CN106842632B - 一种基于半导体光放大器的可调谐微波光子滤波器 - Google Patents

一种基于半导体光放大器的可调谐微波光子滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于半导体光放大器的可调谐微波光子滤波器，包括激光器、光调制器、掺铒光纤放大器、第一可调光衰减器、偏振控制器、保偏环路器、单级滤波器环路、啁啾光栅、起偏器、光电探测器、微波信号放大器和网络分析仪；激光器、光调制器、掺铒光纤放大器、第一可调光衰减器、偏振控制器依次连接，偏振控制器的输出端与保偏环路器的第一端口连接，保偏环路器的第二端口与单级滤波器环路连接，啁啾光栅和单级滤波器环路连接；保偏环路器的第三端口与起偏器的输入端连接，起偏器、光电探测器、微波信号放大器与网络分析仪依次连接。该滤波器解决了现有延迟线结构的微波光子滤波器存在的FSR受限于MHz量级的问题以及可调谐性问题。

Description

一种基于半导体光放大器的可调谐微波光子滤波器
技术领域
本发明涉及光纤通信与微波光子信号处理领域，尤其涉及一种基于半导体光放大器的可调谐微波光子滤波器。
背景技术
微波光子滤波器是微波光子学的一个重要分支。它将输入的微波信号通过调制器调制到光信号上，在光域对微波信号进行处理，最后通过光接收器输出滤波后的微波信号。微波光子滤波器相对传统电子微波滤波器具有低损耗、高带宽、抗电磁干扰、灵活的可调谐与可重构性等优点，在雷达、电子战系统以及无线通信领域引起了广泛的研究与应用。
采用延迟线结构的微波光子滤波器是最基本的一种滤波器结构，其频率响应存在多次谐波通带的问题，但是在许多应用中都需要单通带微波滤波器以获得宽的频率抑制范围，避免频谱重叠。这一要求体现在微波光子滤波器的性能指标上就是品质因数(Q),Q＝FSR/f3dB，即自由频谱范围(文中简称：FSR)与滤波器3dB带宽f3dB的比值。例如，若某微波光子滤波器类型是无限冲激响应(IIR)滤波器，其环路延时ΔT大约是43.42ns，则对应FSR＝1/ΔT＝1/43.42ns＝23.03MHz，测得f3dB为0.128MHz，则Q值约为181。受制于滤波器环路中各个光学器件连接尾纤的存在，环路总延时无法任意缩减，例如，现实情况下光纤环路总长度不少于1m，其对应环路总延时ΔT也大约超过5ns，则对应FSR不会大于200MHz。许多方法与技术都在努力扩大微波光子滤波器的FSR，多滤波器环路级联结构。其中基于马赫增德尔干涉仪或者二维硅基液晶开关阵列的宽谱光源光谱切割技术，能解决离散延迟结构造成的周期性滤波通带，但是马赫增德尔干涉仪对周围环境与温度敏感，二维硅基液晶开关阵列结构复杂同时载波抑制效应严重限制了滤波器的频率可调谐性；基于陷波环形谐振器、相移光纤布拉格光栅、受激布里渊散射的相位调制到强度调制转换技术，能实现光域滤波或放大到微波光子滤波器电响应的映射，但是环形谐振器的稳定性与陷波带宽严重限制了此微波光子滤波器的可用性，相移光纤布拉格光栅的通带带宽限制了滤波器的可调谐范围，而基于受激布里渊散射的微波光子滤波器的滤波带宽为固定的布里渊增益带宽，滤波器的可重构性差。
此外，微波光子滤波器的可调谐性至关重要，也是此领域中的研究热点，但是普遍存在调谐范围小、不能连续可调的问题。常见的方法是使用可变延迟线、使用可调谐的调制器等器件，但是此法一般都要配上成本较高的可调谐光源，调谐稳定度上也有一定限制。
目前已有的微波光子滤波器，存在的主要问题是系统复杂，低Q值导致频率选择性差，同时缺乏灵活的调谐能力，因而限制了在实际副载波复用光纤通信系统和光载无线电(RoF)通信系统中的应用。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于半导体光放大器的可调谐微波光子滤波器，解决了现有延迟线结构的微波光子滤波器存在的FSR受限于MHz量级的问题，还解决了现有延迟线结构的微波光子滤波器存在的可调谐性问题。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明实施例采用的技术方案是：
