。通过合理增加泵浦信号的数量，利用高频泵浦信号引起的受激布里渊增益抵消低频泵浦信号引起的受激布里渊损耗，增加滤波器的调谐范围。

Description

一种超宽调谐范围的单带通微波光子滤波器

技术领域

本发明属于微波光子学技术领域，具体涉及一种基于高非线性光纤受激布里渊散射效应和多泵浦信号的超宽调谐范围的单带通可调谐微波光子滤波器。

背景技术

微波光子滤波器是利用光学器件处理微波信号并达到滤波功能的光学子系统，与传统的电滤波器相比，具有低损耗、宽带宽、抗电磁干扰、可调谐、可重构并且能处理高速信号等优点。在未来的光纤无线传输(RoF)系统中，微波光子滤波器可以用来进行信道抑制或信道选择。

目前研究比较广泛的微波光子滤波器是周期频谱输出的滤波器，由于周期性的输出使得滤波器的调谐范围受到限制，一种单通输出的滤波器的研究具有更为广泛的意义。已报道的单带通滤波器的调谐范围是受激布里渊频移量的两倍，约为22GHz。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于受激布里渊散射效应和多泵浦信号的超宽调谐范围的单带通可调谐微波光子滤波器。

本发明所述的宽调谐范围的单带通微波光子滤波器的结构如图1所示，由激光器、相位调制器、隔离器、N个泵浦源(泵浦信号1、泵浦信号2、……、泵浦信号N)、耦合器、高非线性光纤、环行器、探测器和网络分析仪组成；利用高非线性光纤的受激布里渊散射效应和相位调制器输出信号的相位相反强度相等的特点，通过高非线性光纤的受激布里渊散射效应对相位调制器输出的一阶上边带进行增强或减弱，打破相位调制器输出信号一阶上下边带的强度平衡，从而实现需要频率的信号被滤波输出。

激光器输出频率为f_c的光信号作为光载波；由网络分析仪输出的包含频率f_m及f_m+2Nf_B信号在内的具有一定频带宽度的待滤波的小幅微波信号通过相位调制器加载到光载波上，经相位调制器后输出的相位相反、强度相等的一系列一阶上边带和下边带信号经隔离器进入到高非线性光纤中；f_B为高非线性光纤受激布里渊频移量，频率为f_m的微波信号经相位调制器后输出的一阶上边带信号的频率为f_c+f_m，下边带信号的频率为f_c-f_m；频率为f_m+2Nf_B的微波信号经相位调制器后输出的一阶上边带信号的频率为f_c+f_m+2Nf_B，下边带信号的频率为f_c-f_m-2Nf_B。

第一泵浦源光信号的频率为f_p1，第N泵浦源光信号的频率为f_p1+2(N-1)f_B，N个泵浦源的光信号经耦合器后再经环行器输入到高非线性光纤，作为高非线性光纤受激布里渊散射的泵浦光。

当f_c+f_m-f_p1＝±f_B时，f_m信号经相位调制器后输出的一阶上边带信号f_c+f_m和下边带信号f_c-f_m的强度不再相等，就可以探测得到频率为f_m的微波信号；当一阶上边带信号f_c+f_m被增强时，f_m+2Nf_B信号经相位调制器后输出的一阶上边带信号f_c+f_m+2Nf_B则被减弱，就可以探测到频率为f_m+2Nf_B的微波信号，从而实现了微波光子滤波器从频率f_m到频率f_m+2Nf_B的超宽调谐，调谐范围为2Nf_B。

