微波光子信号处理技术

I 光纤布拉格光栅FBG

1、光纤布拉格光栅简述

光纤Bragg 光栅是掺锗单模石英光纤经紫外光照射成栅技术形成的全新光纤型光栅，其结构如图1-1所示。成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生Bragg 光栅效应。这种光栅的基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波器，像镜子一样工作，它只反射Bragg 中心波长B λ的光，而对所有其

它的波长进行传输 。图1-2用输入光波的反射谱和透射谱很直观地说明了这个问题。布拉格波长为

2B eff B n λ=Λ （1-1）

其中eff n 为有效折射率，B Λ为光栅的布拉格周期。

图1-1 光纤布拉格光栅结构示意图

图1-2 光纤布拉格光栅光谱特性说明

2、光纤布拉格光栅的分类

光纤Bragg光栅的周期一般在100nm数量级，按照折射率调制的周期和幅度的不同，可以分为均匀光纤Bragg光栅、啁啾光纤Bragg光栅、相移光纤Bragg 光栅和取样光纤Bragg光栅等等。

均匀光纤Bragg光栅的特点就是光栅的周期和折射率调制度大小均为常数，是最常见的一种光纤光栅。

啁啾光纤Bragg光栅就是在普通的均匀光栅中引入啁啾量，即光栅周期不再是一个恒定值，而是随位置而改变。光栅的Bragg反射波长是关于光栅周期的一个函数，因此它也随位置而改变。图1-3所示为啁啾光纤光栅的结构示意图。

图1-3 啁啾光纤光栅的结构图

相移光纤光栅的特点是光栅在某些位置发生相位跳变，通常是P相位跳变，从而改变光谱的分布。相移的作用是在相应的反射谱中打开一个缺口，相移的大小决定了缺口在反射谱中的位置，而相移在光栅波导中出现的位置决定缺口的深度，当相移恰好出现在光栅中央时缺口深度最大，因此相移光纤光栅可用来制作窄带通滤波器，也可用于分布反馈式光纤激光器。

采样光纤光栅的特点是光栅由许多小段光栅构成，折变区域不连续，如果这种不连续区域的出现有一定周期性则又称为超结构光栅，其反射谱出现类似梳状滤波的等间距尖峰，且光栅长度越长则每个尖峰的带宽越窄，反射率越高；采样光栅结构示意图如图1-4所示。

图1-4 采样光纤光栅示意图

切趾光栅是指光致折变大小沿光纤轴向为一定的函数，且直流折射率变化为零。切趾光栅对均匀光栅反射谱的边模振荡情况具有很强的抑制作用，选择不同的切趾函数可以起到不同的抑制效果。

3、光纤布拉格光栅采样

采样可以有很多种方法实现，包括不平衡的Mach-Zehnder 结构和阵列波导光栅（AWG ）。用布拉格光栅采样有很多优点：调节光栅反射率可以控制抽头权重；光栅间隔可以控制采样时间；光栅的倾斜度可以控制相互作用的波长。图1-5是几种基于光纤的采样技术。

图1-5(a)

图1-5(b)

图1-5 利用光栅元件的高速采样技术。(a)离散的光栅阵列(b)叠加的光栅阵列(在光纤的同

一位置写入不同布拉格波长的光栅)

采样时间由最小延时步长的大小决定。采样频率定义为

1sa f T （1-2）

II 微波光子滤波器

微波光子滤波器最重要的目标包括实现微波频率的高频选择性，高阻带衰减，高边频选择性和大的自由频谱范围。

1、干扰衰减滤波器

在雷达或者光纤无线电系统中，天线通常都会接收到无用的高振幅的干扰信号。光电信号处理器通过提供一个窄的阻带来去除无用的信号，同时通过一个平坦的宽通带传输有用信号。图2-1所示为一个基于光纤的干扰衰减滤波器的拓扑结构。

