CN115037375B - 基于超高q封装微腔的超窄带宽微波光子可调谐滤波器 - Google Patents

基于超高q封装微腔的超窄带宽微波光子可调谐滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于超高Q封装微腔的超窄带宽微波光子可调谐滤波器，属于微波光子领域，具体包括：激光器与光偏振控制器相连，调整激光至最佳偏振状态后输入相位调制器；相位调制器同时接收矢量网络分析仪的射频信号，将两者进行相位调制后，输出具有幅度相等、相移为π的正、负一阶边带信号，至由微柱腔、锥形光纤、TEC模块和封装盒封装制成的高Q值封装微腔模块；不断调整TEC模块的温度，通过热光效应实现微腔模块谐振频率的偏移，进而调节通带中心频率，通过对应透射谱的带宽控制，实现微波光子滤波器的带宽在MHz量级以下；同时，经滤波后的光信号输入光电探测器进行拍频，输出最终信号。本发明实现了滤波器中心波长宽调谐范围以及快速调谐响应。

Description

基于超高Q封装微腔的超窄带宽微波光子可调谐滤波器
技术领域
本发明属于微波光子领域，具体涉及基于超高Q封装微腔的超窄带宽微波光子可调谐滤波器。
背景技术
微波光子滤波器通常分为带通和带阻滤波器，其中，单通带滤波器在幅频响应特性内只有一个通带，能够滤掉干扰信号，在通信、雷达技术、生物及军事等领域有广泛的应用。而通带的宽度决定一个滤波器的性能是否满足应用要求，其中单通带的3dB带宽Δf3dB越小，代表滤波器的频率选择特性越好，因此人们致力于实现超窄3dB带宽的单通带微波光子滤波器。另外，宽连续调谐范围也是表征滤波器是否满足应用要求的重要性能指标。
目前，多种实现单通带微波光子滤波的方案已被提出，主要包括基于光纤器件和基于微谐振器集成器件的微波光子带通滤波器。基于光纤器件的微波光子滤波器带宽大多在几十到几百MHz量级，如文献1：Tang H,Yu Y,Xu L,et al.Flat-top MicrowavePhotonic Bandpass Filter with Tunable Bandwidth Based on SBS and FWM[C]//2019International Topical Meeting on Microwave Photonics(MWP).IEEE,2019:1-3.)基于高非线性光纤(HNLF)的受激布里渊散射(SBS)效应与半导体光放大器(SOA)的四波混频(FWM)效应，实现了一种带宽调谐范围为18-52MHz(通过调整泵浦光的极性与进入SOA前的光信号)的微波光子带通滤波器；
文献2：Wen H S,Li M,Li W,et al.Ultrahigh-Q and tunable single-passbandmicrowave photonic filter based on stimulated Brillouin scattering and afiber ring resonator[J].Optics letters,2018,43(19):4659-4662.利用单频布里渊光纤激光器超窄的光学增益腔进行光放大，将单通带微波光子滤波器的3dB带宽Δf3dB降低至kHz量级。
但是，基于光纤器件的微波光子滤波器一般具有中心波长调谐范围小，调谐速率慢等缺点，且受外界环境的影响较大。而微谐振器因其高Q、体积小、可重构、易集成和可调谐的特点，在微波光子带通滤波器的应用中也得到了广泛关注。Weifeng Zhang等人在论文，如文献3：Zhang W,Yao J.On-chip silicon photonic integrated frequency-tunable bandpass microwave photonic filter[J].Optics letters,2018,43(15):3622-3625.提出一种基于微盘和相位调制集成的MPBF，实现了调谐范围为3-10GHz，带宽为1.93GHz的微波光子带通滤波器。
对于这些单通带微波光子滤波器，带宽主要在GHz量级，难以实现MHz量级及以下带宽范围。其主要受限于波导的固有损耗，使集成光学器件的Q值有限，以致超窄带宽微波光子滤波器难以实现。
