CN106896448A - 一种窄带光学陷波滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种窄带光学陷波滤波器，包括光源模块、光耦合器、第一SBS滤波模块、光功率调节模块和第二SBS滤波模块；光源模块产生泵浦光；光耦合器将泵浦光分为两束，分别作为两级滤波模块的泵浦光；第一SBS滤波模块对信号光进行陷波滤波，产生中间信号；光功率调节模块调整中间信号的光功率；第二SBS滤波模块对中间信号再次进行陷波滤波，实现信号光输出。本发明实现了信号光的二次滤波，进而可以获得隔离度更高、3dB带宽更窄的SBS陷波滤波器。

Description

一种窄带光学陷波滤波器
技术领域
本发明涉及光通信领域和微波光子学领域，更具体地，涉及一种窄带光学陷波滤波器。
背景技术
陷波滤波器(notch filter)是一种特殊的带阻滤波器(阻带极窄)，主要用于滤除系统中不必要的高幅度干扰信号，因此可以有效消除噪声带来的影响。特别的，在正交频分复用(OFDM)以及微波信号的光学处理中，由于信道间隔很窄、光谱范围较大，相邻信道之间的串扰就需要一种带宽较窄并且自由频谱范围(FSR)较大的光学滤波器来滤除噪声。
传统的周期性陷波滤波器虽然在某些指标上已经达到较高的水准，但是由于滤波器响应存在周期性，其FSR与3dB带宽之间存在制约关系，使得传统陷波滤波器无法同时获得较窄的带宽与较大的FSR。在文献(Xu E，Zhang X，Zhou L，et al.A simple microwavephotonic notch filter based on a semiconductor optical amplifier[J].Journalof Optics A Pure&Applied Optics，2009，11(8):85405-85409(5).)中，利用SOA交叉相位调制实现了负系数无限冲激响应的陷波滤波器，其3dB带宽为42.48kHz，但是FSR仅为23.07MHz，该方案在对频谱较宽的信号进行陷波滤波时，同时会滤除部分信号频率，造成信号缺失。
光纤中的受激布里渊散射(SBS)效应具有非常窄的增益带宽(3dB带宽约为10MHz)，并且SBS的响应没有周期性，因此可以基于SBS构建单通带或单阻带的窄带滤波器。但是现有基于SBS损耗谱原理实现的陷波滤波器还存在隔离度较小、带宽较大的缺点，缺乏实用价值。在文献(Marpaung D，Pant R，Morrison B，et al.Microwave photonic notchfilter using on-chip stimulated Brillouin scattering[C]//Lasers and Electro-Optics Pacific Rim.IEEE，2013.)中，提出了利用受激布里渊散射(SBS)效应的损耗谱实现单阻带的陷波滤波器，但是该方案在整个频谱范围内，隔离度较小仅为19±1.7dB，3dB带宽较大，为126±6.7MHz，因此该滤波器的陷波滤波的效果不佳。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种窄带光学陷波滤波器，旨在解决现有基于SBS损耗谱的陷波滤波器隔离度较小，3dB带宽较大的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种窄带光学陷波滤波器，包括光源模块、光耦合器、第一SBS滤波模块、光功率调节模块和第二SBS滤波模块，其中：
第一、第二SBS滤波模块均具有第一端口、第二端口和第三端口；光源模块产生泵浦光；光耦合器将泵浦光分为光功率相等的两束泵浦光，分别输入第一、第二SBS滤波模块的第一端口；信号光输入第一SBS滤波模块的第二端口；第一SBS滤波模块产生SBS效应，滤波后的信号光从第一SBS滤波模块的第三端口输出，为中间信号；光功率调节模块调节中间信号的光功率，输入第二SBS滤波模块的第二端口；第二SBS滤波模块产生SBS效应，经二次滤波的信号从第二SBS滤波模块的第三端口输出。
