CN110518983B - 基于双偏振双平行马赫曾德尔调制器的可重构滤波器 - Google Patents

基于双偏振双平行马赫曾德尔调制器的可重构滤波器 Download PDF

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Abstract

一种基于双偏振双平行马赫曾德尔调制器的可重构滤波器及其应用，该可重构滤波器包括：一窄线宽激光器，用于提供光源；一第一偏振控制器，其与窄线宽激光器的输出端连接；一双偏振双平行马赫曾德尔调制器，其与第一偏振控制器的输出端相连，用于对光信号进行电光调制；一微波源单元；一直流源，其与双偏振双平行马赫曾德尔调制器连接；一布里渊散射单元；以及一光电探测器。本发明可以实现单光源结构的窄带滤波器，而且，只需要调整调制器的直流偏置点，就可以实现单通带滤波器与双通带滤波器的切换，中心波长可调，结构简单，代价低廉。

Description

基于双偏振双平行马赫曾德尔调制器的可重构滤波器
技术领域
本发明属于微波光子学领域，具体涉及一种基于双偏振双平行马赫曾德尔调制器的可重构滤波器。
背景技术
随着通信频率的大幅度扩展，高频通信系统对电学技术提出了巨大的挑战。微波光子技术的出现，有效解决了电学上的频率限制，电磁干扰严重等问题。滤波器是通信系统的核心器件之一，微波光子滤波技术是将宽带射频信号直接调制到光载波上，在光纤系统中实现微波滤波的一种有效的射频信号处理方法，它能够克服电子瓶颈对采样率的限制(达到100GHz以上)，且具有损耗低及损耗不随频率变化和抗电磁干扰等优点。近年来，微波光子滤波器得到了迅速的发展，其中，基于布里渊散射的微波光子滤波器受到了广泛的关注。传统的布里渊散射滤波器往往只能实现单通带，或者只能实现双通带，而且一般需要两个激光器。这对于整个系统来说，不仅代价昂贵，应用范围也受到了限制。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种基于双偏振双平行马赫曾德尔调制器的可重构滤波器及其应用，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种基于双偏振双平行马赫曾德尔调制器的可重构滤波器，包括：
一窄线宽激光器，用于提供光源；
一第一偏振控制器，其与窄线宽激光器的输出端连接，用于对窄线宽激光器输出的光信号进行偏振控制，使光信号的偏振方向对准双偏振双平行马赫曾德尔调制器的一个主轴方向；
一双偏振双平行马赫曾德尔调制器，其与第一偏振控制器的输出端相连，用于对光信号进行电光调制；
一微波源单元，其与双偏振双平行马赫曾德尔调制器连接，用于为双偏振双平行马赫曾德尔调制器提供微波信号；
一直流源，其与双偏振双平行马赫曾德尔调制器连接，用于对双偏振双平行马赫曾德尔调制器进行偏压控制；
一布里渊散射单元，用于将双偏振双平行马赫曾德尔调制器调制后的两路光信号在布里渊散射单元的单模光纤中实现相向传输，从而激发布里渊散射；以及
一光电探测器，其与布里渊散射单元连接，用于对经过布里渊散射之后的光信号进行光电转换，从而实现可重构滤波器的功能。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种如上所述的可重构滤波器在微波通信领域的应用。
基于上述技术方案可知，本发明的基于双偏振双平行马赫曾德尔调制器的可重构滤波器及其应用相对于现有技术至少具有以下优势之一：
本发明可以实现单光源结构的窄带滤波器，而且，只需要调整调制器的直流偏置点，就可以实现单通带滤波器与双通带滤波器的切换，中心波长可调，结构简单，代价低廉。
附图说明