虽然目前已有许多单通带微波光子滤波器方案，但是带通滤波器宽带范围多数仍在MHz量级甚至GHz量级，难以实现kHz量级及以下带宽范围，并且滤波器窄带宽范围难以和中心波长宽调谐范围兼顾实现，难以满足高分辨率微波光子传感以及高性能微波光子雷达等应用领域的需求。
发明内容
本发明提供了基于超高Q封装微腔的超窄带宽微波光子可调谐滤波器，是一种超窄带宽(kHz量级及以下)单通带光子可调谐微波滤波器，以缓解现有微波光子带通滤波技术方案难以兼顾窄带宽范围与宽连续调谐范围的问题。
所述的超窄带宽微波光子可调谐滤波器，具体包括：激光器，光偏振控制器，相位调制器，高Q值封装微腔模块，激光二极管温度控制器，光电探测器和矢量网络分析仪；
激光器与光偏振控制器相连，将输入的激光调整至最佳偏振状态，然后输入相位调制器；相位调制器同时连接矢量网络分析仪，用于对最佳偏振状态的光信号与矢量网络分析仪输出的射频信号进行相位调制，并输出至高Q值封装微腔模块；
高Q值封装微腔模块，由微柱腔、锥形光纤、TEC模块和封装盒封装制成，相位调制后的光信号通过锥形光纤传输到与锥形光纤耦合在一起的微柱腔，光进入微柱腔内产生共振，在锥形光纤的另一头接收到的为部分频率被吸收了的光，即对相位调制后的光信号进行滤除，然后输入光电探测器，将相位调制转换至幅度调制，输出最终信号到矢量网络分析仪进行查看；
所述激光二极管温度控制器，用于控制高Q值封装微腔模块中的TEC模块，实现温度精准调控；
所述微波光子可调谐滤波器的工作原理如下：
激光器输出连续的光载波λc，通过光偏振控制器调整偏振状态后输出频率为fc的光载波至相位调制器；同时，矢量网络分析仪输出射频信号给相位调制器；
相位调制器将光载波和射频信号一起进行调制后，输出具有幅度相等、相移为π的正、负一阶边带信号到高Q值封装微腔模块；
正、负一阶边带信号的计算公式为：
其中E0为激光器光源的光场，J0(·)为第一类0阶贝塞尔函数，mPM为相位调制指数，ωc为光载波的角频率，J1(·)为第一类1阶贝塞尔函数，ωRF为射频信号的角频率；
正、负一阶边带信号输入到高Q值封装微腔模块中后，不断调整TEC模块的温度，进而改变微腔模块的实际温度，通过热光效应实现超高Q值微腔模块的谐振频率fres的偏移，进而调节通带中心频率fpass；
单边带滤波器的中心频率为fpass＝fc-fres，其中光载波频率fc不变；
微波光子滤波器单通带的宽带范围3dB带宽Δfpass，由高Q值封装微腔谐振波长对应透射谱的3dB带宽Δf控制，其中Δfpass＝Δf，进而实现了微波光子滤波器的带宽在MHz量级以下。
经过超高Q值微腔模块的正、负一阶光边带信号输入到光电探测器接收进行拍频，相位调制信号转化为强度调制单边带信号，实现微波光子带通滤波。
光电探测器拍频后输出的交流光电流信号为：
i+1(t)＝2αηPCJ0(m)J1(m)cos(ωRFt)
i-1(t)＝2αηPCJ0(m)J1(m)cos(ωRFt+π)
其中α为链路损耗，η为光电探测器的响应度，PC为光载波的功率。
光电探测器输出的交流光电流信号在相位上存在π的差值，最终输入到矢量网络分析仪进行查看。
本发明的优点和有益效果为：
(1)基于超高Q封装微腔的超窄带宽微波光子可调谐滤波器，采用高Q值封装微腔模块和激光二极管温度控制器封装集成，由于窄带宽范围由封装微腔的品质因子决定，故本发明封装后品质因子高达106～109；109对应3dB带宽即在kHz量级，即可实现kHz量级的微波光子滤波器；
(2)基于超高Q封装微腔的超窄带宽微波光子可调谐滤波器，利用微腔高Q值及稳定特性，克服现有微波光子滤波器难以实现3dB带宽kHz量级单通带滤波的问题；
(3)基于超高Q封装微腔的超窄带宽微波光子可调谐滤波器，利用微腔作为光陷波滤波器，实现相位调制至幅度调制的转换，简化系统复杂度；
(4)基于超高Q封装微腔的超窄带宽微波光子可调谐滤波器，集成控温模块，精准调控温度，实现滤波器中心波长宽调谐范围以及快速调谐响应。
附图说明
图1是本发明基于超高Q值封装微腔的微波光子可调谐滤波器系统结构示意图；
图2(a)和(b)分别是本发明超高Q值封装微腔的归一化透射谱和包含自由光谱范围的透射谱示意图；
