CN111856748B - 面向微波光子的fp干涉滤波器建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向微波光子的FP干涉滤波器建模方法，先测量得到FP干涉滤波器的响应输出结果，并根据响应输出结果计算出理想数学模型的参数因子；然后建立FP干涉滤波器的理想数学模型，并采用仿真软件对模型进行仿真，得到仿真的输出结果；再调节模型的参数因子，使仿真后的输出结果与实际测量的响应输出结果相符，即完成对FP干涉滤波器的理想数学模型建模。本发明中，通过实物测试得到FP干涉滤波器的精确测量结果，确定模型的参数因子，使模型仿真的输出结果更加准确，并且通过时频转换使模型适用于微波光子的联合仿真，可以实现快速、高精度的微波光子器件建模仿真，在系统建模仿真领域具有重大的意义与应用价值。

Description

面向微波光子的FP干涉滤波器建模方法
技术领域
本发明涉及FP干涉滤波器建模领域，特别涉及一种面向微波光子的FP干涉滤波器建模方法。
背景技术
近年来，得益于微波光子光学器件性能的不断提高，微波光子技术迅猛发展，其中的FP干涉滤波器是一种十分重要的光学器件，FP干涉滤波器具有稳定性好，滤波带宽窄，插损小的优点，经过十多年的发展，它已成为精密光谱测量、快速光信号处理、窄线宽激光、高精度传感等科学研究的理想光学器件，具有十分重要的应用价值。
对FP干涉滤波器的研究中，理论建模与模型仿真在其发展过程中起到了极其重要的作用，不仅可以为器件的参数设计提供理论支持，还可以对器件进行仿真验证。目前，面向微波光子的FP干涉滤波器的数学建模方法并不是非常完善，主要是由于FP干涉滤波器的数学模型一般都建立在频域上，而微波光子链路都是以时域信号传递，并且FP干涉滤波器本身具有很多关键的参数因子，如：反射率、腔长等。在设计滤波器模型时，需要充分考虑器件在实际使用中的上述参数因子对器件输出特性的影响，以使得在器件的仿真中能够得到较高的精度，因此如何在时域上对FP干涉滤波器进行建模仿真，使仿真结果与实际相符是一个十分关键的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供了一种能够对FP干涉滤波器进行精准建模的面向微波光子的FP干涉滤波器建模方法。
本发明的技术方案如下：
一种面向微波光子的FP干涉滤波器建模方法，包括以下步骤：
步骤S1、以宽谱光源发出的信号光作为FP干涉滤波器的输入光信号，并采用光谱分析仪接收FP干涉滤波器的输出光信号，测量得到响应输出结果；
步骤S2、根据响应输出结果计算出FP干涉滤波器的理想数学模型的参数因子；
步骤S3、建立FP干涉滤波器的理想数学模型，所述理想数学模型先采用傅里叶变换将输入光信号从时域信号变成频域信号，然后通过理想的FP数学传递函数在频域上对输入信号进行处理，再进行傅里叶反变换后输出时域信号作为输出光信号；
步骤S4、采用仿真软件对建立的理想数学模型进行仿真，得到仿真的输出结果；
步骤S5、比较仿真后的输出结果与实际测量的响应输出结果是否相符，如果相符则执行步骤S7；否则，执行步骤S6；
步骤S6、调节理想数学模型的参数因子，使仿真后的输出结果与实际测量的响应输出结果相符；
步骤S7、完成对FP干涉滤波器的理想数学模型建模。
进一步的，宽谱光源发出的信号光的波长为1530nm～1580nm。
进一步的，测量得到的响应输出结果包括自由光谱范围和3dB半峰宽度。
进一步的，理想数学模型的参数因子包括FP干涉滤波器的反射率和FP干涉滤波器的腔长。
进一步的，FP干涉滤波器的反射率R的计算公式为：
Figure BDA0002671047340000031
FP干涉滤波器的腔长h的计算公式为：
Figure BDA0002671047340000032
其中，FWHM表示FP干涉滤波器的3dB半峰宽度，FSR表示FP干涉滤波器的自由光谱范围，λ表示FP滤波器的中心波长。
