CN113055093A - 一种超高q值的可调谐微波光子滤波器 - Google Patents

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Abstract

一种基于受激布里渊散射效应、多音信号调制和光学滤波实现的超高Q值的可调谐微波光子滤波器，属于微波光子学技术领域。由第一激光器、第一光偏振调制器、相位调制器、光隔离器、第二激光器、第二光偏振调制器、马赫曾德尔调制器、任意波形发生器、直流电压源、可调谐光滤波器、掺铒光纤放大器、高非线性光纤、光环行器、光电探测器和矢量网络分析仪组成。本发明通过受激布里渊散射效应、多音信号调制和光学滤波相结合，实现高品质因数的可调谐微波光子滤波器；通过改变多音信号的输出频率和相对强度，可以改变滤波器的通带带宽，实现带宽变窄；通过改变泵浦光的载波频率，可以实现通带中心频率的调谐。

Description

一种超高Q值的可调谐微波光子滤波器
技术领域
本发明属于微波光子学技术领域，具体涉及一种基于受激布里渊散射效应、多音信号调制和光学滤波实现的超高Q值的可调谐微波光子滤波器。
背景技术
微波光子滤波器是指利用光电转换将射频信号转换为光信号，再利用光学器件或光学系统完成对光信号的处理过程，其实现的功能与传统的微波滤波器功能相同，根本目标是提高现有微波滤波器的性能，使得它在频率范围、带宽、动态范围、抗干扰等方面获得提升。跟传统的微波滤波器相比，微波光子滤波器具有带宽大、工作频段高、抗电磁干扰能力强的优点。
滤波器对目标频率的选择能力由品质因数Q值来衡量，是衡量微波光子滤波器的重要指标之一，Q值定义为在一个自由光谱区FSR中滤波器通带带宽所占的比例。为了调高滤波器的Q值，对于有限冲击响应FIR滤波器来说需要增加延时支路以增加抽头数。与FIR滤波器相比，无限冲击响应IIR滤波器含有有源器件，用少量的元件就可以实现高抽头数。因此大多数的高Q值滤波器均为IIR滤波器。Jie Liu利用游标效应，基于环路嵌入放大功能的级连，实现了Q值为4895.31的IIR滤波器。(Liu J,Guo N,Li Z,et al.Ultrahigh-Qmicrowave photonic filter with tunable Q value utilizing cascaded optical-electrical feedback loops[J].Optics Letters,2013)。Ruichen Tao等人提出了一种基于相位调制与受激布里渊散射的微波光子单通滤波器，中心频率可调范围达到20GHz，3dB带宽为35MHz，最大Q值为571。(Tao R,Feng X,Cao Y,et al.Widely Tunable SingleBandpass Microwave Photonic Filter Based on Phase Modulation and StimulatedBrillouin Scattering[J].IEEE Photonics Technology Letters,2012,24(13):1097-1099)。基于SOA的双折射效应，Han Chen等人实现了Q值为6300的宽调谐范围的微波光子滤波器。(Chen H.Ultra-wideband microwave photonic filter with a high Q-factorusing a semiconductor optical amplifier[J].Optics Letters,2017,42(7):1397-1400)。利用光纤环谐振腔的窄半高带宽特性，HuaShun Wen等人将滤波器的3dB带宽减小到KHz，Q值高达17778。(Hua,Shun,Wen,et al.Ultrahigh-Q and tunable single-passbandmicrowave photonic filter based on stimulated Brillouin scattering and afiber ring resonator.[J].Optics Letters,2018)。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于受激布里渊散射效应、多音信号调制和光学滤波实现高Q值的可调谐微波光子滤波器。
