CN109765702A - 结合相干和非相干机制的可调谐多抽头微波光子滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种结合相干体制和非相干体制技术优势于一体的可调谐抽头数可变微波光子滤波器，属于微波光子学领域。该滤波器的核心部分是基于相干体制单光学波长和非相干体制多模光纤的光延迟线模块，单光学波长降低了成本、简化了系统；多模光纤提供模式色散，产生模式之间的时延，其提供的空间波分复用延迟线结构排除了光学相干现象，赋予微波光子滤波器以高分辨率和灵活的频率响应特性。此外，依托于狭缝掩模板可以调节入射多模光纤的光束入射角，实现滤波器抽头的可调谐特性；还可以改变入射多模光纤的光束数目，实现滤波器抽头数的可变特性。通过滤波器的滤波实验显示，本发明限波抑制比达到30dB以上，稳定性良好。

Description

结合相干和非相干机制的可调谐多抽头微波光子滤波器

技术领域

本发明涉及微波光子滤波器技术领域，具体涉及一种结合相干体制和非相干体制技术优势于一体的可调谐抽头数可变微波光子滤波器，采用相干体制的单波长光源和非相干体制的多模光纤构建光延迟线模块。系统结构简单、成本低、分辨率高、频率响应灵活。解决了常规微波光子滤波器分辨率较低、稳定性较差的技术问题，同时实现了微波光子滤波器可调谐性和抽头数可变特性。

背景技术

微波光子学将微波学与光子学相结合，集成了二者的优点，在射频波（RF-radiofrequency）和光纤之间透明转换，微波提供了低成本可移动无线连接方式，而光纤提供了低损宽带连接。

微波光子滤波器是一个利用光学方法处理微波信号并实现滤波功能的光学子系统，用射频信号直接调制光载波，在光域内对射频信号进行直接处理，具有大带宽、低损耗、抗电磁干扰、可调谐性和灵活可重构等特点，是微波光子学中的一项关键技术。近年来，随着人们对宽带通信容量不断增长的需求，微波光子滤波器逐渐成为国内外学者研究的热点，并且在光载无线通信系统、雷达导航、电子对抗和深空探测等领域以及光子束控制阵列天线和通信信号处理中有着重要的应用。

微波光子滤波器分为非相干和相干两类。光学延迟线模块是微波光子横向滤波器的关键部分，其中两抽头的光学延迟线模块最为简单。现有绝大多数微波光子滤波器均采用基于有限脉冲响应（FIR-finite-impulse response）延迟线模块的非相干体制。通常用包含多个光学波长的激光阵列提供多个滤波器抽头，滤波器抽头之间的时延可由不同波长之间的模式色散获得，避免了对光信号偏振不稳定性问题的考虑。然而，这种经典设计的缺点是高成本和高复杂性，只能实现有限的滤波功能，限制了滤波器的特性和应用范围。低成本解决方案往往用单个宽带非相干光源基于光谱切片来实现多波长之间的模式色散进而获得不同模式之间的时延，但是，由于引用了类噪音光源，该解决方案的代价是信噪比很低。

另一方面，光子滤波器还可以用相干体制来实现。应用单波长光源的优点是降低了成本，简化了系统。然而目前，基于相干体制的微波光子滤波器面临分辨率低和稳定性差的技术难题。

发明内容

本发明所提供的结合相干体制和非相干体制技术优势于一体的可调谐变抽头微波光子滤波器，可以解决常规微波光子滤波器分辨率较低、稳定性较差的技术问题，并实现微波光子滤波器可调谐性和抽头数可变特性。

为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：

结合相干体制和非相干体制技术优势于一体的可调谐变抽头微波光子滤波器，有延迟线前、延迟线和延迟线后三部分。包括单波长光源，偏振控制器，马赫增德尔调制器，射频信号发生器，激光功率放大器，第一准直透镜，机械狭缝，平凸透镜，多模光纤，第二准直透镜，光束分束器，红外成像装置，聚焦透镜，空间光电探测器。