进一步的，光源模块由可调谐激光器、掺铒光纤放大器与可调光衰减器串联组成。可调谐激光器的输出光功率通过所述掺铒光纤放大器与可调光衰减器实现光功率调节。可调光衰减器的输出端作为光源模块的输出端。
进一步的，第一SBS滤波模块包括可调光衰减器、光环形器、SBS增益介质、光隔离器以及偏振控制器。可调光衰减器的输入端作为第一SBS滤波模块的第一端口，泵浦光通过第一端口输入；偏振控制器的输入端为第一SBS滤波模块的第二端口，信号光从第二端口输入；光环形器的第三端口作为第一SBS滤波模块的第三端口，输出中间信号。
进一步的，光功率调节模块由掺铒光纤放大器与可调光衰减器串联组成。掺铒光纤放大器的输入端作为光功率调节模块的输入端；可调光衰减器的输出端作为光功率调节模块的输出端。
进一步的，第二SBS滤波模块结构与第一SBS滤波模块相同。
更进一步的，第一SBS滤波模块、第二SBS滤波模块中的SBS增益介质的长度以及可调光衰减器的衰减值存在差别。
本发明中，信号光的频率需位于泵浦光的Anti-Stokes散射光频率处，即满足条件fS-fP＝fB(其中，fS为信号光频率，fP为泵浦光频率，fB为布里渊频移)，SBS效应的结果是使信号光的能量转移到信号光的Stokes光，进而放大泵浦光。因此在与信号光传输方向相同的方向上，由于能量被消耗，形成了SBS损耗谱，进而达到了对信号光的陷波滤波效果。为避免经过第一级陷波滤波后，SBS损耗谱陷波中心的功率低于SBS阈值，进而无法产生SBS效应。因此，需要对经过第一SBS滤波模块后的中间光信号进行功率调节，使输入第二SBS滤波模块的光信号大于SBS阈值，因此发生进一步的陷波滤波，获得更大的隔离度。
更进一步的，由于SBS损耗谱的3dB带宽与泵浦功率有关，因此，加入双级滤波结构后，可以适当降低泵浦功率，以获得较小的3dB带宽。
总体而言，本发明所设计的双级SBS陷波滤波器与现有技术方案相比，通过泵浦光分束、双级滤波结构以及双级结构之间的功率调节模块，实现了信号光的二次滤波，进而可以获得隔离度更高、3dB带宽更窄的SBS陷波滤波器。
附图说明
图1为一种窄带光学陷波滤波器的结构示意图；
图2为一种窄带光学陷波滤波器的一个较佳实施例的结构示意图；
图3为基于双级结构的窄带光学陷波滤波器的原理示意图；
在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件或结构，其中：1为光源模块，2、8为光耦合器，3为第一SBS滤波模块，4为光功率调节模块，5为第二SBS滤波模块，6为射频调制模块，7为光电探测器；1-1为可调谐激光器，1-2为掺铒光纤放大器，1-3为可调光衰减器；3-1为可调光衰减器，3-2为光环形器，3-3为高非线性光纤，3-4为光隔离器，3-5为偏振控制器；4-1为掺铒光纤放大器，4-2为可调光衰减器；5-1为可调光衰减器，5-2为光环形器，5-3为高非线性光纤，5-4为光隔离器，5-5为偏振控制器；6-1为第一光强度调制器，6-2为第一可调光滤波器，6-3为第二光强度调制器，6-4为第二可调光滤波器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明提出的窄带光学陷波滤波器的结构示意图，包括如下结构：光源模块1、光耦合器2、第一SBS滤波模块3、光功率调节模块4以及第二SBS滤波模块5；光源模块1的输出端与光耦合器2的输入端相连；光耦合器2的两个输出端分别连接第一SBS滤波模块3和第二SBS滤波模块5各自的一个输入端；第一SBS滤波模块3的输出端与光功率调节模块4的输入端相连；光功率调节模块4的输出端与第二SBS滤波模块5的另一个输入端相连；
光源模块1产生泵浦光；光耦合器2将泵浦光分为两束，分别作为两级滤波模块的泵浦光；第一SBS滤波模块3对信号光进行陷波滤波，产生中间信号；光功率调节模块4调整中间信号的光功率；第二SBS滤波模块5对中间信号再次进行陷波滤波，实现信号光的输出。
图2为本发明提出的窄带光学陷波滤波器的一个较佳实施例的结构示意图：
