CN103676399A

CN103676399A - 基于受激布里渊散射效应和二进制相移键控技术的高带宽微波光子滤波器

Info

Publication number: CN103676399A
Application number: CN201310694669.0A
Authority: CN
Inventors: 董玮; 肖永川; 陈维友; 张歆东; 刘彩霞; 阮圣平; 周敬然; 郭文滨; 沈亮; 温善鹏
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-12-17
Also published as: CN103676399B

Abstract

一种基于高非线性光纤受激布里渊散射效应和二进制相移键控技术实现的高带宽微波光子滤波器，属于微波光子学技术领域。由激光器、耦合器、第一相位调制器、光隔离器、矢量网络分析仪、高非线性光纤、强度调制器、光滤波器、第二相位调制器、脉冲码型发生器、掺铒光纤放大器、光环形器和光电探测器组成；本发明通过二进制相移键控调制技术展宽泵浦信号的带宽，展宽的泵浦信号就会产生展宽的受激布里渊增益谱，从而得到带宽展宽且带宽可调的单通带响应的微波光子滤波器系统。

Description

基于受激布里渊散射效应和二进制相移键控技术的高带宽微波光子滤波器

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二进制相移键控技术实现的高带宽微波光子滤波器。

背景技术

微波光子滤波器可以在光域直接处理微波和毫米波信号，它具有光子技术固有的大带宽，低损耗和抗电磁干扰的优势。而且微波光子滤波器具有灵活的可重构和可调谐性，这对于传统的电子技术是几乎不可能实现的。

微波光子滤波器的实现方法有很多，其中，负系数滤波器被用于消除基带谐振实现带通响应；复系数滤波器用于保证滤波器调谐过程中的频率响应特性不发生变化；单通带滤波器可以克服滤波器的周期响应特性从而减少其他频带带来的串扰。基于受激布里渊散射效应的微波光子滤波器由于具有单通带且有较高的带外抑制比，而被广泛的研究，但这种滤波器的输出响应与受激布里渊增益（或损耗）谱有关，而受激布里渊增益（或损耗）的带宽通常较窄，所以这种滤波器的通带较窄，不适合于高速率的通信系统。

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二进制相移键控技术实现的高带宽的微波光子滤波器。

本发明所述的高带宽微波光子滤波器的结构如图1所示，由激光器、耦合器、第一相位调制器、光隔离器、矢量网络分析仪、高非线性光纤、强度调制器、光滤波器、第二相位调制器、脉冲码型发生器、掺铒光纤放大器、光环形器和光电探测器组成。

激光器输出频率为f_c的单频光信号（图2（1））经耦合器一分为二，其中上支路的光信号作为光载波被送到第一相位调制器中，由矢量网络分析仪扫频输出的一系列待滤波的小幅微波信号通过第一相位调制器加载到光载波上，经第一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（图2（2）表示其中频率为f_m的信号调制后的频谱）经光隔离器进入到高非线性光纤中；

下支路的光信号（图2（3））首先经过强度调制器被频率为f₀的小幅微波信号调制，在小幅信号f₀调制下，除了一阶上下边带和载波，其余边带被忽略掉（图2（4））。然后调制产生的一阶边带和载波进入光滤波器，将一阶下边带和载波滤掉仅留下一阶上边带f_c+f₀（图2（5）），此上边带信号接着被输入到第二相位调制器中。脉冲码型发生器产生速率为B并且概率相等的1，-1脉冲序列作为第二相位调制器的电信号输入，从而对光滤波器的输出信号进行二进制相移键控调制，经过二进制相移键控调制后，频率为f_c+f₀的一阶上边带信号的频谱得到展宽（图2（7），图2（6）为受激布里渊散射固有的增益谱），然后通过掺铒光纤放大器再经过环形器的2端口输入并由1端口输出进入到高非线性光纤中，作为高非线性光纤受激布里渊散射的泵浦信号。第一相位调制器输出的信号和泵浦信号在高非线性光纤中相互作用，发生受激布里渊散射后，通过环形器的1端口输入，从环形器的3端口输出，然后通过光电探测器进行光电转换后送入矢量网络分析仪，由矢量网络分析仪对其测试图2（8）。

