CN113660039A - 可编程控制的多维复用微波光子滤波器及其滤波方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可编程控制的多维复用微波光子滤波器及其滤波方法，该滤波器结构包括激光器、电光调制器、可编程控制的多维度复用器、多维光纤和光电探测器，其中可编程控制的多维度复用器将光信号复用到波长、空间模式、多芯和偏振等正交维度上并同时进行编程控制，从而构建一种拥有高抽头数目、快速可调谐、快速可重构且满足任意正负抽头系数的微波光子滤波器。该方案可以充分发挥各种正交维度在构建光真时延线和微波光子滤波器中的优势，同时实现了微波光子滤波器的可编程控制。

Description

可编程控制的多维复用微波光子滤波器及其滤波方法
技术领域
本发明涉及微波光子信号处理技术领域，更具体地，涉及一种可编程控制的多维复用微波光子滤波器及其滤波方法。
背景技术
随着互联网的迅猛发展、智能终端的普及和一些大宽带业务的兴起，对于通信系统的传输容量需求越来越高。作为信息传递的一类重要载体，微波信号的信息速率越来越高，使得传统微波信号处理技术面临着严峻的挑战，如功耗高、带宽受限、电磁干扰等。相比于传统微波信号处理技术，微波光子信号处理技术具有低损耗、高带宽、抗电磁干扰、快速可调谐性及可重构性等优势，因此受到了广泛研究。微波光子滤波器是一种基于光真时延线的有限冲激响应滤波器，时延线可基于不同的正交维度复用技术实现，如波长、空间模式、多芯、偏振。每种正交维度复用技术均有各自的优缺点。
现有的微波光子滤波器并没有把光信号复用到多种正交维度上，公开号为CN100536372C(公开日2009-09-02)提出的一种可调谐微波光子滤波器，该方案提出了一种高Q值的可调谐微波光子滤波器，它在光纤环中放置一段掺铒光纤实现有源结构，同时，通过在光纤环中放置一个工作在反射模式的线性啁啾光纤光栅，这样可以通过改变输入光的波长方便地实现滤波器的调谐功能。但是该方案只是将光信号复用到了波长维度，并不能同时发挥多种正交维度复用的优点。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的不能同时发挥多种正交维度复用的优点等缺陷，提供一种可编程控制的多维复用微波光子滤波器及其滤波方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种可编程控制的多维复用微波光子滤波器，包括激光器、电光调制器、可编程控制的多维度复用器、多维光纤和光电探测器；其中：
所述激光器产生可加载微波信号的光信号；
所述电光调制器将微波信号调制到光信号上；
所述可编程控制的多维度复用器将光信号复用到正交维度上并进行编程控制；
所述多维光纤使复用后的光信号在正交维度上进行传输，并构建光真时延线，根据不同的光真时延线对光信号进行滤波；
所述光电探测器将滤波完成后的光信号转化为微波信号。
优选地，所述电光调制器将微波信号调制到光信号上的调制方式为强度调制或相位调制或偏振调制。
优选地，所述可编程控制的多维度复用器通过空间光调制器将光信号复用到正交维度上并进行编程控制，其中，空间光调制器为可编程控制器。
一种可编程控制的多维复用微波光子滤波方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：由激光器产生可加载微波信号的光信号；
S2：电光调制器将载波信号调制到光信号上；
S3：可编程控制的多维度复用器将光信号复用到正交维度上并进行编程控制；
S4：复用后的光信号进入多维光纤，多维光纤使复用后的光信号在正交维度上进行传输，并构建光真时延线，根据不同的光真时延线对光信号进行滤波；
S5：光电探测器将滤波完成后的光信号转化为微波信号，完成可编程控制的多维复用微波光子滤波方法。
