CN103324002B - 一种可重构单带通微波光子滤波系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可重构单带通微波光子滤波系统与方法，属于微波光子技术领域。该装置包括：激光器、光分路器、电光相位调制器、光隔离器、第一偏振控制器、高非线性介质、泵浦微波源、电光强度调制器、光放大器、第二偏振控制器、光环形器、光电探测器。该微波光子滤波系统，利用高非线性介质中的受激布里渊散射效应进行单带通微波光子滤波，通过调控泵浦微波的频谱，实现滤波重构功能。本发明解决了现有周期性微波光子滤波系统的滤波范围限制和滤波波形不易重构的问题，具有稳定性高、操作方便的优点。

Description

一种可重构单带通微波光子滤波系统与方法

技术领域

本发明属于微波光子技术领域，具体涉及一种可重构单带通微波光子滤波系统与方法。

背景技术

滤波器是微波信号处理的重要功能单元，与传统的电滤波器相比，微波光子滤波器具有低损耗、大带宽、抗电磁干扰等优势，在基于微波光子技术的宽带无线接入网、相控阵天线、智能交通系统等领域中具有广阔的应用前景。

微波光子滤波器具有单带通、可重构功能，以满足动态变化微波信道的选取，是微波光子滤波技术应用中所亟需解决的问题，长期以来受到科研人员的极大关注。

在先技术[1](XiaokeYi,R.A.Minasian.“Microwavephotonicfilterwithsinglebandpassresponse”,ElectronicsLetters,2009,Vol.45,No.7,pp.362–363)中采用电光相位调制技术将微波信号调制到光载波上，然后通过两个串联的光纤光栅分别反射选通光载波与一个边带，经光电探测后实现了单带通滤波功能。但是该滤波系统的分辨率较低（3dB带宽为2GHz），并且未能实现滤波频率的调谐。

在先技术[2](WangzheLi,MingLi,JianpingYao.“Anarrow-passbandandfrequency-tunablemicrowavephotonicfilterbasedonphase-modulationtointensity-modulationconversionusingaphase-shiftedfiberBragggrating”,IEEEMicrowaveTheoryandTechniques,IEEETransactionson.2012,Vol.60,No.5,pp.1287-1296）中采用相移光纤光栅（PS-FBG）代替先技术[1]中的普通光纤光栅，利用PS-FBG的窄带反射特性，将滤波3dB带宽降低为约72MHz，提高了分辨率，通过对可调谐激光器输出波长的调谐，实验上实现了约15GHz范围的微波滤波频率调谐。但是，由于PS-FBG相位响应的非线性，不同频率下的滤波带宽存在约15MHz的浮动，为了保证滤波带宽的一致性，对设计与制作PS-FBG提出了较为苛刻要求；另外，PS-FBG一旦制作完成，其带宽则不可改变，因此难以实现滤波带宽的重构；该系统的滤波频率调谐是通过可调谐激光器输出波长的改变来获得的，这需要对激光器输出波长进行精确的调控，增加了系统的复杂性。

在先技术[3](Bolea,J.Mora,B.Ortega.“Highlychirpedsingle-bandpassmicrowavephotonicfilterwithreconfigurationcapabilities”,OpticsExpress,2011,Vol.19,No.5,pp.4566-4576)中以多信道光源（宽带光源和信道选择器构成）、电光强度调制器、非线性色散元件、马赫-曾德干涉仪和平衡光电探测器构成微波光子滤波系统；通过改变马赫-曾德干涉仪中一臂延时量，实现大范围（至40GHz）的滤波频率调谐；通过对多信道光源的带宽及非线性色散元件延时量的控制实现了滤波波形的重构。但是该系统马赫-曾德干涉仪两臂的延时差容易受到外界环境（如温度、震动等）的改变，从而会影响到滤波频率的稳定性；另外，为了获得波形的重构，多信道光源的带宽与幅度必须精确调控，同时需要与非线性色散元件的延时量严格匹配，这在一定程度上增加了系统的复杂性。

发明内容

本发明提供一种可重构单带通微波光子滤波系统及方法，有效解决背景技术中滤波分辨率低、重构难度大、系统结构复杂等问题，

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：提供一种可重构单带通微波光子滤波系统及方法。所述可重构单带通微波光子滤波系统，包括：激光器（1）、光分路器（2）、电光相位调制器（3）、光隔离器（4）、第一偏振控制器（5）、高非线性介质（6）、泵浦微波源（7）、电光强度调制器（8）、光放大器（9）、第二偏振控制器（10）、光环形器（11）、光电探测器（12）。