对于一个基本的相位调制链路，如果采用平方率检波的方式，不能探测到任何频率的信号。本发明将第一相位调制器输出信号输入到高非线性光纤中，基于受激布里渊散射效应，得到一个单通带响应的滤波器系统。

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一系列待滤波的小幅微波扫频信号通过第一相位调制器加载到光载波上，经第一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光隔离器进入到高非线性光纤中；在网络分析仪输出的一系列信号中，其中频率为f_m的微波信号经第一相位调制器后输出的一阶上边带信号的频率为f_c+f_m，一阶下边带信号的频率为f_c-f_m。经过二进制相移键控调制输出的频谱被展宽的中心频率为f_c+f₀的泵浦信号经环形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_m=f₀-f_B（f_B为高非线性光纤受激布里渊频移量）时，f_m信号经第一相位调制器后输出的一阶上边带信号f_c+f_m将被增强，因此上边带f_c+f_m和下边带f_c-f_m的强度不再相等，就可以探测得到频率为f_m=f₀-f_B的微波信号；由于该滤波器通带是通过映射受激布里渊散射效应产生的增益谱而得到的，所以通过对该增益谱进行展宽处理就可以得到通带带宽可调的滤波器系统。滤波器带宽展宽的频谱处理如图2所示，它是通过对f_c+f₀这个边带进行二进制相移键控调制得到展宽的泵浦信号，这个展宽的泵浦信号就会产生展宽的布里渊增益谱，从而使滤波器带宽变宽。通过调整强度调制器的输入微波信号的频率f₀，则滤波器输出信号的中心频率将发生变化，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，第一相位调制器和第二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50M～40GHz；光电探测器探测带宽为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=10GHz，长度为1000米，增益和损耗峰值为5dB；光隔离器的隔离度大于40dB；强度调制器的带宽为30GHz；光滤波器的波长调谐范围为1548nm～1552nm，线宽小于10GHz；掺铒光纤放大器的波长范围为1530～1560nm，放大倍数0dB～40dB；脉冲码型发生器的频率范围为15MHz～3.35GHz。

设定脉冲码型发生器输出概率相等的1，-1序列，脉冲的速率从0Gb/s到3Gb/s变化，可以得到不同带宽的增益谱，随着脉冲速率的增加，滤波器带宽逐渐增大。可是，随着带宽的增加，布里渊增益峰值减小，会导致滤波器带外抑制比减小。为了保证增益峰值不变从而保证高的带外抑制比，在谱展宽的过程中需要利用掺铒光纤放大器逐渐增大泵浦光的光功率。

本发明通过二进制相移键控调制技术展宽泵浦信号的带宽，展宽的泵浦信号就会产生展宽的受激布里渊增益谱，从而得到带宽展宽且带宽可调的单通带响应的微波光子滤波器系统。普通的微波光子滤波器的带宽是受激布里渊散射效应的谱宽，本发明采用二进制相移键控技术展宽泵浦信号之后，得到的微波光子滤波器的带宽可以从10.98MHz到2GHz，并且带宽可以调谐。