进一步的，在所述步骤S3中，通过理想的FP数学传递函数在频域上对输入信号进行处理的公式为：
Figure BDA0002671047340000033
B通过以下公式计算得到：
Figure BDA0002671047340000034
F通过以下公式计算得到：
Figure BDA0002671047340000035
其中，Eout表示输出光信号的幅度矩阵，Ein表示输入光信号的幅度矩阵，n表示FP干涉滤波器腔体介质的折射率，h表示FP干涉滤波器的腔长，R表示FP干涉滤波器的反射率。
进一步的，在所述步骤S4中，采用仿真软件Matlab对建立的理想数学模型进行仿真，仿真软件Matlab仿真后的输出结果包括仿真输出信号的自由光谱范围和仿真输出信号的3dB半峰宽度。
有益效果：本发明中，通过实物测试得到FP干涉滤波器的精确测量结果，以此确定理想数学模型的参数因子，使理想数学模型仿真的输出结果更加准确，并且通过时频转换使模型适用于微波光子的联合仿真，可以实现快速、高精度的微波光子器件建模仿真，在系统建模仿真领域具有重大的意义与应用价值。
附图说明
图1为本发明面向微波光子的FP干涉滤波器建模方法的优选实施例的流程图；
图2为对理想数学模型进行仿真后输出的响应曲线图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1所示，本发明面向微波光子的FP干涉滤波器建模方法的一个优选实施例包括以下步骤：
步骤S1、在室温条件下，宽谱光源发出波长为1530nm～1580nm的信号光，并输入FP干涉滤波器；在FP干涉滤波器的输出端采用高精度的光谱分析仪接收输出光信号并进行测量，得到输出光信号的自由光谱范围和3dB半峰宽度。
步骤S2、根据响应输出结果计算出FP干涉滤波器的理想数学模型的参数因子；理想数学模型的参数因子包括FP干涉滤波器的反射率和FP干涉滤波器的腔长。
FP干涉滤波器的反射率R的计算公式为：
Figure BDA0002671047340000051
FP干涉滤波器的腔长h的计算公式为：
Figure BDA0002671047340000052
其中，FWHM表示FP干涉滤波器的3dB半峰宽度，FSR表示FP干涉滤波器的自由光谱范围，λ表示FP滤波器的中心波长。
步骤S3、建立FP干涉滤波器的理想数学模型，所述理想数学模型先采用傅里叶变换把输入光信号从时域信号变成频域信号，然后通过理想的FP数学传递函数在频域上对输入信号进行处理，再进行傅里叶反变换后输出时域信号作为输出光信号。
通过理想的FP数学传递函数在频域上对输入信号进行处理的公式为：
Figure BDA0002671047340000061
B通过以下公式计算得到：
Figure BDA0002671047340000062
F通过以下公式计算得到：
Figure BDA0002671047340000063
其中，Eout表示处理后得到的频域信号的幅度矩阵，Ein表示输入光信号经傅里叶变换后得到的频域信号的幅度矩阵，n表示FP干涉滤波器腔体介质的折射率，h表示FP干涉滤波器的腔长，R表示FP干涉滤波器的反射率。
步骤S4、采用仿真软件对建立的理想数学模型进行仿真，得到仿真的输出结果，仿真软件优选为采用Matlab，仿真后可在Matlab查看仿真输出信号的自由光谱范围和3dB半峰宽度。
步骤S5、比较仿真输出信号的自由光谱范围和3dB半峰宽度与测量得到的自由光谱范围和3dB半峰宽度是否相符(即对应参数的差值是否满足要求)，如果相符则执行步骤S7；否则，执行步骤S6；
