CN103457675A - 基于宽谱光源的单通带可调谐微波光子滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于宽谱光源的单通带可调谐微波光子滤波器，包括：光源用于提供宽谱光；偏振调制器，偏振调制器与光源相连，用于分别在偏振调制器的快轴和慢轴方向调整宽谱光的偏振方向；差分群延时器，差分群延时器与偏振调制器相连，用于对调整后的宽谱光进行相位延时；检偏器，检偏器与差分群延时器相连，用于将快轴和慢轴上的延迟光进行合并；色散介质，色散介质与检偏器相连，用于将合并光通过色散介质，以对合并光进行滤波；光电探测器，光电探测器与色散介质相连，用于检测调制在合并光上的电信号。根据本发明实施例的滤波器，无需对偏振调制器设置直流偏置，就能够消除基带响应和由色散介质所造成的功率衰落，同时保持滤波通带形状不变。

Description

基于宽谱光源的单通带可调谐微波光子滤波器

技术领域

本发明涉及微波光子技术领域，特别涉及一种基于宽谱光源的单通带可调谐微波光子滤波器。

背景技术

微波光子滤波器是将微波信号调制到光波上，利用光子技术对微波信号进行幅度相位处理的一种新型器件，借鉴传统电学数字信号处理的方法，现有的微波光子滤波器是将微波信号承载在不同的光载波抽头上，并分别对每个微波信号进行延时和加权合并。现有的微波光子滤波器与传统的电学微波滤波器相比具有工作频率高、带宽大、损耗小、抗电磁干扰等优势。微波光子滤波器根据抽头数量是否有限，可以分为有限冲激响应微波光子滤波器和无限冲激响应微波光子滤波器。相比之下，无限冲激响应微波光子滤波器因为有较多的抽头数量，因而形成的滤波器通带选择性更好，但是有限冲激响应微波光子滤波器则具有阻带抑制比高、可重构能力强、结构灵活的特点。

目前，有限冲激响应微波光子滤波器的光源一般采用光谱离散的光频梳或光谱连续的宽谱光源。根据离散时间微波光子信号处理的理论，微波光子滤波器的传递函数与光源光谱的傅里叶变换相关，使得基于光频梳的微波光子滤波器表现出周期性的频域传递函数，其工作带宽受到奈奎斯特采样频率的约束，因此极大地限制了其应用。而基于宽谱光源的微波光子滤波器自由谱宽为无限大，不再对待处理信号的带宽有限制。另外，宽谱光源往往采用掺铒光纤放大器或者白光LED来实现，相比光频梳方案成本低很多，具有更广泛的应用前景。这种滤波器一般采用对宽谱光进行周期性光谱切割的方法来形成多抽头。图1为根据本发明一个实施例的现有光谱切割滤波器的结构框图。如图1所示，具有非相干宽带连续光谱的光源101首先经过一个周期性光滤波器102进行频谱切割，然后进入调制器103进行直接强度/相位调制，加载待滤波的电信号。携带有电信号的光波再经过一个色散介质104，最后由光电探测器104接收并还原为电信号。该过程中，经过频谱切割的宽谱光作为电信号的抽头，因具有不同的中心波长而在经过色散介质时给电信号带来不同的群延时。群延时间隔决定了滤波器的中心频率。而控制宽谱光源的幅度包络即可实现对滤波器各抽头权重的控制，从而最终将改变滤波器的形状。

现有的基于宽谱光源切割的有限冲激响应微波光子滤波器在走向应用中存在如下缺陷：

（1）若采用普通电光调制器进行双边带调制，例如，强度调制或相位调制，最终滤波器的传递函数将受到色散介质所引起的功率衰落的影响，使滤波器中心频率无法调谐到某些功率衰落极大值点。

（2）如果采用单边带调制，滤波器不再受到色散衰落的影响，但是单边带调制需要对调制器的直流偏置点进行配置，解决偏置点漂移的问题。另外，采用单边带调制时，滤波器的频域响应曲线中除了需要的通带外还将有一个较大的基带响应，容易对微波系统造成危害。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于宽谱光源的单通带可调谐微波光子滤波器。

