微波光子濾波技術_圖文

1、1引言微波光子技術1是伴隨著半導體激光器、集成光學、光纖波導光學和微波單片集成電路的發(fā)展而產(chǎn)生的一種新興技術,是微波和光子技術結(jié)合的產(chǎn)物,它在射頻(RF信號的產(chǎn)生、傳輸和處理等方面具有潛在的應用前景。由于射頻信號的光濾波技術具有可實現(xiàn)寬帶可調(diào)諧濾波的功能,因而能夠克服電子瓶頸、濾除強干擾信號等優(yōu)勢。現(xiàn)階段國內(nèi)外實驗成功且已經(jīng)取得很大進展的微波光子濾波器Q 值可以達到9832,帶寬可以低到只有0.32MHz 3,邊模抑制比可以高于40dB 4,調(diào)諧范圍可以從34.1MHz 調(diào)諧到34.1GHz 5。由此可見全光可調(diào)諧濾波器等技術在通信等諸多領域具有重要的潛在應用價值。現(xiàn)在已通過在系統(tǒng)中引入全光濾

2、波技術,突破了電子瓶頸的限制,濾除了混頻器中的噪聲3,有望提高接受機的性能。影響和限制光子濾波器性能的因素很多,比如線形度和動態(tài)范圍、源的相干性、極化特性、正系數(shù)、FSR 、噪聲、可重構(gòu)性和可調(diào)諧性,現(xiàn)在,微波光子濾波器的關鍵問題在于可調(diào)諧和負抽頭的實現(xiàn),因此本文著重以橫向濾波器為例討論可調(diào)諧和負抽頭這兩個方面的問題。微波光子濾波技術Microwave Photonic Filter Technology劉崇正1,2陳建國1周濤21四川大學電子信息學院,四川成都6100652信息綜合控制國家重點實驗室,四川成都61003!"6Liu Chongzheng 1,2Chen Jiangu

3、o 1Zhou Tao 21School of Electronic Information,University of Sichuan National,Chengdu Sichuan 610065,China 2National Information Control Laboratory,Chengdu Sichuan 610036,Chin !"a摘要微波光子濾波器(MPF是在光域內(nèi)實現(xiàn)對微波/射頻(RF信號進行濾波的器件。由于微波光子濾波器在射頻系統(tǒng)中具有帶寬大、快速可調(diào)諧、可重構(gòu)、無電磁干擾(EMI、低損耗和重量輕等優(yōu)點,因而這一類器件已經(jīng)引起了越來越多的人們的興趣。在概

4、述微波光子濾波器基本原理基礎上,分別介紹了現(xiàn)階段對微波光子濾波器可調(diào)諧性、負抽頭等問題基本方法的實現(xiàn),并簡要比較了不同方法的優(yōu)缺點。最后展望了微波光子濾波技術的發(fā)展方向和技術難點。關鍵詞微波光子學;濾波器;可調(diào)諧;可重構(gòu);負抽頭AbstractMicrowave photonic filter (MPFcan filter microwave and radio frequency (RFsignals directly in optical domain.Because of the advantages such as wide bandwidth,fast tunability,immu

5、nity to electromagnetic interference (EMI,low loss and light weight and so on,microwave photonic filters have attracted much attension.After a brief summarization on the basic principle of microwave photonic filter,we several methods used to obtain the tunability,negative tap,etc,for the microwave p

6、hotonic filter are introduced.Also the advantages and disadvantages of these methods are listed.Finally,the prospects and the difficulties of the technique are discussed.Key words microwave photonics ;filter ;tunability ;reconfigurability ;negative tap 中圖分類號:TN62doi :10.3788/LOP20084510.0032 2基本原理圖1