本发明所述的高Q值可调谐微波光子滤波器结构如图1所示，由第一激光器，第一光偏振调制器，相位调制器，光隔离器，第二激光器，第二光偏振调制器，马赫曾德尔调制器，任意波形发生器，直流电压源，可调谐光滤波器，掺铒光纤放大器，高非线性光纤，光环行器，光电探测器和矢量网络分析仪组成；直流电压源与马赫曾德尔调制器相连接。
第一激光器发出的光经第一光偏振调制器，使其偏振状态达到最佳受激布里渊散射效应，从第一光偏振调制器输出的光信号被矢量网络分析仪输出的信号经相位调制器调制，然后经光隔离器进入高非线性光纤中，作为受激布里渊散射效应的探测光；第二激光器发出的光经第二光偏振调制器调谐其最佳偏振状态，从第二光偏振调制器输出的光信号经马赫曾德尔调制器被任意波形发生器输出的多音信号调制后送入到可调谐光滤波器中，被可调谐光滤波器滤出调制之后的上边带信号，可调谐光滤波器输出的上边带信号进入掺铒光纤放大器中，补偿多音调制信号经过可调谐光滤波器后的功率损耗，掺铒光纤放大器输出的光信号输入到光环形器的1端口，然后由光环形器的2端口进入到高非线性光纤中，作为受激布里渊散射效应的泵浦光，此泵浦光信号和光隔离器输出的探测光发生受激布里渊散射效应，经受激布里渊散射效应处理的探测光信号再由光环形器的2端口输入，然后由光环形器的3端口输出，经光电探测器光电转换之后输入到矢量网络分析仪中，由矢量网络分析仪测试出滤波器的频率响应。
本发明中的强度调制都是小信号调制情况，除了一阶上、下边带和载波，其余边带被忽略掉。
如图2所示，第一激光器输出频率为fc的光信号，经第一光偏振调制器送入到相位调制器中作为光载波，矢量网络分析仪输出包括频率为fm的一系列待滤波的小幅扫频信号，这些具有一定频带宽度的待滤波的小幅扫频信号通过相位调制器加载到光载波上，经相位调制器调制后输出相位相反、强度相等的一系列一阶上边带和下边带信号(图2(1))，调制后的上边带和下边带信号经光隔离器进入到高非线性光纤中作为受激布里渊散射效应的探测光。
第二激光器输出频率为f0光信号输入到马赫曾德尔调制器中作为光载波，然后通过马赫曾德尔调制器被任意波形发生器输出的频率为f1、f2、f3的多音信号调制。调整直流电压源输出的直流偏置电压，使马赫曾德尔调制器工作在最大偏置工作点，实现抑制载波双边带调制(图2(2))，抑制载波双边带信号经过可调谐光滤波器滤出上边带信号，然后将该上边带信号f0+f1，f0+f2和f0+f3(图2(3))输入到掺铒光纤放大器中，掺铒光纤放大器补偿了可调谐光滤波器引入的光功率损耗，掺铒光纤放大器输出的光信号经光环形器的1端口，然后由光环形器的2端口进入到高非线性光纤中，频率为f0+f1，f0+f2，f0+f3的光信号分别作为受激布里渊散射效应的泵浦光，当泵浦光的输入功率超过一定值时，与探测光在高非线性光纤中发生受激布里渊散射效应。探测光在光纤中将同时获得增益和损耗，布里渊效应引起的增益谱表达式：
Figure BDA0002996651880000031
由增益谱的表达式可以得到衰减谱的表达式：
Figure BDA0002996651880000032
其中，ΔνB为布里渊增益线宽，ΔνB＝40MHz，gB为布里渊峰值增益系数，gB＝5，Ip为输入泵浦光的强度。
本发明中的三个泵浦光，其中一个产生增益谱，另外两个产生衰减谱，将频率f0+f1，f0+f2作为产生衰减谱的泵浦光，频率f0+f3作为产生增益谱的泵浦光，由于泵浦光在它的下频率fB产生一个增益区，在它的上频率fB产生一个损耗区(fB为布里渊频移量)。因此，频率f0+f1在频率f0+f1+fB处产生损耗谱，频率f0+f2在频率f0+f2+fB处产生衰减谱，频率f0+f3在频率f0+f3-fB处产生增益谱(图2(4))。将两个衰减谱分别对称落在增益谱的两边，叠加后产生的谱表达式：
