CN111736368B - 一种基于光纤光栅的可重构微波光子滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅的可重构微波光子滤波器，包括可调激光器、光分束器、偏振控制器、相位调制器、可重构光纤光栅滤波器、光合束器、光电探测器、射频功分器和频谱判决分析反馈控制模块，本发明利用可重构光纤光栅滤波器作为光学滤波器对调制到光域的微波信号进行滤波，然后经过光电转换之后将该滤波效果映射到微波域，实现微波信号滤波。可重构光纤光栅滤波器是通过局部拉伸光纤的可重构相移技术调控可重构相移光纤光栅的结构，解决了常规光纤光栅在制备完成后带宽不可重构的限制，最终使基于光纤光栅的可重构微波光子滤波器带宽和频率均实现调谐。此外频谱判决分析反馈控制解决两个相移量的一致性问题，保证滤波器的平坦性和低损耗特性。

Description

一种基于光纤光栅的可重构微波光子滤波器
技术领域
本发明公开了一种基于光纤光栅的可重构微波光子滤波器，属于微波光子领域。
背景技术
卫星载荷向着多业务、多功能一体化方向发展，由于卫星接收的微波信号包括通信、数传、测控等不同类型，这些不同类型、不同业务信号的带宽和工作频点存在差别，需要卫星载荷根据业务需求灵活分配带宽和频点。构建带宽可重构、频率可调谐的通用微波光子射频前端是一体化卫星载荷发展的重要方向。为了构建通用微波光子射频前端，需要设计可重构微波光子滤波器作为其核心器件。
在先技术一，基于微环谐振腔与马赫曾德尔干涉仪的可重构微波光子滤波器，主要通过在级联微环之间引入马赫曾德尔结构，然后改变温度实现对带宽的调节。该方法滤波带宽为GHz量级以上，无法满足柔性转发技术中信道化颗粒度的要求。
在先技术二，基于可调谐光滤波器的可重构微波光子滤波器，主要利用相位调制器±1阶边带与光载波的拍频信号抵消的特性，通过调谐光滤波器的中心波长实现微波光子滤波带宽调谐，相反调谐光滤波器带宽可以实现微波光子滤波的中心频率。该类方法对受限于光滤波器的边缘滚降小，则滤波器的带宽也是GHz量级以上；受限于光滤波器的带宽，中心频率调谐范围不能覆盖低频信号。
在先技术三，基于多个微环谐振器调控边带相位的可重构微波光子滤波器，利用微环谐振器谐振频率处存在相位突变，可以调控边带信号的相位，同相的频率信号被滤出，通过调节两个微环之间的谐振频率差可以实现带宽重构，但是由于谐振频率处相位变化存在一定斜率，所以带宽为320MHz时，滤波响应变成三角形，且损耗增大，因此这种方法得到的滤波器带宽也是GHz量级以上。
在先技术四，基于等效相移光纤光栅的微波光子滤波器，是利用取样光纤光栅制备等效相移光纤光栅，可以得到窄带平顶滤波效果，但是滤波器只能频率调谐，带宽不能重构。
在先技术五，基于受激布里渊散射效应的可重构微波光子滤波，采用调制激光器或者光频梳扩展泵浦光源频谱，通过调节码速率或者光频梳数可以实现滤波器带宽调谐。该类方法属于有源滤波，会引入额外噪声，而且需要几～十几km的光纤，结构复杂且成本高。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种基于光纤光栅的可重构微波光子滤波器，通过局部拉伸光纤的可重构相移技术在均匀光纤光栅上引入两个相移点，调节局部拉伸区的应力可以改变相移点的相移量，解决了常规光纤光栅在制备完成后带宽不可调谐的限制，另一方面通过改变光载波和光纤光栅的频率差也可以实现滤波器的频率调谐。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种基于光纤光栅的可重构微波光子滤波器包括可调谐激光器、光分束器、偏振控制器、相位调制器、可重构光纤光栅滤波器、光合束器、光电探测器、射频功分器和频谱判决分析反馈控制模块。
激光器输出的激光经过光分束器分成两路，第一路输出的激光作为光载波输入到偏振控制器，偏振控制器将光载波的偏振态调到相位调制器的最优偏振工作状态，然后将光载波输入到相位调制器，相位调制器的射频输入端是整个微波光子滤波器的射频信号输入端，
