CN103986529A

CN103986529A - 高带宽可调谐双通带微波光子滤波器

Info

Publication number: CN103986529A
Application number: CN201410244786.1A
Authority: CN
Inventors: 董玮; 肖永川; 张歆东; 阮圣平; 陈维友
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2014-06-04
Filing date: 2014-06-04
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2034-06-04
Also published as: CN103986529B

Abstract

一种高带宽可调谐双通带微波光子滤波器，属于微波光子学领域，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高带宽可调谐双通带微波光子滤波器。由第一激光器，第一相位调制器，光隔离器，矢量网络分析仪，高非线性光纤，第二激光器，强度调制器，微波信号源，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。本发明基于相位调制和两个泵浦信号引起的受激布里渊散射效应，从而实现微波光子滤波器双通带输出。通过改变两个泵浦信号的频率，能够实现一定频率范围内的两个通带中心频率任意可调。通过对泵浦信号进行二进制相移键控调制，改变泵浦信号的带宽，从而实现滤波器输出带宽的调节。

Description

高带宽可调谐双通带微波光子滤波器

技术领域

本发明属于微波光子学领域，涉及一种基于高非线性光纤受激布里渊散射效应、双泵浦信号和二进制相移键控调制技术的高带宽可调谐双通带微波光子滤波器。

背景技术

随着无线通信、雷达和遥感技术的飞速发展，微波频率资源越来越紧张，又由于通信模式的多样化，单频段的通信将很难满足需求，因此，同时工作在两个或多个频段的通信系统成为无线通信研究的一个重要方向。无线局域网(WLAN)就是因为原有的通信频段不能满足大量用户的接入需求，在原有的通信协议基础上，又批准了新的使用频段，由此，WLAN变为一个双频段通信系统。因此随着这样的系统不断发展，双频段及多频段的微波滤波器的研究具有重要的意义。

目前的双通带微波滤波器多数都是在电域实现滤波，这种滤波器两个通带通常都是固定的，或者是一个通带固定，另一个通带在很窄的范围内调谐，因此这种滤波器的灵活性较差，不能满足实际的应用需求。随着光载无线电(RoF)技术的发展，具有灵活调谐特性的双通带微波光子滤波器的研究具有更为广泛的意义。

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、双泵浦信号和二进制相移键控调制技术的高带宽可调谐双通带微波光子滤波器。

本发明所述的高带宽可调谐双通带微波光子滤波器的结构如图1所示，由第一激光器，第一相位调制器，光隔离器，矢量网络分析仪，高非线性光纤，第二激光器，强度调制器，微波信号源，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。

第一激光器输出频率为f_c的光信号作为光载波被送到第一相位调制器中，由网络分析仪输出的具有一定频带宽度的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；第二激光器输出频率为f_p的光信号被送到强度调制器中，频率为f_p的光信号被微波信号源输出的频率为f₀的微波信号调制(在滤波器的工作过程中，f₀的频率可以根据对滤波器输出频段的要求进行改变)，调整强度调制器的直流偏压使其工作在载波抑制的双边带调制状态，在小信号调制情况下，强度调制器输出仅为频率为f_p±f₀的一阶上、下边带，载波以及其余边带被忽略掉，强度调制器输出的一阶上、下边带信号继续送入第二相位调制器，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，从而对强度调制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_p+f₀和f_p-f₀的一阶上、下边带信号的频谱得到展宽，频谱被展宽的一阶上、下边带信号然后通过掺铒光纤放大器再经过光环形器的1端口输入光环形器并由2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两个泵浦信号。

第一相位调制器输出经光隔离器进入到高非线性光线中的相位相反、强度相等的一系列一阶上边带和下边带信号和经掺铒光纤放大器输出的两个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2端口输入到光环形器中，从光环形器的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，从而实现高带宽可调谐的双通带输出。

第一激光器输出频率为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信号(其中包括频率为f_m1、f_m2、f_m3……f_mn的信号，且f_m2-f_m1<2f_B,f_B为受激布里渊频移量)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(1))经光隔离器进入到高非线性光纤中；频率为f_m1和f_m2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_m1和f_c+f_m2，下边带信号的频率为f_c-f_m1和f_c-f_m2。第二激光器输出频率为f_p的光信号(图2(2))被送到强度调制器中，频率为f_p的光信号随后被微波信号源输出的频率为f0的微波信号调制(在滤波器的工作过程中，f₀的频率可以根据对滤波器输出频段的要求进行改变)，调整强度调制器的直流偏压使其工作在载波抑制的双边带调制状态，在小信号调制情况下，调制输出的仅为一阶上、下边带(图2(3))，载波以及其余边带被忽略掉，强度调制器输出的频率为f_p±f₀一阶上、下边带信号继续送入第二相位调制器，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，从而对强度调制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_p+f₀和f_p-f₀的一阶上、下边带信号的频谱得到展宽(图2(4))，频谱被展宽的一阶上、下边带信号然后通过掺铒光纤放大器再经过环形器的1端口输入并由2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两个泵浦信号。