在高非线性光纤中，由于N个泵浦信号的频率间隔均为高非线性光纤受激布里渊频移量的两倍，除了泵浦信号1引起的布里渊增益和泵浦信号N引起的布里渊损耗以外，其它的增益和损耗均相互抵消，因此，只有比泵浦信号1的频率f_p1低f_B或者比泵浦信号N的频率f_p1+2(N-1)f_B高f_B的由相位调制器输出的频率为f_c+f_m的一阶上边带才能被增强或被减弱，然后通过环行器被探测器光电转换，尽管比泵浦信号1的频率低f_B或者比泵浦信号N的频率高f_B的待滤波的微波信号经相位调制器输出的一阶上、下边带的相位相反，但是经过高非线性光纤处理之后一阶上边带的信号已经被加强或被减弱，即两个边带的强度不再相等，因此，比泵浦信号1的频率低f_B或者比泵浦信号N的频率高f_B的由网络分析仪输出的待滤波的微波信号能被探测器探测出来，送入网络分析仪中，能测试到该频率的信号输出。通过调整泵浦信号1至泵浦信号N的频率，则输出的微波信号的频率将发生变化，从而实现微波光子滤波器输出的频率在一定范围内可以调谐。

本发明选用波长为1550nm的激光器作载波光源，相位调制器工作的光波长为1525nm～1605nm，带宽为32GHz；网络分析仪的频率范围为40M～40GHz；探测器探测带宽为35GHz；高非线性光纤的受激布里渊增益线宽为Γ_B＝30MHz，布里渊频移量f_B＝11GHz，长度为1000米，增益和损耗峰值为5dB；隔离器的隔离度大于40dB。选用两个泵浦信号的情况，由于泵浦信号和1550nm光载波的频率间隔为待输出信号的频率和受激布里渊频移之和，要想实现1GHz到32GHz滤波器通带频率调谐，则泵浦信号1的波长为1549.90384nm到1549.65548nm，泵浦信号2的波长为1549.72758nm到1549.47927nm。当泵浦信号1和泵浦信号2的波长分别取1549.90384nm和1549.72758nm时，微波光子滤波器输出的频率为1GHz，减小泵浦信号1和泵浦信号2的波长，保证这两个波长等价的频率间隔为22GHz，则微波光子滤波器输出的频率增加，当两个泵浦信号的频率分别为1549.65548nm和1549.47927nm时，微波光子滤波器输出的频率为32GHz。即微波光子滤波器的频率的调谐范围为1GHz～32GHz。如果相位调制器、探测器和网络分析仪的带宽足够宽，就可以选用3个甚至更多的泵浦信号，以实现微波光子滤波器超宽频率范围输出。

受激布里渊散射是发生在光纤内的一种非线性过程，由于电致伸缩效应，泵浦信号会引起光纤产生声波，该声波对光纤的折射率周期调制，形成光栅结构。泵浦信号通过该光栅时，由于光栅的布喇格衍射，使泵浦信号后向散射产生斯托克斯光。一旦泵浦信号达到布里渊散射阈值，受激布里渊散射将把大部分的泵浦信号功率转换为后向传输的斯托克斯光，泵浦信号与斯托克斯光的频率差叫布里渊频移量f_B。当两个频差恰好为布里渊频移量的光波(指的是泵浦信号和一阶上边带信号)相向入射到光纤，就会发生布里渊放大，低频光将获得增益，高频光将被衰减，高频光能量不断地被转移到低频光上。

对于小信号相位调制，其调制后的输出频谱如图2所示，图2中f_c为光载波频率，f_m为网络分析仪输出的多个信号中某一个信号的频率，经相位调制器输出频率为f_c+f_m的一阶上边带信号和频率为f_c-f_m的一阶下边带信号，从图2中可看出，经过相位调制得到的一阶上、下两个边带信号强度大小相等，相位相反，这时如果进行光电探测，则无法探测到频率为f_m的信号。

如果将相位调制的输出信号输入到高非线性光纤中，使其与高非线性光纤的受激布里渊散射效应相结合，当相位调制输出信号的一阶上边带的频率与泵浦信号f_p1的频率差为±f_B时(f_c+f_m-f_p1＝±f_B)，则其将被减弱或者增强，此时一阶上、下边带的强度不再相等，就可以探测得到频率为f_m的微波信号，如图3所示。