优选地，在步骤S3中，所述正交维度包括波长维度，可编程控制的多维度复用器将光信号复用到波长维度并进行编程控制的具体操作为：
电光调制器输出的光信号波长不同，利用色散光学元件将不同波长的光信号分开，分别照射到空间光调制器的不同区域，空间光调制器对光信号进行调制，调制后的光信号通过色散光学原件合束，完成对波长的复用和编程控制。
优选地，在步骤S3中，所述正交维度还包括多芯维度，可编程控制的多维度复用器将光信号复用到多芯维度并进行编程控制的具体操作为：
将空间光调制器进行分区，将电光调制器输出的不同的光信号通过透镜耦合到多芯光纤的不同纤芯里面进行复用和编程控制。
优选地，在步骤S3中，所述正交维度还包括空间模式维度，可编程控制的多维度复用器将光信号复用到空间模式维度并进行编程控制的具体操作为：
空间光调制器加载相位模板，对电光调制器输出的光信号进行相位调制，调制后的光信号耦合进少模光纤中，在少模光纤中激励起对应的空间模式，通过编程控制加载在空间光调制器上的相位模板，实现对于空间模式维度的复用和编程控制。
优选地，在步骤S3中，所述正交维度还包括偏振维度，可编程控制的多维度复用器将光信号复用到偏振维度并进行编程控制的具体操作为：
可编程控制的多维度复用器包括偏振分集结构，偏振分集结构将电光调制器输出的光信号分为两个偏振方向，再将这两个偏振方向在空间光调制器的不同区域进行复用和编程控制。
优选地，在步骤S4中，在不同正交维度上复用后的光信号会进入对应的多维光纤进行传输，其中：
空间模式对应少模光纤，在空间模式维度复用和编程控制后的光信号在少模光纤传输的过程中构建光真时延线，并根据不同的光真时延线对光信号进行滤波；
多芯对应多芯光纤，在多芯维度复用和编程控制后的光信号在多芯光纤传输的过程中构建光真时延线，并根据不同的光真时延线对光信号进行滤波；
偏振对应高双折射光纤，在偏振维度复用和编程控制后的光信号在高双折射光纤传输的过程中构建光真时延线，并根据不同的光真时延线对光信号进行滤波。
优选地，在步骤S4中，在波长维度进行复用和编程控制后的光信号会进入任意一个或多个多维光纤进行传输，利用多个波长来构建光真时延线，并根据不同的光真时延线对光信号进行滤波。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明提供一种可编程控制的多维复用微波光子滤波器及其滤波方法，该方案基于可编程控制的多维度复用器将光信号复用到不同的正交维度上，构建了一种多维复用的微波光子滤波器；通过将光信号同时复用到多种正交维度上，将多种正交维度复用的优点进行了统一结合，使滤波器可以最大程度上的发挥光信号在各种正交维度上复用的优点。
附图说明
图1为本发明的整体结构图；
图2为本发明滤波方法流程图；
图3为本发明基于空间调制器的多维复用微波光子滤波器结构图；
图4为本发明空间模式维度和偏振维度的复用单元结构图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
一种可编程控制的多维复用微波光子滤波器，包括激光器、电光调制器、可编程控制的多维度复用器、多维光纤和光电探测器；其中：
所述激光器产生可加载微波信号的光信号；
所述电光调制器将微波信号调制到光信号上；
所述可编程控制的多维度复用器将光信号复用到正交维度上并进行编程控制；
所述多维光纤使复用后的光信号在正交维度上进行传输，并构建光真时延线，根据不同的光真时延线对光信号进行滤波；
所述光电探测器将滤波完成后的光信号转化为微波信号。
在具体实施过程中，激光器产生可加载微波信号的光信号，然后电光调制器将微波信号调制到光信号上，光信号在可编程控制的多维度复用器进行各个维度的复用和编程控制，复用出来的光信号再进入多维光纤，多维光纤让光信号在正交维度上稳定传输，最后光电探测器再将正交维度上传输的光信号转化为微波信号，实现光信号的滤波。