相位调制器光信号输出端与可重构光纤光栅滤波器输入端连接，可重构光纤光栅滤波器输出端与光合束器的一个输入端连接，光分束器另一路输出作为参考光路与光合束器的第二个输入端连接，最后光合束器输出端与光电探测器的光输入端连接得到滤波后的射频信号，
滤出的射频信号经过射频功分器分成两路，一路输入到频谱判决分析反馈控制模块，与标准频谱比对得到反馈电压信号传送给可重构光纤光栅滤波器，最终得到所需的滤波器参数。通过调节可重构光纤光栅滤波器的带宽实现微波光子滤波器的带宽重构，调谐激光器和可重构光纤光栅滤波器之间的频率差实现滤波器的频率调谐。
可重构光纤光栅滤波器由一根可重构相移光纤光栅、光环行器和第一均匀布拉格光纤光栅构成。光信号从可重构相移光纤光栅一端输入，另一端接光环行器的第一端口，光环行器的第二端口接第一均匀布拉格光纤光栅，光信号被第一均匀布拉格光纤光栅后从环行器第三端口输出。
可重构相移光纤光栅的光谱是在阻带内存在一个窄带透射峰，第一均匀布拉格光纤光栅的反射带与可重构相移光纤光栅的透射峰对准，且第一均匀布拉格光纤光栅的反射带宽小于可重构相移光纤光栅的阻带带宽，大于可重构相移光纤光栅的透射峰带宽，保证滤除可重构相移光纤光栅的带外信号，同时滤出所需的可重构相移光纤光栅窄带透射峰内的信号。
其中，可重构相移光纤光栅由第二均匀布拉格光纤光栅、两个压电陶瓷和压电陶瓷驱动器构成。通过压电陶瓷对第二均匀布拉格光纤光栅局部拉伸，在第二均匀布拉格光纤光栅上引入两个相移点，通过控制这两个压电陶瓷的驱动电压改变相移量，可以滤波器带宽的重构。压电陶瓷对称的粘贴在第二均匀布拉格光纤光栅上，压电陶瓷的中心位置与第二均匀布拉格光纤光栅边缘的距离为均匀布拉格光纤光栅总长度的1/4，以获得一个单通带的平顶滤波器谱形。
此外压电陶瓷的尺寸小于3mm，以保证滤波器的带宽足够窄。可重构相移光纤光栅的两个压电陶瓷电压为0V，可重构光纤光栅滤波器的滤波谱形与第一均匀布拉格光纤光栅的反射谱相同，工作在宽带滤波状态。
频谱判决分析反馈控制模块用于分析实测频谱与实际频谱在功率与平坦度上的差异，用于调控压电陶瓷驱动器施加给两个压电陶瓷的驱动电压，解决两个相移点的相移量一致性问题，以保证获得一个单通带低损耗的平顶滤波响应。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明与在先技术相比本发明解决了光纤光栅在制备完成后带宽不可调谐的限制，采用可重构光纤光栅滤波器作为微波光子滤波器的核心器件，解决了在先技术存在的基于无源光滤波器的微波光子滤波器在窄带宽下难以带宽调谐的问题；
(2)本发明与在先技术相比，无需几～十几km长的光纤和外部电控部件扩展泵浦光频谱产生带宽可调的SBS增益谱来实现滤波，相比之下光纤光栅具有尺寸小、结构简单、兼容性好优势，有利于实现可重构微波光子滤波器小型化、模块化。
附图说明
图1是本发明基于光纤光栅的可重构微波光子滤波器结构框图；
图2是本发明可重构光纤光栅滤波器的结构框图。
图3是本发明可重构相移光纤光栅的结构示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明，但不应该以此限制本发明保护范围。
图1是基于光纤光栅的可重构微波光子滤波器的结构框图。基于光纤光栅的可重构微波光子滤波器包括可调谐激光器1、光分束器2、偏振控制器3、相位调制器4、可重构光纤光栅滤波器5、光合束器6、光电探测器7、射频功分器8和频谱判决分析反馈控制模块9。
可调谐激光器产生的激光经过光分束器2分成两路，第一路输出的激光作为光载波输入到偏振控制器3，偏振控制器3将光载波的偏振态调到相位调制器4的最优偏振工作状态，然后将光载波输入到相位调制器4，相位调制器4的射频输入端是整个微波光子滤波器的信号输入端，相位调制器4光信号输出端与可重构光纤光栅滤波器5输入端连接，可重构光纤光栅滤波器5输出端与光合束器6的一个输入端连接，光分束器2另一路输出作为参考光路与光合束器6的第二个输入端连接，最后光合束器6输出端与光电探测器7的光输入端连接得到滤波后的射频信号；
