论文研究-微波光子滤波器的结构原理和设计方法 .pdf

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微波光子滤波器的结构原理和设计方法,范文文,忻向军,本文主要研究了微波光子滤波器的滤波原理,分析了滤波器的基本结构,并针对目前的研究热点介绍微波光子滤波器的设计方法。其一项
山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 大=0 ( 式中:、Y分别是输人输岀,N为抽头的系数,a1为对应于不同抽样的权重,微波光 子滤波器可以直接用光器件在光域中实现对微波频率的选择性通过,是基于数字滤波器理论 得出的,T=2x/Ω是两个相邻抽头的延时,Ω是滤波器的自由频程(FSR),因为 65x(t-kT)=x(t)*D(t-k7),输出可以衣示为: y(t)=x()*∑aD(t-k (3) k=0 于是,滤波器的冲激响应为: h()=∑a(-k7 (4) 频率响应为 jakT d,e (5) 从表示式(34可以看出,冲激响应()和频响应H()是由时间延时T和抽头系数 k决定的。 当宽带光源为单光源时,受电信号调制前的光电场可以表示为:E5()=,e), 其中,是光源的光强,是光源频谱中心角频率,必小(1)是光源的相位抖动。经过色散延 75迟器件后输出的光电场为 E()=√∑ keVin(e-kr)e/(oo( -kT)+6(t-kT) (6) 其屮Sn()代表射频信号,√是第k个抽头的加权。 光源的相干时间τ和基本延时T(两相邻抽头之间的延时)之间的关系决定滤波器不可 的工作域,如果τ>>T,则滤波器工作在相干域内,其传输函数是电场的线性函数,取决 80于光载波所经历的相栘,这种情况受环境因素和偏振的影响比铰大,在实现中难以实现;而 如果τ<<T,则滤波器工作在非相干域,整个结构的传输函数是光强度的线性函数,消除 了光载波相移的影响,在实现屮比较容易实现。这里设探测器的响应度为羽,当光源的相 干时间比滤波器的基本延时I大很多时即工作在非线性域,从探测器输出的电流可以表示 为: 85 10()=S0()=91∑[an(-k7) (7) 3 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 从上式可以看出,输入和输出电信号之间是线性关系 2高Q值微波光子滤波器 设计微波光子滤波器的基础是信号在传输过程中不断的产生延迟,在接收端,不同的时 延信号合并然后绎过光电检测,按延时单元的不同可以把滤波器分为两类:一类用光纤环作 90为延时单元;另一类用光纤光栅实现延时功能。实现高Q偵的方法有很多,如基于有源光 纤的滤波结构、用光纤环作为延迟线达到滤波的目的以及采用级联滤波器的方法 21利用掺饵光纤的微波光子滤波器 图2所示是一种典型的高Q值微波光子滤波器结构,其屮,R和R2分别代表了光栅 FBG1和光栅FBG2的反射率。光栅FBG1的反射率为50%,光栅FBG2的反射率为100%, 95被调制后的光信号绎过FBG1后,有一半信号被FBG1反射回来,另一半透射的信号绎过掺 铒光纤放大器EDFA放大,被FBG2仝部反射到FBG对中。反射光经过光纤环行器后到达 光电探测器,透射光到达FBG2后仝部被反射,经过光纤延迟线L后,又有一部分透射, 部分反射,依次反复。因此,信号被向前和向后不断的反射和延迟形成了大量的脉冲响应的 抽头,并且不同抽头之间的时间时延是相同的,每次经过环形器后到达光电检测器的信号都 100有2L的路程差,即产生了等间隔的时间延迟。 EDFA RI 光源 EOM FBI FBO 光电揆测器 98nm泵浦 图2利用掺饵光纤的微波光子滤波器 Fig 2 Microwave photonic filter using erbium-doped fiber 105 图2所小滤波器在光栅之间使用了掺饵光纤,引入了泉浦源,属于有源徼波光子滤波器 类型。婵大EDFA的增益可以有效的控制滤波器的抽头数,滤波器的带宽是可调的。光 栅对使得信号在光栅中间不断的被反射、放大,由于每个信号冲激之间的路程差相同,因此 可以连续产生等问隔的频谱。通过其实验仿真表明,Q值可以达到325。这种类型滤波器的 优点是结构简单,比较容易实现。近期有很多的微波光子滤波器结构都是基于这种结构进行 110改进的。把FBG1和FBG2分别换成啁啾FBG可实现滤波器的频率可调。 4 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 22利用光纤环延迟线的微波光子滤波器 EDFA 耦合器 上BG PD 网终分析仪 图3利用光纤环延迟线和EDFA的高Q值微波光子滤波器结构 115 Fig 3 High-Q microwave photonic filter structure using fiber ring delay line and edFa 图3所示的结构中使用了光纤坏作为延迟线,并在光纤坏中加入了EDFA,用来补偿延迟 造成的损耗。