该方案基于可编程控制的多维度复用器将光信号复用到不同的正交维度上，构建了一种多维复用的微波光子滤波器；通过将光信号同时复用到多种正交维度上，将多种正交维度复用的优点进行了统一结合，使滤波器可以最大程度上的发挥光信号在各种正交维度上复用的优点。
实施例2
一种可编程控制的多维复用微波光子滤波方法，如图2所示，其特征在于，包括以下步骤：
S1：由激光器产生可加载微波信号的光信号；
S2：电光调制器将载波信号调制到光信号上，其调制方式可以是强度调制或相位调制或偏振调制；
S3：可编程控制的多维度复用器将光信号复用到正交维度上并进行编程控制，可编程控制的多维度复用器通过空间光调制器将光信号复用到正交维度上并进行编程控制，其中，空间光调制器为可编程控制器；
正交维度包括波长维度，可编程控制的多维度复用器将光信号复用到波长维度并进行编程控制的具体操作为：电光调制器输出的光信号波长不同，利用色散光学元件将不同波长的光信号分开，分别照射到空间光调制器的不同区域，空间光调制器对光信号进行调制，调制后的光信号通过色散光学原件合束，完成对波长维度的复用和编程控制；
正交维度还包括多芯维度，可编程控制的多维度复用器将光信号复用到多芯维度并进行编程控制的具体操作为：将空间光调制器进行分区，将电光调制器输出的不同的光信号通过透镜耦合到多芯光纤的不同纤芯里面进行复用和编程控制；
所述正交维度还包括空间模式维度，可编程控制的多维度复用器将光信号复用到空间模式维度并进行编程控制的具体操作为：空间光调制器加载相位模板，对电光调制器输出的光信号进行相位调制，调制后的光信号耦合进少模光纤中，在少模光纤中激励起对应的空间模式，通过编程控制加载在空间光调制器上的相位模板，实现对于空间模式维度的复用和编程控制；
正交维度还包括偏振维度，可编程控制的多维度复用器将光信号复用到偏振维度并进行编程控制的具体操作为：可编程控制的多维度复用器包括偏振分集结构，偏振分集结构将电光调制器输出的光信号分为两个偏振方向，再将这两个偏振方向在空间光调制器的不同区域进行复用和编程控制；
以上步骤完成了可编程控制的多维度复用器在空间光控制器的基础上使光信号复用到波长维度、多芯维度、空间模式维度、偏振维度并进行编程控制。
S4：复用后的光信号进入多维光纤，多维光纤使复用后的光信号在正交维度上进行传输，并构建光真时延线，根据不同的光真时延线对光信号进行滤波；另外，在不同正交维度上复用后的光信号会进入对应的多维光纤进行传输，其中：
空间模式维度对应少模光纤，在空间模式复用和编程控制后的光信号在少模光纤传输的过程中构建光真时延线，并根据不同的光真时延线对光信号进行滤波；其中，滤波器利用不同空间模式在少模光纤中传播常数不同而产生的差分模式群时延构建光真时延线，少模光纤固有的平行性以及空间模式之间的正交性使得滤波器具有结构简单、性能稳定的优点；
多芯维度对应多芯光纤，在多芯复用和编程控制后的光信号在多芯光纤传输的过程中构建光真时延线，并根据不同的光真时延线对光信号进行滤波；其中，滤波器利用多芯光纤中不同纤芯之间的时延差构建光真时延线，多芯光纤固有的平行性使得滤波器具有更为简单的结构；
偏振维度对应高双折射光纤，在偏振复用和编程控制后的光信号在高双折射光纤传输的过程中构建光真时延线，并根据不同的光真时延线对光信号进行滤波；其中，滤波器利用高双折射光纤的快慢轴之间的时延差构建光真时延线，通过偏振调制产生负抽头系数，可以使滤波器拥有带通性质；
在波长维度进行复用和编程控制后的光信号会进入任意一个或多个多维光纤进行传输，利用多个波长来构建光真时延线，并根据不同的光真时延线对光信号进行滤波；其中，滤波器利用多波长光源在色散元件中传输时，不同波长的传播常数不同而产生的时延差构建光真时延线，滤波器的抽头数由多波长光源的子载波数量决定，光真时延线之间的基础时延差可通过调节子载波之间的波长间隔来调谐，因此滤波器使光信号复用到波长维度，会使滤波器具有抽头数多和快速可调谐性的优点；
