CN108832238A - 超高q值单通带微波光子滤波器 - Google Patents

Abstract

一种超高Q值单通带微波光子滤波器，包括：可调谐激光器、光耦合器、单边带调制模块、单边带抑制载波调制模块、微波信号源、光隔离器、光放大器、单模光纤、光环行器、光纤环行腔、光电探测器和矢量网络分析仪；所述可调谐激光器与光耦合器连接，光耦合器分别与单边带调制模块及单边带抑制载波调制模块连接，光隔离器与单边带调制模块连接，单模光纤与光隔离器连接，微波信号源与单边带抑制载波调制模块连接，单边带抑制载波调制模块与光放大器连接，光放大器与光环行器连接，光纤环行腔与光环行器连接，光纤环行腔与光电探测器连接，光电探测器与矢量网络分析仪连接，矢量网络分析仪与单边带调制模块的微波连接。

Description

超高Q值单通带微波光子滤波器

技术领域

本发明涉及一种微波光子滤波器，特别是涉及一种超高Q值单通带微波光子滤波器，属于微波光子学及电子对抗等领域。

背景技术

微波光子学是利用光子学高宽带、高速率、低功耗等优点来实现微波信号的产生、传输、处理和控制的一门学科。微波光子滤波器(Microwave Photonic Filter)是微波光子学领域的核心技术，可以在光域内对微波信号实现选择滤波，在宽带无线通信、传感、高性能雷达及天文探测等方面有广泛的应用。与电子微波滤波器相比，微波光子滤波器具有工作频段高、可调谐、损耗低、抗电磁干扰强等优点，已经引起人们的广泛研究。根据滤波器的幅频率特性，滤波器可以分为带通滤波器、带阻滤波器等等。品质因子(Quality Factor，Q值)是衡量滤波器频率选择特性的重要标准，定义为自由谱宽FSR(Free Spectral Range)与3dB带宽Δf_3dB的比值，Q值越大，滤波器的频谱越窄，选频特性越好。对于单带通微波光子滤波器，其Q值可以认为是通带中心频率f_center与3dB带宽Δf_3dB的比值。高Q值或者超窄带宽Δf_3dB的微波光子单带通滤波技术是高分辨率微波光子传感、高性能微波光子雷达及高质量微波信号产生等方面的关键技术，一直是科研人员的研究热点。

E.Xu等人在论文(E.Xu，X.Zhang，L.Zhou，Y.Zhang，Y.Yu，X.Li，D.Huang，″Ultrahigh-Q microwave photonic filter with Vernier effect and wavelengthconversion in a cascaded pair of active loops，″Optics Letters，351242-1244，2010)中提出通过级联两个FSR匹配的IIR(Infinite Impulse Response)滤波器来提高Q值，其Q值达到3338，3dB带宽Δf_3dB为33.75kHz，通过以上方法实现了超窄带宽的微波光子滤波，但是其FSR非常小，为112.67MHz，这种具有小FSR的微波光子滤波器表现出比较密集的周期性的频率通道，不能应用于要求为单频率通道的领域。虽然可以通过级联多个IIR滤波器来提高FSR，但是这会导致滤波器的复杂度增加。

除了上述基于延迟单元的滤波方法之外，另外一种方法是利用光学滤波技术直接将射频信号调制的光信号滤除。光纤中受激布里渊散射的增益谱带宽为几十MHz，且具有单通带滤波特性，是实现单通微波光子滤波器的关键技术之一。B.Vidal等人在论文(B.Vidal，T.Mengual，J.Marti，″Photonic microwave filter with single bandpassresponse based on Brillouin processing and SSB-SC，″2009 International TopicalMeeting on Microwave Photonics2009，pp.1-4)中提出了一种基于单边带抑制载波调制与受激布里渊散射的微波光子单通滤波器，中心频率在1-18GHz范围内可调，3dB带宽Δf_3dB为几十MHz。Ruichen Tao等人在论文(艮Tao，X.Feng，Y.Cao，Z.Li，B.o.Guan，″WidelyTunable Single Bandpass Microwave Photonic Filter Based on Phase Modulationand Stimulated Brillouin Scattering，″IEEE Photonics Technology Letters，241097-1099，2012)中提出了一种基于相位调制与受激布里渊散射的微波光子单通滤波器，中心频率可调范围达到20GHz，3dB带宽Δf_3dB为35MHz，最大Q值为571。公告号为103715480B的中国发明专利公开了名为“一种超高品质因数的单带通可调谐微波光子滤波器”的发明，通过将光纤中受激布里渊散射的增益谱与损耗谱添加的方法实现了超高品质因素的单通带微波光子滤波技术，3dB带宽Δf_3dB为4.14MHz，中心频率可调范围0.3GHz-29.7GHz，最大Q值为7101。尽管许多基于受激布里渊散射的微波光子带通滤波器被提出，但是其3dB带宽Δf_3dB受限于光纤中受激布里渊散射的增益谱，都为MHz以上，不能满足超窄带滤波。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种超高Q值单通带微波光子滤波器，以克服现有微波光子滤波器不能实现高Q值或者超窄带宽Δf_3dB单通带滤波的问题，突破光纤中受激布里渊散射的增益谱宽度的限制，将微波光子滤波器的3dB带宽Δf_3dB压缩至kHz量级，突破级联IIR滤波器的FSR太小的问题，实现微波光子单通带滤波，此外，本发明还具有中心频率可调、带外抑制比高等优点。