为使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚明白，一下结合具体的实施方案，并参照附图内容，对本发明进行进一步的详细说明，其中：
图1是本发明一实施例的基于双偏振双平行马赫曾德尔调制器的可重构滤波器的结构示意图；
图2是本发明一实施例的双偏振双平行马赫曾德尔调制器的内部结构示意图；
图3是第一和第二光学环形器的内部结构示意图。
上图中，附图标记含义如下：
1、窄线宽激光器；2、第一偏振控制器；3、双偏振双平行马赫曾德尔调制器；4、振分束器；5、第二偏振控制器；6、光功率放大器；7、第二光学环形器；8、单模光纤；9、第一光学环形器；10、光电探测器；11、直流源；12、第一微波源；13、第二微波源；14、第一功率分束器；15、第二功率分束器；3-1、端口3-1；3-2、端口3-2；3-3、端口3-3；3-4、端口3-4；3-5、端口3-5；3-6、端口3-6；3-7、端口3-7；3-8、端口3-8；3-9、端口3-9；3-10、端口3-10；3-11、端口3-11；3-12、端口3-12；4-1、端口4-1；4-2、端口4-2；4-3、端口4-3；7-1、端口7-1；7-2、端口7-2；7-3、端口7-3；7-4、端口7-4；7-5、端口7-5；7-6、端口7-6；8-1、端口8-1；8-2、端口8-2；9-1、端口9-1；9-2、端口9-2；9-3、端口9-3；9-4、端口9-4；9-5、端口9-5；9-6、端口9-6；14-1、端口14-1；14-2、端口14-2；14-3、端口14-3；15-1、端口15-1；15-2、端口15-2；15-3、端口15-3。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明的主要目的在于针对现有的基于布里渊散射的滤波器存在通带数量固定，系统复杂的问题，提出一种基于双偏振双平行马赫曾德尔调制器的可重构滤波器。通过调整双偏振双平行马赫曾德尔调制器的直流偏置点，改变泵浦光的数量，从而激发出单个或者双个布里渊散射，实现单通带和双通带滤波器之间切换。同时，该系统只需要一个激光源，结构更简单，代价更小。
本发明公开了一种基于双偏振双平行马赫曾德尔调制器的可重构滤波器，包括：
一窄线宽激光器，用于提供光源；
一第一偏振控制器，其与窄线宽激光器的输出端连接，用于对窄线宽激光器输出的光信号进行偏振控制，使光信号的偏振方向对准双偏振双平行马赫曾德尔调制器的一个主轴方向；
一双偏振双平行马赫曾德尔调制器，其与第一偏振控制器的输出端相连，用于对光信号进行电光调制；
一微波源单元，其与双偏振双平行马赫曾德尔调制器连接，用于为双偏振双平行马赫曾德尔调制器提供微波信号；
一直流源，其与双偏振双平行马赫曾德尔调制器连接，用于对双偏振双平行马赫曾德尔调制器进行偏压控制；
一布里渊散射单元，用于将双偏振双平行马赫曾德尔调制器调制后的两路光信号在布里渊散射单元的单模光纤中实现相向传输，从而激发布里渊散射；以及
一光电探测器，其与布里渊散射单元连接，用于对经过布里渊散射之后的光信号进行光电转换，从而实现可重构滤波器的功能。
其中，所述光源波长为1530～1610nm、例如为1550nm；线宽小于或等于100kHz。
其中，所述双偏振双平行马赫曾德尔调制器与偏振分束器之间的连接光纤为保偏光纤；
其中，所述双偏振双平行马赫曾德尔调制器包括两个平行放置的双平行马赫曾德尔调制器，并且两个双平行马赫曾德尔调制器分别工作在两个相互垂直的偏振方向上；
其中，所述双偏振双平行马赫曾德尔调制器采用铌酸锂晶体制成；
其中，所述的双偏振双平行马赫曾德尔调制器为电光调制器；
其中，所述的双偏振双平行马赫曾德尔调制器的工作波长为1530～1610nm，处理微波信号的带宽≥20GHz，消光比≥20dB，半波电压≥4V。