在上述方案中，可编程控制的多维度复用器将光信号复用到波长维度并进行编程控制还有另一种方法：多维光纤使用一个波长来构建光真时延线，利用激光器调整波长来调节各光真时延线之间的时延差，这里的激光器为波长可调谐激光器，此时不需要通过可编程控制的空间光调制器实现对波长维度的复用；
另外，复用出来的光信号在多维光纤中传输的速度不同，从而导致不同的光信号具有一定的时延，从而构建光真时延线；其中，每种正交维度上的多路光信号在光纤中传输时存在稳定的时延差，不同正交维度上的多路光信号在光纤中传输时也存在稳定的时延差。
S5：光电探测器将滤波完成后的光信号转化为微波信号，完成可编程控制的多维复用微波光子滤波方法。
在上述方案中，激光器产生可加载微波信号的光信号，然后电光调制器将微波信号调制到光信号上，光信号在可编程控制的多维度复用器(可以通过空间光调制器来实现)进行波长维度、空间模式维度、多芯维度和偏振维度的复用，复用出来的光信号再进入不同的多维光纤，因为复用出来的光信号在多维光纤中传输的速度不同，从而导致不同的光信号具有一定的时延，利用时延来构建光真时延线，并根据不同的光真时延线得到不同的抽头系数，从而实现不同的滤波响应。该滤波方法可以使可编程控制的多维复用微波光子滤波器将波长维度、空间模式维度、多芯维度、偏振维度等多维度复用的优点统一结合，从而获得一种高抽头数目、快速可调谐、快速可重构，任意正负抽头系数的微波光子滤波器。
实施例3
一种可编程控制的多维复用微波光子滤波器及其滤波方法，在基于空间光调制器的基础上，如图3所示，可调谐激光器产生可加载微波信号的光信号，由强度调制器将微波信号调制到光信号上，调制器输出的光信号通过功率分配器分为三路信号光，分别经过空间模式和偏振的复用单元，同时进行空间模式维度和偏振维度复用，然后通过光学透镜，将三路信号光分别耦合进多维光纤的三根芯中，以实现多芯维度的复用；多维复用的光信号在多维光纤中传输的过程中不同正交维度的光信号之间产生稳定的等间隔时延差，构建光真时延线；多维光纤输出的光信号通过光电探测器转化为微波信号。
在上述基础上，基于空间光调制器的空间模式维度和偏振维度复用单元如图4所示，光信号通过光学透镜扩束准直后经偏振分光镜将两个偏振态分开后，与空间光调制器调制敏感的偏振光直接照射到空间光调制器上进行相位调制，另一束偏振光通过半波片旋转90°后再照射到空间光调制器上进行相位调制，调制后的光信号再通过偏振分光镜合束，然后通过光学透镜耦合进光纤的不同芯中。通过改变功率分配器的功率分配比、改变加载在空间光调制器上相位模板、以及改变信号光的偏振态，可以实现改变不同正交维度复用的光信号的功率分配，进而改变微波光子滤波器的每一个抽头的抽头系数，实现编程控制的微波光子滤波器的抽头系数；光信号在多维光纤中传输的过程中不同正交维度的光信号之间产生稳定的等间隔时延差应该与光信号的波长相关，当调节激光器输出波长时，可以改变光真时延线之间的时延差，进而改变微波光子滤波器的自由光谱范围。
总的来说，本发明所提供的可编程控制的多维复用微波光子滤波器及其滤波方法，能够有效提升微波光子滤波器的性能，同时通过编程控制滤波函数的方式实现对滤波器的编程控制。
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可编程控制的多维复用微波光子滤波器，其特征在于，包括激光器、电光调制器、可编程控制的多维度复用器、多维光纤和光电探测器；其中：
所述激光器产生可加载微波信号的光信号；
所述电光调制器将微波信号调制到光信号上；
所述可编程控制的多维度复用器将光信号复用到正交维度上并进行编程控制；
所述多维光纤使复用后的光信号在正交维度上进行传输，并构建光真时延线，根据不同的光真时延线对光信号进行滤波；
所述光电探测器将滤波完成后的光信号转化为微波信号。