一种基于半导体光放大器的可调谐微波光子滤波器，该滤波器包括：激光器、光调制器、掺铒光纤放大器、第一可调光衰减器、偏振控制器、保偏环路器、单级滤波器环路、啁啾光栅、起偏器、光电探测器、微波信号放大器和网络分析仪；所述激光器的输出端与光调制器的输入端连接，光调制器的输出端与掺铒光纤放大器的输入端连接，掺铒光纤放大器的输出端与第一可调光衰减器的输入端连接，第一可调光衰减器的输出端与偏振控制器的输入端连接，偏振控制器的输出端与保偏环路器的第一端口连接，保偏环路器的第二端口与单级滤波器环路连接，啁啾光栅和单级滤波器环路连接；保偏环路器的第三端口与起偏器的输入端连接，起偏器的输出端与光电探测器的输入端连接，光电探测器的输出端与微波信号放大器的输入端连接，微波信号放大器的输出端与网络分析仪的输入端连接。
作为优选例，所述网络分析仪为示波器或者频谱仪。
作为优选例，所述单级滤波器环路包括保偏耦合器、半导体光放大器和第二可调光衰减器，保偏环路器的第二端口与保偏耦合器的第三端口连接，保偏耦合器的第二端口与半导体光放大器的输入端连接，半导体光放大器的输出端与第二可调光衰减器的输入端连接，第二可调光衰减器的输出端与保偏耦合器的第一端口连接，保偏耦合器的第四端口和啁啾光栅连接。
作为优选例，所述的掺铒光纤放大器和第一可调光衰减器用于控制入纤功率，使得半导体光放大器工作在增益饱和区域。
作为优选例，所述的半导体光放大器用于在垂直偏振方向上组成二阶IIR滤波器迟延单元，且半导体光放大器的注入电流可调。
作为优选例，所述的偏振控制器用于将第一可调光衰减器输出的平行偏振光载波信号45°起偏成垂直偏振光载波信号。
作为优选例，所述的啁啾光栅用于反射垂直偏振光载波信号；还用于将单级滤波器环路中产生的部分放大器自发辐射噪声滤除。
有益效果：与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：本发明实施例的微波光子滤波器以单级滤波器环路接入半导体光放大器，作为IIR滤波器的延迟单元。利用半导体光放大器在TE及TM波垂直偏振条件下的不同折射率，即双折射效应，组成二阶IIR滤波器。同时，通过在滤波器环路中放置一个工作在反射模式的线性啁啾光纤光栅，提升微波光子滤波器的延迟单元性能。另一方面利用啁啾光纤光栅的滤波特性，将滤波器环路中产生的ASE部分滤除，提升微波光子滤波器的信噪比性能。同时，本发明实施例也改善了传统微波光子滤波器的可调谐性，常见的方法是使用可变延迟线、使用可调谐的调制器等器件，但是此法一般都要配上成本较高的可调谐光源，调谐稳定度上也有一定限制。本发明实施例通过电域控制方法，调谐半导体光放大器注入电流的方式，改变其双折射效应，从而影响二阶IIR的延迟特性，最终使微波光子滤波器的通带中心频率可调谐，解决了的传统微波光子滤波器普遍存在调谐范围小、不能连续可调的问题。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例一微波光子滤波器输出的滤波曲线图；
图3是本发明实施例二微波光子滤波器输出的可调谐滤波曲线图。
图中有：激光器1、光调制器2、掺铒光纤放大器3、第一可调光衰减器4、偏振控制器5、保偏环路器6、保偏耦合器7、半导体光放大器8、第二可调光衰减器9、啁啾光栅10、起偏器11、光电探测器12、微波信号放大器13、网络分析仪14。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明实施例的一种基于半导体光放大器的可调谐微波光子滤波器，其特征在于：该滤波器包括：激光器1、光调制器2、掺铒光纤放大器3、第一可调光衰减器4、偏振控制器5、保偏环路器6、单级滤波器环路、啁啾光栅10、起偏器11、光电探测器12、微波信号放大器13和网络分析仪14。