当频率为f_m的信号调制后的一阶上边带f_c+f_m被增强时，频率为f_m+2f_B(f_m+2f_B也是网络分析仪输出的某一个信号的频率)的信号调制后的一阶上边带f_c+f_m+2f_B正好被减弱，就可以探测得到频率为f_m+2f_B的微波信号，即频率差为2f_B的信号将同时会被探测输出，此时微波光子滤波器的频率调谐范围为2f_B。

为了增加滤波器的调谐范围，本发明所述的微波光子滤波器引入N个泵浦信号，首先以两个泵浦信号为例，如图4所示，用第二个泵浦信号f_p2引起的受激布里渊增益抵消掉第一个泵浦信号f_p1引起的受激布里渊损耗，这样就实现两个泵浦信号引起的增益和损耗的频率间隔为4f_B，两个泵浦信号时，微波光子滤波器的调谐范围为4f_B。当采用N个泵浦信号，并且使低频泵浦信号引起的受激布里渊损耗和高频泵浦信号引起的受激布里渊增益谱重合，则微波光子滤波器的频率调谐范围为2Nf_B。

若受激布里渊频移量为11GHz，当采用两个泵浦时，并且设定泵浦光的频率间距为22GHz(刚好频率低的泵浦光引起的损耗和频率高的泵浦光引起的增益完全相互抵消)，此时得到的频率响应曲线如图5所示，滤波器的调谐范围为44GHz。当再加入一个泵浦光时，峰值间距又会增大为原来的3倍，即滤波器的调谐范围为66GHz，如图6所示。调谐范围随着泵浦光数量的增加而加倍。

本发明所述的器件的特点：

(1)基于相位调制和高非线性光纤受激布里渊散射效应构建微波光子滤波器，可以实现单带通可调谐输出。

(2)通过合理增加泵浦信号的数量，利用高频泵浦信号引起的受激布里渊增益抵消低频泵浦信号引起的受激布里渊损耗，增加滤波器的调谐范围。

(3)通过调制技术产生泵浦信号，可以保证泵浦信号频率的相对稳定性，实现滤波器的稳定输出。

附图说明

图1：宽调谐范围单带通微波光子滤波器结构示意图；

图2：相位调制频谱图；

图3：一个泵浦信号时受激布里渊散射效应的频谱图；

图4：两个泵浦信号时受激布里渊散射效应的频谱图；

图5：两个泵浦信号时滤波器的频率响应曲线；

图6：不同泵浦信号时滤波器的频率响应曲线；

图7：两个泵浦信号的微波光子滤波器结构示意图；

图8：两个泵浦信号时滤波器的调谐响应曲线。

具体实施方式

实施例1：

本实施例为两个泵浦信号的情况，从上述的分析中可以看出，泵浦信号的波长(频率)的要求极其严格，当所选用作为泵浦信号源的激光器的波长有波动时，将引起滤波器性能的改变，为了保证泵浦信号的稳定性，以及得到足够高频率的泵浦信号，采用了连续三次调制技术产生泵浦信号，具体实施方式见图7。

以激光器输出的光为载波，经强度调制器1、光滤波器1、强度调制器2、光滤波器2和强度调制器3处理后得到2个泵浦信号。选用波长为1550nm(对应频率为f_c＝193.41THz)的激光器作载波光源，分路器的分光比为1：1；相位调制器的带宽为32GHz；网络分析仪的频率范围为40M～40GHz；探测器探测带宽为35GHz；高非线性光纤的布里渊增益线宽为Γ_B＝30MHz，布里渊频移f_B＝11GHz，长度为1000米，增益和损耗峰值为5dB；隔离器的隔离度大于40dB；强度调制器1和强度调制器2的带宽均为40GHz，强度调制器3的带宽为20GHz，强度调制器1和强度调制器2的直流偏压为5.3V，使其工作在线性区，强度调制器3的直流偏压为9V，能使该调制器输出为载波抑制的双边带调制，强度调制器1和强度调制器2上所加的频率为f_p的信号以及强度调制器3上所加的频率为f_B的信号是由微波信号源提供；光滤波器1和光滤波器2的波长调谐范围为1500nm到1600nm，3dB带宽为0.1nm。