所述泵浦微波源（7）包括：微波发生器（71）、微波调制器（72）、伪随机码发生器（73），三者通过电路相连。

所述泵浦微波源（7）与电光强度调制器（8）之间是电路相连。

所述激光器（1）、光分路器（2）、电光相位调制器（3）、光隔离器（4）、第一偏振控制器（5）、高非线性介质（6）、电光强度调制器（8）、光放大器（9）、第二偏振控制器（10）、光环形器（11）和光电探测器（12）之间是光路相连。

所述高非线性介质（6）中发生受激布里渊散射，布里渊频移为f_B。高非线性介质（6）是色散位移光纤、非零色散位移光纤与色散补偿光纤的组合、高非线性光子晶体光纤或高非线性集成光波导。

所述光放大器（9）用于对泵浦微波调制光载波的功率放大，以满足高非线性介质（6）中发生受激布里渊散射的功率要求。光放大器（9）是掺铒光纤放大器、半导体光放大器或集成波导光放大器。

所述光电探测器（12）的响应带宽为2f_B。通过光电探测器（12）的光电转换获得单带通微波信号输出。

本发明提供一种可重构单带通微波光子滤波方法，滤波功能实现包括以下步骤：激光器（1）发出的光波经光分路器（2）分为两路；待处理的宽谱微波信号经电光相位调制器（3）调制到第一支路光波上，经光隔离器（4）和第一偏振控制器（5）进入高非线性介质（6）；泵浦微波源（7）发出微波经电光强度调制器（8）调制到第二支路光波上，经光放大器（9）和第二偏振控制器（10）后，由光环形器（11）输出进入高非线性介质（6）；在高非线性介质（6）中相向传播的待处理光载宽谱微波信号边带与光载泵浦微波边带发生受激布里渊散射散射，待处理光载宽谱微波信号中需要被提取的频率信号被受激布里渊散射散射选择放大后经光环形器（11）输出至光电探测器（12），经光电探测器（12）光电转换后输出需要被提取频率的微波信号。在高非线性介质中的受激布里渊散射满足如下关系：

f_RF=f_P-f_B（1）

或

f_RF=f_P+f_B（2）

其中f_RF是输入微波信号的频率，f_P是泵浦微波的频率，f_B是高非线性介质的布里渊频移。在输入的宽谱微波信号中，只有频率满足公式（1）或公式（2）的信号才能够被受激布里渊散射选择性放大，最后由光电探测器（12）光电转换输出，实现单带通微波光子滤波功能。通过改变泵浦微波信号的频率f_P可以实现单带通滤波频率f_RF的调谐。

泵浦调制的布里渊增益谱g(f)与泵浦微波满足如下关系：

$g\left(f\right)=S_P\left(f\right)\⊗g_B\left(f\right)---\left(3\right)$

其中S_P(f)为归一化泵浦微波功率谱，g_B(f)是通常布里渊放大过程的增益谱，表示卷积。由于布里渊增益谱的波形决定了微波光子滤波响应的波形，因此，通过改变泵浦微波源（7）中伪随机码发生器（73）的波形来改变泵浦微波的频谱，进而改变泵浦调制的布里渊增益谱，可实现微波光子滤波带宽的重构。

本发明的有益效果是：

（1）本发明可重构单带通微波光子滤波系统及方法，采用高非线性介质中的受激布里渊散射效应来获得高分辨率单带通滤波功能，通过泵浦微波频率的改变可以实现滤波频率的灵活调谐。

（2）本发明可重构单带通微波光子滤波系统及方法，通过对泵浦微波频谱的调控来实现单带通微波光子滤波波形的重构，极大降低了滤波系统的复杂性，操作方便。

（3）本发明可重构单带通微波光子滤波系统及方法，待处理宽谱微波信号的光载波与泵浦微波的光载波由同一激光器发出，保证了滤波过程中的频率稳定性。

（4）本发明可重构单带通微波光子滤波系统及方法，采用电光相位调制技术将宽谱微波信号调制到光载波上，利用受激布里渊散射效应实现需要被选通频率微波信号的选择性放大，其它频率微波信号无法通过光电转换恢复，因此可以有效抑制输出微波信号的噪声。

附图说明

图1是本发明可重构单带通微波光子滤波系统示意图。

图2是电光相位调制器输出的频谱示意图。

图3是电光强度调制器输出的频谱示意图。

图4是高非线性介质中两路光载微波受激布里渊散射过程之一（f_RF=f_P-f_B）的频谱示意图。

图5是高非线性介质中两路光载微波受激布里渊散射过程之二（f_RF=f_P+f_B）的频谱示意图。

图6是本发明实施例中不同滤波频率下的滤波响应3dB带宽。

图7是本发明实施例中不同泵浦调制带宽下微波光子滤波系统的滤波响应曲线。

图8是本发明实施例中不同泵浦调制带宽下微波光子滤波系统的滤波响应3dB带宽。

图中：

1-激光器；2-光分路器；3-电光相位调制器；4-光隔离器；5-第一偏振控制器；6-高非线性介质；7-泵浦微波源；71-微波发生器；72-微波调制器；73-伪随机码发生器；8-电光强度调制器；9-光放大器；10-第二偏振控制器；11-光环形器；12-光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明可重构单带通微波光子滤波系统包括：激光器1、光分路器2、电光相位调制器3、光隔离器4、第一偏振控制器5、高非线性介质6、泵浦微波源7、电光强度调制器8、光放大器9、第二偏振控制器10、光环形器11、光电探测器12。

