CN106654472B - 一种可调谐超窄带微波光子带通滤波器 - Google Patents

一种可调谐超窄带微波光子带通滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及微波信号处理技术领域，尤其涉及一种可调谐超窄带微波光子带通滤波器，包括顺次连接的光纤耦合器、电光相位调制器、光滤波器、光隔离器、光纤、光环行器、光电探测器，所述光环行器包括第一端口、第二端口和第三端口，且第一端口连接光纤，第二端口连接光电探测器，第三端口输入功率和波长可调的第三光源，第一光源和第二光源均输入光纤耦合器，电光相位调制器的射频信号输入端输入待滤波的射频信号，进而实现宽带可调谐、超窄通带和高带外抑制比的技术效果。

Description

一种可调谐超窄带微波光子带通滤波器
技术领域
本发明涉及微波信号处理技术领域，尤其涉及一种可调谐超窄带微波光子带通滤波器。
背景技术
微波光子滤波器利用光学器件对微波信号进行处理，具有损耗小、体积小、重量轻、带宽大、抗电磁干扰能力强等优点，在无线通信网络、传感检测、雷达等多个方面有着巨大的应用潜力。
微波光子滤波器的实现方法主要有两种：多抽头延迟线法和边带滤波法。多抽头延迟线法是将已调制上电信号的光载波分成N份(抽头)，每份都通过光子信号处理的方法进行不同的加权和延迟，然后再把这N个信号通过相干或非相干的方式组合在一起，最后在电光探测器上拍频得到滤波后的电信号输出。根据N是否有限，又可分为两类，若N为有限制，则称为有限冲击响应(FIR)滤波器，若N趋于无穷，则称为无限冲击响应(IIR)滤波器。边带滤波法是用光滤波器滤除一个双边带光调制信号的某一阶边带，剩余的一阶边带与载波在光电探测器处拍频产生等效的微波滤波器响应。
当前微波光子滤波器的研究热点主要是频率调谐范围和频谱响应可重构两个方面。特别是实现超窄带微波光子滤波器方面，科研人员已进行了广泛的研究。R.Minasian(R.Minasian,K.Alameh,and E.Chan,IEEE Trans.Microwave Theor.Tech.49,1894,2001)采用多抽头延迟线法实现了3dB带宽为15MHz的窄带陷波滤波器，但该方法无法实现滤波器的宽带调谐。A.A.Savchenkov(A.A.Savchenkov,W.Liang,A.B.Matsko,Opt.Lett.34,1318,2009)利用微环谐振器实现了10MHz带宽的微波光子陷波滤波器。D.Marpaung(D.Marpaung,B.Morrison,R.Pant,Opt.Lett.38,4300,2013)利用频谱干涉法实现了3dB带宽为10MHz的宽带可调谐微波光子陷波滤波器。当前超窄带微波光子滤波器的实现多为陷波滤波器，而带通滤波器还鲜有报道。
发明内容
本发明实施例通过提供一种可调谐超窄带微波光子带通滤波器，进而实现宽带可调谐、超窄通带和高带外抑制比的技术效果。
本发明实施例提供了一种可调谐超窄带微波光子带通滤波器，包括顺次连接的光纤耦合器、电光相位调制器、光滤波器、光隔离器、光纤、光环行器、光电探测器，所述光环行器包括第一端口、第二端口和第三端口，且第一端口连接光纤，第二端口连接光电探测器，第三端口输入功率和波长可调的第三光源，第一光源和第二光源均输入光纤耦合器，电光相位调制器的射频信号输入端输入待滤波的射频信号；
第一光源和第二光源经光纤耦合器合束为信号光，所述信号光与射频信号均输入电光相位调制器，经电光相位调制器调制后输出相位调制信号，所述相位调制信号包括载波、正一阶边带、负一阶边带，所述正、负一阶边带的幅值相等且相位相差±π，所述相位调制信号经光滤波器的滤波后，使得正、负一阶边带产生幅值差，且相位差不变，滤波后的相位调制信号经光隔离器进入光纤中，与由光环行器的第三端口输入的第三光源在所述光纤中相向传输，第三光源产生受激布里渊增益放大效应，从而对滤波后的相位调制信号中的正、负一阶边带的幅值差进行补偿，使得正、负一阶边带的幅值相等，补偿后的相位调制信号经光环形器的第一端口进入，并由第二端口输出，进入光电探测器，并经光电探测器后输出滤波后的射频信号。
进一步地，所述光滤波器用于衰减第一光源所对应的相位调制信号的正一阶边带和第二光源所对应的相位调制信号的负一阶边带，两个边带的衰减量相等；或者
所述光滤波器用于衰减第一光源所对应的第一相位调制信号的负一阶边带和第二光源所对应的第二相位调制信号的正一阶边带，两个边带的衰减量相等。