按图7连接好相应的仪器设备，激光器的波长设定为1550nm，作为光载波，网络分析仪输出频率范围为40MHz～40GHz的微波信号通过相位调制器加载到光载波上，相位调制器输出的信号通过隔离器后进入到高非线性光纤中。在另一支路，激光器输出的1550nm的光信号首先通过强度调制器1被频率为f_p(f_p的频率可以在11.5GHz到27GHz调节)的微波信号调制，强度调制器调制输出的信号通过滤波器将1550nm的光载波和一阶下边带滤掉，光滤波器的输出仅剩一阶上边带，其频率为f_c+f_p。频率为f_c+f_p的信号再输入到强度调制器2中，同时再次被频率为f_p的微波信号调制进行调制，再经过一次光学滤波选出频率为f_c+2f_p的上边带信号，频率为f_c+2f_p的信号再输入到强度调制器3中作为此时的载波信号，该信号通过强度调制器3被频率为受激布里渊频移量(频率为11GHz)的信号调制，通过调整强度调制器3的直流偏压使其输出为载波抑制的双边带信号，即输出频率为f_c+2f_p-11GHz和f_c+2f_p+11GHz的两个信号，这两个信号将作为高非线性光纤受激布里渊散射的两个泵浦信号。

设定f_p的频率为11.5GHz，通过三次强度调制以后产生两个泵浦信号的频率分别为f_c+12GHz和f_c+34GHz，网络分析仪输出频率范围为40MHz～40GHz的信号被相位调制器调制，然后输入高非线性光纤，在这个频率连续的信号中，只有1GHz的信号经过相位调制后，其上边带比f_c+12GHz的泵浦信号的频率低一个受激布里渊频移量，则频率为f_c+1GHz的信号被加强，即1GHz信号调制后的一阶的上、下两个边带的强度不再相等，能被探测器探测后送入网络分析仪中，测试出频谱，其它频率的信号由于上、下两个边带强度相等，所以不会被探测输出。当调整f_p的频率为27GHz时，则微波光子滤波器输出信号的信号频率为32GHz，f_p的频率在11.5～27GHz变化时，则相应的频率为1GHz到32GHz的微波信号被滤出，经探测器后由网络分析仪检出，见图8。

本实施例采用两个泵浦信号，理论上滤波器的调谐范围可以实现受激布里渊频移量的4倍，即44GHz，本实施例受相位调制器带宽的限制，调谐的范围为31GHz。

Claims (5)

1.一种宽调谐范围的单带通微波光子滤波器，其特征在于：

1)由激光器、相位调制器、隔离器、N个泵浦源、耦合器、高非线性光纤、环行器、探测器和网络分析仪组成；

2)激光器输出频率为f_c的光信号作为光载波；由网络分析仪输出的包含频率f_m及f_m+2Nf_B信号在内的具有一定频带宽度的待滤波的小幅微波信号通过相位调制器加载到光载波上，经相位调制器后输出的相位相反、强度相等的一系列一阶上边带和下边带信号经隔离器进入到高非线性光纤中；f_B为高非线性光纤受激布里渊频移量，频率为f_m的微波信号经相位调制器后输出的一阶上边带信号的频率为f_c+f_m，下边带信号的频率为f_c-f_m；频率为f_m+2Nf_B的微波信号经相位调制器后输出的一阶上边带信号的频率为f_c+f_m+2Nf_B，下边带信号的频率为f_c-f_m-2Nf_B；

3)第一泵浦源光信号的频率为f_p1，第N泵浦源光信号的频率为f_p1+2(N-1)f_B，N个泵浦源的光信号经耦合器后再经环行器输入到高非线性光纤，作为高非线性光纤受激布里渊散射的泵浦光；