滤出的射频信号经过射频功分器8分成两路，一路输入到频谱判决分析反馈控制模块9，与标准频谱比对得到反馈电压信号传送给可重构光纤光栅滤波器5，最终得到所需的滤波器参数。通过调节可重构光纤光栅滤波器5的带宽实现微波光子滤波器的带宽重构，调谐可调谐激光器1和可重构光纤光栅滤波器之间的频率差实现滤波器的频率调谐。
如图2所示，可重构光纤光栅滤波器5由一根可重构相移光纤光栅5_1、光环行器5_2和第一均匀布拉格光纤光栅5_3构成。光信号从可重构相移光纤光栅5_1一端输入，另一端接光环行器5_2的第一端口，光环行器5_2的第二端口接第一均匀布拉格光纤光栅，光信号被第一均匀布拉格光纤光栅5_3后从环行器5_2第三端口输出。
可重构相移光纤光栅5_1的光谱是在阻带内存在一个窄带透射峰，第一均匀布拉格光纤光栅5_3的反射带与可重构相移光纤光栅5_1的透射峰对准，且第一均匀布拉格光纤光栅5_3的反射带宽小于可重构相移光纤光栅5_1的阻带带宽，大于可重构相移光纤光栅5_1的透射峰带宽，保证滤除可重构相移光纤光栅5_1的带外信号，同时滤出所需的可重构相移光纤光栅5_1窄带透射峰内的信号。其中，可重构相移光纤光栅5_1由第二均匀布拉格光纤光栅5_1_1、两个压电陶瓷5_1_2和压电陶瓷驱动器5_1_3构成，如图3所示。
在第二均匀布拉格光纤光栅上5_1_1，压电陶瓷5_1_2的中心位置与第二均匀布拉格光纤光栅5_1_1边缘的距离为均匀布拉格光纤光栅总长度5_1_1的1/4。通过压电陶瓷5_1_2对第二均匀布拉格光纤光栅5_1_1局部拉伸，在第二均匀布拉格光纤光栅上引入两个相移点，通过控制这两个压电陶瓷驱动器5_1_3的输出驱动电压改变相移量，可以滤波器带宽的重构。此外压电陶瓷5_1_2的尺寸应该小于3mm，以保证滤波器的带宽足够窄。
当可重构相移光纤光栅5_1的两个压电陶瓷驱动电压为0V时，所述的可重构光纤光栅滤波器5的滤波谱形与第一均匀布拉格光纤光栅5_3的反射谱相同，滤波器工作在宽带滤波状态。
考虑到两个相移量差异带来的滤波器插损增大、带内波动变大等问题，本发明提出频谱判决分析反馈控制模块9用于分析实测频谱与标准频谱在功率与平坦度上的差异，用于调控压电陶瓷驱动器5_1_3施加给两个压电陶瓷5_1_2的驱动电压。
比如，当滤波器输出信号的功率较小时，调节其中一个压电陶瓷5_1_2的驱动电压，若输出功率变小，则反向调节电压，直至输出功率达到最大。解决两个相移点的相移量一致性问题，以保证获得一个单通带低损耗的平顶滤波响应。
本发明与在先技术相比本发明解决了光纤光栅在制备完成后带宽不可调谐的限制，采用可重构光纤光栅滤波器作为微波光子滤波器的核心器件，解决了在先技术存在的基于无源光滤波器的微波光子滤波器在窄带宽下难以带宽调谐的问题。
本发明虽然已较佳实例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不拓扑本发明的精神和范围内，都可以领上述揭示的方法和技术对本发明技术方案作出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例作的任何简单修改等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于光纤光栅的可重构微波光子滤波器，其特征在于：包括可调谐激光器(1)、光分束器(2)、偏振控制器(3)、相位调制器(4)、可重构光纤光栅滤波器(5)、光合束器(6)、光电探测器(7)、射频功分器(8)和频谱判决分析反馈控制模块(9)，