步骤S6、对比仿真输出结果与实际测量的响应输出结果，调节理想数学模型的参数因子，使仿真后的输出结果与实际测量的响应输出结果基本相等(即仿真输出结果的自由光谱范围和3dB半峰宽度与测量得到的自由光谱范围和3dB半峰宽度的差值满足精度要求)。例如：当仿真输出信号的自由光谱范围大于测量得到的自由光谱范围时，调小理想数学模型中腔长h的值，反之则调大h的值；当仿真输出信号的3dB半峰宽度大于测量得到的3dB半峰宽度时，调大理想数学模型中反射率R的值，反之则调小R的值，直至仿真后的输出结果与实际测量的响应输出结果基本相等。
步骤S7、完成对FP干涉滤波器模型的理想数学模型建模。
本实施例中，通过实物测试得到FP干涉滤波器的精确测量结果，以此确定理想数学模型的参数因子，使理想数学模型仿真的输出结果更加准确，并且通过时频转换使模型适用于微波光子的联合仿真，可以实现快速、高精度的微波光子器件建模仿真。如图2所示，为FP滤波器模型响应曲线仿真输出结果；从仿真结果可以看出，滤波器的输出特性与实物器件的输出特性相符，说明通过精准的建模方法，成功实现了高精度FP滤波器的建模，该方法也适用于其他微波光子器件的精准建模，在微波光子系统的研究和设计中具有十分重要的应用价值。
本发明未描述部分与现有技术一致，在此不做赘述。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。

Claims (4)

1.一种面向微波光子的FP干涉滤波器建模方法，其特征在于,包括以下步骤：
步骤S1、以宽谱光源发出的信号光作为FP干涉滤波器的输入光信号，并采用光谱分析仪接收FP干涉滤波器的输出光信号，测量得到响应输出结果；
步骤S2、根据响应输出结果计算出FP干涉滤波器的理想数学模型的参数因子；理想数学模型的参数因子包括FP干涉滤波器的反射率R和FP干涉滤波器的腔长h；FP干涉滤波器的反射率R的计算公式为：
Figure FDA0003295549160000011
FP干涉滤波器的腔长h的计算公式为：
Figure FDA0003295549160000012
其中，FWHM表示FP干涉滤波器的3dB半峰宽度，FSR表示FP干涉滤波器的自由光谱范围，λ表示FP滤波器的中心波长；
步骤S3、建立FP干涉滤波器的理想数学模型，所述理想数学模型先采用傅里叶变换将输入光信号从时域信号变成频域信号，然后通过理想的FP数学传递函数在频域上对输入信号进行处理，再进行傅里叶反变换后输出时域信号作为输出光信号；通过理想的FP数学传递函数在频域上对输入信号进行处理的公式为：
Figure FDA0003295549160000021
B通过以下公式计算得到：
Figure FDA0003295549160000022
F通过以下公式计算得到：
Figure FDA0003295549160000023
其中，Eout表示输出光信号的幅度矩阵，Ein表示输入光信号的幅度矩阵，n表示FP干涉滤波器腔体介质的折射率；
步骤S4、采用仿真软件对建立的理想数学模型进行仿真，得到仿真的输出结果；
步骤S5、比较仿真后的输出结果与实际测量的响应输出结果是否相符，如果相符则执行步骤S7；否则，执行步骤S6；
步骤S6、调节理想数学模型的参数因子，使仿真后的输出结果与实际测量的响应输出结果相符；
步骤S7、完成对FP干涉滤波器的理想数学模型建模。
2.根据权利要求1所述的面向微波光子的FP干涉滤波器建模方法，其特征在于，宽谱光源发出的信号光的波长为1530nm～1580nm。
3.根据权利要求1所述的面向微波光子的FP干涉滤波器建模方法，其特征在于，测量得到的响应输出结果包括自由光谱范围和3dB半峰宽度。
4.根据权利要求1所述的面向微波光子的FP干涉滤波器建模方法，其特征在于,在所述步骤S4中，采用仿真软件Matlab对建立的理想数学模型进行仿真，仿真软件Matlab仿真后的输出结果包括仿真输出信号的自由光谱范围和仿真输出信号的3dB半峰宽度。
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