CN112865876B - 一种微波光子滤波器及带宽调谐方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波光子滤波器及带宽调谐方法，涉及微波光子信号产生领域，包括：光输入单元，其用于输出第一频率的第一光信号以及第二频率的第二光信号，且所述光输入单元可调节所述第一光信号和/或第二光信号的功率；单边带信号调制模块，其用于接收并调制所述第一光信号；基于片上集成系统的光力谐振模块，其用于接收第二光信号和调制后的所述第一光信号，且用于使调制后的所述第一光信号通过谐振产生声子信号，并还通过所述声子信号调制所述第二光信号，以产生窄带响应；其中，所述第一光信号和第二光信号的功率被配置为可使产生窄带响应后的带宽达到预设值。本发明可基于集成器件实现超窄带宽且带宽可调的微波光子滤波器。

Description

一种微波光子滤波器及带宽调谐方法

技术领域

本发明涉及微波光子信号处理领域，具体涉及一种微波光子滤波器及带宽调谐方法。

背景技术

随着通信速率和通信容量的不断提升，通信所采用的微波信号频段也在不断提高。然而，受制于电子器件处理速度和高频微波信号传输损耗的影响，微波技术在向高频拓展的过程中遇到了较大的阻力。微波光子学利用光子技术来产生、处理和传输微波信号，借助于光子技术高速、大带宽和低传输损耗等优点，可以有效地解决微波技术向高频拓展的问题。

作为微波信号处理中的重要器件，微波光子滤波器是微波光子系统中必不可少的部件，并在通信、雷达、电子战对抗和卫星通讯等领域都有着重要的应用。

目前利用分立器件实现的微波光子滤波器已经比较成熟，但是较大的体积和功耗、较低的稳定性限制了分立系统的实用性，因此基于集成器件的微波光子滤波器是目前主流的研究方向。3dB带宽是衡量滤波器性能的重要参数，虽然目前也已经实现了各式各样的集成微波光子滤波器，但是实现超窄带宽仍然比较困难。另外，微波光子滤波器相比于传统电子滤波器的一个巨大优势就是能够实现更好的灵活性，目前鲜有在提升微波光子滤波器滤波性能的同时，还实现较好灵活性的集成方案。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明第一方面提供一种能实现超窄带宽且带宽可调的微波光子滤波器。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种微波光子滤波器，包括：

光输入单元，其用于输出第一频率的第一光信号以及第二频率的第二光信号，且所述光输入单元可调节所述第一光信号和/或第二光信号的功率；

单边带信号调制模块，其用于接收并调制所述第一光信号；

基于片上集成系统的光力谐振模块，其用于接收第二光信号和调制后的所述第一光信号，且用于使调制后的所述第一光信号通过谐振产生声子信号，并还通过所述声子信号调制所述第二光信号，以产生窄带响应；

其中，所述第一光信号和第二光信号的功率被配置为可使产生窄带响应后的带宽达到预设值。

一些实施例中，所述微波光子滤波器还包括：

光学滤波模块，其用于接收调制后的所述第二光信号。

一些实施例中，所述微波光子滤波器还包括：

光环形器，其包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口用于与所述光输入单元相连，所述第二端口与所述光力谐振模块相连，所述第三端口与所述光学滤波模块相连。