频率为f_p-f₀和f_p+f₀的泵浦信号分别在频率f_p-f₀-f_B和f_p+f₀-f_B处产生增益谱(图2(5))，如果探测器的带宽选择合适，可以不考虑两个泵浦信号引起的受激布里渊损耗，当f_m1＝f_p-f_c-f₀-f_B、f_m2＝f_p-f_c+f₀-f_B时，f_m1和f_m2这两个信号经第一相位调制器后输出的一阶上边带信号f_c+f_m1和f_c+f_m2将被增强，因此这两个信号经相位调制后产生的上边带与下边带f_c+f_m1与f_c-f_m1、f_c+f_m2与f_c-f_m2的强度不再相等，频率为f_c+f_m1＝f_p-f₀-f_B和f_c+f_m2＝f_p+f₀-f_B(图2(6))的信号经过光电探测器后频率为f_m1＝f_p-f_c-f₀-f_B和f_m2＝f_p-f_c+f₀-f_B的微波信号将会被滤波输出。

通过改变第二激光器的频率，再改变f₀的值，就可以改变两个通带中心频率f_m1和f_m2的值，实现通带中心频率的变化，通过调整脉冲码型发生器输出的信号的速率，可以实现通带的带宽可调。

本发明选用波长为1550nm(对应频率为f_c＝193.41THz)的第一激光器作载波光源，第二激光器的频率范围为193.40THz～193.45THz，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40MHz～40GHz；光电探测器探测带宽为20GHz；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，光纤长度为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20GHz；掺铒光纤放大器的波长范围为1530～1565nm，放大倍数0dB-30dB，脉冲码型发生器的频率范围为15MHz～3.35GHz，微波信号源的输出频率范围为40MHz～10GHz。

设定第二激光器的频率为193.425THz，f₀的值为500MHz～4.5GHz，会在以5GHz为中心的左右两侧产生两个可调谐的通带；如果设定第二激光器的频率为193.43THz，f₀的值为500MHz～9.5GHz，就会在以10GHz为中心的左右两侧产生两个可调谐的通带。

设定第二激光器的频率调节为193.421THz～193.439THz，f₀在500MHz～9.5GHz范围内选择合适的值，滤波器的输出会在0.5GHz～19.5GHz范围内任意位置产生两个通带，且两个通带之间的频率间隔也是可以任意调谐。

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0.3Gb/s到3Gb/s变化，可以实现双通带带宽从128MHz变化到1.2GHz。

本发明所述的器件的特点：

(1)基于相位调制和两个泵浦信号引起的受激布里渊散射效应，实现微波光子滤波器双通带输出。

(2)通过改变两个泵浦信号的频率，实现一定频率范围内的两个通带中心频率任意可调。

(3)通过对泵浦信号进行二进制相移键控调制，改变泵浦信号的带宽，从而实现滤波器输出带宽的调节。

附图说明

图1：双带带通微波光子滤波器结构示意图；

图2：双通带微波光子滤波器频谱处理过程示意图；

图3：以5GHz为中心获得的双通带滤波器响应曲线；

图4：以10GHz为中心获得的双通带滤波器响应曲线。

具体实施方式

实施例1：

第一激光器和第二激光器为Santec公司的TSL-510可调激光器，第一激光器的波长设定为1550nm(对应频率为f_c＝193.41THz)，第二激光器的频率范围为193.40THz～193.45THz，第一相位调制器和第二相位调制器为Photline公司的MPZ-LN-40，其带宽为38GHz；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；泰克公司的光电探测器，带宽为20GHz；隔离器的隔离度大于40dB；长飞光纤光缆有限公司的高非线性光纤，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，光纤长度为1000米，增益和损耗峰值为5dB；隔离器的隔离度大于40dB；强度调制器为Photline公司的MXAN-LN-20，带宽为20GHz，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，强度调制器所加的频率为f₀的信号由微波信号源提供；中兴通讯有限公司的掺铒光纤放大器，波长范围为1530～1565nm，放大倍数0dB～30dB；安捷伦公司的微波信号发生器E8257D,输出频率范围为100kHz～20GHz；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，第一激光器的频率设定为f_c＝193.41THz，网络分析仪输出频率范围为40MHz～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隔离器后进入到高非线性光纤中。在另一支路，第二激光器输出的频率为f_p＝193.43THz的光信号首先进入到强度调制器中，被频率为f₀＝3GHz的微波信号调制，强度调制器的输出频率为f_p±f₀的两个边带。然后这两个光边带送入第二相位调制器中，被脉冲码型发生器输出的速率为0.5Gb/s、概率相等的1，-1序列调制，从而实现带宽展宽，然后输入到掺饵光纤放大器中，调整掺铒光纤放大器的放大倍数30dB，通过掺铒光纤放大器放大的信号通过环形器的1端口进入到高非线性光纤中。在高非线性光纤中，相位调制器输出的信号和掺铒光纤放大器输出的频谱被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_p±f₀的频率间隔为f_B的频率为193.417THz和193.423THz的两个信号将被增强，从而实现双通带输出，由于对泵浦信号进行了二进制相移键控调制，双通带的带宽为210MHz。