其中，所述的光电探测器的工作频率范围大于40GHz。
其中，所述微波源单元包括：
第一微波源，其用于模拟输入微波信号；
第一功率分束器，其输入端与第一微波源连接，其输出端与双平行马赫曾德尔调制器连接，用于将第一微波源分束；
第二微波源，其用于提供激发布里渊散射所需的泵浦光；以及
第二功率分束器，其输入端与第二微波源连接，其输出端与双平行马赫曾德尔调制器连接，用于将第一微波源分束。
其中，所述第一微波源的工作带宽大于40GHz，输出功率小于22dBm；
其中，所述第二微波源的工作带宽大于40GHz，输出功率小于22dBm；
其中，所述第一功率分束器的分束比为50：50，两路分束信号无相位差，工作带宽≥40GHz；
其中，所述第二功率分束器的分束比为50：50，两路分束信号无相位差，工作带宽≥40GHz；
其中，所述的光功率放大器的带宽大于所述的双偏振双平行马赫曾德尔调制器的工作带宽；
其中，所述第一微波源的两路分束信号调制双偏振双平行马赫曾德尔调制器里面的I调制器；
其中，所述第二微波源的两路分束信号调制双偏振双平行马赫曾德尔调制器里面的Q调制器。
其中，所述布里渊散射单元包括：
一偏振分束器，用于将经过双偏振双平行马赫曾德尔调制器调制后的两路偏振方向不同的光信号进行分离成第一路光信号和第二路光信号；
一第二偏振控制器，其用于将第一路光信号的偏振方向转变成与第二路光信号的偏振方向相同；
一光功率放大器，其输入端与第二偏振控制器的输出端相连，用于将经过第二偏振控制器调制后的第一路光信号功率放大，使其达到激发布里渊散射的阈值；
一第一环形器，与经过光功率放大器的第一路光信号连接；
一第二环形器，其与偏振分束器连接；以及
一单模光纤，经过第一光学环形器后的第一路光信号与经过第二光学环形器后的第二路光信号在所述单模光纤中相向传输，从而激发布里渊散射，最终得到布里渊散射信号。
其中，所述第一光学环形器、第二光学环形器、单模光纤的工作波长均相同；
所述第一光学环形器、第二光学环形器、单模光纤的工作波长均为1530～1610nm、例如为1550nm。
其中，所述可重构滤波器的单通带滤波与双通带滤波是通过调整双偏振双平行马赫曾德尔调制器的I调制器里面的直流偏置点实现的；
所述可重构滤波器的相位调制是通过调整双偏振双平行马赫曾德尔调制器的Q调制器里面的直流偏置点实现的。
本发明还公开了如上所述的可重构滤波器在微波通信领域的应用。
在本发明的一个示例性实施例中，一种基于双偏振双平行马赫曾德尔调制器的可重构滤波器，包括一窄线宽激光器，两偏振控制器，一双偏振双平行马赫曾德尔调制器，两微波源，一偏振分束器，一直流源，两光学环形器，一光功率放大器，一单模光纤，一光电探测器。窄线宽激光器提供高质量、低相噪的光信号。光信号经过第一偏振控制器，使得偏振方向对准双偏振双平行马赫曾德尔调制器的一个主轴，并进入该双偏振双平行马赫曾德尔调制器。该调制器是由两个双平行马赫曾德尔调制器平行放置，并且工作在两个相互垂直的偏振方向上。两个微波源提供的微波信号，分别调制两个双平行马赫曾德尔调制器。另外，一个直流源提供六路直流电压，对双偏振双平行马赫曾德尔调制器进行偏压控制。对于该调制器的输出信号，在偏振分束器的作用下，分成上下两路，并且两路的偏振方向相互垂直。第一路信号在通过偏振控制器实现偏振方向的旋转，使得上下两路的偏振方向相同，并在光功率放大器的作用下，达到布里渊散射的功率阈值。经过功率放大的信号通过第一环形器进入到单模光纤，与第二路光信号对向传输，激发布里渊散射。最后，散射后的信号通过第一环形器进入到光电探测器，最终实现了滤波器的功能。本发明中，只需调整双偏振双平行马赫曾德尔调制器的直流偏置点，就可以实现单通带，双通带窄带滤波器的响应。
在本发明的一个示例性实施例中，一种基于双偏振双平行马赫曾德尔调制器的可重构滤波器，包括：