一些实施例中，所述微波光子滤波器还包括：

光电探测器，其包括光学输入端口和射频输入端口，所述光学输入端口与所述光学滤波模块相连，所述射频输入端口用于输出微波信号。

一些实施例中，所述光力谐振模块包括依次连接的第一光波导、第一耦合器、第一光力谐振腔、声子波导、第二光力谐振腔、第二耦合器和第二光波导；

所述第一光波导用于接收调制后的所述第一光信号，所述第一耦合器用于将调制后的所述第一光信号耦合进所述第一光力谐振腔，以产生所述声子信号；

所述第二光波导用于接收所述第二光信号，所述第二耦合器用于将所述第二光信号耦合进所述第二光力谐振腔；

所述第二光力谐振腔用于接收通过所述声子波导传输的所述声子信号，以使所述声子信号对第二光信号进行调制，以产生窄带响应；

所述第二耦合器还用于将调制后的所述第二光信号输出到第二光波导。

一些实施例中，所述第一光波导的输入端和第二光波导的输出端上设有耦合光栅。

一些实施例中，所述单边带信号调制模块为双驱动马赫曾德尔调制器，或由相位调制器与光学带通滤波器构成。

一些实施例中，所述光输入单元包括：

第一光输入模块，其包括激光器、偏振控制器和光衰减器，用于输出所述第一光信号；

第二光输入模块，其包括激光器、偏振控制器和光衰减器，用于输出所述第二光信号。

本发明第二方面提供一种能实现超窄带宽的带宽调谐方法。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种利用上述微波光子滤波器的带宽调谐方法，该方法包括以下步骤：

利用光输入单元分别输出第一频率的第一光信号以及第二频率的第二光信号；

利用单边带信号调制模块接收并调制所述第一光信号；

通过光力谐振模块进行谐振，使调制后的所述第一光信号产生声子信号，并通过所述声子信号调制所述光力谐振模块接收的所述第二光信号并输出，以产生窄带响应；

调节所述第一光信号和/或第二光信号的功率，使产生窄带响应的带宽达到预设值。

一些实施例中，所述光力谐振模块包括依次连接的第一光波导、第一耦合器、第一光力谐振腔、声子波导、第二光力谐振腔、第二耦合器和第二光波导；

所述通过光力谐振模块进行谐振，使调制后的所述第一光信号产生声子信号，并通过所述声子信号调制所述光力谐振模块接收的所述第二光信号并输出，以产生窄带响应，包括：

利用第一光波导接收调制后的所述第一光信号，并通过所述第一耦合器将调制后的所述第一光信号耦合进所述第一光力谐振腔，以产生所述声子信号；

利用第二光波导接收所述第二光信号，并通过所述第二耦合器将所述第二光信号耦合进所述第二光力谐振腔；

利用第二光力谐振腔接收通过所述声子波导传输的所述声子信号，使所述声子信号对第二光信号进行调制，以产生窄带响应。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明中的微波光子滤波器，其包括光输入单元、单边带信号调制模块和基于片上集成系统的光力谐振模块。光输入单元用于输出第一频率的第一光信号以及第二频率的第二光信号。光力谐振模块用于接收第二光信号和调制后的所述第一光信号，且用于使调制后的所述第一光信号通过谐振产生声子信号，并还通过所述声子信号调制所述第二光信号，以产生窄带响应。通过调节第一光输入模块和第二光输入模块，改变第一光信号和/或第二光信号的功率，可以对所产生窄带响应的带宽进行调谐，从而基于集成器件实现了超窄带宽且带宽可调的微波光子滤波器。

附图说明

图1为本发明实施例中微波光子滤波器的结构框图；

图2为本发明实施例中光力谐振模块的结构框图；

图3为本发明实施例中带宽调谐方法的流程图；

图4为图3中步骤S3的流程图。

图中：100-第一光输入模块，200-单边带信号调制模块，300-光力谐振模块，310-第一光波导，320-第一耦合器，330-第一光力谐振腔，340-声子波导，350-第二光力谐振腔，360-第二耦合器，370-第二光波导，400-第二光输入模块，500-光环形器，600-光学滤波模块，700-光电探测器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参见图1所示，本发明实施例提供一种微波光子滤波器，其包括光输入单元、单边带信号调制模块200和基于片上集成系统的光力谐振模块300。

光输入单元用于输出第一频率的第一光信号以及第二频率的第二光信号，且所述光输入单元可调节所述第一光信号和/或第二光信号的功率。值得说明的是，光输入单元可以是单光源设备，并分成两路以输出所述第一光信号和第二光信号。也可以包括两个光源：第一光输入模块100和第二光输入模块400。其中，第一光输入模块100用于输出第一频率的第一光信号。第二光输入模块400用于输出第二频率的第二光信号。此外，第一频率和第二频率的大小可以相等，也可以不相等，本实施例在此不做限制。