图3(a)和(b)是本发明基于超高Q值封装微腔的微波光子可调谐滤波器原理示意图；
图4是本发明基于超高Q值封装微腔控温模块实现的温度-波长偏移数据图。
具体实施方式
下面将结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。
现有技术的微波光子带通滤波器，难以满足高分辨率微波光子传感以及高性能微波光子雷达等应用领域的要求，仍需进一步研究能实现高分辨率与宽连续调谐范围兼顾的微波光子带通滤波器；基于此，本发明提出了一种基于超高Q封装微腔的超窄带宽微波光子可调谐滤波器；
如图1所示，具体包括：激光器，光偏振控制器，相位调制器，高Q值封装微腔模块，激光二极管温度控制器，光电探测器和矢量网络分析仪；
激光器为可调谐激光器，与光偏振控制器相连；将输入的激光调整至最佳偏振状态，满足高Q值封装微腔模式的激发；然后输入相位调制器；相位调制器同时连接矢量网络分析仪，从光偏振控制器输出的光信号与矢量网络分析仪输出的射频信号，经相位调制器进行相位调制，并输出至高Q值封装微腔模块；
高Q值封装微腔模块，由高Q值微柱腔、锥形光纤、TEC模块和封装盒封装制成，用作光学陷波滤波器使用；对相位调制后的光信号进行滤波后输入光电探测器，光电探测器将相位调制转换至幅度调制，输出射频信号到矢量网络分析仪，进行最终查看；
所述微柱腔通过二氧化碳激光器在熔融石英棒上融刻加工而成，采用锥形光纤进行耦合并封装成微腔模块，通过优化加工参数和调节耦合位置，保证超高品质因子的同时激发出少量模式，以满足单通带微波光子滤波器应用要求。
相位调制器调制的光信号通过锥形光纤耦合进入微柱腔内，光在微腔内发生全内反射并在一定条件下引起共振，在锥形光纤的另一头接收到的就是一部分频率被吸收了的光，透射光谱如图2a所示，谐振波长是在微柱腔中形成稳定模场分布的光波波长，形成稳定模场分布的条件是入射的光波与在微腔中传播一周的光波发生相长干涉，将这种谐振态描述为陷波响应状态，进而根据该原理实现光学滤波器。通过洛伦兹曲线拟合，半高全宽(FWHM)是透射率的最大值降为一半时的带宽，也称为3dB带宽Δf，与微波光子带通滤波器单通带的3dB带宽Δfpass所对应，即Δfpass＝Δf，从测量结果来看，实例超高Q值微腔模块实现的3dB带宽Δf为241kHz，微波光子滤波器的带宽应在MHz量级以下。
两个谐振波长之间的波长差为超高Q值微腔模块的自由光谱范围(FSR)，如图2(b)所示，单边带滤波器的最大的中心带宽范围由FSR决定，为FSR/2；单边带滤波器的中心频率fpass由光载波和超高Q值微腔模块的谐振频率fres的频率差决定，即fpass＝fc-fres，其中光载波频率fc不变；
所述的矢量网络分析仪一端与光电探测器相连，用于接收光电探测器输出的检测电信号，并进行查看；另一端与相位调制器的微波输入端口相连，用于提供相位调制器所需的微波信号。
所述激光二极管温度控制器，用于控制高Q值封装微腔模块中的TEC模块，实现温度精准调控。
所述微波光子可调谐滤波器的工作原理如下：
激光器输出连续的光载波λc，通过光偏振控制器调整偏振状态后输出频率为fc的光载波至相位调制器；
相位调制器同时接收矢量网络分析仪输出的射频信号，与光载波调制后产生具有幅度相等、相移为π的正、负一阶边带信号；
光载波频率fc注入由射频信号馈电的相位调制器(PM)，相位调制器输出的光场计算公式为：
其中E0为激光器光源的光场，J0(·)为第一类0阶贝塞尔函数，mPM为相位调制指数，ωc为光载波的角频率，J1(·)为第一类1阶贝塞尔函数，ωRF为射频信号的角频率；
由公式得，经过相位调制器进行相位调制后的正1阶边带与负1阶边带信号幅度相同，相位差为π。如图3所示，一边的信号其频率范围中包括了透射谱的频率范围，另一边没有，这时光电探测器接收拍频，非谐振峰处信号相消，剩余不对称部分的信号，此时该信号中心频率为fc-fres，作为滤波器使用；
高Q值封装微腔模块作为光学陷波滤波器，将相位调制光载波的一个边带信号进行光学滤除，其中高Q值封装微腔模块对应的共振频率为fres，当一边边带被抑制时，经光电探测器接收，相位调制信号转化为强度调制SSB信号，实现微波光子带通滤波器。