为达到上述目的，本发明提供一种超高Q值单通带微波光子滤波器，包括：可调谐激光器、光耦合器、单边带调制模块、单边带抑制载波调制模块、微波信号源、光隔离器、光放大器、单模光纤、光环行器、光纤环行腔、光电探测器和矢量网络分析仪；

所述可调谐激光器的输出端口与光耦合器的输入端口①连接，光耦合器的输出端口②、③分别与单边带调制模块及单边带抑制载波调制模块的光输入端口连接，光隔离器的输入端口与单边带调制模块的光输出端口连接，单模光纤的输入端口与光隔离器的输出端口连接，单模光纤的输出端口与光环行器的端口②连接，微波信号源的输出端口与单边带抑制载波调制模块的微波输入端口连接，单边带抑制载波调制模块的光输出端口与光放大器的输入端口连接，光放大器的输出端口与光环行器的端口①连接，光纤环行腔的输入端口与光环行器的端口③连接，光纤环行腔的输出端口与光电探测器的光输入端口连接，光电探测器的微波输出端口与矢量网络分析仪的微波输入端口连接，矢量网络分析仪的微波输出端口与单边带调制模块的微波输入端口连接。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种超高Q值单通带微波光子滤波器，克服了现有微波光子滤波器不能实现高Q值或者超窄带宽的单通带滤波的问题，突破了光纤中受激布里渊散射的增益谱宽度的限制，可以将微波光子滤波器的3dB带宽压缩至kHz量级，实现超窄带宽滤波。

2、本发明提供的这种超高Q值单通带微波光子滤波器，突破了级联IIR滤波器的FSR太小的问题，实现单通带滤波。

3、本发明提供的这种超高Q值单通带微波光子滤波器，通过调节泵浦光的频率，可以调节滤波器的中心频率，具有中心频率可调、带外抑制比高等优点。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明的系统结构示意图。

图2是本发明的原理示意图。

图3是本发明微波光子滤波器中单边带调制模块的结构示意图。

图4是本发明微波光子滤波器中单边带抑制载波调制模块的结构示意图。

图5是本发明微波光子滤波器中光纤环行腔的结构示意图。

图6是本发明微波光子滤波器中光纤环行腔的频率响应特性(FSR＝47.8MHz，Δf_ring≈950kHz)。

图7是本发明的频率响应特性(通带中心频率f_pass＝8GHz，Δf_pass≈950kHz)。

图8是本发明的调谐特性。

具体实施方式

下面将结合实施例和实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。

如图1所示，图1是本公开实施例提供的超高Q值单通带微波光子滤波器的系统示意图。

该微波光子滤波器包括：一个可调谐激光器1、一个光耦合器2、一个单边带调制模块3、一个单边带抑制载波调制模块4、一个微波信号源5、一个光隔离器6、一个光放大器7、一卷单模光纤8、一个光环行器9、一个光纤环行腔10、一个光电探测器11及一个矢量网络分析仪12。

所述可调谐激光器1的输出端口与光耦合器2的输入端口①连接，光耦合器2的输出端口②、③分别与单边带调制模块3及单边带抑制载波调制模块4的光输入端口连接，光隔离器6的输入端口与单边带调制模块3的光输出端口连接，单模光纤8的输入端口与光隔离器6的输出端口连接，单模光纤8的输出端口与光环行器9的端口②连接，微波信号源5的输出端口与单边带抑制载波调制模块4的微波输入端口连接，单边带抑制载波调制模块4的光输出端口与光放大器7的输入端口连接，光放大器7的输出端口与光环行器9的端口①连接，光纤环行腔10的输入端口与光环行器9的端口③连接，光纤环行腔10的输出端口与光电探测器11的光输入端口连接，光电探测器11的微波输出端口与矢量网络分析仪12的微波输入端口连接，矢量网络分析仪11的微波输出端口与单边带调制模块3的微波输入端口连接。

