可调谐可重构微波光子滤波器的研究

可调谐可重构微波光子滤波器的研究
微波光子学是一门涉及光学、微波和电子工程的多学科交叉领域。

微波光子滤波器作为微波光子学的一个重要应用,在学术界和工业界引起了广泛的关注与研究。

与传统微波滤波器相比,具有传输损耗低,尺寸小、重量轻、可用带宽大、适应环境广、抗电磁干扰等优点,同时还具备可调谐可重构的优点。

随着通信传输速率的提高和信息处理的高精密度要求,在实现射频信号复用时,需要根据信道要求来合理配置信道带宽,从而达到资源的合理分配与充分利用,避免了不必要的带宽冗余和能量损耗。

因此研究并设计通带带宽可灵活重构、中心频率可连续调谐的微波光子滤波器具有实际意义和应用价值。

为了克服传统微波光子滤波器的频率响应周期性,近十年来,利用受激布里渊散射效应处理光信号被研究者们应用到各种各样的滤波器结构中。

基于受激布里渊散射效应的滤波器原理是将信号有选择的放大或衰减,而对带外噪声完全不放大或衰减,因此可以将受激布里渊散射谱看成是一个具有高选择性的光域滤波器,而且,布里渊散射谱的线宽很窄,在普通单模光纤中约为几十兆赫兹。

受激布里渊散射还是一种具有低阈值的非线性光学效应,对于微波光子系统中的光纤长度要求并不十分严格,并且可以将光波导作为传输介质实现微波光子滤波器的集成化,减小系统体积和能量损耗,推进微波光子滤波器的商业发展。

本文的设计思想是基于受激布里渊散射效应,结合光频率梳技术以及数字调制技术,实现滤波器通带带宽的灵活重构。

由于光频率梳的频率间隔和基带码型
速率在电域中的可控精度高,并且布里渊散射谱的本征线宽较窄,因此本文设计的滤波器带宽重构可控精度高。

利用受激布里渊散射效应的频移特性,本文设计的滤波器中心频率可连续调谐。

具体的设计思路、研究工作及创新点如下:1.本文设计的基础是基于受激布里渊散射与相位调制相结合的滤波器结构。

采用两个独立可调谐的激光源,分别作为泵浦光和探测光,利用布里渊散射谱对相位调制信号边带选择放大,在光电探测器中拍频后,实现中心频率调谐范围为2倍的布里渊频移的窄带宽单通带滤波器。

2.设计并实现了适用于无线局域网的双通带微波光子滤波器。

由IEEE802.11b/g/n对无线局域网带宽的要求可知,由于布里渊增益谱本征线宽较窄,基于单光源的受激布里渊散射效应的滤波器带宽远远不能满足带宽的要求。

因此,本文提出利用MZM和DPMZM级连调制产生的光频率梳做泵浦光,当光频率梳的频率间隔小于布里渊增益谱本征线宽时,频率梳状的泵浦光产生的布里渊散射增益谱就会叠加,通过控制频率梳的平坦度就可以控制叠加增益区的平坦度,结合数学模型计算和仿真得到在较好平坦度下各个输入参量的一组数值,为实验数据的选择提供了理论支持。

3.提出基于多音信号调制产生光频率梳,设计并实现了具有任意通带的带宽可重构的微波光子滤波器。

基于多音信号调制产生平坦光频率梳的关键是控制电域多音信号之间的相对幅度。

由于信号发生器,转接头和射频线缆在传输多音信号时的非线性响应,不同频率的射频信号在传输过程中会有不同的损耗。

本实验在多音信号接入到滤波器系统前做了预失真补偿,得到了较为平坦的光频率梳。

将多音信号之间的频率间隔任意设置,打破了单射频信号调制方式产生的光频梳频率间隔固定的限制,灵活的控制泵浦光的频率,实现了通带个数及通带中心频率独立可调谐的多通带滤波器、带宽可重构的双通带滤波器及带宽展宽的单通带滤波器。

4.研究利用BPSK调制技术展宽有效布里渊增益谱,从而实现展宽滤波器通带的目的。

通过理论研究和实验测试得出,当输入的基带码型一定的情况下,随着码型速率的提高,滤波器的通带带宽也随之展宽,而通带选择性却逐渐变小;当输入的码型速率一定的情况下,随着码型占空比的提高,滤波器的通带带宽逐渐变小,而通带选择性却随之变大。

提出了数字调制与模拟调制技术相结合的方法实现滤波器通带展宽,利用BPSK调制技术,通过改变码型速率来重构滤波器的带宽,利用梳状泵浦光的离散谱特点,补偿了当采用单独数字调制时,由于滤波器通带的展宽而引起的幅值衰减。

在产生相同通带带宽的条件下,采用混合级连调制的通带选择性要优于采用单独数字调制技术。

5.提出并实现了基于光子学处理方式的具有三陷波结构的超宽带微波光子滤波器。

利用可调谐光滤波器滤掉相位调制信号的部分边带,实现相位调制到强度调制的转换,调节光滤波器的带宽和中心频率,实现满足超宽带滤波器带宽要求的单通带响应。

基于多条泵浦光产生多个布里渊衰减谱,从而实现多陷波,在多音信号调制的基础上耦合了另一个激光源,通过单独调谐耦合激光源的输入功率,平衡了相位调制信号的上边带和由于可调谐光滤波器的传输曲线边沿不陡峭而残留的下边带之间的相对幅度,实现了三个陷波均具有较高陷波深度的超宽带微波光子滤波器。

本结构设计的微波光子滤波器,通带带宽、中心频率和陷波的位置均可单独调谐,克服了电域超宽带滤波器调谐性较差,易受电磁干扰等不足。

因此本结构也同样适用于其他频率和带宽要求的滤波器。