7、為使用單光源獲得N 個抽頭的微波光子橫向濾波器3,6原理圖。利用多光源來實現(xiàn)的原理也大致相同。光載波expjw +f (t (w 為載波頻率,f (t 為相位被射頻信號S RF (t 所調(diào)制,調(diào)制后的信號經(jīng)過耦合器分為N 路,利用色散機制對1,2,N 路信號提供T ,2T ,NT 的時間延遲后,經(jīng)過N 路抽頭而獲不同時間延遲的信號由輸出端的耦合器合并后得到最終的輸出。探測器之前的光信號可表示為圖1微波光子濾波器的基本結(jié)構(gòu)式中Dn 為光源線寬,它是光源相干時間t coh 的倒數(shù)。(2式的第一項為非相干項對光電流的貢獻,第二項為相干部分的貢獻。如果要濾波器工作在非相干條件下,只需光源的相干時間t

8、coh 遠遠小于基本延遲時間差T ,此時(即非相干條件下光電流的表達式為I 0(t =R Nm =0a m S RF (t -mT ,(4于是,從(4式中可以得到濾波器的沖擊響應為:h (t =Nm =0a m d (t -mT ,(5對(5式作傅里葉變換,最終可以得到傳輸函數(shù)電頻率響應的表達式為h (W =Nm =0a m exp(-j m W T .(6從(6式可以看出,濾波器的性能由濾波器級數(shù)N (實現(xiàn)Q 值和帶寬的改變、加權(quán)系數(shù)a m (實現(xiàn)重構(gòu),濾波器的形狀系數(shù)的改變,通過使用衰減器可以容易實現(xiàn)以及延遲時間T (實現(xiàn)中心頻率和FSR 改變決定。2.1可調(diào)諧性的實現(xiàn)實現(xiàn)可調(diào)諧的重要思路

9、之一為:通過改變?yōu)V波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)或者外界所施加的物理參數(shù)的方法改變延遲時間,從而使濾波器的中心頻率變化或自由光譜范圍變化,進而實現(xiàn)可調(diào)諧。目前,改變延遲時間的技術主要有:1直接改變光程來改變延遲時間,現(xiàn)階段主要有兩種方法:(a使用控制傳輸路徑的開關(延遲線開關7,8方法,通過使用空間光開關的方法來為光信號選擇不同的路徑,使之獲得不同的基本傳輸延遲。圖2所示為一個開關色散矩陣的延遲單元示意圖,由于光信號通過不同的色散介質(zhì)的時間不同,可以通過選擇光開關來選擇色散介質(zhì)的方法控制延遲時間,這樣就達到了可調(diào)諧的功能。目前這種方法實驗調(diào)諧范圍最高可以從8.07GHz 調(diào)諧到9.22GHz ;(b使用可調(diào)諧

10、光纖延遲線的方法,利用可調(diào)諧光纖延遲線直接改變光信號傳輸路徑的長度,這樣提供了不同的傳輸延遲,可以持續(xù)調(diào)諧。D.Chen 等9通過調(diào)諧可調(diào)諧光纖延遲線120mm ,其中心頻率的改變量便可以覆蓋微波器的自由頻程約7.1MHz ?，F(xiàn)在商用的可調(diào)諧光纖線可調(diào)精度達到3m(約為15fs,可調(diào)范圍168mm ,可以滿足濾波器可調(diào)諧的需求。該技術實現(xiàn)方法比較簡單,實現(xiàn)的調(diào)諧過程簡便,但該技術的調(diào)諧功能往往需要引入特殊的器件,E 0(t =Nm =0a m S RF (t -mT 1/2expjw(t -mT +f (t -mT ,(1式中a m 為第m 個抽頭的權(quán)重。由式(1可以得到在微波光子濾波器的輸出

11、端探測到的光電流為I 0(t =R |E 0(t |2=R Nm =0a m S RF (t -mT +R Nm =0n ma m S RF (t -mT 1/2×a n S RF (t -nT 1/2expjw(n -m T +f (t -mT -f (t -nT ,(2式中R 為探測器的響應度,符號代表對時間取平均。借助于互相干函數(shù)運算,(2式中對時間求平均的項(記作G mn 有G mn exp-|(m -n T |/t coh =exp-Dn|(m -n T |,(3這樣使系統(tǒng)的復雜度提高,器件的要求以及成本相應也就提高了。2波長可調(diào)諧光源結(jié)合光色散介質(zhì),如標準的光纖、高色散光