为达到上述目的，本发明的实施例提出一种基于宽谱光源的单通带可调谐微波光子滤波器，包括：光源，用于提供宽谱光；偏振调制器，所述偏振调制器与所述光源相连，用于分别在所述偏振调制器的快轴和慢轴方向调整所述宽谱光的偏振方向；差分群延时器，所述差分群延时器与所述偏振调制器相连，用于对调整后的宽谱光进行相位延时；检偏器，所述检偏器与所述差分群延时器相连，用于将快轴和慢轴上的延迟光进行合并；色散介质，所述色散介质与所述检偏器相连，用于将合并光通过所述色散介质，以对所述合并光进行滤波；以及光电探测器，所述光电探测器与所述色散介质相连，用于探测合并光上滤波后的电信号。

根据本发明实施例的滤波器，无需对偏振调制器设置直流偏置，就能够消除基带响应和由色散介质所造成的功率衰落，同时还可以保持滤波通带形状不变。

在本发明的一个实施例中，所述宽谱光入射到所述偏振调制器的入射角度为45°。

在本发明的一个实施例中，所述差分群延时器通过磁光效应偏振开关阵列和双折射晶体组在快轴和慢轴上对调整后的宽谱光进行延时。

在本发明的一个实施例中，所述可调谐微波光子滤波器的调谐范围和调谐精度由所述差分群延时器和所述色散介质决定。

在本发明的一个实施例中，所述可调谐微波光子滤波器的响应速度与所述差分群延时器的响应速度相关。

在本发明的一个实施例中，所述差分群延时器进行相位延迟后的微波传输函数通过如下公式表示，所述公式为， $H_{\mathrm{RF}}\left(\mathrm{\Ω}\right)\∝\∫S\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-j{\mathrm{\β}}_2\mathrm{L\Ω\ω}}\sin (\frac{{\mathrm{\β}}_{2}L{\mathrm{\Ω}}^2}{2}+\mathrm{\ω\Δ\τ})\mathrm{d\ω},$ 其中，ω和Ω分别

$\∝e^{j\frac{{\mathrm{\β}}_{2}L{\mathrm{\Ω}}^2}{2}}(F_{\mathrm{\Ω}}\left(S\left(\mathrm{\ω}\right)\right)*\mathrm{\δ}(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_0^{\′}))$

为光频率和微波频率，Δτ为延时大小，j为虚数单位，S(ω)为宽谱光源的功率谱密度函数，β₂L为色散介质的色散量，Ω'₀为滤波器通带中心频率，F_Ω

表示傅里叶变换运算，δ(Ω-Ω'₀)为单位冲激响应，H_RF(Ω)为微波信号的频域传输函数。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的现有光谱切割滤波器的结构框图；

图2为根据本发明一个实施例的基于宽谱光源的单通带可调谐微波光子滤波器的示意图；

图3为根据本发明一个实施例的基于宽谱光源的单通带可调谐微波光子滤波器的结构框图；

图4为根据本发明一个实施例的基于宽谱光源的单通带可调谐微波光子滤波器的实验装置图；

图5为根据本发明一个实施例的现有光谱切割滤波器的实验装置图；以及

图6为根据本发明一个实施例的本发明与现有滤波器的滤波结果对比图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图2为根据本发明一个实施例的基于宽谱光源的单通带可调谐微波光子滤波器的示意图。图3为根据本发明一个实施例的基于宽谱光源的单通带可调谐微波光子滤波器的结构框图。如图2和图3所示，根据本发明实施例的基于宽谱光源的单通带可调谐微波光子滤波器包括。光源201、偏振调制器202、差分群延时器203、检偏器204、色散介质205和光电探测器206。