其中，单级滤波器环路包括保偏耦合器7、半导体光放大器8和第二可调光衰减器9，保偏环路器6的第二端口6b与保偏耦合器7的第三端口7c连接，保偏耦合器7的第二端口7b与半导体光放大器8的输入端连接，半导体光放大器8的输出端与第二可调光衰减器9的输入端连接，第二可调光衰减器9的输出端与保偏耦合器7的第一端口7a连接，保偏耦合器7的第四端口7d和啁啾光栅10连接。所述网络分析仪14为示波器或者频谱仪。
所述激光器1的输出端与光调制器2的输入端连接，光调制器2的输出端与掺铒光纤放大器3的输入端连接，掺铒光纤放大器3的输出端与第一可调光衰减器4的输入端连接，第一可调光衰减器4的输出端与偏振控制器5的输入端连接，偏振控制器5的输出端与保偏环路器6的第一端口6a连接，保偏环路器6的第二端口6b与单级滤波器环路连接，啁啾光栅10和单级滤波器环路连接；保偏环路器6的第三端口6c与起偏器11的输入端连接，起偏器11的输出端与光电探测器12的输入端连接，光电探测器12的输出端与微波信号放大器13的输入端连接，微波信号放大器13的输出端与网络分析仪14的输入端连接。
上述结构的微波光子滤波器中，激光器1发出的平行偏振激光信号经由光调制器2调制成平行偏振光载波信号。经过掺铒光纤放大器3对光信号进行放大，再通过第一可调光衰减器4对光信号进行衰减，两者配合精确控制光信号功率。通过偏振控制器5，使得原先的平行偏振光载波信号45°起偏成垂直偏振光载波信号，经过保偏环路器6的第一端口与第二端口进入保偏耦合器7，从而进入滤波器环路中。如图1所示，垂直偏振光载波信号在滤波器环路中顺时钟方向历经半导体光放大器8与第二可调光衰减器9至保偏耦合器7，经由啁啾光栅10反射后，再次由保偏耦合器7进入滤波器环路中。如图1所示，垂直偏振光载波信号在滤波器环路中逆时钟方向历经第二可调光衰减器9与半导体光放大器8至保偏耦合器7中，在相互垂直的偏振方向形成二阶无限冲激响应(文中简称：IIR)滤波器的延迟单元，进而垂直偏振光载波信号通过保偏环路器6的第二端口与第三端口进入起偏器11中。在起偏器11中，垂直偏振光载波信号经过45°起偏后，重新生成平行偏振光载波信号，传输到光电探测器12中，生成电域微波信号，最后由微波信号放大器13放大驱动后，输出至网络分析仪14中进行测量。
不同于现有的基于多滤波器环路级联结构的微波光子滤波器，本发明实施例的微波光子滤波器基于半导体光放大器双折射效应，分别在单级滤波器环路中相互垂直的偏振方向上组成等效二阶效果的IIR，二阶IIR延时(TE偏振态下延时：ΔT+ΔTTE；TM偏振态下延时：ΔT+ΔTTM)分别取决于半导体光放大器8在垂直偏振态下的折射率及单级滤波器环路中的延时ΔT，从而引入的皮秒(ps)量级的延时差ΔT’＝(ΔT+ΔTTE)-(ΔT+ΔTTM)。其中，ΔTTE表示半导体光发大器8在TE偏振方向的延时；ΔTTM表示半导体光发大器8在TM偏振方向的延时。对于本发明实施例的滤波器，若等效二阶环路延迟差ΔT’为皮秒量级，则该二阶滤波器的FSR＝1/ΔT’。这使得所述的微波光子滤波器的FSR提升至10GHz量级以上，极大提高了微波光子滤波器的Q值。据测量，基于本发明实施例的有源IIR结构的微波光子滤波器Q值可达13000以上，远超目前业界报道的基于单级IIR结构的微波光子滤波器其Q值200左右，以及基于多级级联IIR结构的微波光子滤波器其Q值3000左右。