其中，光源模块1由可调谐激光器1-1，掺铒光纤放大器1-2和可调光衰减器1-3组成；可调谐激光器1-1的输出端与掺铒光纤放大器1-2的输入端相连；掺铒光纤放大器1-2的输出端与可调光衰减器1-3的输入端相连；可调光衰减器1-3的输出端作为光源模块1的输出端；可调谐激光器1-1产生激光光源，掺铒光纤放大器1-2和可调光衰减器1-3调整输出光源模块的光功率大小。
其中，第一光耦合器2的输入端与光源模块1的输出端相连；第一光耦合器2的一个输出端作为信号光输入射频调制模块6，另一个输出端作为泵浦光输入第二光耦合器8；第二光耦合器8包含两个输出端，将泵浦光分成两束，分别输入第一、第二SBS滤波模块的第一端口；
其中，射频调制模块6由第一光强度调制器6-1，第一可调光滤波器6-2，第二光强度调制器6-3和第二可调光滤波器6-4顺次相连组成；第一光强度调制器6-1和第一可调光滤波器6-2对信号光进行移频；第二光强度调制器6-3和第二可调光滤波器6-4把射频信号加载到信号光上。
其中，第一SBS滤波模块3由可调光衰减器3-1，光环形器3-2，高非线性光纤3-3，光隔离器3-4，偏振控制器3-5组成；可调光衰减器3-1的输入端作为第一SBS滤波模块3的输入端，输入泵浦光；可调光衰减器3-1的输出端与光环形器3-2的第一端口相连；偏振控制器3-5的输入端作为第一SBS滤波模块3的另一个输入端，输入信号光；偏振控制器3-5，光隔离器3-4，高非线性光纤3-3和光环形器3-2的第二端口顺次相连；光环形器3-2的第三端口作为第一SBS滤波模块3的输出端与光功率调节模块4的输入端相连；
可调光衰减器3-1调节进入滤波模块内的泵浦光功率，光环形器3-2控制光信号的传输方向，高非线性光纤3-3中产生SBS效应，光隔离器3-4实现光信号的定向传输，偏振控制器3-5控制信号光的偏振态，使信号光的偏振态与泵浦光的偏振态相匹配。
其中，光功率调节模块4由掺铒光纤放大器4-1和可调光衰减器4-2顺次相连组成；掺铒光纤放大器4-1的输入端作为光功率调节模块4的输入端，输入中间信号；可调光衰减器4-2的输出端作为光功率调节模块4的输出端，输出经功率调节后的中间信号；
其中，第二SBS滤波模块5的内部结构与第一SBS滤波模块3完全相同，区别在于：输入第二SBS滤波模块的信号为经过功率调节单元的中间信号；输入第二SBS滤波模块的泵浦光为第二光耦合器分路后的另一路泵浦光；第二SBS滤波模块5的输出端输出经过二次滤波的光信号。
本发明实施例中，利用射频调制模块实现射频信号的移频与加载。第一光强度调制器与第一可调光滤波器实现载波抑制的单边带调制(SSB-SC)，使信号光的中心频率满足条件fL＞2fB或fB＜fL＜2fB，fB为布里渊频移，fL为调制边带的中心频率。目的在于使信号光的中心频率与泵浦光或反射光的拍频信号不会落在泵浦光的Anti-Stokes频率处，进而对陷波滤波产生干扰。
第二光强度调制器与第二可调光滤波器实现单边带调制(SSB)，将射频信号加载到信号光。当信号光的频率位于泵浦光的Stokes散射光频率处时，光纤中发生SBS效应，泵浦光的能量转移到Stokes光，进而导致信号光被放大；而当信号光的频率位于泵浦光的Anti-Stokes散射光频率处时，SBS效应的结果是使信号光的能量转移到信号光的Stokes光，进而放大泵浦光，此时名义上的“信号光”实际上是泵浦光。因此在与信号光传输方向相同的方向上，由于能量被消耗，形成了SBS损耗谱，进而达到了对信号光的陷波滤波效果。
本发明实例中，光源模块产生的泵浦光为连续波，并且要求具有窄线宽(约为MHz量级)的特点。同时，由于光源模块采用了可调谐激光器，通过调节激光器的中心波长，能够实现陷波滤波器陷波中心波长的调谐。
本发明实例中通过控制可调光衰减器来调节泵浦光与信号光的光功率，再通过光强度调制器调整泵浦光与信号光的频率，满足前述条件，使得泵浦光Anti-Stokes频率处的SBS效应远远大于Stokes频率处，进而达到较好的陷波滤波效果。
下面结合图3以及上述应用实例对本发明的原理作进一步说明：