相位调制后的光信号经过光电探测器转换为电信号，输出的交流光电流信号为：
i+1(t)＝2αηPCJ0(m)J1(m)cos(ωRFt)
i-1(t)＝2αηPCJ0(m)J1(m)cos(ωRFt+π)
其中α为链路损耗，η为光电探测器的响应度，PC为光载波的功率。
光电探测器输出的交流光电流信号在相位上存在π的差值，最终输入到矢量网络分析仪进行查看。
本发明由于正、负一阶边带信号异相，光载波和上边带之间的拍频将完全抵消光载波和下边带之间的拍频，因此输出的光电流为直流信号。光电检测器用于接收光信号并转换为电信号，由于上述相位差，其无法检测到射频信号。然而，如果其中一个边带被光学陷波滤波器抑制时，此时相位调制信号转化为强度调制单边带信号，完成相位调制到幅度调制的转化，此时通过光电探测器检测单边带信号将会生成一个微波信号，整个过程可等效为微波光子单通带滤波器。这就是所提出的滤波器所基于的工作原理，利用光学陷波器结构实现了带通光子微波滤波器，降低了系统的复杂度。
本发明宽连续调谐范围指单通带的中心波长的调谐范围较宽，是通过改变TEC模块的温度，实现谐振频率的偏移，中心波长由光载波和陷波响应对应的频率差决定；即通过热调谐调节超高Q值微腔模块的谐振频率fres进而调节微波光子滤波器的通带中心频率fpass；如图4所示。微柱谐振腔的WGM谐振波长随温度变化的偏移(Δλ)可以描述为：
其中α＝Δn/ΔT是热光系数，β＝(1/R)·(ΔR/ΔT)是热膨胀系数，n是折射率，R是微柱腔半径，T是实际温度。
由此可以得出，通过激光二极管温度控制器进行精确温度稳定，通过外部输入控制温度设定值，以主动控制谐振波长的偏移，实现滤波器中心波长调谐。

Claims (3)

1.基于超高Q封装微腔的超窄带宽微波光子可调谐滤波器，其特征在于，具体包括：激光器，光偏振控制器，相位调制器，高Q值封装微腔模块，激光二极管温度控制器，光电探测器和矢量网络分析仪；
激光器与光偏振控制器相连，将输入的激光调整至最佳偏振状态后输入相位调制器；相位调制器同时连接矢量网络分析仪，对最佳偏振状态的光信号与矢量网络分析仪输出的射频信号进行相位调制，输出具有幅度相等、相移为π的正、负一阶边带信号到高Q值封装微腔模块；
正、负一阶边带信号的计算公式为：
其中E0为激光器光源的光场，J0(·)为第一类0阶贝塞尔函数，mPM为相位调制指数，ωc为光载波的角频率，J1(·)为第一类1阶贝塞尔函数，ωRF为射频信号的角频率；
所述正、负一阶边带信号输入到高Q值封装微腔模块中后，不断调整TEC模块的温度，进而改变微腔模块的实际温度，通过热光效应实现超高Q值微腔模块的谐振频率fres的偏移，进而调节通带中心频率fpass；
单边带滤波器的中心频率为fpass＝fc-fres，其中光载波频率fc不变；
微波光子滤波器单通带的宽带范围3dB带宽Δfpass，由高Q值封装微腔谐振波长对应透射谱的3dB带宽Δf控制，其中Δfpass＝Δf，进而实现了微波光子滤波器的带宽在MHz量级以下；
高Q值封装微腔模块对相位调制后的正、负一阶光边带信号进行滤除，然后输入光电探测器进行拍频，输出的交流光电流信号在相位上存在π的差值，将相位调制转换至强度调制单边带信号，输出最终信号到矢量网络分析仪进行查看；
所述光电探测器拍频后输出的交流光电流信号为：
i+1(t)＝2αηPCJ0(m)J1(m)cos(ωRFt)
i-1(t)＝2αηPCJ0(m)J1(m)cos(ωRFt+π)
其中α为链路损耗，η为光电探测器的响应度，PC为光载波的功率。
2.如权利要求1所述的基于超高Q封装微腔的超窄带宽微波光子可调谐滤波器，其特征在于，所述高Q值封装微腔模块，由微柱腔、锥形光纤、TEC模块和封装盒封装制成，相位调制后的光信号通过锥形光纤传输到与锥形光纤耦合在一起的微柱腔，光进入微柱腔内产生共振，在锥形光纤的另一头接收到的为部分频率被吸收了的光，即对光信号进行滤除。
3.如权利要求1所述的基于超高Q封装微腔的超窄带宽微波光子可调谐滤波器，其特征在于，所述激光二极管温度控制器，用于控制高Q值封装微腔模块中的TEC模块，实现温度精准调控。
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