优选地，第一光输入模块100和第二光输入模块400均包括激光器。进一步地，第一光输入模块和第二光输入模块还包括偏振控制器和光衰减器。

其中，单边带信号调制模块200用于接收并调制第一光信号。当光输入单元包括第一光输入模块100和第二光输入模块400两个光源时，单边带信号调制模块200的光输入端与第一光输入模块100相连，单边带信号调制模块200的光输出端与光力谐振模块300相连。优选地，单边带信号调制模块200可以是双驱动马赫曾德尔调制器，或由相位调制器与光学带通滤波器构成。

光力谐振模块300用于接收第二光信号和调制后的所述第一光信号，且用于使调制后的所述第一光信号通过谐振产生声子信号，并还通过所述声子信号调制所述第二光信号，以产生窄带响应。其中，第一光信号和第二光信号的功率被配置为可使产生窄带响应后的带宽达到预设值。

作为一个优选地实施方式，所述微波光子滤波器还包括光学滤波模块600，其用于接收调制后的所述第二光信号。优选地，光学滤波模块600为光学带通滤波器。

为了将光输入单元、光力谐振模块300和光学滤波模块600连接起来。在本实施例中，所述微波光子滤波器还包括光环形器500。

光环形器500包括第一端口、第二端口和第三端口，三个端口在图中分别对应1、2和3。当光输入单元包括第一光输入模块100和第二光输入模块400两个光源时，第一端口与第二光输入模块400相连，第二端口与光力谐振模块300相连，第三端口与光学滤波模块600相连。

一些实施例中，所述微波光子滤波器还包括光电探测器700，光电探测器700包括光学输入端口和射频输入端口，所述光学输入端口与所述光学滤波模块600相连，所述射频输入端口用于输出微波信号。

作为一个优选地实施方式，参见图2所示。光力谐振模块300包括依次连接的第一光波导310、第一耦合器320、第一光力谐振腔330、声子波导340、第二光力谐振腔350、第二耦合器360和第二光波导370。

第一光波导310用于接收调制后的第一光信号，第一耦合器320用于将调制后的第一光信号耦合进第一光力谐振腔330，以产生声子信号。

第二光波导370用于接收第二光信号，第二耦合器360用于将第二光信号耦合进第二光力谐振腔350。第二光力谐振腔350用于接收通过声子波导340传输的声子信号，以使声子信号对第二光信号进行调制，以产生窄带响应。第二耦合器360还用于将调制后的第二光信号输出到第二光波导370。其中，第二光力谐振腔350还包括用于进行模式选择的机械模。

值得说明的是，光力谐振模块300是片上系统，微波光子滤波器的其它模块可以是片上系统，也可以是分立器件。当其它模块为片上系统时，调制后的第一光信号通过光波导与光力谐振模块300中的第一光波导310连接，第二光波导370的输出也通过光波导与片上光环形器500的第二端口连接。当其它模块为分立器件时，此时，在第一光波导310的输入端和第二光波导370的输出端上设有耦合光栅，调制后的第一光信号输入耦合光纤后，通过耦合光栅后输入到光力谐振模块300中的第一光波导310，第二光波导370的输出通过耦合光栅输出到耦合光纤，再与光环形器500的第二端口连接。

下面对本发明的工作原理进行介绍：

第一光输入模块100产生频率为ω₁的第一光信号，输入到单边带信号调制模块200中，并被单边带信号调制模块200射频输入端口中输入的微波信号所调制，调制后的第一光信号进入光力谐振模块300中，第二光输入模块400产生频率为ω₂的第二信号光，进入光环形器500的第一端口，并从第二端口输出进入光力谐振模块300中。第二信号光在光力谐振模块300中被调制后输出到光环形器500的第二端口，从第三端口输出到光学滤波模块600中，滤出ω₂附近的光信号，经过滤波的信号进入光电探测器700中，并从所述光电探测器700的射频端口输出。