Figure BDA0002996651880000033
其中，fB为布里渊频移量，fB＝9.2GHz，I1和I1为输入泵浦光的强度。令δ为两个衰减谱与增益谱的频率偏移，可得f1＝f3-2fB-δ，f2＝f3-2fB+δ。
经受激布里渊散射效应叠加谱处理后的探测光信号再由光环形器的2端口输入，然后由光环形器的3端口输出，此时具有扫频模式的相位调制信号的上下边的表达式如下：
Figure BDA0002996651880000041
其中，
Figure BDA0002996651880000042
Jn(m)为n阶第一类贝塞尔函数(n＝0,±1)，m为调制系数，Leff为光纤有效长度。
经光电探测器转换后，输出的电信号功率为：
Figure BDA0002996651880000043
其中，
Figure BDA0002996651880000044
为光电探测器的响应度，P为输入到光电探测器的平均光功率，ωm为输入扫频信号的角频率，ωm＝2πfm。
经光电探测器输出的电信号输入到矢量网络分析仪中，矢量网络分析仪为前向传输模式，通过比较输出与返回的信号测量出系统的频率响应。
系统的传输函数为：
Figure BDA0002996651880000045
其中，PRFin为系统输入扫频信号fm的平均功率。
滤波器的品质因数表示为Q＝fFSR/fBW(fFSR为自由光谱范围，fBW为滤波器的通带带宽)，当滤波器的自由光谱范围一定的情况下，通过减小通带的带宽来提高滤波器的品质因数。由式(7)可知，系统的传输函数由布里渊的叠加谱决定，因此，可以通过减小布里渊叠加谱区域来减小通带的带宽，进而提高滤波器的品质因数。
由式(5)可知，布里渊叠加谱区域与布里渊增益线宽、布里渊增益系数、光纤有效长度、频率偏移以及泵浦光强度有关。在光纤介质的几何尺寸和材料特性固定的情况下，布里渊增益线宽、布里渊增益系数和光纤有效长度可以被看作一个常数。因此，可以通过改变衰减谱与增益谱的频率偏移与泵浦光强度来减小布里渊叠加谱区域。通过改变第二激光器输出频率f0和任意波形发生器输出的多音信号的频率，可以改变泵浦光f0+f1，f0+f2和f0+f3的频率，从而改变频率偏移δ。通过改变多音信号输出功率，可以改变泵浦光f0+f1，f0+f2和f0+f3的光强度I1和I2。根据式(3)，f0+f1和f0+f2的光强度为I2，f0+f3的光强度为I1。令
Figure BDA0002996651880000051
Figure BDA0002996651880000052
VB＝ΔνB/2，Ω＝f/VB,式(3)简化为：
Figure BDA0002996651880000053
改变光强度比α和频率偏移比β，可以减小布里渊叠加谱Gn(f)，从而减小滤波器的通带宽度以提高滤波器的选择性。
本发明选用波长为1550nm(对应频率为fc＝193414.489GHz)的激光器作第一激光器，第二激光器的频率设定为f0＝193402.011GHz，相位调制器的光波长为1525nm～1605nm，带宽为32GHz；矢量网络分析仪的频率范围为40MHz～40GHz；光隔离器的隔离度大于40dB；光电探测器探测带宽为20GHz；高非线性光纤的受激布里渊增益线宽为ΔνB＝40MHz，布里渊频移量fB＝9.2GHz，光纤长度为1000米，增益和损耗峰值gB为5；马赫曾德尔调制器的带宽为20GHz；矢量网络分析仪的输出的频率范围为100kHz～40GHz；可调谐光滤波器的波长范围为1480～1620nm，带宽可调范围为4～80GHz，边缘陡峭度为800dB/nm；掺铒光纤放大器的波长范围为1530nm～1560nm，放大倍数大于25倍。