上述泵浦微波源7包括：微波发生器71、微波调制器72、伪随机码发生器73，三者通过电路相连。

上述泵浦微波源7与电光强度调制器8之间是电路相连。

上述激光器1、光分路器2、电光相位调制器3、光隔离器4、第一偏振控制器5、高非线性介质6、电光强度调制器8、光放大器9、第二偏振控制器10、光环形器11和光电探测器12之间是光路相连。

所述高非线性介质6中发生受激布里渊散射，布里渊频移为f_B。高非线性介质6是色散位移光纤、非零色散位移光纤与色散补偿光纤的组合、高非线性光子晶体光纤或高非线性集成光波导。

所述光放大器9用于对泵浦微波调制光载波的功率放大，以满足高非线性介质6中发生受激布里渊散射的功率要求。光放大器9是掺铒光纤放大器、半导体光放大器或集成波导光放大器。

所述光电探测器12的响应带宽为2f_B。通过光电探测器12的光电转换获得单带通微波信号输出。

本发明可重构单带通微波光子滤波系统的工作原理为：

采用本发明可重构单带通微波光子滤波系统进行滤波时，激光器1发出的光波经光分路器2分为两路；待处理的宽谱微波信号经电光相位调制器调制到经光分路器2分出的第一支路光波上，获得相位共轭的双边带光载微波信号如图2所示；然后经光隔离器4和第一偏振控制器5进入高非线性介质6；泵浦微波源7发出微波经电光强度调制器8调制到经光分路器2分出的第二支路光波上，电光强度调制器处于载波抑制工作点，获得载波抑制双边带信号如图3所示；然后经光放大器9和第二偏振控制器10后，由光环形器11输出进入高非线性介质6；在高非线性介质6中相向传播的待处理光载宽谱微波信号边带与光载泵浦微波信号边带发生受激布里渊散射散射，满足频率条件f_RF=f_P-f_B图4所示或f_RF=f_P+f_B图5所示的微波信号被受激布里渊增益选择性放大，后经光环形器11输出至光电探测器12进行光电转换后得到需要提取的微波信号，进而实现单带通微波光子滤波功能。

通过改变泵浦微波信号的频率f_P可以实现单带通滤波频率f_RF的调谐。

泵浦微波源7中的微波发生器71产生本地微波信号，伪随机码发生器73产生波形可变的伪随机码信号，通过微波调制器72调控本地微波的频谱，获得被调制的泵浦微波。泵浦调制的布里渊增益谱g(f)与泵浦信号满足如下关系：

$g\left(f\right)=S_P\left(f\right)\⊗g_B\left(f\right)---2$

其中S_P(f)为归一化泵浦功率谱，g_B(f)是通常布里渊散射的增益谱，表示卷积。由于布里渊增益谱的波形决定了微波光子滤波响应的波形，通过改变伪随机码发生器73输出信号的波形来改变泵浦微波的频谱，进而改变泵浦调制的布里渊增益谱，可实现微波光子滤波波形的重构。

实施例

图1是本发明的可重构单带通微波光子滤波系统示意图。激光器1发出的光波经光分路器2分为两路；待处理的宽谱微波信号经电光相位调制器3调制到第一支路光波上，经光隔离器4和第一偏振控制器5进入高非线性介质6；泵浦微波源7发出微波信号经电光强度调制器8调制到第二支路光波上，经光放大器9和第二偏振控制器10后，由光环形器11输出进入高非线性介质6；在高非线性介质6中相向传播的待处理光载宽谱微波信号边带与光载泵浦微波信号边带发生受激布里渊散射散射，待处理光载宽谱微波信号中需要被提取的频率信号被选择放大后经光环形器11输出至光电探测器12，经光电探测器12光电转换后输出拟提取的微波信号。

高非线性介质6采用非零色散位移光纤6.1km与色散补偿光纤0.2km组合构成，测量得到其布里渊频移f_B为10.61GHz，输入至电光相位调制器3的是2GHz～7GHz的宽谱微波信号，利用受激布里渊散射条件公式1f_RF=f_P-f_B，设置泵浦微波源7输入至电光强度调制器8的泵浦微波频率分别取12.61GHz、13.61GHz、14.61GHz、15.61GHz、16.61GHz和17.61GHz，未对泵浦微波施加频谱调制，分别实现了2GHz、3GHz、4GHz、5GHz、6GHz和7GHz的单带通滤波功能。图6是测量得到的不同滤波频率下滤波响应的3dB带宽，可以看出泵浦微波确定的条件下，滤波带宽为一常数。