其中光延迟线前部分，单波长光源通过光纤连接至马赫增德尔调制器，其间用偏振控制器对光纤内的双折射进行优化，所述马赫增德尔调制器同时通过电缆与射频信号发生器相连接，所述马赫增德尔调制器的输出端通过光纤连接至激光功率放大器，所述激光功率放大器的输出端射出光束；光延迟线部分，在所述光束的路径上依次设置有第一准直透镜和狭缝掩模板，所述狭缝掩模板的出射端为若干平行光束；在所述若干平行光束的路径上设置有凸透镜，所述凸透镜出射端为汇聚光束，在所述汇聚光束的路径上设置有多模光纤；光延迟线后部分，在经多模光纤输出的光束路径上依次设置有第二准直透镜和光分束器，所述光分束器具有两个出射端，在所述光分束器的其中一个出射路径上设置有红外成像装置，在所述光分束器的另一个出射路径上设置有聚焦透镜，所述聚焦透镜的出射端为聚焦光束，在所述聚焦光束的路径上设置有空间光电探测器。

作为优选，所述单波长光源输出的光载波波长为1556.4nm。

作为优选，所述偏振控制器为三环偏振控制器。

作为优选，射频信号发生器产生的射频信号经由马赫增德尔调制器加载到光载波，对所述光载波进行频率为1GH的射频调制。

作为优选，所述激光功率放大器为掺铒光纤放大器。

作为优选，所述多模光纤的长度为1米，纤芯直径为105μm，数值孔径为0.37。

作为优选，所述空间光电探测器是有效面积为50×50μm²的自由空间光电探测器。

作为优选，还包括实时数字示波器（产品型号为Tektronix DPO72304DX）和频谱仪，其中所述实时数字示波器探测空间光电探测器采集的射频信号，所述频谱仪测量所述滤波器的频率响应。

在以上技术方案中，所述单波长光源又可称为单波长输出激光光源，用于提供单波长光载波；所述马赫增德尔调制器用于将射频信号加载到光载波；所述射频发生器用于产生射频信号经由马赫增德尔调制器加载到光载波；所述激光功率放大器用于将射频调制后的光载波进行功率放大；所述第一准直透镜用于将光纤输出的光束进行准直并扩束；所述狭缝掩模板用于将入射的光束进行强度分割，产生几束尺寸极窄的平行光束；所述凸透镜用于将平行光束进行汇聚；所述第二准直透镜用于将多模光纤输出的光束进行准直；所述光分束器用于将入射光束分成两束传播方向不同的光束；所述红外成像装置为带有电脑分析软件的红外成像器件，用于采集不同抽头的光强分布，也即光斑模式；所述聚焦透镜用于将平行光汇聚。

本发明的工作原理如下：

滤波器延迟线前，单波长激光光源发射激光，输出单波长为1556.4nm，经由偏振控制器对光纤内的双折射进行优化，马赫增德尔调制器(Mach-Zehnder modulator (MZM))将射频信号加载到光载波，对单波长光载波进行频率为1GH的RF调制，掺铒光纤放大器对光载波进行功率放大。

延迟线模块，具体机理是单波长光束被强度分割成多个窄光束构成滤波器的各个抽头，各抽头聚焦后入射多模光纤的纤芯，形成纤芯内不同的空间模式，不同空间模式在光纤内传输过程中经历不同的光程，从而在模式之间产生时间延迟。第一准直透镜将功率放大后的激光束进行准直扩束，经过狭缝掩模板后，被分成两束彼此平行的窄光束（对两抽头滤波器而言），经过凸透镜后光束出射方向相对于多模光纤光轴的角度分别是0°和10°，用于激发光纤内的基模和某一阶高阶模，多模光纤长1米，纤芯直径为105μm，从多模光纤出射的两个模式之间具有确定的时延。关于相干体制光延迟线模块的报道已证明，就产生时延而言，大纤芯多模光纤内的模式色散比普通单模光纤内的颜色色散更有效；大纤芯阶跃式折射率多模光纤因具有大的数值孔径，可产生数量众多的空间模式；并且，光纤内空间模式的阶数和产生的群延迟之间具有线性关系；此外，对于微波光子滤波器而言，缩短多模光纤的长度将获得更大的自由光谱范围，但是会降低模式之间的时延。