调整滤波器通带带宽的可变参数有泵浦光相对光强度比α和频率偏移比β。图3为不同泵浦光相对强度比与不同频率偏移比的带宽等高线图，等高线图中的最小点为带宽可达到的最小值，即0.00295，此时对应的泵浦光相对强度比α为0.9，频率偏移比β为0.9。改变泵浦光相对强度比和频率偏移比可以改变滤波器通带带宽。图4为不同泵浦光相对强度比与不同频率偏移比的滤波器频率响应。图4表明了当α为0.8，β为1.1时，可得通带带宽为10.6MHz。当α为0.7，β为1.5时，可得通带带宽为14.2MHz。当α为0.3，β为1.8时，可得通带带宽为16MHz。因此，图4说明了随着三条泵浦光的光强度比变小，频率间隔变大时，通带的带宽变大。
本发明所述的高品质因数可调谐微波光子滤波器的特点：
(1)通过受激布里渊散射效应、多音信号调制和光学滤波相结合，实现高品质因数的可调谐微波光子滤波器。
(2)通过改变多音信号的输出频率和相对强度，可以改变滤波器的通带带宽，实现带宽变窄。
(3)通过改变泵浦光的载波频率，可以实现通带中心频率的调谐。
附图说明
图1：高品质因数微波光子滤波器的结构示意图；
图2：高品质因数微波光子滤波器的频谱处理示意图；
图3：不同泵浦光相对强度比与不同频率偏移比的带宽等高线图；
图4：不同泵浦光相对强度比与不同频率偏移比的滤波器频率响应曲线；
图5：单通带微波光子滤波器频率响应曲线；
图6：滤波器频率响应的可调谐性曲线；
具体实施方式
实施例1：设定第一激光器的频率设定为fc＝193414.489GHz，第二激光器的频率设定为f0＝193402.011GHz。选取等高线图中最小点对应数值，α为0.9，β为0.9，此时任意波形发生器输出的多音信号频率为f1＝5GHz，f2＝5.036GHz和f3＝23.418GHz。调整任意波形发生器输出的多音信号相对功率，使泵浦光f0+f1，f0+f2相等，与f0+f3的相对光强度比为0.9。
第一激光器为Santec公司的TSL-510可调激光器，激光器的波长设定为1550nm(对应频率为fc＝193414.489GHz)；第二激光器为Santec公司的TSL-210可调激光器，激光器的波长设定为1550.1nm(对应频率为f0＝193402.011GHz)；相位调制器为Photline公司的MPZ-LN-40，其带宽为40GHz；矢量网络分析仪为安捷伦的8722ES矢量网络分析仪，频率范围为40M-40GHz；泰克公司的光电探测器，带宽为20GHz；长飞光纤光缆有限公司的高非线性光纤，高非线性光纤的布里渊增益线宽为VB＝40MHz，布里渊频移量fB＝9.2GHz，光纤长度为1000米，增益和损耗峰值为5；马赫曾德尔调制器为Photline公司的MXAN-LN-20，带宽为20GHz，半波电压为6.5V；任意波形发生器为keysight公司的型号为M8195A；输出的多音信号峰峰值为1V，模拟信号带宽为20GHz；可调谐光滤波器为Yenista公司XTM-50Ultrafine，波长范围为1480-1620nm，带宽可调范围为4-80GHz，边缘陡峭度为800dB/nm。
按图1连接好相应的仪器设备，第一激光器的频率设定为fc＝193414.489GHz，矢量网络分析仪输出频率范围为40MHz～40GHz的微波信号通过相位调制器加载到光载波上，相位调制器输出的信号经过光隔离器由光环形器的2输入口输入到高非线性光纤中作为探测光。第一激光器的频率设定为f0＝193402.011GHz，任意波形发生器输出的多音信号通过马赫曾德尔调制器加载到光载波，多音信号的频率设定为f1＝5GHz，f2＝5.036GHz和f3＝23.418GHz，输出电压峰峰值设定为0.9V，0.9V和1V。设置直流电源输出的电压为6.5V，马赫曾德尔调制器此时的工作点为最大传输点，输出的信号为抑制载波双边带调制，马赫曾德尔调制器输出的上下边带信号输入到可调谐光滤波器滤出上边带。可调谐光滤波器的中心频率设定为193416.22GHz，带宽为20GHz，经过可调谐光滤波器滤波之后，频率为193407.011GHz、193407.047GHz和193425.429GHz的上边带被保留下来，此信号进入到掺铒光纤放大器中进行损耗补偿，经放大后的光信号由光环行器的1口输入，然后由光环形器的2端口进入到高非线性光纤中，作为受激布里渊散射效应的泵浦光。