在泵浦微波频率为12.61GHz的条件下，对泵浦微波施加调制来改变其频谱带宽，测量不同泵浦调制带宽下,分别为19MHz、27MHz、31MHz、36MHz和40MHz的微波光子滤波系统的滤波响应特性，结果如图7所示。可以看出，随着泵浦调制带宽的增加，滤波响应3dB带宽随之增大，图8给出了滤波响应3dB带宽随泵浦调制带宽变化的关系曲线，可以看出二者呈线性变化关系。利用泵浦微波源7中的伪随机码发生器73可以产生几十MHz至几GHz的带宽的调制信号，将调制信号通过微波调制器72调制到微波发生器71输出的微波上，调控泵浦微波的频谱，进而可以实现微波光子滤波响应的灵活重构。

以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种可重构单带通微波光子滤波系统，其特征在于，该可重构单带通微波光子滤波系统包括激光器(1)、光分路器(2)、电光相位调制器(3)、光隔离器(4)、第一偏振控制器(5)、高非线性介质(6)、泵浦微波源(7)、电光强度调制器(8)、光放大器(9)、第二偏振控制器(10)、光环形器(11)和光电探测器(12)；

所述泵浦微波源(7)包括微波发生器(71)、微波调制器(72)、伪随机码发生器(73)，三者通过电路相连；该泵浦微波源(7)与电光强度调制器(8)之间是电路相连；

所述激光器(1)、光分路器(2)、电光相位调制器(3)、光隔离器(4)、第一偏振控制器(5)、高非线性介质(6)、电光强度调制器(8)、光放大器(9)、第二偏振控制器(10)、光环形器(11)和光电探测器(12)之间是光路相连 。

2.根据权利要求1所述的可重构单带通微波光子滤波系统，其特征在于，所述高非线性介质(6)中发生受激布里渊散射，布里渊频移为f_B；高非线性介质(6)是色散位移光纤、非零色散位移光纤与色散补偿光纤的组合、高非线性光子晶体光纤或高非线性集成光波导 。

3.根据权利要求2所述的可重构单带通微波光子滤波系统，其特征在于，所述光放大器(9)用于对泵浦微波调制光载波的功率放大，以满足高非线性介质(6)中发生受激布里渊散射的功率要求 。

4.根据权利要求3所述的可重构单带通微波光子滤波系统，光放大器(9)是掺铒光纤放大器、半导体光放大器或集成波导光放大器 。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的可重构单带通微波光子滤波系统，其特征在于，所述光电探测器(12)的响应带宽为2f_B；通过光电探测器(12)的光电转换获得单带通微波信号输出 。

6.利用权利要求1-5任一所述的可重构单带通微波光子滤波系统，进行微波光子滤波的方法，其特征在于：激光器(1)发出的光波经光分路器(2)分为两路；待处理的宽谱微波信号经电光相位调制器(3)调制到第一支路光波上，经光隔离器(4)和第一偏振控制器(5)进入高非线性介质(6)；泵浦微波源(7)发出微波经电光强度调制器(8)调制到第二支路光波上，经光放大器(9)和第二偏振控制器(10)后，由光环形器(11)输出进入高非线性介质(6)；在高非线性介质(6)中相向传播的待处理光载宽谱微波信号边带与光载泵浦微波边带发生受激布里渊散射散射，待处理光载宽谱微波信号中需要被提取的频率信号被受激布里渊散射散射选择放大后经光环形器(11)输出至光电探测器(12)，经光电探测器(12)光电转换后输出需要被提取频率的微波信号；在高非线性介质中的受激布里渊散射满足如下关系：

f_RF＝f_P-f_B(1)

或

f_RF＝f_P+f_B(2)

其中f_RF是输入微波信号的频率，f_P是泵浦微波的频率，f_B是高非线性介质的布里渊频移；在输入的宽谱微波信号中，只有频率满足公式(1)或公式(2)的信号才能够被受激布里渊散射选择性放大，最后由光电探测器(12)光电转换输出，实现单带通微波光子滤波功能；通过改变泵浦微波的频率f_P实现单带通滤波频率f_RF的调谐；

泵浦调制的布里渊增益谱g(f)与泵浦微波满足如下关系：

其中S_P(f)为归一化泵浦微波功率谱，g_B(f)是通常布里渊放大过程的增益谱，表示卷积；布里渊增益谱的波形决定了微波光子滤波响应的波形，通过改变泵浦微波源(7)中伪随机码发生器(73)的波形来改变泵浦微波的频谱，进而改变泵浦调制的布里渊增益谱，实现微波光子滤波带宽的重构。