利用光纤光棚和光环形器,使调制的信号经过的不同路径距离造成了不同的 时延进而生成了不同的抽头。3dB耦合器,用来进行合波与分波。具体路径为:信号光经过耦 120合器分为两条路径,一条路径育接到达光栅后,仝部反射回到耦合器,再分两路:一路到达 环形器;一路顺时针经过光纤环一次,再会到耦合器;以此重复。另一条要逆时针经过光纤 环一次后,到达耦合器,分为两路:一路通过光栅反射回到耦合器:一路再逆时针经过光纤 环一次,回到耦合器:以此重复。依次类推如果设绎过光纤环一次的时延为T,那么,返回到 耦合器的信号是由延迟信号为0,T,2T,3T……(n-)T叠加构成光纤环作为延迟线的滤波器 125产生的频谱峰比较陡峭,为获得较高的Q值奠定了很好的基础 23滤波器的级联 RX·MO)H(O)g()<G(o) P RCX 130 图4两个光学滤波器的级联的一般结构 Fig 4 The general structure of two cascade optical filters 假设一个滤波器在光域的单位冲激响应为: h(=∑a,6(1-r7)=∑h(t-r7) (8 另一个滤波器在光域的单位冲激响应为g(),即: g(t)=∑b(-7)=∑g.6(t-s7) (9) 对于两个滤波器级联的情况,由麦克斯韦方程可知,光电场分量的输入和输出之间成线 山国删技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 性关系,级联后的系统单位冲激响应为二者的卷积: ()*g()=∑∑hg,6(-rm)6(-sr r=03=0 ∑∑bg.6(t-(r+s 140 ∑∑h.0(t-k ∑m2(-k7) (10) k=0 式中:k=P+;m2=∑k吕 圳可以看作两个滤波器级联的光电场单位冲激响应的抽样系数,同时又可以看作是 1)多个抽样值与g(t)的相应抽样值的乘积和 下面考虑输入电信号与输出电信号的关系受电信号调制之前的光电场分量为 E,()=√1e1),式中:l1是光源强度,a是光源中心角频率,()是光源的相位抖 动。输出光的电场分量为: E,()=V∑m[(-km)Pem)m (11) 探测器的输出电流,即对应输出电信号为 l0(1)=s()=9(E2() 150 =2m2[(t-k)]+:1∑mm、ys(-r7)s(t-7)xr(r-s)7) k=0 k=0s≠ T代表光源的相干度,当光源相干时间远小于单位延迟时间时,为零,式屮第二项 S(O)=9∑m2(4-k7 消失, 即输出电信号是输入电信号的线性延迟叠加,满足滤波原 理,这种结构增加∫滤波器的自由频程FSR,进而Q值増加。这种级联结构可以大大増加微 波光子滤波器的品质因数,并且给凵后的研究提供很大的提小,多重结构串联的微波光子滤 155波器会成为日后的硏究方向。。在实验中,通过级联获得了日前国际上Q最高的的滤波器频 率响应,Q达到了338,抑制比达到了40dB,且可稳定地工作。 3具有负抽头系数的微波光子滤波器 产生负抽头系数最直接的方法是使用不同的光电探测器3,如图5所示,被调制后的 光信号经过耦合器分为两路,两路相差时延I,分别经过不同的探测器,之后两路相减,产 160生的信号既有正抽头又有负抽头。这和方法得到的负系数不是直接在全光领域产生的,所以 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 该滤波器不是全光的。图5是由两个抽头组成的,也可以改为多个抽头,用多光源代替单光 源,wDM多路解调器代替3dB耦合器。 0 Optica MZM Coupler RF Input 图5由差分检波产生负系数的微波光子滤波器 165 Fig. 5 A photonic microwave delay- line filter with a negative coefficient using differential detection 近年提出了一类全光的具有负抽头系数的微波光子滤波器。其中一种方法是基」SOA 上的交叉增益调制来实现波长转换,得到负系数4,如图6所示。用到了两个可调光源波长 分别和,波长为的光信号经调制后分为两路,路经过较长的光纤,产生延时T, 170另—路与波长为的可调光耦合,通过SOA的交叉增益调制,产生相位与承载RF的光波波 长为的相位相差兀,之后经过一个带通滤波器滤掉波长为←的光载波,这样上路是经过 延时时间T的由波长为的光载波携带的射频信号,下路是由波长为22的光载波携带的具 有π柑位的射频信号,两者耦合为—路经过光电探测器,能产生负抽头系数,这样就实现两 个抽头且具有一个负系数的的微波光子带通滤波器。由」两个波长是分别由不同的光源产生 175的,探测器也是非相τ的。为了保证两个波长之间的拍频进入滤波器的通频带,需要选择足 够大的波长空间。图6是只有两个抽头,可用多光源和WDM多眳解调器替换实现多抽头徵波 延时滤波器。 