可调谐激光器1产生频率为f_c的激光，由光耦合器2的端口输①入进光耦合器2，以耦合比为50％∶50％分束，其中一束由光耦合器的端口②输出，进入单边带调制模块3，另外一束由光耦合器的端口③输出，进入单边带抑制载波调制模块4；从矢量网络分析仪12输出的用于测量滤波器频率响应特性的扫频微波信号f_RF通过单边带调制模块3调制到激光上，单边带调制模块3的输出信号为光载波f_c与频率为f_c+f_RF的上边带，光载波f_c与频率为f_c+f_RF的上边带作为信号光，经过隔离器6之后进入光纤8；从微波信号源5输出的频率为f_p-f_c的微波信号通过单边带抑制载波调制模块4调制到激光上，单边带抑制载波调制模块4的输出信号为频率为f_p的上边带，频率为f_p的上边带作为泵浦光，经过光放大器7放大，使其达到受激布里渊散射阈值以上，依次通过光环行器9的端口①与端口②之后进入光纤8；频率为f_p的泵浦光在光纤8产生受激布里渊散射，受激布里渊散射增益谱的中心频率为f_p-f_B、3dB带宽为Δf_B，光载波f_c与频率为f_c+f_RF的上边带经过光纤8，处于增益谱范围内的上边带f_c+f_RF与泵浦光f_p互相作用，发生受激布里渊散射而被放大，光载波f_c与频率为f_c+f_RF的上边带依次通过光环行器9的端口②与端口③，进入光纤环行腔10，光纤环行腔10具有周期性的极窄的光滤波通带，将受激布里渊散射增益谱压窄，光载波f_c与频率为f_c+f_RF的上边带从光纤环行腔10输出之后进入光电探测器11，进行光电转换，拍频得到的微波信号输入进矢量网络分析仪12，从而得到本发明微波光子滤波器的频率响应特性。

如图1所示，本公开实施例使用同一台激光器作为信号光与泵浦光的光载波，保证泵浦光与被放大的信号光的频率差稳定，保证微波光子滤波器单通带的中心频率稳定。

如图2所示，图2是本公开实施例提供的超高Q值单通带微波光子滤波器的原理示意图。

其中，图2(a)是单边带调制模块3的输出信号光谱示意图，包括光载波f_c与频率为f_c+f_RF的上边带，设置光载波频f_c，使其处于光纤环行腔10的共振峰通带内，从而使频率f_c的光载波通过光纤环行腔10；

图2(b)是单边带抑制载波调制模块4的输出信号光谱示意图，包括频率为f_p的上边带，光载波f_c被抑制，频率为f_p的上边带在本发明中作为泵浦光激发受激布里渊散射，同时，图中示意了受激布里渊增益谱，其中心频率为f_p-f_B、3dB带宽为Δf_B；

图2(c)是进入光纤环行腔10之前的光谱示意图，经过受激布里渊散射之后，处于泵浦光布里渊增益谱范围内的上边带f_c+f_RF与泵浦光f_p互相作用，发生受激布里渊散射而被放大；

图2(d)是光纤环行腔10的频率响应特性示意图，具有周期性的极窄的光滤波通带，设置光纤环行腔10的FSR等于受激布里渊散射增益谱的3dB带宽Δf_B，使光纤环行腔10的一个共振峰通带始终处于布里渊增益谱3dB带宽Δf_B内，光纤环行腔10的共振峰通带3dB带宽为Δf_ring，其中Δf_ring＜＜Δf_B；

图2(e)是光电探测器11拍频之后得到的微波信号输入进矢量网络分析仪12，从而得到本发明微波光子滤波器的频率响应特性，该微波光子滤波器的通带中心频率f_pass由光载波频率f_c、泵浦光频率f_p及布里渊频移f_B决定，即f_pass＝f_p-f_c-f_B，通过调节泵浦光频率f_p，可调节微波光子滤波器的通带中心频率f_pass；微波光子滤波器的3dB带宽Δf_pass约等于光纤环行腔10的共振峰通带3dB带宽Δf_ring，即Δf_pass≈Δf_ring，由于Δf_ring＜＜Δf_B，微波光子滤波器突破了光纤中受激布里渊散射的增益谱宽度的限制，实现超窄带宽滤波，此外，该微波光子滤波器具有单通特性，突破了级联IIR滤波器的FSR太小的问题，实现单通带滤波。