2.根据权利要求1所述的一种可编程控制的多维复用微波光子滤波器，其特征在于，所述电光调制器将微波信号调制到光信号上的调制方式为强度调制或相位调制或偏振调制。
3.根据权利要求1所述的一种可编程控制的多维复用微波光子滤波器，其特征在于，所述可编程控制的多维度复用器通过空间光调制器将光信号复用到正交维度上并进行编程控制，其中，空间光调制器为可编程控制器。
4.一种可编程控制的多维复用微波光子滤波方法，采用权利要求3所述的一种可编程控制的多维复用微波光子滤波器实现，其特征在于，包括以下步骤：
S1：由激光器产生可加载微波信号的光信号；
S2：电光调制器将载波信号调制到光信号上；
S3：可编程控制的多维度复用器将光信号复用到正交维度上并进行编程控制；
S4：复用后的光信号进入多维光纤，多维光纤使复用后的光信号在正交维度上进行传输，并构建光真时延线，根据不同的光真时延线对光信号进行滤波；
S5：光电探测器将滤波完成后的光信号转化为微波信号，完成可编程控制的多维复用微波光子滤波方法。
5.根据权利要求4所述的一种可编程控制的多维复用微波光子滤波方法，其特征在于，在步骤S3中，所述正交维度包括波长维度，可编程控制的多维度复用器将光信号复用到波长维度并进行编程控制的具体操作为：
电光调制器输出的光信号波长不同，利用色散光学元件将不同波长的光信号分开，分别照射到空间光调制器的不同区域，空间光调制器对光信号进行调制，调制后的光信号通过色散光学原件合束，完成对波长维度的复用和编程控制。
6.根据权利要求5所述的一种可编程控制的多维复用微波光子滤波方法，其特征在于，在步骤S3中，所述正交维度还包括多芯维度，可编程控制的多维度复用器将光信号复用到多芯维度并进行编程控制的具体操作为：
将空间光调制器进行分区，将电光调制器输出的不同的光信号通过透镜耦合到多芯光纤的不同纤芯里面进行复用和编程控制。
7.根据权利要求6所述的一种可编程控制的多维复用微波光子滤波方法，其特征在于，在步骤S3中，所述正交维度还包括空间模式维度，可编程控制的多维度复用器将光信号复用到空间模式维度并进行编程控制的具体操作为：
空间光调制器加载相位模板，对电光调制器输出的光信号进行相位调制，调制后的光信号耦合进少模光纤中，在少模光纤中激励起对应的空间模式，通过编程控制加载在空间光调制器上的相位模板，实现对于空间模式维度的复用和编程控制。
8.根据权利要求7所述的一种可编程控制的多维复用微波光子滤波方法，其特征在于，在步骤S3中，所述正交维度还包括偏振维度，可编程控制的多维度复用器将光信号复用到偏振维度并进行编程控制的具体操作为：
可编程控制的多维度复用器包括偏振分集结构，偏振分集结构将电光调制器输出的光信号分为两个偏振方向，再将这两个偏振方向在空间光调制器的不同区域进行复用和编程控制。
9.根据权利要求8所述的一种可编程控制的多维复用微波光子滤波方法，其特征在于，在所述步骤S4中，在不同正交维度上复用后的光信号会进入对应的多维光纤进行传输，其中：
空间模式维度对应少模光纤，在空间模式维度复用和编程控制后的光信号在少模光纤传输的过程中构建光真时延线，并根据不同的光真时延线对光信号进行滤波；
多芯维度对应多芯光纤，在多芯维度复用和编程控制后的光信号在多芯光纤传输的过程中构建光真时延线，并根据不同的光真时延线对光信号进行滤波；
偏振维度对应高双折射光纤，在偏振维度复用和编程控制后的光信号在高双折射光纤传输的过程中构建光真时延线，并根据不同的光真时延线对光信号进行滤波。
10.根据权利要求8所述的一种可编程控制的多维复用微波光子滤波方法，其特征在于，在所述步骤S4中，在波长维度进行复用和编程控制后的光信号会进入任意一个或多个多维光纤进行传输，利用多个波长来构建光真时延线，并根据不同的光真时延线对光信号进行滤波。
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