RF Input non-inverted Tunable Laser MZM OCI O(2 PD Source V Tunable laser EDFA> SOA Filter RE ours CW Output 图6基于SOA上的交叉增益形成负系数的微波光子滤波器 180 Fig. 6 A photonic microwave delay-line filter with a negative coefficient based on cross-gain modulation in an SOA 最近,又提出了一种可以产生负系数微波光子滤波器的新方法,该方法用到两个强度调 制器(MZM),且加在MZM的偏置是互补的,如图7所示。当微波信号加到两个调制 185器上,调制光信号的包络是互补的。在PD的输出端,产生了互补微波信号的,导致产生 个负系数。两个相邻的抽头之间的延迟差是由分散设备的色散产生。要实现多抽头的微波 廷迟滤波器,需要多波长光源如激光二极管阵列。对于正负系数抽头,相应的波长必须分别 发送到两个MZM中 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn VBI LDI MZMI PCI RF Input Dispersive Device PD 1*2 LDI MZM2 our RE PC2 Output 图 由互补偏置强度调制器实现倒相的滤波器简图 Fig. 7 The schematic of photonic microwave delay-line filter with a negative coefficient based on phase inversion using complementarily biased intensity modulation D: spersive Device PD PD PD I CFBG I LDI LCE LⅠN RF PD RF 195图8(a)基于相对分散的PM-IM转换的微波相位反转;(b)基于光相位调制器带负系数的微波光子滤波器 Fig 8 (a)RF phase inversion based on PM-IM conversion through opposite dispersions;(b) A photonic microwave delay-line filter with a negative coefficient based on optical phase modulator 上面讨论的所有滤波器都需要使用一个或多个MZM。还有一种新的方法是基于一个光 200相位调制器来实现微波光子滤波器的负系数1。由相位请制向强度调制(PMIM)转换, 分散元素具有互补性,如线性啁啾光纤光栅( LCFBO)与其互补啁啾,通过只有正或负啁 啾的 LCFBG反映相位调制的光信号,在PD中将会产生没有或有丌相位反转的微波信号 使用光PM的另一个好处是PM没有偏置性,消除」MZM中存在的漂移形成的偏置问题。 该滤波器的基本原理如图8(a)所示。个微波信号通过RF端∏与多波长进行相位调制。由 205于PD作为包终的检测器,如果相位调制信号直接作用于PD,除了直流信号调制信号将不 会被恢复。但是,如果相位调制的光信号通过一个分散元素,两边带和光载波的相位关系将 8 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 被改变,从而导致由相位调制到强度调制得转换。此外,对色散标志上的不同,会得到带或 不带相位的射频信号,产生负系数。该系统的结构如图8(b)所示。 替换 LCFBG,通过使用光学频率鉴别器也能实现PMM的转换,如图9所示。 210 Sagnac-loφp滤波器可用作光学频率鉴别器。由于光载波是在滤波器光谱响应的正负斜坡的激 光源,PM-M转换恢复的微波信号同相或反相的产生,将导致实现正负抽头系薮 PMF PC2 TLS I Sagnac Loop Modulator Coupler Coupler 10:90 TLS N PC2 -EDFA> OSA coupler 图9使用光频率鉴别器实现PM-1M转换的带负抽头的徵波光子滤波器 Fig. 9 Photonic microwave delay-line filter with a negative coefficient based on PM-IM conversion using optical frequency discriminators 结论 微波光子学滤波器具有很多优点,例如,有很高的时间带宽积、可以消除电子采样瓶颈、 具有高隔离度、电磁兼容、无高速信号的光电和电光转换等。它在超宽带无线移动通信、相 搾雷达、徼波毫米波传感、徼波毫米波信号处理等多个领域具有潜在的应用前景。同时它主 220要借助现有的光纤技术和光器件,与光纤传输系统有很好的兼容性等。微波光子学负系数滤 波器和有源高Q值滤波器的各种结构的实现原理与条件是今后发展的主要方向。 参考文献]( References I CAPMANY J, ORTEGIA B, PASTOR D. 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