其中，光源201用于提供宽谱光。

偏振调制器202偏振调制器与光源相连，用于分别在偏振调制器的快轴和慢轴方向调整宽谱光的偏振方向。其中，宽谱光入射到偏振调制器202的入射角度为45°。

在本发明的一个实施例中，偏振调制器202包括光载波和边带偏振正交分离单元构成。偏振调制器202将输入的宽谱光源经过一个起偏器调整偏振方向使其沿偏振调制器电光晶体的快轴（或慢轴）45°方向入射。偏振调制器202在快轴和慢轴方向具有大小相同符号相反的电光相位调制系数，因而在快轴和慢轴两个偏振方向上光载波分量为同相，而两个相位调制边带分量为反相，这样合成后的载波和两边带的偏振矢量方向垂直，从而实现了光载波与边带的偏振正交分离。另外，两边带与光载波的相位关系符合相位调制特征，即上下边带与载波的拍频反相，有利于消除基带响应，实现真正的单通带微波光子滤波器。

差分群延时器203差分群延时器与偏振调制器相连，用于对调整后的宽谱光进行相位延时。

在本发明的一个实施例中，差分群延时器203对调整后的宽谱光进行相位延时的范围为0～100ps。

差分群延时器203通过磁光效应偏振开关阵列和双折射晶体组在快轴和慢轴上对调整后的宽谱光进行延时。

在本发明的一个实施例中，可调谐微波光子滤波器的响应速度与差分群延时器203的响应速度相关。

在本发明的一个实施例中，差分群延时器203进行相位延迟后的微波传输函数通过如下公式表示，公式为， $H_{\mathrm{RF}}\left(\mathrm{\Ω}\right)\∝\∫S\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-j{\mathrm{\β}}_2\mathrm{L\Ω\ω}}\sin (\frac{{\mathrm{\β}}_{2}L{\mathrm{\Ω}}^2}{2}+\mathrm{\ω\Δ\τ})\mathrm{d\ω},$ 其中，ω和Ω分别为光

$\∝e^{j\frac{{\mathrm{\β}}_{2}L{\mathrm{\Ω}}^2}{2}}(F_{\mathrm{\Ω}}\left(S\left(\mathrm{\ω}\right)\right)*\mathrm{\δ}(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_0^{\′}))$

频率和微波频率，Δτ为延时大小，j为虚数单位，S(ω)为宽谱光源的功率谱密度函数，β₂L为色散介质的色散量，Ω'₀为滤波器通带中心频率Ω₀′=Δτ/(β₂L)，F_Ω(S(ω))表示傅里叶变换运算，δ(Ω-Ω'₀)为单位冲激响应，H_RF(Ω)为微波信号的频域传输函数。由于在载波与边带间引入延时Δτ后，载波与边带拍频得到的微波信号同时受到色散导致功率衰落和延时带来的线性相移的影响，不同抽头之间不再具有相同的功率衰落曲线，因而消除了色散导致的功率衰落。另外，本发明的滤波器通带受差分群延时203控制，因而可以通过改变差分群延时器的差分群延时大小Δτ来实现调谐。

检偏器204检偏器与差分群延时器相连，用于将快轴和慢轴上的延迟光进行合并。

色散介质205色散介质与检偏器相连，用于将合并光通过色散介质，以对合并光进行滤波。

在本发明的一个实施例中，可调谐微波光子滤波器的调谐范围和调谐精度由差分群延时器203和色散介质205决定。

光电探测器206光电探测器与色散介质相连，用于探测合并光上滤波后的电信号。

为了验证本发明的有益效果进行了如下对比试验。

图4为根据本发明一个实施例的基于宽谱光源的单通带可调谐微波光子滤波器的实验装置图。如图4所示，采用掺铒光纤放大器的自发辐射谱作为宽谱光源301，经过矩形光滤波器302选择带宽为1nm的光谱，经过放大器303、起偏器304后进偏振控制器305，然后进入偏振调制器306。偏振调制器306输出端通过偏振控制器307与差分群延时器308相接，再经一个偏振控制器309进入检偏器310。接着进入色散量为1070ps/nm的普通单模光纤312中，最后由光电探测器313接收。将偏振控制器307至检偏器310的部分移到起偏器304与偏振控制器305之间，同时用普通相位调制器315替代偏振调制器306，可以构建现有光谱切割滤波器，具体如图5所示。利用网络分析仪309来测试现有光谱切割滤波器和基于本发明方法的滤波器的频域传输函数曲线，并进行对比。