进一步地，所述第三光源在光纤中产生受激布里渊散射，产生的受激布里渊增益放大效应作用于滤波后的相位调制信号，当第一光源所对应的相位调制信号的正一阶边带和第二光源所对应的相位调制信号的负一阶边带被光滤波器衰减时，布里渊增益谱放大第一光源所对应的相位调制信号的正一阶边带，使得第一光源所对应的相位调制信号中的正、负一阶边带相等；或者
当第一光源所对应的相位调制信号的负一阶边带和第二光源所对应的相位调制信号的正一阶边带被光滤波器衰减时，布里渊增益谱放大第二光源所对应的相位调制信号的正一阶边带，使得第二光源所对应的相位调制信号中的正、负一阶边带相等。
本发明实施例至少具有如下技术效果或优点：
1、由于采用功率可调的第三光源，可实现带通滤波器的宽带可调。
2、由于改变泵浦光的波长可实现微波光子滤波器的通带位置调谐，且最大调谐范围受限于电光相位调制器的工作带宽。
3、能够实现超高带外抑制比，具体为大于60dB。
附图说明
图1为本发明实施例中可调谐超窄带微波光子带通滤波器的结构示意图；
图2为本发明实施例中可调谐超窄带微波光子带通滤波器中第一实施方式的示意图；
图3为本发明实施例中可调谐超窄带微波光子带通滤波器中第二实施方式示意图；
图4为理论仿真得到的微波光子带通滤波器的通带响应曲线和布里渊增益谱幅值曲线示意图。
具体实施方式
本发明实施例通过提供一种可调谐超窄带微波光子带通滤波器，进而实现宽带可调谐、超窄通带和高带外抑制比的技术效果。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种可调谐超窄带微波光子带通滤波器，如图1所示，包括顺次连接的光纤耦合器10、电光相位调制器20、光滤波器30、光隔离器40、光纤50、光环形器60、光探测器70，光环行器60包括第一端口1、第二端口2和第三端口3，且第一端口1连接光纤50，第二端口2连接光电探测器70，第三端口3输入功率和波长可调的第三光源，第一光源101和第二光源102均输入光纤耦合器10，电光相位调制器20的射频信号输入待滤波的射频信号。
在具体的实施方式中，该第一光源101、第二光源102、第三光源103均为窄线宽光源。该第三光源103具体为泵浦光。
该第一光源101和第二光源102的输出光强相同，波长不同，且波长间隔大于光电探测器的工作带宽，第一光源101和第二光源102经光纤耦合器10合束为信号光，该光纤耦合器10的光功率耦合器比为1:1，接着，该信号光进入电光相位调制器20进行调制，同时，该射频信号也输入电光相位调制器20，该电源相位调制器20对信号光和射频信号进行调制，从而输出相位调制信号，该相位调制信号包括载波、正一阶边带、负一阶边带，且该正、负一阶边的幅值相等，相位差为±π，该相位调制信号之后进入光滤波器30。
该电光相位调制器20工作于小信号调制方式，输出的相位调制信号的能量集中在载波、正一阶边带和负一阶边带，正、负一阶边带的幅值相等且相位相差±π。
该光滤波器30对相位调制信号进行滤波，从而使得正、负一阶边带产生幅值差，且相位差不变。具体地，该光滤波器30用于衰减第一光源101所对应的相位调制信号的正一阶边带和第二光源102所对应的相位调制信号的负一阶边带，这两个边带的衰减量相等，或者该光滤波器30用于衰减第一光源101所对应的相位调制信号的负一阶边带和第二光源102所对应的相位调制信号的正一阶边带，这两个边带的衰减量相等。接着，该滤波后的相位调制信号经过光隔离器40进入光纤50中，与光环形器60的第三端口3输入的第三光源103在光纤50中相向传输，并产生受激布里渊增益放大效应，从而对该滤波后的相位调制信号中的正、负一阶边带的幅值差进行补偿，使得正、负一阶边带的幅值相等。其中第一光源、第二光源、第三光源所对应的角频率是ω1、ω2、ω3。该光纤50具体为色散位移光纤或普通单模光纤，该光纤的长度小于2km。
具体地，在对滤波后的相位调制信号进行幅值差补偿时，可以通过如下方式进行。如图2、图3所示。
第三光源在该光纤50中产生受激布里渊三色，产生的受激布里渊增益放大效应作用于滤波后相位调制信号，当第一光源101所对应的相位调制信号的正一阶边带位于布里渊增益谱中心时，布里渊增益谱放大第一光源所对应的相位调制信号的正一阶边带，使得第一光源所对应的相位调制信号中的正、负一阶边带相等。
另一种方式中，当第二光源102所对应的相位调制信号的正一阶边带位于布里渊增益谱中心，布里渊增益谱放大第二光源所对应的相位调制信号的正一阶边带，使得第二光源所对应的相位调制信号中的正、负一阶边带相等。
经过补偿后的相位调制信号经光环形器60的第一端口进入，并由第二端口输出，进入光电探测器70，在光电探测器70拍频产生等效的超窄带微波光子带通滤波器响应，输出滤波后的射频信号。