频率为193407.011GHz的泵浦光信号在频率为193416.211GHz的频率处产生损耗谱，频率为193407.047GHz的泵浦光信号在频率为193416.247GHz的频率处产生损耗谱，频率为193425.429GHz的泵浦光信号在频率为193416.229GHz的频率处产生增益谱。由于相位调制器输出的一阶上、下边带信号的强度相等且相位相反，又因为受激布里渊散射效应对部分边带产生放大作用，可以将相位调制转换为强度调制，由于增益谱和损耗谱有叠加的部分，因此本征的布里渊增益区域被减小，从而滤波器的通带宽度被减小，矢量网络分析仪在频率为1.74GHz的处产生一个通带，通带的带宽为6.8MHz，与未叠加损耗谱的滤波器通带作对比(见图5)，未叠加损耗谱的滤波器通带带宽为25MHz。系统中使用的高非线性光纤的布里渊频移量fB＝9.2GHz，滤波器中心频率的调谐范围为0.04GHz～18.4GHz，如图6所示，计算得滤波器的品质因数为2700，未叠加损耗谱的滤波器品质因数为734。

Claims (5)

1.一种高Q值可调谐微波光子滤波器，其特征在于：由第一激光器、第一光偏振调制器、相位调制器、光隔离器、第二激光器、第二光偏振调制器、马赫曾德尔调制器、任意波形发生器、直流电压源、可调谐光滤波器、掺铒光纤放大器、高非线性光纤、光环行器、光电探测器和矢量网络分析仪组成；直流电压源与马赫曾德尔调制器相连接；第一激光器发出的光经第一光偏振调制器，使其偏振状态达到最佳受激布里渊散射效应，从第一光偏振调制器输出的光信号被矢量网络分析仪输出的信号经相位调制器调制，然后经光隔离器进入高非线性光纤中，作为受激布里渊散射效应的探测光；第二激光器发出的光经第二光偏振调制器调谐其最佳偏振状态，从第二光偏振调制器输出的光信号经马赫曾德尔调制器被任意波形发生器输出的多音信号调制后送入到可调谐光滤波器中，被可调谐光滤波器滤出调制之后的上边带信号，可调谐光滤波器输出的上边带信号进入掺铒光纤放大器中，补偿多音调制信号经过可调谐光滤波器后的功率损耗，掺铒光纤放大器输出的光信号输入到光环形器的1端口，然后由光环形器的2端口进入到高非线性光纤中，作为受激布里渊散射效应的泵浦光；泵浦光和光隔离器输出的探测光发生受激布里渊散射效应，经受激布里渊散射效应处理的探测光再由光环形器的2端口输入，然后由光环形器的3端口输出，经光电探测器光电转换之后输入到矢量网络分析仪中，由矢量网络分析仪测试出滤波器的频率响应。
2.如权利要求1所述的一种高Q值可调谐微波光子滤波器，其特征在于：第一激光器输出频率为fc的光信号，经第一光偏振调制器送入到相位调制器中作为光载波，矢量网络分析仪输出包括频率为fm的一系列待滤波的小幅扫频信号，这些具有一定频带宽度的待滤波的小幅扫频信号通过相位调制器加载到光载波上，经相位调制器调制后输出相位相反、强度相等的一系列一阶上边带和下边带信号，调制后的上边带和下边带信号经光隔离器进入到高非线性光纤中作为受激布里渊散射效应的探测光。
3.如权利要求1所述的一种高Q值可调谐微波光子滤波器，其特征在于：第二激光器输出频率为f0光信号输入到马赫曾德尔调制器中作为光载波，然后通过马赫曾德尔调制器被任意波形发生器输出的频率为f1、f2、f3的多音信号调制；调整直流电压源输出的直流偏置电压，使马赫曾德尔调制器工作在最大偏置工作点，实现抑制载波双边带调制；抑制载波双边带信号经过可调谐光滤波器滤出上边带信号，然后将该上边带信号f0+f1，f0+f2和f0+f3输入到掺铒光纤放大器中，掺铒光纤放大器补偿了可调谐光滤波器引入的光功率损耗，掺铒光纤放大器输出的光信号经光环形器的1端口，然后由光环形器的2端口进入到高非线性光纤中，频率为f0+f1，f0+f2，f0+f3的光信号分别作为受激布里渊散射效应的泵浦光，当泵浦光的输入功率超过一定值时，与探测光在高非线性光纤中发生受激布里渊散射效应；探测光在光纤中将同时获得增益和损耗，布里渊效应引起的增益谱表达式：
Figure FDA0002996651870000021
由增益谱的表达式可以得到衰减谱的表达式：