本发明实施例的微波光子滤波器还解决了现有延迟线结构的微波光子滤波器存在的可调谐性问题。本发明实施例的微波光子滤波器，通过更为方便的电域控制方法，调谐半导体光放大器8注入电流的方式，改变其双折射效应，从而影响二阶IIR的延迟特性，最终使微波光子滤波器的通带中心频率可调谐。对于本发明实施例的微波光子滤波器可调谐步长Δf＝1/ΔT，取决于单级滤波器环路中的延时ΔT。根据需求，可以灵活设计单级滤波器环路延时，以满足可调谐步长的要求。例如：本发明实施例微波光子滤波器中，单级滤波器环路长度约为1.25m，对应延时ΔT为6.25ns，滤波器可调谐步长为160MHz。
本发明实施例的微波光子滤波器中，使用掺铒光纤放大器3与第一可调光衰减器4控制入纤功率。具体的，经过掺铒光纤放大器3对光信号进行放大，再通过第一可调光衰减器4对光信号进行衰减，两者配合精确控制光信号功率，使得微波光子滤波器中的半导体光放大器8工作在增益饱和区域。
本发明实施例中，偏振控制器5用于将第一可调光衰减器4输出的平行偏振光载波信号45°起偏成垂直偏振光载波信号。
本发明实施例使用半导体光放大器8，利用其双折射效应，在垂直偏振方向上组成等效二阶效果的IIR滤波器延迟单元，并通过控制其注入电流改变其双折射效应，从而影响二阶IIR滤波器的延迟特性，最终使微波光子滤波器的通带中心频率可调谐。
本发明实施例使用啁啾光栅10，一方面利用其反射特性，将垂直偏振光载波信号反射，再次经过单级滤波器环路，提升微波光子滤波器的延迟单元性能；另一方面利用其滤波特性，将单级滤波器环路中产生的放大器自发辐射噪声(ASE)部分滤除，提升微波光子滤波器的信噪比性能。
为了便于更好的理解本发明，下面对本发明的原理做进一步说明。
采用延迟线结构的微波光子滤波器是最基本的一种滤波器结构，最为重要的性能指标就是品质因数Q。Q＝FSR/f3dB。FSR表示滤波器自由频谱范围，f3dB表示滤波器3dB带宽。FSR＝1/ΔT，其中，ΔT表示单级滤波器环路延时。受制于滤波器环路中各个光学器件连接尾纤的存在，环路延时ΔT无法任意缩减。例如，现实情况下光纤环路总长度不少于1m，其对应环路总延时也大约超过5ns，则对应FSR不会大于200MHz。不同于以往的基于多滤波器环路级联结构的微波光子滤波器，本发明实施例的微波光子滤波器，分别在单级滤波器环路中相互垂直的偏振方向上组成等效二阶效果的IIR，二阶IIR延时(TE偏振态下延时：ΔT+ΔTTE；TM偏振态下延时：ΔT+ΔTTM)分别取决于半导体光放大器8在垂直偏振态下的折射率及单级滤波器环路中的延时ΔT，从而引入的皮秒(ps)量级的延时差ΔT’＝(ΔT+ΔTTE)-(ΔT+ΔTTM)。对于本发明实施例的滤波器，若等效二阶环路延迟差ΔT’为皮秒量级，则该二阶滤波器的FSR＝1/ΔT’。这使得所述的微波光子滤波器的FSR提升至10GHz量级以上，极大提高了微波光子滤波器的Q值。本发明实施例的微波光子滤波器，通过更为方便的电域控制方法，调谐半导体光放大器注入电流的方式，改变其双折射效应，从而影响二阶IIR的延迟特性，最终使微波光子滤波器的通带中心频率可调谐。对于本发明实施例的滤波器可调谐步长Δf＝1/ΔT，取决于单级滤波器环路中的延时ΔT。根据需求，可以灵活设计单级滤波器环路延时，以满足可调谐步长的要求。
本发明实施例的滤波器以环形腔中(即单级滤波器环路)接入半导体光放大器作为无限冲激响应滤波器的延迟单元，在单级结构的滤波器环路中，利用垂直偏振的横电波与横磁波的双折射效应构成等效二阶效果的延迟单元，并通过控制半导体光放大器的注入电流改变其双折射效应，从而影响二阶无限冲激响应滤波器的延迟特性，最终使微波光子滤波器的通带中心频率可调谐。本发明的微波光子滤波器具有结构简单，超高的品质因数，成本较低便于集成化的优点，解决了现有微波光子滤波器调谐范围小、不能连续可调的问题，适用于国防、工业生产以及民用领域。
下面例举两实施例。
