CN110208967A - 基于光纤mzi内嵌啁啾光栅的可调谐微波光子滤波器装置 - Google Patents

基于光纤mzi内嵌啁啾光栅的可调谐微波光子滤波器装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤MZI内嵌啁啾光栅的可调谐微波光子滤波器装置，本发明采用在装置中设置干涉仪，干涉仪内两条光路分别构成干涉仪的第一臂长及第二臂长，将啁啾光栅反向内嵌于两臂中，通过在啁啾光栅的带宽内调谐激光载波的波长，激光在啁啾光栅不同位置的反射，从而实现滤波器的FSR自由频谱宽度可调谐，实现了基于幅度调制和啁啾光栅色散的二抽头精密可调谐MWP滤波装置。本发明与基于啁啾光栅PM‑IM转换的方案相比，具有LCFBG线性啁啾布拉格光栅的栅区更长、带宽更大、能实现FSR自由频谱宽度的调谐、精度达到0.1MHz的量级且连续可调的优点。本发明技术方案简洁、可设计性强且在工程技术领域内具有广阔的应用前景。

Description

基于光纤MZI内嵌啁啾光栅的可调谐微波光子滤波器装置
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其是一种基于光纤MZI内嵌啁啾光栅的可调谐微波光子滤波器装置。
背景技术
微波光子滤波从兴起到迅猛发展，仅仅经历了几十年的时间。由于其基于光学手段和微波技术的精妙结合，使其在光学微波信号处理，光控相控阵天线，光载无线通信，光生微波技术特别是超宽带和任意波波形产生，啁啾微波脉冲产生和微波微分器等方面展示出巨大的应用前景。对微波光子滤波器(Microwave Photonic Filter，MWP)的研究主要集中于以下考虑：光源是单一光源还是多个光源或宽带光源；工作于光相干状态还是非相干状态；基于何种延迟结构，如多条光纤延迟线，色散光纤，光纤光栅FBG，光纤环等；基于何种调制手段:相位调制(Phase Modulation，PM)，强度调制(IntensityModulation，IM)，偏振调制(Polarization Modulation，PM)，单边带、多边带调制等；实现滤波器的种类:带通、带陷、低通、高通滤波器等。
根据文献调研，加拿大渥太华大学的姚建平小组长期致力于MWP滤波器和微波信号的产生处理方面的研究。2005年，该小组报道了利用四个光源组成的光源阵列和25公里单模光纤作为色散延迟介质实现了带通滤波器。该方案利用相位调制通过色散转换成强度调制(PM-IM)的原理，并对其进行了充分的理论认证和模拟。该方案实现了通带宽度2.65GHz，主从旁瓣抑制比30dB的滤波效果。同时通过调节四个光源之间的波长间隔，还可以实现对滤波器自由频谱宽度(FSR)的调谐。
现有技术的光纤光栅FBG，特别是啁啾光纤光栅CFBG，基于其大色散的性质，在啁啾微波信号的产生等方面有着重要的应用价值，在微波光子学中也有重要应用。基于CFBG的MWP滤波器同样也利用了其大色散和啁啾性质。2007年，姚建平小组在前述实验的基础上，报道了利用线性啁啾光栅LCFBG作为色散延迟介质实现可调谐带通滤波器的方案，并对其机理进行了分析。该方案同样也是基于色散介质将相位调制转成强度调制的效应，不同的是，该方案报道了利用此效应可以实现同时具有正抽头和负抽头的带通滤波器的结果。该方案实现了1.14-4.55GHz连续可调的同时具有正、负抽头的带通滤波器。2009年，该小组又对微波光子学系统中基于色散元件实现PM-IM转换的原理进行了深入的、彻底的分析。至此，PM-IM转换方法有了系统的理论解释和实验借鉴。存在的问题是，由于受制于光栅栅区长度、带宽的限制，导致调谐精度的量级受限，且无法实现连续可调。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于光纤MZI内嵌啁啾光栅的可调谐微波光子滤波器装置，本发明采用在装置中设置干涉仪，干涉仪内的两条光路分别构成干涉仪的第一臂长及第二臂长，将啁啾光栅反向内嵌于两臂中，通过在啁啾光栅的带宽内调谐激光载波的波长，激光在啁啾光栅不同位置的反射，从而实现滤波器的FSR自由频谱宽度可调谐，实现了基于幅度调制和啁啾光栅色散的二抽头精密可调谐MWP滤波装置。