附图说明

图1：高带宽微波光子滤波器结构示意图；

图2：高带宽微波光子滤波器的频谱展宽处理过程示意图；

图3：不同调制速率时受激布里渊增益谱；

图4：保证增益峰值不变时不同调制速率时受激布里渊增益谱；

图5：滤波器的输出频谱随调制速率变化曲线；

图6：滤波器的带宽随调制速率变化曲线；

图7：通带中心频率为5GHz的不同带宽的滤波器响应曲线。

具体实施方式

实施例1：

选用Santec公司的TSL-510可调激光器作载波光源，设定波长为1550nm（对应频率为f_c=193.41THz），分路器（型号为ZG-A201）的分光比为1：1；第一相位调制器和第二相位调制器为Photline公司的MPZ-LN-40，带宽为32GHz；网络分析仪为安捷伦的8722ES矢量网络分析仪，频率范围为50M-40GHz；光电探测器为泰克公司的SD-48，带宽为35GHz；长飞光纤光缆有限公司的高非线性光纤，布里渊增益线宽为Γ_B=30MHz，布里渊频移f_B=10GHz，长度为1000米，增益和损耗峰值为5dB；光隔离器的隔离度大于40dB；强度调制器为Photline公司的MXAN-LN-40，带宽为32GHz；Santec公司的可调谐光滤波器，型号为OTF-950，波长调谐范围为1548nm到1552nm，线宽小于10GHz；中兴通讯有限公司的掺铒光纤放大器，波长范围为1530～1560nm，放大倍数0dB～40dB；安捷伦公司的脉冲码型发生器，型号为81134A，频率范围为15MHz～3.35GHz。

按图1连接好相应的仪器设备，激光器的波长设定为1550nm，网络分析仪输出频率范围为50MHz～40GHz的微波信号通过第一相位调制器加载到光载波上，第一相位调制器输出的信号通过光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的光信号首先进入到强度调制器中，被频率为f₀=15GHz的微波信号调制，强度调制器的输出经光滤波器将频率为f_c的载波和频率为f_c-f₀一阶下边带滤掉，光滤波器的输出仅剩一阶上边带，其频率为f_c+f₀。频率为f_c+f₀的信号送入到第二相位调制器中，被脉冲码型发生器输出的信号进行二进制相移键控调制，脉冲码型发生器输出概率相等的1，-1序列，脉冲速率分别设定为0Gb/s、0.1Gb/s、0.2Gb/s、0.3Gb/s、0.5Gb/s、1Gb/s和3Gb/s，经调制后得到频谱展宽的泵浦信号，然后送入掺铒光纤放大器放大，通过掺铒光纤放大器放大的信号通过环形器的2端口输入并由1端口输出进入到高非线性光纤，在高非线性光纤中，第一相位调制器输出的信号和掺铒光纤放大器输出的展宽的泵浦信号相互作用，发生受激布里渊散射效应，与泵浦信号f_c+f₀的频率间隔为f_B的信号将被增强，因此将会被滤波输出。由于泵浦信号是以f_c+f₀为中心频率，具有一定频带宽度的信号，因此对应滤波器的输出频谱也具有一定的宽度。图3给出了链路中掺铒光纤放大器的放大倍数保持25dB时，脉冲码型发生器输出信号的速率与布里渊增益谱展宽情况之间的关系，从图3中可以看出随着脉冲速率的增加，受激布里渊增益谱的带宽将会增加。可是，随着带宽的增加，布里渊增益峰值减小，会导致带外抑制比的减小，所以在谱展宽的过程中要逐渐增大泵浦光的功率，以保证增益峰值不变从而保证高的带外抑制比。图4给出了当调制速率分别为0Gb/s、0.1Gb/s、0.2Gb/s、0.3Gb/s、0.5Gb/s、1Gb/s和3Gb/s时，掺铒光纤放大器的放大倍数对应设置为25dB、25.67dB、28dB、29.4dB、31.3dB、34.21dB和38.87dB，即保证增益峰值不变时的受激布里渊增益谱。图5给出了在保证增益峰值不变的情况下，调制信号速率变化时滤波器的输出频谱。图6为滤波器的带宽随调制速率变化的曲线，可以看出，随着调制速率增加，滤波器的带宽线性增加，当调制速率分别为0Gb/s、0.1Gb/s、0.2Gb/s、0.3Gb/s、0.5Gb/s、1Gb/s和3Gb/s时，对应滤波器通带的带宽分别为10.98MHz、46MHz、86MHz、128MHz、210MHz、414MHz和1235MHz。由于f₀的频率为15GHz，所以频率为f₀-f_B=5GHz的信号将被滤波输出，不同带宽情况下的滤波器响应见图7，图7中可以看出在25GHz时还有一个通带输出，这是因为受激布里渊散射的频移量为10GHz，泵浦信号将在频率为5GHz和25GHz分别产生增益和损耗区。从而实现滤波器的频率调谐范围为20GHz，对应不同的调制速率0Gb/s、0.1Gb/s、0.2Gb/s、0.3Gb/s、0.5Gb/s、1Gb/s和3Gb/s时，对应滤波器通带的带宽分别为10.98MHz、46MHz、86MHz、128MHz、210MHz、414MHz和1235MHz。