延迟线后，由多模光纤输出的光束经过第二准直透镜，经光分束镜后，一部分入射红外成像装置用于光强分布的测量，另一部分则经过聚焦透镜汇聚后入射空间光电探测器（PD），PD有效面积为50*50μm²，进而连接实时数字示波器进行射频信号的检测，或连接频谱仪进行滤波器效果测量。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明提供了一种结合相干体制和非相干体制技术优势于一体的可调谐变抽头微波光子滤波器。该技术方案核心部件采用相干体制中的单光学波长和非相干体制中的多模光纤构建光延迟线模块。

⑴单光学波长降低了成本并简化了系统；

⑵多模光纤提供模式色散，产生模式之间的时延，其提供的空间波分复用延迟线结构排除了光学相干现象，具有高分辨率和灵活的频率响应；

⑶依托于狭缝掩模板可以调节入射多模光纤的光束入射角，从而调节滤波器相邻抽头之间的时延，实现滤波器可调谐特性；

⑷依托于狭缝掩模板，使经由其出射的多个窄光束均落在多模光纤数值孔径接收范围内，可以实现多抽头（抽头数＞2）横向滤波器，而且可以灵活改变抽头个数（如本发明专利所述滤波器实验中，实现了2抽头和3抽头滤波特性），实现抽头数可变特性。

综上所述，本发明提出的这种新颖的结合了相干机制和非相干机制技术优势的可调谐多抽头微波光子滤波器，具有结构简单，成本低和易于重构的优点，滤波实验显示，限波抑制比达到30dB以上，且稳定性良好。在实际的微波光子信号处理领域有很大的应用潜力。

附图说明

图1是本发明整体的装置结构图；

图2是本发明具体实施方式中由红外成像装置获得的模式光强分布图；

图3是本发明具体实施方式中PD接收到的射频信号图；

图4是本发明具体实施方式中两个模式同时输出时的眼图；

图5是本发明具体实施方式中的横向滤波器频率响应曲线图；

图6是本发明具体实施方式中，可调谐特性验证实验部分PD接收到的射频信号图；

图7是本发明具体实施方式中，可调谐特性验证实验部分的横向滤波器频率响应曲线图；

图8是本发明具体实施方式中，抽头数可变验证实验部分的三抽头时延曲线图；

图9是本发明具体实施方式中，抽头数可变验证实验部分的三抽头横向滤波器频率响应曲线图。

图中：单波长光源1，偏振控制器2，马赫增德尔调制器3，射频信号发生器4，激光功率放大器5，第一准直透镜6，狭缝掩模板7，凸透镜8，多模光纤9，第二准直透镜10，光分束器11，红外成像装置12，聚焦透镜13，空间光电探测器14。

具体实施方式

以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。为了避免过多不必要的细节，在以下实施例中对属于公知的结构或功能将不进行详细描述。以下实施例中所使用的近似性语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。除有定义外，以下实施例中所用的技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。

结合相干体制和非相干体制技术优势于一体的可调谐变抽头微波光子滤波器，如图1所示，包括单波长光源1，偏振控制器2，马赫增德尔调制器3，射频信号发生器4，激光功率放大器5，第一准直透镜6，狭缝掩模板7，凸透镜8，多模光纤9，第二准直透镜10，光分束器11，红外成像装置12，聚焦透镜13，空间光电探测器14。

延迟线前部分包括单波长光源1，偏振控制器2，马赫增德尔调制器3，射频信号发生器4，激光功率放大器5，其中单波长光源1通过光纤连接至偏振控制器2，所述偏振控制器2通过光纤连接至马赫增德尔调制器3，所述马赫增德尔调制器3同时通过电缆与射频信号发生器4相连接，所述马赫增德尔调制器3的输出端通过光纤连接至激光功率放大器5，所述激光功率放大器5的输出端射出光束；