本发明与基于啁啾光栅PM-IM转换的方案相比，具有LCFBG线性啁啾布拉格光栅的栅区更长、带宽更大、能实现FSR自由频谱宽度的调谐、精度达到0.1MHz的量级且连续可调的优点。本发明技术方案简洁、可设计性强且在工程技术领域内具有广阔的应用前景。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种基于光纤MZI内嵌啁啾光栅的可调谐微波光子滤波器装置，其特点包括TLS激光器、EDFA掺铒光纤放大器、第一偏振控制器、EOM电光调制器、干涉仪、第一啁啾光栅、第二啁啾光栅、PD探测器及VNA矢量网络分析仪；
所述EOM电光调制器上设有输入端口及输出端口；
所述干涉仪由第一耦合器、第一环行器、第二环形器及第二耦合器构成；其中，第一环行器及第二环形器上均设有第一端口、第二端口及第三端口；
所述第一耦合器的输出端分为两路，一路与第一环行器的第一端口光连接，另一路与第二环形器的第一端口光连接，第一环行器的第三端口及第二环形器的第三端口叠加与第二耦合器的输入端光连接；
其中，第一耦合器、第一环行器及第二耦合器间的光路构成干涉仪的第一臂长，第一耦合器、第二环形器及第二耦合器间的光路构成干涉仪的第二臂长；
所述第一啁啾光栅由第二偏振控制器及第一LCFBG线性啁啾布拉格光栅构成，且第二偏振控制器与第一LCFBG线性啁啾布拉格光栅光连接；
所述第二啁啾光栅由第三偏振控制器及第二LCFBG线性啁啾布拉格光栅构成，且第三偏振控制器与第二LCFBG线性啁啾布拉格光栅光连接；
所述TLS激光器的发射端与EDFA掺铒光纤放大器的输入端光连接，EDFA掺铒光纤放大器的输出端与第一偏振控制器的输入端光连接，第一偏振控制器的输出端与EOM电光调制器的第一输入端口光连接，EOM电光调制器的输出端口与干涉仪中第一耦合器的输入端光连接，干涉仪中第二耦合器的输出端与PD探测器的输入端光连接，PD探测器的输出端与VNA矢量网络分析仪的输入端光连接，VNA矢量网络分析仪的输出端与EOM电光调制器的第二输入端光连接；
所述干涉仪第一臂长上第一环行器的第二端口与第一啁啾光栅的第二偏振控制器光连接；
所述干涉仪第二臂长上第二环形器的第二端口与第二啁啾光栅的第三偏振控制器光连接。
本发明采用在装置中设置干涉仪，干涉仪内的两条光路分别构成干涉仪的第一臂长及第二臂长，将啁啾光栅反向内嵌于两臂中，通过在啁啾光栅的带宽内调谐激光载波的波长，激光在啁啾光栅不同位置的反射，从而实现滤波器的FSR自由频谱宽度可调谐，实现了基于幅度调制和啁啾光栅色散的二抽头精密可调谐MWP滤波装置。本发明与基于啁啾光栅PM-TM转换的方案相比，具有LCFBG线性啁啾布拉格光栅的栅区更长、带宽更大、能实现FSR自由频谱宽度的调谐、精度达到0.1MHz的量级且连续可调的优点。本发明技术方案简洁、可设计性强且在工程技术领域内具有广阔的应用前景。
本发明的工作原理
根据电光调制理论，调制信号的光场可以表示为：
eout(ωc，t)＝ein(ωc，t){cos[maVcos(ωmt)]-sin[maVcos(ωmt)]}
(1)
式中，ωm＝2πfm为调制信号的角频率，fm为调制信号的频率，maV为调制深度，V为调制偏压，ωc为光场的角频率。通过对(1)式的第一类贝塞尔函数展开，并忽略高阶项，我们可以得到：
其中，为光场的初始相位，可以看出，已调信号包含三个频率成分：载波频率ωc，上边带ωc+ωm，下边带ωc-ωm。而且，上、下边带和载波的相位严格相同。该信号被第一啁啾光栅、第二啁啾光栅反射后，由于第一、第二啁啾光栅具有色散，载波和上、下边频将经历不同的相移，假设相移分别为φ1、φ2和φ3，则式(2)变成：
我们设总所周知，在PD上光电转换时，光信号产生一个与光场平方成正比的电流信号，我们忽略高次谐波和直流信号，则PD产生的电流信号可以表示为：
式中θ1是射频信号通过啁啾光栅后的相位延迟，与色散和调制频率有关。
同样，考虑第二路信号，其在PD上恢复产生的电流信号为：
同样，θ2为微波信号的相位延迟，与色散和调制频率和啁啾光栅的群速延迟等参数有关。通过傅里叶变换，我们可以得到该系统的传输函数为：