Claims

1.一种基于高非线性光纤受激布里渊散射效应和二进制相移键控技术实现的高带宽微波光子滤波器，其特征在于：由激光器、耦合器、第一相位调制器、光隔离器、矢量网络分析仪、高非线性光纤、强度调制器、光滤波器、第二相位调制器、脉冲码型发生器、掺铒光纤放大器、光环形器和光电探测器组成；

激光器输出频率为f_c的单频光信号经耦合器一分为二，其中上支路的光信号作为光载波被送到第一相位调制器中，由矢量网络分析仪扫频输出的一系列待滤波的小幅微波信号通过第一相位调制器加载到光载波上，经第一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光隔离器进入到高非线性光纤中；

下支路的光信号首先经过强度调制器被频率为f₀的小幅微波信号调制，在小幅信号f₀调制下，除了一阶上下边带和载波，其余边带被忽略掉；然后调制产生的一阶上下边带和载波进入光滤波器，将一阶下边带和载波滤掉仅留下一阶上边带f_c+f₀，此一阶上边带信号接着被输入到第二相位调制器中；

脉冲码型发生器产生速率为B并且概率相等的1，-1脉冲序列作为第二相位调制器的电信号输入，从而对光滤波器的输出信号进行二进制相移键控调制，经过二进制相移键控调制后，频率为f_c+f₀的一阶上边带信号的频谱得到展宽，然后通过掺铒光纤放大器再经过环形器的2端口输入并由1端口输出进入到高非线性光纤中，作为高非线性光纤受激布里渊散射的泵浦信号；

第一相位调制器输出的信号和泵浦信号在高非线性光纤中相互作用，发生受激布里渊散射后，通过环形器的1端口输入，从环形器的3端口输出，然后通过光电探测器进行光电转换后送入矢量网络分析仪，由矢量网络分析仪对其测试；

通过二进制相移键控调制技术展宽泵浦信号的带宽，展宽的泵浦信号产生展宽的受激布里渊增益谱，从而得到带宽展宽且带宽可调的单通带响应的微波光子滤波器系统。

2.如权利要求1所述的一种基于高非线性光纤受激布里渊散射效应和二进制相移键控技术实现的高带宽微波光子滤波器，其特征在于：选用波长为1550nm的激光器作载波光源。

3.如权利要求1所述的一种基于高非线性光纤受激布里渊散射效应和二进制相移键控技术实现的高带宽微波光子滤波器，其特征在于：第一相位调制器和第二相位调制器工作的光波长为1525nm～1605nm，带宽为32GHz。

4.如权利要求1所述的一种基于高非线性光纤受激布里渊散射效应和二进制相移键控技术实现的高带宽微波光子滤波器，其特征在于：网络分析仪的频率范围为50M～40GHz。

5.如权利要求1所述的一种基于高非线性光纤受激布里渊散射效应和二进制相移键控技术实现的高带宽微波光子滤波器，其特征在于：光电探测器探测带宽为35GHz。

6.如权利要求1所述的一种基于高非线性光纤受激布里渊散射效应和二进制相移键控技术实现的高带宽微波光子滤波器，其特征在于：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=10GHz，长度为1000米，增益和损耗峰值为5dB。

7.如权利要求1所述的一种基于高非线性光纤受激布里渊散射效应和二进制相移键控技术实现的高带宽微波光子滤波器，其特征在于：光隔离器的隔离度大于40dB，强度调制器的带宽为30GHz。

8.如权利要求1所述的一种基于高非线性光纤受激布里渊散射效应和二进制相移键控技术实现的高带宽微波光子滤波器，其特征在于：光滤波器的波长调谐范围为1548nm～1552nm，线宽小于10GHz。

9.如权利要求1所述的一种基于高非线性光纤受激布里渊散射效应和二进制相移键控技术实现的高带宽微波光子滤波器，其特征在于：掺铒光纤放大器的波长范围为1530～1560nm，放大倍数0dB～40dB；脉冲码型发生器的频率范围为15MHz～3.35GHz。