图3为基于双级结构的窄带光学陷波滤波器的原理示意图，由于经过第一级SBS陷波滤波后，陷波中心的功率较小，若小于SBS阈值，则无法产生第二级的陷波滤波。因此，为了获得隔离度更高的陷波滤波器，需要将中间光信号进行一定的功率调节后，再经过第二级SBS陷波滤波器。此时，由于输入第二级的光信号大于SBS阈值，因此可以产生进一步的能量转移，获得更大的隔离度。
同时，由于SBS损耗谱的3dB带宽随着信号功率的增加，会有一定程度的增加，因此通过降低输入信号的功率可以获得3dB带宽更窄的陷波滤波器。并且由于采用了双级的滤波结构，可以在输入信号功率降低的情况下，得到高于单级陷波滤波器的隔离度。因此，通过合理控制输入信号的功率，双级陷波滤波器可以获得更窄3dB带宽和更高的隔离度。
本发明实例中通过第一SBS滤波模块和第二SBS滤波模块之间的光功率调节模块实现中间信号的功率调整，满足输入第二SBS滤波模块的光信号大于SBS阈值，可以进一步产生陷波滤波。
综上所述，采用本发明所设计的双级SBS陷波滤波结构，可以实现隔离度更高、3dB带宽更窄的SBS陷波滤波器。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种窄带光学陷波滤波器，其特征在于，包括：光源模块(1)、光耦合器(2)、第一SBS滤波模块(3)、光功率调节模块(4)和第二SBS滤波模块(5)；
所述光耦合器(2)的输入端连接至所述光源模块(1)的输出端，所述第一SBS滤波模块(3)的第一输入端连接至所述光耦合器(2)的输出端，所述光功率调节模块(4)的输入端连接至所述第一SBS滤波模块(3)的输出端，所述第二SBS滤波模块(5)的第二输入端连接至所述光功率调节模块(4)的输出端，所述第二SBS滤波模块(5)的第一输入端连接至所述光耦合器(2)的输出端；
所述光源模块(1)用于产生泵浦光；所述光耦合器(2)用于将泵浦光分为两束，分别作为两级滤波模块的泵浦光；所述第一SBS滤波模块(3)用于对信号光进行陷波滤波，产生中间信号；所述光功率调节模块(4)用于调整中间信号的光功率；所述第二SBS滤波模块(5)用于对中间信号再次进行陷波滤波，实现信号光的输出。
2.如权利要求1所述的窄带光学陷波滤波器，其特征在于，所述光功率调节模块(4)包括：依次连接的掺铒光纤放大器(4-1)和可调光衰减器(4-2)；
所述掺铒光纤放大器(4-1)的输入端作为光功率调节模块(4)的输入端；所述可调光衰减器(4-2)的输出端作为光功率调节模块(4)的输出端。
3.如权利要求1或2所述的窄带光学陷波滤波器，其特征在于，所述光源模块(1)包括：依次连接的可调谐激光器(1-1)，掺铒光纤放大器(1-2)和可调光衰减器(1-3)；
所述可调光衰减器(1-3)的输出端作为所述光源模块(1)的输出端；所述可调谐激光器(1-1)用于产生激光光源，所述掺铒光纤放大器(1-2)和所述可调光衰减器(1-3)用于调整输出光源模块的光功率大小。
4.如权利要求1-3任一项所述的窄带光学陷波滤波器，其特征在于，所述第一SBS滤波模块(3)与所述第二SBS滤波模块(5)的结构相同。
5.如权利要求4所述的窄带光学陷波滤波器，其特征在于，所述第一SBS滤波模块(3)包括：可调光衰减器(3-1)，光环形器(3-2)，高非线性光纤(3-3)，光隔离器(3-4)和偏振控制器(3-5)；
所述可调光衰减器(3-1)的输入端作为所述第一SBS滤波模块(3)的第二输入端；所述可调光衰减器(3-1)的输出端与光环形器(3-2)的第一端口相连；所述偏振控制器(3-5)的输入端作为第一SBS滤波模块(3)的第一输入端；所述偏振控制器(3-5)，所述光隔离器(3-4)，所述高非线性光纤(3-3)和所述光环形器(3-2)的第二端口顺次相连；所述光环形器(3-2)的第三端口作为第一SBS滤波模块(3)的输出端；
所述可调光衰减器(3-1)用于调节进入滤波模块内的泵浦光功率，所述光环形器(3-2)用于控制光信号的传输方向，在所述高非线性光纤(3-3)中产生SBS效应，所述光隔离器(3-4)实现光信号的定向传输，所述偏振控制器(3-5)用于控制信号光的偏振态，使信号光的偏振态与泵浦光的偏振态相匹配。
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