在式(6)中，抽头之间的时间延迟Δτ具有以下形式：
其中，neff为啁啾光栅的有效折射率，C为光速，ΔL为传输路程差，L0为基本路程差，Δλg为啁啾光栅的带宽，Lg为栅区长度。该滤波器的FSR为时间延迟的倒数，即
由式(8)可知，通过调节激光波长λc，滤波器的FSR将会改变，从而滤波器可调谐。由于我们使用的啁啾光栅带宽较大(2.29nm)，栅区较长(16cm)，所以可调谐范围较大。而且由于我们引入的基本长度差较大，通过调谐激光波长，可以实现该滤波器的精细可调谐，可调谐精度在MHz量级。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：与基于啁啾光栅PM-IM转换的方案相比，我们的方案利用了啁啾光栅的大色散(1137ps/nm)、大带宽(2.29nm)和长栅区(16cm)等性质。通过在啁啾光栅的带宽内调谐激光载波的波长，激光在啁啾光栅不同位置反射，从而滤波器的FSR可调谐。我们的方案实现的FSR调谐精度亚MHz量级，且连续可调。本方案简洁，可设计性强，对于滤波器的工程应用具有切实的借鉴意义。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为第一啁啾光栅的反射谱和群延迟测量结果；
图3为第二啁啾光栅的反射谱和群延迟测量结果；
图4为滤波器频率响应的模拟结果；
图5为第二主通带内10-10.1GHz调谐激光波长时滤波器FSR的变化。
具体实施方式
参阅图1，本发明包括TLS激光器1、EDFA掺铒光纤放大器2、第一偏振控制器3、EOM电光调制器4、干涉仪、第一啁啾光栅、第二啁啾光栅、PD探测器13及VNA矢量网络分析仪14；
所述EOM电光调制器4上设有输出端口及输入端口；
所述干涉仪由第一耦合器5、第一环行器6、第二环形器9及第二耦合器12构成；其中，第一环行器6及第二环形器9上均设有第一端口、第二端口及第三端口；
所述第一耦合器5的输出端分为两路，一路与第一环行器6的第一端口光连接，另一路与第二环形器9的第一端口光连接，第一环行器6的第三端口及第二环形器9的第三端口叠加与第二耦合器12的输入端光连接；
其中，第一耦合器5、第一环行器6及第二耦合器12间的光路构成干涉仪的第一臂长，第一耦合器5、第二环形器9及第二耦合器12间的光路构成干涉仪的第二臂长；
所述第一啁啾光栅由第二偏振控制器7及第一LCFBG线性啁啾布拉格光栅8构成，且第二偏振控制器7与第一LCFBG线性啁啾布拉格光栅8光连接；
所述第二啁啾光栅由第三偏振控制器10及第二LCFBG线性啁啾布拉格光栅11构成，且第三偏振控制器10与第二LCFBG线性啁啾布拉格光栅11光连接；
所述TLS激光器1的发射端与EDFA掺铒光纤放大器2的输入端光连接，EDFA掺铒光纤放大器2的输出端与第一偏振控制器3的输入端光连接，第一偏振控制器3的输出端与EOM电光调制器4的第一输入端口光连接，EOM电光调制器4的输出端口与干涉仪中第一耦合器5的输入端光连接，干涉仪中第二耦合器12的输出端与PD探测器13的输入端光连接，PD探测器13的输出端与VNA矢量网络分析仪14的输入端光连接，VNA矢量网络分析仪14的输出端与EOM电光调制器4的第二输入端光连接；
所述干涉仪第一臂长上第一环行器6的第二端口与第一啁啾光栅的第二偏振控制器7光连接；
所述干涉仪第二臂长上第二环形器9的第二端口与第二啁啾光栅的第三偏振控制器10光连接。
实施例
本发明使用了由TLS激光器1发射的单一光源，色散介质由第一啁啾光栅及第二啁啾光栅构成的一对反向的啁啾光栅，实现了同时具有正、负系数抽头的带通滤波，且通过调节载波波长即可实现滤波器的调谐。
参阅图1，本发明通过干涉仪第一臂长上第一环行器6的第二端口与第一啁啾光栅光连接，第二臂长上第二环形器9的第二端口与第二啁啾光栅光连接，使得第一啁啾光栅及第二啁啾光栅在本发明中构成一对内嵌的反向的啁啾光栅对。