延迟线部分，在所述光束的路径上依次设置有第一准直透镜6和狭缝掩模板7，所述狭缝掩模板7的出射端为若干平行光束；在所述若干平行光束的路径上设置有凸透镜8，所述凸透镜8出射端为汇聚光束，在所述汇聚光束的路径上设置有多模光纤9；

延迟线后部分，在经多模光纤9输出的光束路径上依次设置有第二准直透镜10和光束分束器11，所述光分束器11具有两个出射端，在所述光束分束器11的其中一个出射路径上设置有红外成像装置12，在所述光分束器11的另一个出射路径上设置有聚焦透镜13，所述聚焦透镜13的出射端为聚焦光束，在所述聚焦光束的路径上设置有空间光电探测器14。

其中，所述单波长光源1输出的光载波波长为1556.4nm。所述偏振控制器2为三环偏振控制器。马赫增德尔调制器3将射频信号发生器4产生的射频信号加载到光载波，对所述光载波进行频率为1GH的射频调制。所述激光功率放大器5为掺铒光纤放大器。所述多模光纤9的长度为1米，纤芯直径为105μm，数值孔径为0.37。所述空间光电探测器14是有效面积为50×50μm²的自由空间光电探测器。还包括示波器和频谱仪，其中所述示波器探测空间光电探测器14采集的射频信号，所述频谱仪测量所述滤波器的频率响应。所述示波器是实时数字示波器。

以下通过实验方法验证本发明的滤波效果。

两抽头微波光子滤波器实验。

红外成像装置所测得的光束强度分布图像如图2所示，前两部分显示了只有一个光束工作时的光斑模式，第三部分显示了两束光同时工作时，延迟线模块出射的光斑模式，充分说明该延迟线模块已成功实现了空分复用。

空间解分复用在光电探测过程中也要保持，否则两个模式聚焦后，将在光电探测器接收端面附近产生光学干涉。为证实空间光电探测过程中两个模式之间没有发生光学干涉，首先，实验中采用实时数字示波器(Tektronix DPO72304DX)对PD接收到的射频信号(RF)进行了测量并对实验数据进行了绘制。图3中前两部分所显示的分别是只有基模和高阶模工作时恢复的1GH射频信号，两种情况下，射频信号均被很好地获得。当两个模式同时工作时，空间PD探测到的RF信号如图3中第三部分所示，得到的射频信号比单个模式工作时强度更大，并且没有光学干涉现象发生。值得提及的是，由于多模光纤长度为1米，两个模式在光纤内的时延很小，因此，所接收到的两个射频信号之间的时延不是很明显。图3中第三部分1GH射频信号有轻微的畸变，这也证实了时延的存在，尽管比较小，但是稳定性很高。其次，为进一步证实单波长多模光纤延迟线模块中光学相干现象已被排除，我们用示波器测量了两个模式同时输出时的眼图，并将其与单模光纤马赫增德尔干涉仪(Mach-Zehnderinterferometer (MZI))所测的相干现象进行了比较，如图4所示，延迟线模块成功解决了单模光纤系统内部发生的光学干涉现象。

基于此，滤波器实验得以进行。将空间PD的输出通过电缆连接频谱仪，得到了0Hz-5GHz的频率响应曲线，如图5所示。可以看出，该滤波器系统成功实现了带通滤波，对限波频段的抑制比达到30dB。充分证实所设计的基于相干体制单波长光源和非相干体制多模光纤的光延迟线模块，可以成功实现抽头间的时延，很好地实现微波光子横向滤波器。

为验证该滤波器系统中核心部分光延迟线的可调谐特性，实验中调整了掩模板一个狭缝的位置，则经由该狭缝出射的光经聚焦透镜后入射多模光纤时，入射角度得到了调整，示波器测量了RF调制信号如图6所示，滤波器实验结果如图7所示。结果证实，基于狭缝掩模板，所设计的基于相干体制单波长光源和非相干体制多模光纤的光延迟线模块，可非常方便地调节抽头之间的时延，具有可调谐特性。