如图3所示，图3是本公开实施例提供的微波光子滤波器中单边带调制模块3的结构示意图，包括：一个第一相位调制器13，一个第一光滤波器14，第一相位调制器13的光输出端口与第一光滤波器14的光输入端口连接，第一光滤波器14为可调带通滤波器，滤除第一相位调制器13输出信号中的下边带，只保留光载波与上边带。

如图4所示，图4是本公开实施例提供的微波光子滤波器中单边带抑制载波调制模块4的结构示意图，包括：一个第二相位调制器15，一个第二光滤波器16，第二相位调制器15的光输出端口与第二光滤波器16的光输入端口连接，第二光滤波器16为可调带通滤波器，滤除第二相位调制器15输出信号中的载波和下边带，只保留上边带。

如图5所示，图5是本公开实施例提供的微波光子滤波器中光纤环行腔10的结构示意图，包括：耦合比为m％∶(100-m)％、端口数为2×2的第一和第二光耦合器17、18，长度为L的同一类型光纤19、20。光从第一光耦合器17的端口①输入，经过第一光耦合器17分束，比例为(100-m)％的光束从端口④输出，经过光纤19传输，输入至第二光耦合器18的端口端口④，经过第二光耦合器18再次分束，比例为m％的光束从端口②输出，经过光纤20传输，输入至第一光耦合器17的端口端口②，形成一个光纤环行腔10。光纤环行腔10的光输入端口、光输出端口分别为第一和第二光耦合器17、18的端口①。第一和第二光耦合器17、18的端口③闲置不用。光纤环行腔10的频率传输谱是具有周期性的极窄的光滤波通带，如图2(d)所示。

光纤环行腔10的自由谱范围为：

FSR＝c/(2nL) (1)

其中为n为光纤19、20的折射率，c为真空中的光速，光纤环行腔10的精细度(Finesse)为：

其中K_r＜1，为光纤环行腔10的耦合系数，K_r表示光束在光纤环行腔10中传输一周之后的光强与初始光强之比，表示为：

其中γ₀为第一和第二光耦合器17、18总的耦合损耗，α₀为光纤19、20的损耗系数。光纤环行腔10的3dB带宽Δf_ring为：

Δf_ring＝FSR/F， (4)

从式(1)可以看出，光纤19、20的折射率n为定值，光纤环行腔10的自由谱范围FSR由光纤19、20的长度L决定，为了保证可以压窄布里渊增益谱，设置纤环行腔10的FSR等于单模光纤8的受激布里渊散射增益谱的3dB带宽Δf_B，使光纤环行腔10的一个共振峰通带处于布里渊增益谱3dB带宽Δf_B内。假如布里渊增益谱的3dB带宽Δf_B为50MHz，则设置光纤19、20的长度L为2米，光纤19、20组成的光纤环行腔长为4米，根据式(1)，则光纤环行腔10的FSR约为50MHz。

从式(2)-(4)可以看出，光纤环行腔10的带宽Δf_ring与精细度F成反比，而精细度F与耦合系数K_r成正比，K_r越大(越接近1)，则精细度F越大，带宽Δf_ring越小。目前，商用的光耦合器的耦合损耗极低，又由于光纤的损耗系数低至0.2dB/Km，且光纤19、20的长度很短，光纤环行腔10的耦合系数K_r可以达到0.99以上，从而使精细度F达到312以上。此外，对于第一和第二光耦合器17、18的耦合比m％∶(100-m)％，m越大，则第一和第二光耦合器17、18的耦合损耗γ₀越小，则光纤环行腔10的精细度F越大，为了实现窄带单通滤波，第一和第二光耦合器17、18的耦合比m≥90。

如图2(a)-(e)所示，结合以上分析，本发明通过将受激布里渊散射与具有周期性的极窄光滤波通带的光纤环行腔10相结合，将布里渊增益谱压窄，压窄系数为：

C＝Δf_B/Δ_fring≈F， (5)

如图6所示，图6是本公开实施例提供的微波光子滤波器中光纤环行腔10的频率响应特性，此光纤环行腔10的FSR＝47.8MHz，Δf_ring≈950kHz。

如图7所示，图7是本公开实施例提供的微波光子滤波器的频率响应特性，其通带中心频率f_pass＝8GHz，Δf_pass≈950kHz。此外，图7中还给出了未级联光纤环行腔10的频率响应特性图，其通带带宽远大本发明的3dB带宽Δf_pass(约为950kHz)。通过级联光纤环行腔10的方式，可以压缩布里渊谱，实现单通带高Q值窄带滤波。