在光力谐振模块300中，第一信号光通过第一光波导310进入到第一耦合器320，将经过调制的第一光信号耦合到第一光力谐振腔330中，调制后的第一光信号作为泵浦在第一光力谐振腔330中激发斯托克斯波，斯托克斯波与第一光信号的频率间隔为ω₃，并会对频率为ω₄＝ω₁-ω₃的信号进行放大。当第一光力谐振腔330的模式与被放大的频率ω₄重合时，可以产生经过放大的声子信号，声子信号随后通过声子波导340进行传播。此时调制后的第一光信号被转换为声子信号传输。频率为ω₂的第二信号光进入光力谐振模块300的第二光波导370中，随后通过第二耦合器360耦合到第二光力谐振腔350中。在第二光力谐振腔350中，第二光信号被声子波导340传输过来的声子信号所调制，并对第二光力谐振腔350中的机械模进行放大。调制后的第二光信号通过第二耦合器360耦合到第二光波导370，进入到光环形器500中，然后依次进入光学滤波模块600和光电探测器700。

同时，通过调节第一光输入模块100和第二光输入模块400，改变第一光信号和/或第二光信号的功率，可以对所实现的微波光子滤波器的带宽进行调谐。当第一光输入模块100和第二光输入模块400的光功率调到合适值时，可以实现超窄带宽的微波光子滤波器，3dB带宽达到小于百kHz的量级。

综上所述，本发明中的微波光子滤波器，其包括光输入单元、单边带信号调制模块200和基于片上集成系统的光力谐振模块300。光输入单元用于输出第一频率的第一光信号以及第二频率的第二光信号。光力谐振模块300用于接收第二光信号和调制后的所述第一光信号，且用于使调制后的所述第一光信号通过谐振产生声子信号，并还通过所述声子信号调制所述第二光信号，以产生窄带响应。通过调节第一光输入模块100和第二光输入模块400，改变第一光信号和/或第二光信号的功率，可以对带宽进行调谐，从而基于集成器件实现了超窄带宽且带宽可调的微波光子滤波器。

与之对应的是，参见图3所示，本发明实施例还提供一种利用上述微波光子滤波器的带宽调谐方法，该方法包括以下步骤：

S1.利用光输入单元分别输出第一频率的第一光信号以及第二频率的第二光信号。

S2.利用单边带信号调制模块接收并调制所述第一光信号。

S3.通过光力谐振模块进行谐振，使调制后的所述第一光信号产生声子信号，并通过所述声子信号调制所述光力谐振模块接收的所述第二光信号并输出，以产生窄带响应。

S4.调节所述第一光信号和/或第二光信号的功率，使产生窄带响应的带宽达到预设值。

作为一个优选地实施方式，光力谐振模块300包括依次连接的第一光波导310、第一耦合器320、第一光力谐振腔330、声子波导340、第二光力谐振腔350、第二耦合器360和第二光波导370。

参见图4所示，通过光力谐振模块进行谐振，使调制后的所述第一光信号产生声子信号，并通过所述声子信号调制所述光力谐振模块接收的所述第二光信号并输出，以产生窄带响应，包括：

S31.利用第一光波导接收调制后的所述第一光信号，并通过所述第一耦合器将调制后的所述第一光信号耦合进所述第一光力谐振腔，以产生所述声子信号。

S32.利用第二光波导接收所述第二光信号，并通过所述第二耦合器将所述第二光信号耦合进所述第二光力谐振腔。

S33.利用第二光力谐振腔接收通过所述声子波导传输的所述声子信号，使所述声子信号对第二光信号进行调制，以产生窄带响应。

综上所述，本发明中的带宽调谐方法，其通过基于片上集成系统的光力谐振模块300输出第一频率的第一光信号以及第二频率的第二光信号。光力谐振模块300用于接收第二光信号和调制后的所述第一光信号，且用于使调制后的所述第一光信号通过谐振产生声子信号，并还通过所述声子信号调制所述第二光信号，以产生窄带响应。通过调节第一光输入模块100和第二光输入模块400，改变第一光信号和/或第二光信号的功率，可以对带宽进行调谐，从而基于集成器件实现了超窄带宽且带宽可调。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种微波光子滤波器，其特征在于，包括：