一窄线宽激光器，其用于提供高质量、低相噪的光源，光源波长在1530nm～1610nm；
一第一偏振控制器，其光输入端与窄线宽激光器的输出端连接，用于对窄线宽激光器输出的光信号进行偏振控制；
一双偏振双平行马赫曾德尔调制器，其输入端端口3-11与偏振控制器的输出端相连，用于对光信号进行电光调制；
两微波源(第一微波源，第二微波源)，用于对滤波器系统提供微波信号；
两功率分束器(第一功率分束器，第二功率分束器)，第一功率分束器的输入端端口14-1与第一微波源的输出端相连，第二功率分束器的输入端端口15-1与第二微波源的输出端相连；
第一功率分束器的第一输出端端口14-2和第二输出端端口14-3分别与双偏振双平行马赫曾德尔调制器的第一微波输入端端口3-1和第二微波输入端端口3-2相连，第二功率分束器的第一输出端端口15-2和第二输出端端口15-3分别与双偏振双平行马赫曾德尔调制器的第三微波输入端端口3-2和第四微波输入端端口3-4相连；
一直流源，其第一到第六个输出端端口11-1，端口11-2，端口11-3，端口11-4，端口11-5，端口11-6分别与双偏振双平行马赫曾德尔调制器的第一到第六个直流输入端端口3-5，端口3-6，端口3-7，端口3-8，端口3-9，端口3-10相连，用于对双偏振双平行马赫曾德尔调制器进行直流偏置；
一偏振分束器，其输入端4-1与双偏振双平行马赫曾德尔调制器的输出端3-12相连，用于将两路偏振方向相互垂直的光信号进行分离；
一第二偏振控制器，其输入端与偏振分束器的第一输出端端口4-2相连，用于对光信号的偏振方向进行控制，使其偏振方向与另一路的偏振方向相同；
一光功率放大器，其输入端与第二偏振控制器的输出端相连，用于功率放大，使其达到激发布里渊散射的阈值；
一单模光纤，其两端分别与两个光学环形器相连，用于实现布里渊散射；
两光学环形器(第一光学环形器，第二光学环形器)，第二光学环形器的第一输入端端口7-1和偏振分束器的第二输出端端口4-3相连，第一输出端端口7-2与单模光纤的端口8-1端相连，第二输入端端口7-3也与单模光纤的端口8-1端相连相连，第一光学环形器的第一输入端端口9-1与光功率放大器的输出端相连，第一输出端端口9-2单模光纤的端口8-2端相连，第二输入端端口9-3也与单模光纤的端口8-2端相连，第二输出端9-4与光电探测器的输入端相连，用于实现光路的切换；
一光电探测器，其输入端与第一光学环形器的第二输出端端口9-4相连，用于实现光电转换；
其中，所述的窄线宽激光器的波长为1550nm，线宽在100kHz以下；
其中，所述的双偏振双平行马赫曾德尔调制器是铌酸锂晶体的电光调制器，双偏振双平行马赫曾德尔调制器的工作波长为1530nm～1610nm，处理微波信号的带宽≥20GHz，消光比≥20dB，半波电压≥4V；
其中，所述的功率分束器(第一功率分束器和第二功率分束器)的分束比是50：50，两路分束信号无相位差，工作带宽≥40GHz；
其中，所述的光功率放大器的带宽大于所述的双偏振双平行马赫曾德尔调制器的工作带宽；
其中，所述的光学环形器(第一光学环形器和第二光学环形器)的工作波长在1550nm；
其中，所述的单模光纤的工作波长在1550nm附近；
其中，所述的光电探测器的工作频率范围要大于40GHz。
其中，连接双偏振双平行马赫曾德尔调制器和偏振分束器的光纤跳线必须是保偏的。
其中，微波源(第一微波源和第二微波源)的工作带宽要大于40GHz，而且输出功率要小(功率小于22dBm)。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
请参阅图1-3所示，本发明提供一种基于双偏振双平行马赫曾德尔调制器的可重构滤波器，包括：