图2-1 基于光纤的干扰衰减滤波器

在图2-1所示的滤波器中引入了一个包括许多不相等的延时线的模块以得到非常窄的阻带。该模块用到了多个光子带通滤波器。这N 个光子滤波器轻微失谐于需要的陷波频率0f ，工作频率在0f n f -?和0f n f +?，n=1,2,…,N 。如图1-6中所示布拉格光栅之间的偏移长度L n L +?和L n L -?。带通滤波器的频率轻微失谐于陷波处理器的基频，所以这些带通滤波器的总体响应是一个方波响应。这个总体响应减去上面直接全部通过的响应就得到一个窄阻带滤波器响应，并且该阻带两边是非常平坦的宽通带。图2-2是一个简单的由两个腔组成的基于光纤的干扰衰减滤波器的频率响应。

图2-2由两个腔组成的基于光纤的干扰衰减滤波器的频率响应

2、高边频选择性带通滤波器

在光信号传输系统中，高分辨率的通带过滤有用信号同时抑制相邻频率的无用信号的能力是很重要的，即要求高阻带衰减和边频选择性。图2-3所示为一个基于偏置增益腔的结构图，该结构可以实现高边频选择性和高Q 通带滤波。

图2-3 基于光纤的两个平行腔通带滤波器结构

在上图中，两对光增益偏置的FBG腔控制极点和滤波器的阻带衰减特性，可以很大程度上提高阻带衰减和边频选择性。

通过一个50:50的耦合器来把输入的光调制信号分为两路，两个支路中都包括工作在相同中心频率的带通滤波器，但是有一路有一个小的增益偏置。上臂的

增益为g，下臂的增益为g g

?由光衰减器控制。该增益偏置使

-?，增益偏置g

得上臂的带通滤波器有一个较高的光增益，因此与下臂的滤波器相比，上臂的滤波器在中心频率有更尖锐的响应，但是在中心频率以外，两个滤波器的响应是基本相同的。两个支路的输出通过两个相同的光电二极管检测来减去光电流。这样

就产生一个在滤波器中心频率附近有尖锐的响应，而通带频率外的输出都被去除了。因此，最后输出的响应比单个支路的响应在中心频率附近的响应尖锐一些，最重要的是远离中心频率的宽基座区域差不多被去除了。

3、具有高自由频谱范围(FSR)的滤波器

离散时间信号处理的递归特点限制了宽的有用频率范围的实现，因为在高频区域会有无用的附加周期响应。为了提高滤波器的有用的操作范围，需要抑制递归的响应。

图2-4 基于非均匀载波波长间隔的谐波抑制微波光子带通滤波器

图2-4所示为一个基于非均匀载波波长间隔的带通滤波器。选用适当的非均匀间隔分布，该滤波器的传输函数可以是两个均匀间隔但是具有不同FSR的横向滤波器的合成。根据Vernier原理，合成的FSR可以变大从而提高滤波器的抑制带宽。

另一种方法如图2-5所示。

图2-5 具有大的FSR的微波光子陷波滤波器结构

该方法采用多载波调制信号和基于不同布拉格波长的光栅组成的腔来实现不同延时线的双腔带通滤波器。陷波滤波器的周期响应被WDM光栅腔后面的延时

线结构抑制了。该延时线结构包含一个级联的具有不同延时1τ、2τ的延时线，两

个延时线引入了一系列抑制多波长带通滤波器的谐波响应的凹点。因此，和全通信号相减后就能得到想要的0f 处的凹点，但是在一些谐波处的凹点被抑制了，通

带明显拓宽。

III 信号相关器

基于光栅的信号处理器能够实现信号的高速相关运算。图3-1所示为一个用FBG 阵列作为调谐元件的可编码全光相关器。该结构可以编码识别，通过压电调谐布拉格波长重构相关函数。

图3-1 可编程的基于光栅的信号相关器

对于一个n 个光栅阵列，该相关器可以处理2n 个不同的码元。输出为

()()()R s t f t ττ∞

-∞=

-? （3-1）

其中，()s t 代表输入的码元序列，()f t 代表存储的脉冲响应。只有当两个比特序列()f t 和()s t 相同时才可以得到自相关序列。该相关器可以解码超快速率（G/s ）的序列,并且可以通过调节光栅来编码识别不同的高比特率的码元。