图3给出了当第一激光器输出频率为193.41THz频率，第二激光器输出频率为193.425GHz时，脉冲码型发生器输出的速率为0.5Gb/s、序列为等周期的1，-1时，改变f₀的频率，分别为4.5GHz、3.5GHz、2.5GHz、1.5GHz、0.5GHz时产生的两个通带分别为0.5GHz和9.5GHz、1.5GHz和8.5GHz、2.5GHz和7.5GHz、3.5GHz和6.5GHz、4.5GHz和5.5GHz。

图4给出了当第一激光器输出频率为193.41THz频率，第二激光器输出频率为193.43GHz时，改变调制信号的频率，分别为9.5GHz、9GHz、7GHz、5GHz、3GHz、1.5GHz、0.5GHz时产生的两个通带分别为0.5GHz和19.5GHz、1GHz和19GHz、3GHz和17GHz、5GHz和15GHz、7GHz和13GHz、8.5GHz和11.5GHz、9.5GHz和10.5GHz。所有输出双通带的带宽均为210MHz。

Claims

1.一种高带宽可调谐双通带微波光子滤波器，其特征在于：由第一激光器、第一相位调制器、光隔离器、矢量网络分析仪、高非线性光纤、第二激光器、强度调制器、微波信号源、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；

第一激光器输出频率为f_c的光信号作为光载波被送到第一相位调制器中，由网络分析仪输出的具有一定频带宽度的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；第二激光器输出频率为f_p的光信号被送到强度调制器中，频率为f_p的光信号被微波信号源输出的频率为f₀的微波信号调制，调整强度调制器的直流偏压使其工作在载波抑制的双边带调制状态，在小信号调制情况下，强度调制器输出的仅为频率为f_p±f₀的一阶上、下边带，载波以及其余边带被忽略掉，强度调制器输出的一阶上、下边带信号继续送入第二相位调制器，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，从而对强度调制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_p+f₀和f_p-f₀的一阶上、下边带信号的频谱得到展宽，频谱被展宽的一阶上、下边带信号然后通过掺铒光纤放大器再经过光环形器的1端口输入光环形器并由2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两个泵浦信号；

第一相位调制器输出经光隔离器进入到高非线性光线中的相位相反、强度相等的一系列一阶上边带和下边带信号和经掺铒光纤放大器输出的两个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，通过光环形器的2端口输入到光环形器中，然后从光环形器的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，从而实现高带宽可调谐的双通带输出。

通过改变第二激光器的频率，再改变f₀的值，就可以改变两个通带中心频率f_m1和f_m2的值，从而实现通带中心频率的变化；通过调整脉冲码型发生器输出的信号的速率，可以实现通带的带宽可调。

2.如权利要求1所述的一种高带宽可调谐双通带微波光子滤波器，其特征在于：选用频率为f_c＝193.41THz的第一激光器作载波光源，第二激光器的频率范围为193.40THz～193.45THz，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40MHz～40GHz；光电探测器探测带宽为20GHz；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，光纤长度为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20GHz；掺铒光纤放大器的波长范围为1530～1565nm，放大倍数0dB-30dB，脉冲码型发生器的频率范围为15MHz～3.35GHz，微波信号源的输出频率范围为40MHz～10GHz。

3.如权利要求2所述的一种高带宽可调谐双通带微波光子滤波器，其特征在于：设定第二激光器的频率为193.425THz，f₀的值为500MHz～4.5GHz，从而在以5GHz为中心的左右两侧产生两个可调谐的通带；如果设定第二激光器的频率为193.43THz，f₀的值为500MHz～9.5GHz，从而在以10GHz为中心的左右两侧产生两个可调谐的通带。

4.如权利要求2所述的一种高带宽可调谐双通带微波光子滤波器，其特征在于：设定第二激光器的频率调节为193.421THz～193.439THz，f₀在500MHz～9.5GHz范围内选择合适的值，滤波器的输出会在0.5GHz～19.5GHz范围内任意位置产生两个通带，且两个通带之间的频率间隔也是可以任意调谐。

5.如权利要求2所述的一种高带宽可调谐双通带微波光子滤波器，其特征在于：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0.3Gb/s到3Gb/s变化，可以实现双通带带宽从128MHz变化到1.2GHz。