一窄线宽激光器1，其作用在于提供高质量，低相噪的光载波信号，光源的波长为1550nm；
一第一偏振控制器2，其光输入端与窄线宽激光器1的输出端连接，用于对窄线宽激光器1输出的光信号进行偏振控制，使光信号的偏振方向对准双偏振双平行马赫曾德尔调制器3的一个主轴方向；
一双偏振双平行马赫曾德尔调制器3，其光输入端端口3-11与窄线宽激光器1的输出端相连，用于实现对光载波信号进行调制，该调制器3是用铌酸锂晶体制成；
两微波源(第一微波源12，第二微波源13)，用于对滤波器系统提供微波信号，其中第一微波源12用于模拟输入微波信号，第二微波源13用于提供激发布里渊散射所需的泵浦光，另外，两个功率分束器(第一功率分束器14，第二功率分束器15)分别对两个微波源的输出信号进行等功率分束，第一微波源12的两路分束信号调制双偏振双平行马赫曾德尔调制器3里面的I调制器，第二微波源13的两路分束信号调制双偏振双平行马赫曾德尔调制器3里面的Q调制器；
一直流源11，其六路输出端与双偏振双平行马赫曾德尔调制器3的六个直流输入端相连，对该调制器3进行直流偏置控制，通过没置不同的直流偏置点，可以得到载波抑制单边带调制，载波抑制双边带调制以及普通的相位调制，为系统提供单个泵浦光，双个泵浦光以及相位调制信号；
经过调制之后的光信号被送入到第二偏振分束器5，将不同偏振方向上的信号进行分离，并分别为第一路光信号和第二路光信号，这里需要提及的是，连接双偏振双平行马赫曾德尔调制器与偏振分束器之间的光纤跳线是保偏的；
第一路光信号首先在第二偏振控制器5的作用下，实现了偏振旋转，使其偏振方向与第二路光信号的偏振方向一致，接着通过光功率放大器6的作用，使得该信号功率达到激发布里渊散射的阈值，经过放大后的信号，通过第一光学环形器9的光路引导，进入单模光纤8；
第二路光信号在第二光学环形器7的光路引导下，也进入单模光纤8，此刻，第一路信号和第二路信号在单模光纤8中相向传输，激发布里渊散射，从而得到需要的布里渊增益和布里渊损耗，实现了特定边带的放大与衰减；最后，散射后的信号通过第一光学环形器进入到光电探测器，最终实现了滤波器的功能。
为了实现单通带滤波与双通带滤波，可以通过调整双偏振双平行马赫曾德尔调制器3的I调制器里面的直流偏置点，实现载波抑制单边带调制或者载波抑制双边带调制，分别为系统提供一个泵浦光或者两个泵浦光信号，另外，调整双偏振双平行马赫曾德尔调制器的Q调制器里面的直流偏置点，可以实现普通的相位调制，为系统提供相位调制信号；
最后，通过矢量网络分析仪，可以看到相应的滤波器响应曲线。
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，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于双偏振双平行马赫曾德尔调制器的可重构滤波器，包括：
一窄线宽激光器，用于提供光源；
一第一偏振控制器，其与窄线宽激光器的输出端连接，用于对窄线宽激光器输出的光信号进行偏振控制，使光信号的偏振方向对准双偏振双平行马赫曾德尔调制器的一个主轴方向；
一双偏振双平行马赫曾德尔调制器，其与第一偏振控制器的输出端相连，用于对光信号进行电光调制；
一微波源单元，其与双偏振双平行马赫曾德尔调制器连接，用于为双偏振双平行马赫曾德尔调制器提供微波信号；
一直流源，其与双偏振双平行马赫曾德尔调制器连接，用于对双偏振双平行马赫曾德尔调制器进行偏压控制；
一布里渊散射单元，用于将双偏振双平行马赫曾德尔调制器调制后的两路光信号在布里渊散射单元的单模光纤中实现相向传输，从而激发布里渊散射；其中，所述布里渊散射单元包括：
一偏振分束器，用于将经过双偏振双平行马赫曾德尔调制器调制后的两路偏振方向不同的光信号进行分离成第一路光信号和第二路光信号；