12、纖3使用可調(diào)諧的色散器件。通過使用激勵源作用在色散介質(zhì)上以改變色散介質(zhì)的色散3。固定的光源和新穎的可調(diào)諧色散介質(zhì)2023結(jié)合能提供持續(xù)的可調(diào)諧,但是在時間和改變色散的準確性上不容易控制。典型的結(jié)構(gòu)如圖5所示,其中的可調(diào)諧延遲器件可調(diào)諧色散器件是一個由磁性材料控制的啁啾光柵組成的,磁性材料的磁場通過給一段螺線管加電流而產(chǎn)生并控制。一個5cm長的光纖光柵固定到一個磁致伸縮棒上然后放到一段磁性螺線管里。磁致伸縮介質(zhì)的長度與所加電流而形成的磁場大小成一定的比例關系,因此當不同的電流加在螺線管上時,光纖光圖2開關色散矩陣示意圖圖3典型的多波長可調(diào)諧光源結(jié)合光纖光柵的結(jié)構(gòu)圖圖4分割寬帶光源結(jié)合單模光纖的結(jié)

13、構(gòu)圖5典型的調(diào)諧可控的FBG 柵會表現(xiàn)出不同的色散。這樣通過控制電流便可以控制光柵的色散,從而得到不同的延遲時間進而實現(xiàn)可調(diào)諧的功能。通過改變磁場這種可調(diào)諧色散器件的延遲時間和波長的比值可以在300900ps/nm之間變化。如圖5所示使用電光調(diào)制器使射頻信號調(diào)制到多個光載波上,然后通過受磁場控制的光纖布拉格光柵使不同的光信號得到不同的延遲。目前使用可調(diào)諧色散介質(zhì)的方法得到的調(diào)諧范圍可以達到1GHz。2.2負抽頭的實現(xiàn)非相干的微波光子濾波器一般只能實現(xiàn)正抽頭,這對于濾波器的應用不利。因為傳統(tǒng)正系數(shù)的全光濾波器只能實現(xiàn)低通的濾波功能,而且其濾波形狀受到極大的限制,濾波效果往往不太理想,所以負抽頭對

14、全光濾波器來說一直都是設計中的熱點問題。這方面的研究在20世紀80年代就已經(jīng)展開,但在最近才獲得重大的進展。為了解決此限制,目前所采用的主要方法有以下4種:1初期的負抽頭實現(xiàn)的出發(fā)點基本是以光電結(jié)合的方式進行的,稱為差分探測24。圖6是其工作原理示意圖。將抽頭分為兩部分,一部分用來實現(xiàn)正抽頭,一部分用來實現(xiàn)負抽頭。這兩部分光信號分別被輸入到兩個光探測器中,然后在兩個光探測器上將光信號轉(zhuǎn)換成電信號,最后在電域中執(zhí)行電信號相減運算,實現(xiàn)兩路信號在相位上相差,所以可以分別得到正負抽頭。這種實現(xiàn)方法缺陷很明顯,負抽頭是通過電子設備實現(xiàn)的,所以濾波性能受到電子設備的性能和有源設備帶來額外的噪聲影響以及這

15、種結(jié)構(gòu)很難重構(gòu),而且,器件價格也比較昂貴。2利用半導體光放大器(SOA的非線性來實現(xiàn)負抽頭。這種方法利用了SOA交叉增益調(diào)制和交叉相位調(diào)制波長轉(zhuǎn)換的非線性現(xiàn)象獲得了相位變換25,26。圖7顯示了其交叉增益調(diào)制的實現(xiàn)原理圖。被調(diào)制的光信號l1通過分路器分為兩路,其中一路和由另外一個激光器發(fā)出的光l2同時經(jīng)過SOA,由于SOA隨著光強度增加而增益飽和,所以波長l1的光信號強度反過來調(diào)制SOA的增益,注入的波長為l2光信號又會被調(diào)制后的增益所調(diào)制,這樣l2得到了l1上相位反轉(zhuǎn)后的強度變化信號,因此實現(xiàn)了負系數(shù)。這種結(jié)構(gòu)比較復雜,很難實現(xiàn)可重構(gòu)性能和多抽頭結(jié)構(gòu),在光域里的相位反轉(zhuǎn)受到SOA轉(zhuǎn)換帶寬的限