所述的可调谐激光器(1)产生的激光经过光分束器(2)分成两路，第一路输出的激光作为光载波输入到偏振控制器(3)，偏振控制器(3)将光载波的偏振态调到相位调制器(4)的最优偏振工作状态，使光载波的偏振态与相位调制器(4)的偏振轴对准，然后将光载波输入到相位调制器(4)，相位调制器(4)的射频输入端是整个微波光子滤波器的信号输入端，相位调制器(4)光信号输出端与可重构光纤光栅滤波器(5)输入端连接，
可重构光纤光栅滤波器(5)输出端与光合束器(6)的一个输入端连接，光分束器(2)另一路输出作为参考光路与光合束器(6)的第二个输入端连接，最后光合束器(6)输出端与光电探测器(7)的光输入端连接得到滤波后的射频信号，
滤出的射频信号经过射频功分器(8)分成两路，一路输入到频谱判决分析反馈控制模块(9)，与标准频谱比对得到反馈电压信号传送给可重构光纤光栅滤波器(5)，最终得到所需的滤波器参数，另一路作为滤波信号输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的可重构微波光子滤波器，其特征在于：可重构光纤光栅滤波器(5)包括可重构相移光纤光栅(5_1)、光环行器(5_2)和第一均匀布拉格光纤光栅(5_3)，光信号从可重构相移光纤光栅(5_1)一端输入，另一端接光环行器(5_2)的第一端口，光环行器(5_2)的第二端口接第一均匀布拉格光纤光栅(5_3)，光信号被第一均匀布拉格光纤光栅(5_3)反射后从环行器(5_2)的第三端口输出。
3.根据权利要求2所述的一种基于光纤光栅的可重构微波光子滤波器，其特征在于：第一均匀布拉格光纤光栅(5_3)的反射带与可重构相移光纤光栅(5_1)的透射峰对准，且第一均匀布拉格光纤光栅(5_3)的反射带宽小于可重构相移光纤光栅(5_1)的阻带带宽，大于可重构相移光纤光栅(5_1)的透射峰带宽，保证滤除可重构相移光纤光栅(5_1)的带外信号，同时滤出所需的可重构相移光纤光栅(5_1)窄带透射峰内的信号。
4.根据权利要求2所述的一种基于光纤光栅的可重构微波光子滤波器，其特征在于：可重构相移光纤光栅(5_1)包括第二均匀布拉格光纤光栅(5_1_1)、两个压电陶瓷(5_1_2)和压电陶瓷驱动器(5_1_3)，
两个压电陶瓷(5_1_2)粘在第二均匀布拉格光纤光栅(5_1_1)上，压电陶瓷驱动器(5_1_3)分别给两个压电陶瓷(5_1_2)供电，通过压电陶瓷(5_1_2)对第二均匀布拉格光纤光栅(5_1_1)局部拉伸。
5.根据权利要求4所述的一种基于光纤光栅的可重构微波光子滤波器，其特征在于：在第二均匀布拉格光纤光栅(5_1_1)上引入两个相移点，通过控制这两个压电陶瓷(5_1_2)的驱动电压改变相移量，最终实现窄带滤波器带宽的调谐。
6.根据权利要求4所述的一种基于光纤光栅的可重构微波光子滤波器，其特征在于：压电陶瓷(5_1_2)的中心位置与第二均匀布拉格光纤光栅(5_1_1)边缘的距离为第二均匀布拉格光纤光栅(5_1_1)总长度的1/4，以获得一个单通带的平顶滤波器谱形。
7.根据权利要求4所述的一种基于光纤光栅的可重构微波光子滤波器，其特征在于：所述的压电陶瓷(5_1_2)的尺寸小于3mm，以获得窄带滤波。
8.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的可重构微波光子滤波器，其特征在于：当可重构相移光纤光栅(5_1)的相移量为0时，所述的可重构光纤光栅滤波器(5)工作在宽带滤波状态中。
9.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的可重构微波光子滤波器，其特征在于：频谱判决分析反馈控制模块(9)用于分析实测频谱与实际频谱在功率与平坦度上的差异，用于调控压电陶瓷驱动器(5_1_3)施加给两个压电陶瓷(5_1_2)的驱动电压，解决两个相移点的相移量一致性问题，以保证获得一个单通带低损耗的平顶滤波响应。
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