一第二偏振控制器，其用于将第一路光信号的偏振方向转变成与第二路光信号的偏振方向相同；
一光功率放大器，其输入端与第二偏振控制器的输出端相连，用于将经过第二偏振控制器调制后的第一路光信号功率放大，使其达到激发布里渊散射的阈值；
一第一光学环形器，与经过光功率放大器的第一路光信号连接；
一第二光学环形器，其与偏振分束器连接；以及
一单模光纤，经过第一光学环形器后的第一路光信号与经过第二光学环形器后的第二路光信号在所述单模光纤中相向传输，从而激发布里渊散射，最终得到布里渊散射信号；以及
一光电探测器，其与布里渊散射单元连接，用于对经过布里渊散射之后的光信号进行光电转换，从而实现可重构滤波器的功能。
2.根据权利要求1所述的可重构滤波器，其特征在于，
所述光源波长为1530 ~1610 nm；线宽小于或等于100 kHz。
3.根据权利要求2所述的可重构滤波器，其特征在于，
所述光源波长为1550 nm。
4.根据权利要求1所述的可重构滤波器，其特征在于，
所述双偏振双平行马赫曾德尔调制器与偏振分束器之间的连接光纤为保偏光纤；
所述双偏振双平行马赫曾德尔调制器包括两个平行放置的双平行马赫曾德尔调制器，并且两个双平行马赫曾德尔调制器分别工作在两个相互垂直的偏振方向上；
所述双偏振双平行马赫曾德尔调制器采用铌酸锂晶体制成；
所述的双偏振双平行马赫曾德尔调制器为电光调制器；
所述的双偏振双平行马赫曾德尔调制器的工作波长为1530~1610 nm，处理微波信号的带宽≥20 GHz，消光比≥20 dB，半波电压≥4 V。
5.根据权利要求1所述的可重构滤波器，其特征在于，
所述的光电探测器的工作频率范围大于40 GHz。
6.根据权利要求1所述的可重构滤波器，其特征在于，
所述微波源单元包括：
第一微波源，其用于模拟输入微波信号；
第一功率分束器，其输入端与第一微波源连接，其输出端与双平行马赫曾德尔调制器连接，用于将第一微波源分束；
第二微波源，其用于提供激发布里渊散射所需的泵浦光；以及
第二功率分束器，其输入端与第二微波源连接，其输出端与双平行马赫曾德尔调制器连接，用于将第一微波源分束。
7.根据权利要求6所述的可重构滤波器，其特征在于，
所述第一微波源的工作带宽大于40 GHz，输出功率小于22 dBm；
所述第二微波源的工作带宽大于40 GHz，输出功率小于22 dBm；
所述第一功率分束器的分束比为50:50，两路分束信号无相位差，工作带宽≥40 GHz；
所述第二功率分束器的分束比为50:50，两路分束信号无相位差，工作带宽≥40 GHz；
所述的光功率放大器的带宽大于所述的双偏振双平行马赫曾德尔调制器的工作带宽；
所述第一微波源的两路分束信号调制双偏振双平行马赫曾德尔调制器里面的I调制器；
所述第二微波源的两路分束信号调制双偏振双平行马赫曾德尔调制器里面的Q调制器。
8.根据权利要求1所述的可重构滤波器，其特征在于，
所述第一光学环形器、第二光学环形器、单模光纤的工作波长均相同；
所述第一光学环形器、第二光学环形器、单模光纤的工作波长均为1530 ~1610 nm。
9.根据权利要求8所述的可重构滤波器，其特征在于，
所述第一光学环形器、第二光学环形器、单模光纤的工作波长均为1550 nm。
10.根据权利要求1所述的可重构滤波器，其特征在于，
所述可重构滤波器的单通带滤波与双通带滤波是通过调整双偏振双平行马赫曾德尔调制器的I调制器里面的直流偏置点实现的；
所述可重构滤波器的相位调制是通过调整双偏振双平行马赫曾德尔调制器的Q调制器里面的直流偏置点实现的。
11.如权利要求1-10任一项所述的可重构滤波器在微波通信领域的应用。
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