在该超窄带微波光子带通滤波器中，通过控制第三光源103泵浦光的功率，从而实现通带滤波器的宽带可调。通过改变泵浦光的波长可实现微波光子滤波器的通带位置调谐，且最大调谐范围仅受限于电光相位调制器的工作带宽。通过改变受激布里渊散射产生的频谱位置，实现微波光子带通滤波器的宽带调谐。
通过理论分析，第一光源101和第二光源102的电场幅值分别用E0(t)和E1(t)，在小信号调制方式下，经电光相位调制器20的调制和光滤波器30之后的输出光场如下：
这里Jn(·)表示第一类贝塞尔函数，m是电光相位调制器的调制指数，A为光滤波器的一阶边带衰减量。
光纤中的受激布里渊增益谱的表达式如下：
这里产生布里渊增益的泵浦光角频率和强度分别用ωp和IP表示，光纤中的布里渊频移量、布里渊增益系数和布里渊增益谱半级大全宽度分别用ωB、g0和ΓB表示。
利用布里渊增益小于对某一相位调制信号的幅值差进行补偿，最后在光电探测器处得到滤波器响应表达式如下：
HRF(ω)∝[A(1-H(ω))J0(m)J1(m)]2 (4)
图4为理论仿真得到的微波光子带通滤波器的通带响应曲线和布里渊增益谱幅值曲线示意图，仿真所用的光纤为普通单模光纤，长度为1km，布里渊增益谱的半级大全宽度为30MHz，布里渊增益系数为8，实现的微波光子带通滤波器的3dB带宽为6MHz。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种可调谐超窄带微波光子带通滤波器，其特征在于，包括顺次连接的光纤耦合器、电光相位调制器、光滤波器、光隔离器、光纤、光环行器、光电探测器，所述光环行器包括第一端口、第二端口和第三端口，且第一端口连接光纤，第二端口连接光电探测器，第三端口输入功率和波长可调的第三光源，第一光源和第二光源均输入光纤耦合器，电光相位调制器的射频信号输入端输入待滤波的射频信号；
第一光源和第二光源经光纤耦合器合束为信号光，所述信号光与射频信号均输入电光相位调制器，经电光相位调制器调制后输出相位调制信号，所述相位调制信号包括载波、正一阶边带、负一阶边带，所述正、负一阶边带的幅值相等且相位相差±π，所述相位调制信号经光滤波器的滤波后，使得正、负一阶边带产生幅值差，且相位差不变，滤波后的相位调制信号经光隔离器进入光纤中，与由光环行器的第三端口输入的第三光源在所述光纤中相向传输，第三光源产生受激布里渊增益放大效应，从而对滤波后的相位调制信号中的正、负一阶边带的幅值差进行补偿，使得正、负一阶边带的幅值相等，补偿后的相位调制信号经光环形器的第一端口进入，并由第二端口输出，进入光电探测器，并经光电探测器后输出滤波后的射频信号；
第一光源和第二光源的输出光强相同，波长不同，且波长间隔大于光电探测器的工作带宽。
2.根据权利要求1所述的可调谐超窄带微波光子带通滤波器，其特征在于，所述第一光源和第二光源的输出光强相同，波长不同，且波长间隔大于光电探测器的工作带宽。
3.根据权利要求1所述的可调谐超窄带微波光子带通滤波器，其特征在于，光纤耦合器的光功率耦合比为1：1。
4.根据权利要求1所述的可调谐超窄带微波光子带通滤波器，其特征在于，所述光滤波器用于衰减第一光源所对应的相位调制信号的正一阶边带和第二光源所对应的相位调制信号的负一阶边带，两个边带的衰减量相等；或者
所述光滤波器用于衰减第一光源所对应的相位调制信号的负一阶边带和第二光源所对应的相位调制信号的正一阶边带，两个边带的衰减量相等。
5.根据权利要求4所述的可调谐超窄带微波光子带通滤波器，其特征在于，所述第三光源在光纤中产生受激布里渊散射，产生的受激布里渊增益放大效应作用于滤波后的相位调制信号，当第一光源所对应的相位调制信号的正一阶边带和第二光源所对应的相位调制信号的负一阶边带被光滤波器衰减时，布里渊增益谱放大第一光源所对应的相位调制信号的正一阶边带，使得第一光源所对应的相位调制信号中的正、负一阶边带相等；或者
当第一光源所对应的相位调制信号的负一阶边带和第二光源所对应的相位调制信号的正一阶边带被光滤波器衰减时，布里渊增益谱放大第二光源所对应的相位调制信号的正一阶边带，使得第二光源所对应的相位调制信号中的正、负一阶边带相等。
6.根据权利要求1所述的可调谐超窄带微波光子带通滤波器，其特征在于，所述光纤为色散位移光纤或普通单模光纤，所述光纤的长度小于2km。
7.根据权利要求1所述的可调谐超窄带微波光子带通滤波器，其特征在于，所述第一光源、第二光源、第三光源均为窄线宽光源。
8.根据权利要求1所述的可调谐超窄带微波光子带通滤波器，其特征在于，所述第三光源具体为泵浦光。
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