Figure FDA0002996651870000022
其中，ΔνB为布里渊增益线宽，ΔνB＝40MHz，gB为布里渊峰值增益系数，gB＝5，Ip为输入泵浦光的强度；
频率f0+f1的泵浦光在频率f0+f1+fB处产生损耗谱，频率f0+f2的泵浦光在频率f0+f2+fB处产生衰减谱，频率f0+f3的泵浦光在频率f0+f3-fB处产生增益谱，将两个衰减谱分别对称落在增益谱的两边，叠加后产生的谱表达式：
Figure FDA0002996651870000023
其中，fB为布里渊频移量，fB＝9.2GHz，I1和I1为输入泵浦光的强度；令δ为两个衰减谱与增益谱的频率偏移，可得f1＝f3-2fB-δ，f2＝f3-2fB+δ；
经受激布里渊散射效应叠加谱处理后的探测光信号再由光环形器的2端口输入，然后由光环形器的3端口输出，此时具有扫频模式的相位调制信号的上下边的表达式如下：
Figure FDA0002996651870000024
其中，
Figure FDA0002996651870000031
Jn(m)为n阶第一类贝塞尔函数(n＝0,±1)，m为调制系数，Leff为光纤有效长度；
经光电探测器转换后，输出的电信号功率为：
Figure FDA0002996651870000032
其中，
Figure FDA0002996651870000033
为光电探测器的响应度，P为输入到光电探测器的平均光功率，ωm为输入扫频信号的角频率，ωm＝2πfm；
经光电探测器输出的电信号输入到矢量网络分析仪中，矢量网络分析仪为前向传输模式，通过比较输出与返回的信号测量出系统的频率响应；
系统的传输函数为：
Figure FDA0002996651870000034
其中，PRFin为系统输入扫频信号fm的平均功率；
滤波器的品质因数表示为Q＝fFSR/fBW，fFSR为自由光谱范围，fBW为滤波器的通带带宽，当滤波器的自由光谱范围一定的情况下，通过减小通带的带宽来提高滤波器的品质因数；由式(7)可知，系统的传输函数由布里渊的叠加谱决定，因此，通过减小布里渊叠加谱区域来减小通带的带宽，进而提高滤波器的品质因数。
4.如权利要求3所述的一种高Q值可调谐微波光子滤波器，其特征在于：通过改变衰减谱与增益谱的频率偏移与泵浦光强度来减小布里渊叠加谱区域，通过改变第二激光器输出频率f0和任意波形发生器输出的多音信号的频率，可以改变泵浦光f0+f1，f0+f2和f0+f3的频率，从而改变频率偏移δ；通过改变多音信号输出功率，可以改变泵浦光f0+f1，f0+f2和f0+f3的光强度I1和I2；根据式(3)，f0+f1和f0+f2的光强度为I2，f0+f3的光强度为I1；令
Figure FDA0002996651870000035
VB＝ΔνB/2，Ω＝f/VB,式(3)简化为：
Figure FDA0002996651870000036
改变光强度比α和频率偏移比β，可以减小布里渊叠加谱Gn(f)，从而减小滤波器的通带宽度以提高滤波器的选择性。
5.如权利要求1所述的一种高Q值可调谐微波光子滤波器，其特征在于：选用波为1550nm、对应频率为fc＝193414.489GHz的激光器作第一激光器，第二激光器的频率设定为f0＝193402.011GHz，相位调制器的光波长为1525nm～1605nm，带宽为32GHz；矢量网络分析仪的频率范围为40MHz～40GHz；光隔离器的隔离度大于40dB；光电探测器探测带宽为20GHz；高非线性光纤的受激布里渊增益线宽为ΔνB＝40MHz，布里渊频移量fB＝9.2GHz，光纤长度为1000米，增益和损耗峰值gB为5；马赫曾德尔调制器的带宽为20GHz；矢量网络分析仪的输出的频率范围为100kHz～40GHz；可调谐光滤波器的波长范围为1480～1620nm，带宽可调范围为4～80GHz，边缘陡峭度为800dB/nm；掺铒光纤放大器的波长范围为1530nm～1560nm，放大倍数大于25倍。
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