如图8所示，图8是本公开实施例提供的微波光子滤波器的单通带可调谐特性，其通带中心频率f_pass分别为2GHz、4GHz、6GHz、8GHz、10GHz、12GHz、14GHz、16GHz，其带外抑制比约为25dB，本发明具有中心频率可调、带外抑制比高等优点。

此外，通过选用耦合损耗极低的光耦合器，光纤环行腔10的精细度F可以达到1000以上，从而实现更窄(带宽约为50kHz)单带通滤波。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，例如：将本发明中的单边带调制模块通过双平行马赫曾德尔调制器与90°电桥实现；将本发明中的光纤环行腔由法布里-珀罗腔代替；将本发明中用于产生受激布里渊散射的单模光纤由高非线性光纤、光子晶体光纤等其它种类的光纤或者由硫族化合物(chalcogenide)光波导等其它类型的集成光波导代替；等等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超高Q值单通带微波光子滤波器，包括：可调谐激光器、光耦合器、单边带调制模块、单边带抑制载波调制模块、微波信号源、光隔离器、光放大器、单模光纤、光环行器、光纤环行腔、光电探测器和矢量网络分析仪；

所述可调谐激光器的输出端口与光耦合器的输入端口①连接，光耦合器的输出端口②、③分别与单边带调制模块及单边带抑制载波调制模块的光输入端口连接，光隔离器的输入端口与单边带调制模块的光输出端口连接，单模光纤的输入端口与光隔离器的输出端口连接，单模光纤的输出端口与光环行器的端口②连接，微波信号源的输出端口与单边带抑制载波调制模块的微波输入端口连接，单边带抑制载波调制模块的光输出端口与光放大器的输入端口连接，光放大器的输出端口与光环行器的端口①连接，光纤环行腔的输入端口与光环行器的端口③连接，光纤环行腔的输出端口与光电探测器的光输入端口连接，光电探测器的微波输出端口与矢量网络分析仪的微波输入端口连接，矢量网络分析仪的微波输出端口与单边带调制模块的微波输入端口连接。

2.根据权利要求1所述的超高Q值单通带微波光子滤波器，其中设置调谐激光器的频率fc，使频率fc处于光纤环行腔的一个共振峰通带内，从而使频率fc的光载波通过光纤环行腔。

3.根据权利要求2所述的超高Q值单通带微波光子滤波器，其中设置光纤环行腔的FSR等于布里渊增益谱的3dB带宽ΔfB，使光纤环行腔的一个共振峰通带始终处于布里渊增益谱3dB带宽内。

4.根据权利要求1所述的超高Q值单通带微波光子滤波器，其中微波光子滤波器单通带的中心频率fpass由光载波频率fc、泵浦光频率fp及布里渊频移fB决定，即fpass＝fp-fc-fB；微波光子滤波器的3dB带宽Δfpass由光纤环行腔的3dB带宽Δfring决定，即Δfpass≈Δfring。

5.根据权利要求1所述的超高Q值单通带微波光子滤波器，其中利用具有周期性的极窄光滤波通带的光纤环行腔将受激布里渊散射增益谱压窄，布里渊散射增益谱压窄系数C＝ΔfB/Δfring≈F，其中F为光纤环行腔的精细度。

6.根据权利要求1所述的超高Q值单通带微波光子滤波器，其中所述单边带调制模块，包括：一第一相位调制器和一第一光滤波器，第一相位调制器的光输出口与第一光滤波器的光输入口连接，第一光滤波器为可调带通滤波器，滤除第一相位调制器输出信号中的下边带，只保留光载波与上边带。

7.根据权利要求1所述的超高Q值单通带微波光子滤波器，其中所述单边带抑制载波调制模块，包括：一第二相位调制器和一第二光滤波器，第二相位调制器的光输出口与第二光滤波器的光输入口连接，第二光滤波器为可调带通滤波器，滤除第二相位调制器输出信号中的载波和下边带，只保留上边带。

8.根据权利要求1所述的超高Q值单通带微波光子滤波器，其中所述光纤环行腔，包括：耦合比为m％：(100-m)％、端口数为2×2的第一和第二光耦合器，两条长度为L的光纤；第一和第二光耦合器的端口④由一条光纤相连接，第一和第二光耦合器的端口②由另外一条光纤相连接，形成一个光纤环行腔，经第一光耦合器分束的比例为(100-m)％的光束、经第二光耦合器分束的比例为m％的光束在光纤环行腔中传输，从而形成具有周期性的极窄的光滤波通带；其中第一和第二光耦合器的耦合比m≥90。