微波光子學濾波器(2)

1、微波光子學濾波器理論分析姓 名：董永孟 學 號：S130431005指導教師：王 巍簡介 微波光子濾波器是光子信號處理技術(shù)的重要內(nèi)容。在電域內(nèi)處理信號受頻帶和采樣頻率的限制，處理速度和精度都受到影響，稱為電子“瓶頸”。微波光子濾波器提供了一種解決傳統(tǒng)“瓶頸”問題的新方法。輸入的射頻(RF)信號通過調(diào)制器調(diào)制到光信號上，RF 信號的處理在光域進行，最后通過光接收器輸出濾波后的微波信號。采用這種方法的優(yōu)點是：低損耗、高帶寬、不受電磁干擾、重量輕和支持高采樣頻率，使用波分復用技術(shù)還提供了空間和波長并行處理的可行性。J. Capmany, Beatriz Ortega. A tutorial on m

2、icrowave photonic filters J. J. Lighwave Technol., 2006, 24(1): 201229微波光子學濾波器基本原理 輸入的微波信號Si(t)轉(zhuǎn)換為光學系統(tǒng)的輸入光場強度Ei(t)的過程是非線性的,因為式 ;同樣,光學系統(tǒng)的輸出光場強度Eo(t)轉(zhuǎn)化為輸出的微波信號so(t)的過程也是非線性的 ，其中代表時間均值。所以從理論上來說,整個系統(tǒng)的輸入信號si(t)與輸出信號so(t)之間在一般情況下并不存在嚴格的線性關系，只有在某種特定情況下才滿足線性。FIR濾波器模型IIR濾波器模型信號流圖表示的FFR濾波器與IIR濾波器理論模型長度為L的FIT濾

3、波器的輸入輸出方程表示為：對上式兩邊取z變換并進行排列后,可以得到Z域內(nèi)FIR濾波器的傳輸函數(shù)為:濾波器在頻域內(nèi)的特性可以用頻率響應來表示:與FIR濾波器相同,IIR濾波器的Z域傳遞函數(shù)可以表示為:其頻域系統(tǒng)函數(shù)可表示為：濾波器的性能分析 品質(zhì)因數(shù)的高低與抽頭個數(shù)有關,如果抽頭數(shù)量N10,則品質(zhì)因數(shù)的變化與抽頭數(shù)量變化成正比, 抽頭個數(shù)越多,品質(zhì)因數(shù)越高。對于FIR結(jié)構(gòu),其長度有限,品質(zhì)因數(shù)的增加依賴于分光束通道數(shù)量的增加,因此每增加一定的抽頭數(shù)量,就要增加一定的光學器件,結(jié)構(gòu)比較復雜,成本比較高,并不利于實際的使用。2、可重構(gòu)特性分析 光纖光柵具有獨特的濾波和反射特性,采用可調(diào)諧的激光器或者

4、激光器陣列作為光源,在光纖光柵的不同波長處反射,由于不同的反射點具有不同的反射率,因此調(diào)制信號經(jīng)過光纖光柵,既改變了延時線的長度,也加載了不同的抽頭系數(shù),實現(xiàn)了濾波器的可調(diào)諧特性和可重構(gòu)特性。3、可調(diào)諧特性分析 微波光子濾波器的自由頻譜范圍依賴于單位延時,因此改變?yōu)V波器的單位延時,就可以實現(xiàn)濾波器的可調(diào)諧特性,該性能是微波光子濾波器相比于電濾波器的最大優(yōu)勢之一,減少了系統(tǒng)的成本并降低了復雜度,更有利于實際的應用。微波光子學濾波器其中一個關鍵部件是延時器。進行實時調(diào)諧就是要能實時改變自由譜寬萬萬尺,使得其中一個通帶(或阻帶)的中心頻率對準待處理的微波信號。而改變自由譜寬FSR就意味著延遲時間T能

5、夠調(diào)節(jié)和控制。當延時時間T能連續(xù)調(diào)節(jié)時,濾波器可實現(xiàn)連續(xù)調(diào)諧。下面對幾種典型設計進行分析。延時T的實現(xiàn)與控制1、基于可調(diào)激光器和FBG陣列的可調(diào)諧濾波器缺點：不能連續(xù)調(diào)諧2、基于可調(diào)激光器和LCFBG對的連續(xù)調(diào)諧濾波器3、基于可調(diào)激光器陣列和LCFBG的連續(xù)調(diào)諧濾波器4、基于馬赫一澤德干涉儀和標準光纖的連續(xù)調(diào)諧濾波器負抽頭系數(shù)的實現(xiàn)為了得到負抽頭系數(shù),要利用反相位調(diào)制。實現(xiàn)反相位調(diào)制的方法主要有以下幾種:基于電光強度調(diào)制器的方法，基于交叉增益調(diào)制的方法基于交叉強度調(diào)制的方法、基于相位調(diào)制的方法和基于偏振調(diào)制的方法等等。下面舉幾個例子予以說明1、基于差分探測的負系數(shù)濾波器缺陷缺陷：抽頭是通過電子

6、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種結(jié)構(gòu)很難重構(gòu)，而且，器件價格也比較昂貴。2、基于SOA交叉增益調(diào)制效應的負系數(shù)濾波器SOA的交叉增益調(diào)制效應：SOA的XGM效應基于SOA增益飽和效應。由速率方程可知,光信號在被放大的同時將引起SOA中載流子的消耗,因而會出現(xiàn)增益隨注入光功率增大而減小的現(xiàn)象,即增益飽和。出現(xiàn)增益飽和現(xiàn)象后,增益將會出現(xiàn)與注入光信號相反的調(diào)制作用。（I表示泵浦電流, 為電流注入效率,e為電子電量,V為半導體材料有源區(qū)的體積, 模場限制因子, 光在有源區(qū)內(nèi)的群速度, 為第i束光的光子密度非受激輻射復合消耗載流子的速率為 。）缺點缺點：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)換帶寬的限制，另外存在的一個問題就是SOA 對偏振很敏感。3、基于馬赫一澤德調(diào)制器的負數(shù)抽頭的實現(xiàn)基于雙馬赫一澤德調(diào)制器的負系數(shù)濾波器不同載波波長對應的馬赫一澤德調(diào)制器的調(diào)制曲線基于單馬赫一澤德調(diào)制器的負系數(shù)濾波器展望： 微波光子濾波器未來的主要研究重點將是：發(fā)展更簡潔的技術(shù)獲得負系數(shù)和復系數(shù)濾波器；發(fā)展更