图6为根据本发明一个实施例的本发明与现有滤波器的滤波结果对比图。如图6所示，其中，（a）为现有滤波器的滤波传输函数，（b）为本发明滤波器的滤波传输函数，差分群延时308的延时大小分别为25ps、90ps和100ps，对应地，在现有的滤波器和本发明的滤波器中都可以看到三组滤波传输函数曲线。但是，由于受到色散导致功率衰落的影响，采用现有滤波器在某些频率点处受到了极大的衰减，例如图6中采用90ps差分群延时得到的滤波器传输曲线本应在11GHz附近出现一个滤波通带，而实际却受到色散影响出现了功率衰落。而采用本发明方法滤波器的无论采用25ps、90ps还是100ps差分群延时，所得到的传输函数都能保持形状一致，没有受到色散的影响。而且滤波器在基带没有响应，只有一个通带。可见采用本发明的滤波器，能够使基于宽谱光源的有限冲击响应微波光子滤波器具有单通带、可调谐的能力。

根据本发明实施例的滤波器，无需对偏振调制器设置直流偏置，就能够消除基带响应和由色散介质所造成的功率衰落，同时保持滤波通带形状不变。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种基于宽谱光源的单通带可调谐微波光子滤波器，其特征在于，包括：

光源，用于提供宽谱光；

偏振调制器，所述偏振调制器与所述光源相连，用于分别在所述偏振调制器的快轴和慢轴方向调整所述宽谱光的偏振方向；

差分群延时器，所述差分群延时器与所述偏振调制器相连，用于对调整后的宽谱光进行相位延时；

检偏器，所述检偏器与所述差分群延时器相连，用于将快轴和慢轴上的延迟光进行合并；

色散介质，所述色散介质与所述检偏器相连，用于将合并光通过所述色散介质，以对所述合并光进行滤波；以及

光电探测器，所述光电探测器与所述色散介质相连，用于探测合并光上滤波后的电信号。

2.如权利要求1所述的基于宽谱光源的单通带可调谐微波光子滤波器，其特征在于，所述宽谱光入射到所述偏振调制器的入射角度为45°。

3.如权利要求1所述的基于宽谱光源的单通带可调谐微波光子滤波器，其特征在于，所述差分群延时器通过磁光效应偏振开关阵列和双折射晶体组在快轴和慢轴上对调整后的宽谱光进行延时。

4.如权利要求1所述的基于宽谱光源的单通带可调谐微波光子滤波器，其特征在于，所述可调谐微波光子滤波器的调谐范围和调谐精度由所述差分群延时器和所述色散介质决定。

5.如权利要求1所述的基于宽谱光源的单通带可调谐微波光子滤波器，其特征在于，所述可调谐微波光子滤波器的响应速度与所述差分群延时器的响应速度相关。

6.如权利要求1所述的基于宽谱光源的单通带可调谐微波光子滤波器，其特征在于，所述差分群延时器进行相位延迟后的微波传输函数通过如下公式表示，所述公式为，

$H_{\mathrm{RF}}\left(\mathrm{\Ω}\right)\∝\∫S\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-j{\mathrm{\β}}_2\mathrm{L\Ω\ω}}\sin (\frac{{\mathrm{\β}}_{2}L{\mathrm{\Ω}}^2}{2}+\mathrm{\ω\Δ\τ})\mathrm{d\ω},$

$\∝e^{j\frac{{\mathrm{\β}}_{2}L{\mathrm{\Ω}}^2}{2}}(F_{\mathrm{\Ω}}\left(S\left(\mathrm{\ω}\right)\right)*\mathrm{\δ}(\mathrm{\Ω}-{\mathrm{\Ω}}_0^{\′}))$

其中，ω和Ω分别为光频率和微波频率，Δτ为延时大小，j为虚数单位，S(ω)为宽谱光源的功率谱密度函数，β₂L为色散介质的色散量，Ω'₀为滤波器通带中心频率，F_Ω(S(ω))表示傅里叶变换运算，δ(Ω-Ω'₀)为单位冲激响应，H_RF(Ω)为微波信号的频域传输函数。

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