光输入单元，其用于输出第一频率的第一光信号以及第二频率的第二光信号，且所述光输入单元可调节所述第一光信号和/或第二光信号的功率；

单边带信号调制模块，其用于接收并调制所述第一光信号；

基于片上集成系统的光力谐振模块，其用于接收第二光信号和调制后的所述第一光信号，且用于使调制后的所述第一光信号通过谐振产生声子信号，并还通过所述声子信号调制所述第二光信号，以产生窄带响应；

其中，所述第一光信号和第二光信号的功率被配置为可使产生窄带响应后的带宽达到预设值。

2.如权利要求1所述的微波光子滤波器，其特征在于，所述微波光子滤波器还包括：

光学滤波模块，其用于接收调制后的所述第二光信号。

3.如权利要求2所述的微波光子滤波器，其特征在于，所述微波光子滤波器还包括：

光环形器，其包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口用于与所述光输入单元相连，所述第二端口与所述光力谐振模块相连，所述第三端口与所述光学滤波模块相连。

4.如权利要求2所述的微波光子滤波器，其特征在于，所述微波光子滤波器还包括：

光电探测器，其包括光学输入端口和射频输入端口，所述光学输入端口与所述光学滤波模块相连，所述射频输入端口用于输出微波信号。

5.如权利要求1所述的微波光子滤波器，其特征在于：

所述光力谐振模块包括依次连接的第一光波导、第一耦合器、第一光力谐振腔、声子波导、第二光力谐振腔、第二耦合器和第二光波导；

所述第一光波导用于接收调制后的所述第一光信号，所述第一耦合器用于将调制后的所述第一光信号耦合进所述第一光力谐振腔，以产生所述声子信号；

所述第二光波导用于接收所述第二光信号，所述第二耦合器用于将所述第二光信号耦合进所述第二光力谐振腔；

所述第二光力谐振腔用于接收通过所述声子波导传输的所述声子信号，以使所述声子信号对第二光信号进行调制，以产生窄带响应；

所述第二耦合器还用于将调制后的所述第二光信号输出到第二光波导。

6.如权利要求5所述的微波光子滤波器，其特征在于：

所述第一光波导的输入端和第二光波导的输出端上设有耦合光栅。

7.如权利要求1所述的微波光子滤波器，其特征在于：所述单边带信号调制模块为双驱动马赫曾德尔调制器，或由相位调制器与光学带通滤波器构成。

8.如权利要求1所述的一种微波光子滤波器，其特征在于：所述光输入单元包括：

第一光输入模块，其包括激光器、偏振控制器和光衰减器，用于输出所述第一光信号；

第二光输入模块，其包括激光器、偏振控制器和光衰减器，用于输出所述第二光信号。

9.一种利用权利要求1所述的微波光子滤波器的带宽调谐方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

利用光输入单元分别输出第一频率的第一光信号以及第二频率的第二光信号；

利用单边带信号调制模块接收并调制所述第一光信号；

通过光力谐振模块进行谐振，使调制后的所述第一光信号产生声子信号，并通过所述声子信号调制所述光力谐振模块接收的所述第二光信号并输出，以产生窄带响应；

调节所述第一光信号和/或第二光信号的功率，使产生窄带响应的带宽达到预设值。

10.如权利要求9所述的带宽调谐方法，其特征在于，所述光力谐振模块包括依次连接的第一光波导、第一耦合器、第一光力谐振腔、声子波导、第二光力谐振腔、第二耦合器和第二光波导；

所述通过光力谐振模块进行谐振，使调制后的所述第一光信号产生声子信号，并通过所述声子信号调制所述光力谐振模块接收的所述第二光信号并输出，以产生窄带响应，包括：

利用第一光波导接收调制后的所述第一光信号，并通过所述第一耦合器将调制后的所述第一光信号耦合进所述第一光力谐振腔，以产生所述声子信号；

利用第二光波导接收所述第二光信号，并通过所述第二耦合器将所述第二光信号耦合进所述第二光力谐振腔；

利用第二光力谐振腔接收通过所述声子波导传输的所述声子信号，使所述声子信号对第二光信号进行调制，以产生窄带响应。

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