4)当f_c+f_m-f_p1＝±f_B时，f_m信号经相位调制器后输出的一阶上边带信号f_c+f_m和下边带信号f_c-f_m的强度不再相等，就可以探测得到频率为f_m的微波信号；当一阶上边带信号f_c+f_m被增强时，f_m+2Nf_B信号经相位调制器后输出的一阶上边带信号f_c+f_m+2Nf_B则被减弱，就可以探测到频率为f_m+2Nf_B的微波信号，从而实现了微波光子滤波器从频率f_m到频率f_m+2Nf_B的宽调谐，调谐范围为2Nf_B。

2.如权利要求1所述的一种宽调谐范围的单带通微波光子滤波器，其特征在于：选用波长为1550nm的激光器作载波光源，相位调制器工作的光波长为1525nm～1605nm，带宽为32GHz；网络分析仪的频率范围为40M～40GHz；探测器探测带宽为35GHz；高非线性光纤的受激布里渊增益线宽为Γ_B＝30MHz，布里渊频移量f_B＝11GHz，长度为1000米，增益和损耗峰值为5dB；隔离器的隔离度大于40dB。

3.如权利要求2所述的一种宽调谐范围的单带通微波光子滤波器，其特征在于：以激光器输出的光为载波，经强度调制器1、光滤波器1、强度调制器2、光滤波器2和强度调制器3处理后得到2个泵浦信号；激光器输出的1550nm的光信号经分路器后通过强度调制器1被频率为f_p的微波信号调制，f_p的频率在11.5GHz～27GHz之间调节，强度调制器1输出的信号通过滤波器1后将1550nm的光载波和一阶下边带滤掉，光滤波器的输出仅剩一阶上边带，其频率为f_c+f_p；频率为f_c+f_p的信号输入到强度调制器2中，再次被频率为f_p的微波信号调制进行调制，再经过光学滤波器2选出频率为f_c+2f_p的上边带信号；频率为f_c+2f_p的信号再输入到强度调制器3中作为此时的载波信号，该信号通过强度调制器3被频率为受激布里渊频移量的信号调制，通过调整强度调制器3的直流偏压使其输出为载波抑制的双边带信号，即输出频率为f_c+2f_p-11GHz和f_c+2f_p+11GHz的两个信号，这两个信号将作为高非线性光纤受激布里渊散射的两个泵浦信号。

4.如权利要求3所述的一种宽调谐范围的单带通微波光子滤波器，其特征在于：强度调制器1和强度调制器2的带宽均为40GHz，强度调制器3的带宽为20GHz，强度调制器1和强度调制器2的直流偏压为5.3V，使其工作在线性区，强度调制器3的直流偏压为9V，能使该调制器输出为载波抑制的双边带调制，强度调制器1和强度调制器2上所加的频率为f_p的信号以及强度调制器3上所加的频率为f_B的信号是由微波信号源提供；光滤波器1和光滤波器2的波长调谐范围为1500nm到1600nm，3dB带宽为0.1nm。

5.如权利要求4所述的一种宽调谐范围的单带通微波光子滤波器，其特征在于：f_p的频率为11.5GHz，通过三次强度调制以后产生两个泵浦信号的频率分别为f_c+12GHz和f_c+34GHz，在网络分析仪输出的频率连续的信号中，只有1GHz的信号经过相位调制后，其上边带比f_c+12GHz的泵浦信号的频率低一个受激布里渊频移量，则频率为f_c+1GHz的信号被加强，即1GHz信号的上、下两个边带的强度不再相等，能被探测器探测后送入网络分析仪中，测试出频谱，其它频率的信号由于上、下两个边带强度相等，所以不会被探测输出；当调整f_p的频率为27GHz时，则滤波器输出信号的信号频率为32GHz，f_p的频率在11.5～27GHz变化时，则相应的频率为1GHz～32GHz的微波信号被滤出，经探测器后由网络分析仪检出。