16、制,另外存在的一個問題就是SOA對偏振很敏感。3基于利用光柵分割寬帶光源加多個可調(diào)光的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)負抽頭。這種結(jié)構(gòu)通過利用光柵組切割寬帶光源,使其在一定波長出現(xiàn)光功率的凹槽,再加上多個可調(diào)激光器使其出現(xiàn)光功率的峰值,合成的光源經(jīng)過延遲線,實現(xiàn)負抽頭。圖8給出了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)原理圖,這個結(jié)構(gòu)是由可調(diào)諧激光器和摻鉺光纖放大器(EDFA組成的光源,兩個光源發(fā)出的光信號通過耦合器合并后經(jīng)過電光調(diào)制器被射頻信號所調(diào)制,再通過一定長度的光纖后被光波分析儀(LCA所接受。這樣兩個抽頭的射頻濾波器就形成了。圖8里嵌入的圖是由光譜分析儀(OSA探測得到的輸入進電光調(diào)制器的光功率相對于EDFA光功率的比值圖,可以看到在圖6

17、差分探測技術實現(xiàn)負抽頭圖7基于SOA非線性效應的負抽頭實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖光柵反射波長那里有個凹槽,這樣直接在光域就提供了相位反轉(zhuǎn),也就是說實現(xiàn)了負抽頭。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是不受寬帶的限制、濾波器可以重構(gòu)、偏振不敏感。缺陷是在低頻總是存在直流信號,由于受到光源數(shù)量的限制,很難實現(xiàn)多抽頭。4利用電光調(diào)制器的傳輸函數(shù)正負斜率線性部分實現(xiàn)反相位調(diào)制來實現(xiàn)負抽頭27,28。這種方法里有兩種方式可實現(xiàn)負抽頭,第一種方式為一個波長兩個偏置點,如圖927所示為固定波長下輸出光功率隨著電壓變化的曲線。從圖中可以看出,將兩個調(diào)制器的偏置點分別設在V bias1和V bias2,然后通過這兩個調(diào)制器使用相同的RF信號去調(diào)制光信

18、號,因為兩個偏置點都是線性偏置點,而且相位相差,這樣從調(diào)制器出來后,兩路的RF信號就有了的相位差,也就相當于實現(xiàn)了負抽頭的設計。第二種方式為兩個波長一個偏置點28,如圖10所示,如果將偏置點電壓設在V bias,則兩個波長所載的RF信號能夠?qū)崿F(xiàn)相位差。另外對于可重構(gòu)性的問題,由于傳輸函數(shù)的幅度響應形狀只決定于系數(shù),為了實現(xiàn)重構(gòu),就要改變?yōu)V波器的形狀系數(shù)3,6,29。實踐中,可以通過調(diào)整光源的功率,或者通過控制抽頭光路中光波的衰減或者增益,等方法來改變形狀系數(shù)30,31。3結(jié)論與展望綜上所述,微波光子濾波器的可調(diào)諧性的實現(xiàn),使用直接改變光程的方法雖然簡單,但是調(diào)諧的過程比較復雜,需要特殊器件的引入,而使用可調(diào)諧的色散器件方法,調(diào)諧速度會受器件的影響,速度往往不太理想。相對于前兩種方法,使用波長可調(diào)諧光源結(jié)合色散介質(zhì)雖然結(jié)構(gòu)比較復雜但是它是一種比較理想的實現(xiàn)可調(diào)諧的方法。對于濾波器負抽頭的實現(xiàn),利用電光調(diào)制器的傳輸函數(shù)斜率線性部分來實現(xiàn)負抽頭相對于其他方法是最新也是最好的方法,對于研究和發(fā)展微波光子濾波器具有重要的參考意義。綜合來看,微波光子濾波器的主要研究重點將是:發(fā)展更簡潔的技術獲得負系數(shù)和復系數(shù)濾波