三抽头微波光子滤波器实验。

为验证该滤波器系统中核心部分光延迟线的抽头数可变特性，实验中精细调节狭缝掩模板位置，使三束光经由掩模板出射并满足多模光纤的数值孔径入射要求，示波器测量了RF调制信号并用MATLAB处理得到三个模式间的时延结果，如图8所示，结果表明，基模和高阶模1的时延是407ps, 高阶模1和高阶模2间的时延是361ps。滤波器实验结果如图9所示。结果证实，所设计的结合相干体制和非相干体制技术优势的光延迟线模块，可轻松实现抽头数可变微波光子横向滤波器。此外，系统具有很高的稳定性。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明。凡在本发明的申请范围内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.结合相干体制和非相干体制技术优势于一体的可调谐抽头数可变微波光子滤波器，其特征在于包括单波长光源（1），偏振控制器（2），马赫增德尔调制器（3），射频信号发生器（4），激光功率放大器（5），第一准直透镜（6），机械狭缝（7），凸透镜（8），多模光纤（9），第二准直透镜（10），光束分束器（11），红外成像装置（12），聚焦透镜（13），空间光电探测器（14），整个系统分为延迟线前、延迟线模块和延迟线后三个部分:所述延迟线前，其特征在于包括单波长光源（1），偏振控制器（2），马赫增德尔调制器（3），射频信号发生器（4），激光功率放大器（5），其中单波长光源（1）通过光纤连接至偏振控制器（2），所述偏振控制器（2）通过光纤连接至马赫增德尔调制器（3），所述马赫增德尔调制器（3）同时通过电缆与射频信号发生器（4）相连接，所述马赫增德尔调制器（3）的输出端通过光纤连接至激光功率放大器（5），所述激光功率放大器（5）的输出端射出光束；

所述延迟线模块，其特征在于在所述光束的路径上依次设置有第一准直透镜（6）和狭缝掩模板（7），所述狭缝掩模板（7）的出射端为若干平行光束；在所述若干平行光束的路径上设置有凸透镜（8），所述凸透镜（8）出射端为汇聚光束；在所述汇聚光束的路径上设置有多模光纤（9）；

所述延迟线后，其特征在于在经多模光纤（9）输出的光束路径上依次设置有第二准直透镜（10）和光分束器（11），所述光分束器（11）具有两个出射端，在所述光分束器（11）的其中一个出射路径上设置有红外成像装置（12），在所述光分束器（11）的另一个出射路径上设置有聚焦透镜（13），所述聚焦透镜（13）的出射端为聚焦光束，在所述聚焦光束的路径上设置有空间光电探测器（14）。

2.根据权利要求1所述的结合相干体制和非相干体制技术优势于一体的可调谐抽头数可变微波光子滤波器，其特征在于所述单波长光源（1）输出的光载波波长为通信波段波长1556.4nm。

3.根据权利要求1所述的结合相干体制和非相干体制技术优势于一体的可调谐抽头数可变微波光子滤波器，其特征在于射频信号发生器（4）产生的射频信号经由马赫增德尔调制器（3）加载到光载波，对所述光载波进行频率为1GH的射频调制。

4.根据权利要求1所述的结合相干体制和非相干体制技术优势于一体的可调谐抽头数可变微波光子滤波器，其特征在于所述激光功率放大器（5）为掺铒光纤放大器。

5.根据权利要求1所述的结合相干体制和非相干体制技术优势于一体的可调谐抽头数可变微波光子滤波器，其特征在于所述多模光纤（9）的长度为1米，纤芯直径为105μm，数值孔径为0.37。

6.根据权利要求1所述的结合相干体制和非相干体制技术优势于一体的可调谐抽头数可变微波光子滤波器，其特征在于所述空间光电探测器（14）是有效面积为50×50μm²的自由空间光电探测器。

7.根据权利要求1所述的结合相干体制和非相干体制技术优势于一体的可调谐抽头数可变微波光子滤波器，其特征在于还包括实时数字示波器（产品型号：TektronixDPO72304DX）和频谱仪，其中所述实时数字示波器探测空间光电探测器（14）采集的射频信号，所述频谱仪测量所述滤波器的频率响应。