实施例一验证了本发明实施例的微波光子滤波器的Q值。实施例一采用本发明实施例的结构，其中，半导体光放大器的注入电流保持在450mA时，微波光子滤波器输出的滤波曲线如图2所示。经测量，FSR＝30.726GHz，抑制比为30dB，f3dB＝2.45MHz，计算该滤波器Q值可达13000以上。
实施例二验证了本发明实施例微波光子滤波器的可调谐性。实施例二采用本发明实施例的结构。通过采用电域控制方法，调谐半导体光放大器8注入电流的方式，改变其双折射效应，从而影响二阶IIR的延迟特性，最终使微波光子滤波器的通带中心频率可调谐，解决了的传统微波光子滤波器普遍存在调谐范围小、不能连续可调的问题。半导体光放大器的注入电流保持在300mA～450mA变化时，微波光子滤波器输出的可调谐滤波曲线如图3所示。经测量，本实施例中单级滤波器环路长度约为1.25m，对应延时ΔT为6.25ns，滤波器可调谐步长为160MHz，FSR线性频率调谐范围30.726GHz～32.166GHz。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (6)

1.一种基于半导体光放大器的可调谐微波光子滤波器，其特征在于：该滤波器包括：激光器(1)、光调制器(2)、掺铒光纤放大器(3)、第一可调光衰减器(4)、偏振控制器(5)、保偏环路器(6)、单级滤波器环路、啁啾光栅(10)、起偏器(11)、光电探测器(12)、微波信号放大器(13)和网络分析仪(14)；
所述激光器(1)的输出端与光调制器(2)的输入端连接，光调制器(2)的输出端与掺铒光纤放大器(3)的输入端连接，掺铒光纤放大器(3)的输出端与第一可调光衰减器(4)的输入端连接，第一可调光衰减器(4)的输出端与偏振控制器(5)的输入端连接，偏振控制器(5)的输出端与保偏环路器(6)的第一端口(6a)连接，保偏环路器(6)的第二端口(6b)与单级滤波器环路连接，啁啾光栅(10)和单级滤波器环路连接；保偏环路器(6)的第三端口(6c)与起偏器(11)的输入端连接，起偏器(11)的输出端与光电探测器(12)的输入端连接，光电探测器(12)的输出端与微波信号放大器(13)的输入端连接，微波信号放大器(13)的输出端与网络分析仪(14)的输入端连接；
所述单级滤波器环路包括保偏耦合器(7)、半导体光放大器(8)和第二可调光衰减器(9)，保偏环路器(6)的第二端口(6b)与保偏耦合器(7)的第三端口(7c)连接，保偏耦合器(7)的第二端口(7b)与半导体光放大器(8)的输入端连接，半导体光放大器(8)的输出端与第二可调光衰减器(9)的输入端连接，第二可调光衰减器(9)的输出端与保偏耦合器(7)的第一端口(7a)连接，保偏耦合器(7)的第四端口(7d)和啁啾光栅(10)连接。
2.按照权利要求1所述的基于半导体光放大器的可调谐微波光子滤波器，其特征在于：所述网络分析仪(14)为示波器或者频谱仪。
3.按照权利要求1所述的基于半导体光放大器的可调谐微波光子滤波器，其特征在于：所述的掺铒光纤放大器(3)和第一可调光衰减器(4)用于控制入纤功率，使得半导体光放大器(8)工作在增益饱和区域。
4.按照权利要求1或3所述的基于半导体光放大器的可调谐微波光子滤波器，其特征在于：所述的半导体光放大器(8)用于在垂直偏振方向上组成二阶IIR滤波器迟延单元，且半导体光放大器(8)的注入电流可调。
5.按照权利要求1所述的基于半导体光放大器的可调谐微波光子滤波器，其特征在于：所述的偏振控制器(5)用于将第一可调光衰减器(4)输出的平行偏振光载波信号45°起偏成垂直偏振光载波信号。
6.按照权利要求1所述的基于半导体光放大器的可调谐微波光子滤波器，其特征在于：所述的啁啾光栅(10)用于反射垂直偏振光载波信号；还用于将单级滤波器环路中产生的部分放大器自发辐射噪声滤除。
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