本发明工作时，由TLS激光器1发射的线宽为40MHz、波长为1549.4nm的激光束通过EDFA掺铒光纤放大器2放大后，经过第一偏振控制器3并由EOM电光调制器4与来自VNA矢量网络分析仪14输出端的光信号进行双边带调制，调制后的光信号入射到第一耦合器5，并由第一耦合器5按1:1的比例分解为两束光信号，一路经由第一环行器6的第一端口转移到第二端口，再进入第二偏振控制器7及第一LCFBG线性啁啾布拉格光栅8，在栅区反射后原路返回，由第一环行器6的第二端口转移到第三端口；另一路由第二环形器9的第一端口转移到第二端口，再进入第三偏振控制器10及第二LCFBG线性啁啾布拉格光栅11，在栅区反射后原路返回，由第二环形器9的第二端口转移到第三端口；此时，将两束光信号叠加后产生延迟信号并进入第二耦合器12，经PD探测器13探测微波信号，再由VNA矢量网络分析仪14获得微波调制信号。
本发明中一路由第一环行器6的第二端口经第二偏振控制器7至第一LCFBG线性啁啾布拉格光栅8栅区的连接为单模连接；本发明中另一路由第二环形器9的第二端口经第三偏振控制器10至第二LCFBG线性啁啾布拉格光栅11栅区的连接为单模连接；对于第一LCFBG线性啁啾布拉格光栅8与第二LCFBG线性啁啾布拉格光栅11而言，在两个单模连接的臂长之间设有2.82m的长度差。
所述的EDFA掺铒光纤放大器2用于放大可调谐TLS激光器1输出的激光信号；
所述的第一偏振控制器3、第二偏振控制器7及第三偏振控制器10用于控制传输光的偏振态；
所述的EOM电光调制器4用于对光路进行双边带调制；调制信号由VNA矢量网络分析仪14的输出端提供。
所述PD探测器13用于探测微波信号；
所述VNA矢量网络分析仪14用于获得精度达到0.1MHz的量级的微波调制信号。
参阅图2，为第一啁啾光栅的反射谱以及第一啁啾光栅的反射谱和群延迟测量结果。
参阅图3，为第二啁啾光栅的反射谱和群延迟参数以及第二啁啾光栅的反射谱和群延迟测量结果。
参阅图4，为采用两抽头带通滤波器0-20GHz频率范围内频率响应的模拟结果。
参阅图5，为调节激光波长时，滤波器FSR的改变。选取的参考频段为第二主通带内，10-10.1GHz的频率范围，获得第二主通带内10-10.1GHz调谐激光波长时滤波器FSR的变化结果。

Claims (1)

1.一种基于光纤MZI内嵌啁啾光栅的可调谐微波光子滤波器装置，其特征在于，它包括TLS激光器（1）、EDFA掺铒光纤放大器（2）、第一偏振控制器（3）、EOM电光调制器（4）、干涉仪、第一啁啾光栅、第二啁啾光栅、PD探测器（13）及VNA矢量网络分析仪（14）；
所述EOM电光调制器（4）上设有输入端口及输出端口；
所述干涉仪由第一耦合器（5）、第一环行器（6）、第二环形器（9）及第二耦合器（12）构成；其中，第一环行器（6）及第二环形器（9）上均设有第一端口、第二端口及第三端口；
所述第一耦合器（5）的输出端分为两路，一路与第一环行器（6）的第一端口光连接，另一路与第二环形器（9）的第一端口光连接，第一环行器（6）的第三端口及第二环形器（9）的第三端口叠加与第二耦合器（12）的输入端连接；
其中，第一耦合器（5）、第一环行器（6）及第二耦合器（12）间的光路构成干涉仪的第一臂长，第一耦合器（5）、第二环形器（9）及第二耦合器（12）间的光路构成干涉仪的第二臂长；
所述第一啁啾光栅由第二偏振控制器（7）及第一LCFBG线性啁啾布拉格光栅（8）构成，且第二偏振控制器（7）与第一LCFBG线性啁啾布拉格光栅（8）光连接；
所述第二啁啾光栅由第三偏振控制器（10）及第二LCFBG线性啁啾布拉格光栅（11）构成，且第三偏振控制器（10）与第二LCFBG线性啁啾布拉格光栅（11）光连接；
所述TLS激光器1的发射端与EDFA掺铒光纤放大器（2）的输入端光连接，EDFA掺铒光纤放大器（2）的输出端与第一偏振控制器（3）的输入端光连接，第一偏振控制器（3）的输出端与EOM电光调制器（4）的输出端口光连接，干涉仪中第二耦合器（12）的输出端与PD探测器（13）的输入端光连接，PD探测器（13）的输出端与VNA矢量网络分析仪（14）的输入端光连接；
所述干涉仪第一臂长上第一环行器（6）的第二端口与第一啁啾光栅的第二偏振控制器（7）光连接；
所述干涉仪第二臂长上第二环形器（9）的第二端口与第二啁啾光栅的第三偏振控制器（10）光连接。
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