高矩形系数可调谐微波光子滤波器的研究

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1、第一章绪论1.1微波光子学的发展及其特点微波通信与光纤通信随着信息技术的提高而得到迅速发展。微波通信的主要 优势在于能向全方位发射信号并且易于构建和重构，与移动和手提设备的互联也 变得简单。另外其相对较低的通信成本、较高的频率利用度也使得其应用广泛。除了微波通信，不断发展的光纤通信给人类的生活带来了巨大的方便，其特 点是体积小、重量轻，损耗低；可以实现多路信号的合成和分解，使得灵活处理 网络结构成为可能，并且，其有着很强的抗电磁干扰能力，高频率的信号可以实 现安全传输。当然，其也存在着一定的弱点，移动性能太差。随着技术的发展，人们逐渐开始利用光学器件来处理微波信号，从而形成了 一门交叉学科-微

2、波光子学。之所以称之为微波光子学，是因为其可以实现微波信 号和光学信号的优势互补。微波信号和光学信号的相互作用既可以利用到微波信 号的成本低、可移动、无线连接的特点，又兼顾到光纤的损耗低、带宽大、抗电 磁干扰能力强等优点。综合微波通信和光纤通信的优势，在光学领域对电磁波进 行处理，与传统的微波传输系统相比具有传输速度快、成本低、体积小、损耗小、 抗电磁干扰能力强等优点。微波信号的光处理化使得处理高微波频率变得可能和 简单，避免了电信号处理中的有限控制速度和信号取样的限制，这也是常说到的 “电子瓶颈” O所以微波光子学在最近这些年得到了迅速发展。1.2微波光子滤波器的研究背景和意义上个世纪的70

3、年代，利用光学器件来处理微波信号得到了初步发展，其最初 是为了解决带宽太窄的问题。当时，数字信号模拟信号处理设备的带宽限制在 l2GHz的水平，但光纤传输的能力缺大大超过了这个范围，于是造成了光纤传输 系统和信号处理设备不能匹配。但是光纤提供的高延迟恰恰能够解决这个问题。 传统的微波滤波器由于是由电学元件构成的微波电路，所以实现的信号滤波只能 在电域内进行，而微波光子学滤波器是由光器件构成的，可在光域内利用光处理 器实现信号滤波，二者的区别见图1-1。图1-1微波光子滤波器相对于微波滤波器，微波光子学滤波器具有以下特点：(1) 工作带宽宽。在微波光子滤波器中光纤光栅或单模光纤作为延时元件得 到

4、了大量应用。单模光纤的很高的时间带宽积和的低延时特性使得微波光子学滤 波器的带宽大大增加。例如，设延时线总抽头数为1000,相邻两个抽头的延时时 间为10ns,所对应的延时线长度为2m,则总的延时时间为10ps,滤波器的带宽也 相应地变为10GHz。如果改变延时线长度，使之变为0.2m时，滤波器的带宽则大 大提高到lOOGHzo(2) 设计灵活。在传统的微波滤波器当中，不同的应用设备必须有着不同的 频段与之对应，于是设计时要考虑的东西很多，并且若其中的一个参数改变，其 频段或者其中的某些器件都必须替换。微波光子学滤波器则不同，延时元件的延 时时间决定了它的选频波段，可低至数MHz或者高至数GH

5、z,这样大大增强了设 计的灵活性。(3) 兼容光纤传输系统。传统的微波滤波器处理光信号首先是进行光电转换, 将光信号转换成电信号，在电域内处理电信号，最后还原成光信号，这样的处理 方式不仅损耗高，而且成本大，并且上文中提到的电域内的瓶颈问题仍然存在。 微波光子学滤波器则不同，其整个信号的处理都是在光域内进行的，其涉及到的 电域内的处理器例如激光器-电光调制器和探测器都只是在光纤传输系统的前端和 末端，对于整个系统的影响很小。在此情况下，微波光子学滤波器和光纤传输系 统结合后就可以在整个传输系统中实现全光和处理。(4) 抗电磁干扰能力强和高频损耗小。传统的微波滤波器由于是由电学元件 构成，其受到

6、的电磁干扰一直无法解决，在高频的损耗也居高不下。微波光子学 滤波器基本不涉及电学器件故所受到的限制很小。尽管前后端的电光转换和光电 转换会对这个系统有部分影响，但是信号处理过程的都是在光纤传输系统中进行 的。正是由于微波光子滤波器具有了传统微波光子滤波器所不具有的相关特性, 所以具有着广阔的应用前景。1.3微波光子滤波器的国内外研究现状目前主流的微波光子滤波器的设计都是将射频信号调制到光载波上，然后通 过光学器件来处理不同的滤波响应。在1976年，由于光纤具有低损耗和低色散的 特质，所以Wilner和Vander Heuvel首次将光纤作为延时介质来处理微波信号。 1977年，Ohlhaber

7、和Wilner通过不断的尝试，最终成功地获得基于不同模式的光 纤延时线的横向滤波器。同时，Chang得到的光子滤波器3】的带宽为193MHz,他采用的方法是利用15个模式的光纤，提供了间隔5.2ns的不同延时。随后为了 实现不同的抽头和色散，单模光纤被广泛作为延时介质来使用，同时FBG的使用 也使得微波信号的处理变得可以实现可重构性和可调性。下面分别从单光源和多光源的角度来进行阐述国外的研究状况，最后讨论国 内的发展现状。国外情况：单光源微波光子滤波器是一种比较简单的结构，但是为了获得结 构合理，花费较小，高性能的滤波器，对结构的设计要求就较高。光栅在微波光子滤波器的发展过程中起着重要的作用，

8、下面来介绍光栅的一 般结构。：1995年，D.B.Hunter利用单个可调激光源和两段喟啾光栅设计出了连续 可调的横向光子滤波器四，如图所示，此结构的优点是对高速探测、高色散光纤和 多光源要求不高。networkmodulator图1-2连续可调横向滤波器1998年由一段线性喟啾光纤光栅和一个MZ电光调制器实现了 RF陷波滤波器,如图1-3所示【51。图1-3基于线性喟啾FBG和MZ的RF陷波滤波器这种结构使得灵活处理真延时信号成为了可能，其结构能够在使得FSR基本 不变的情况下能够提供很大的延时差，这样就可使得滤波器的波谷和波峰能都得 到线性的调制1999年为了实现高Q值滤波器回，掺钳光纤腔

9、和线性喟啾光栅得到了应用， 其特点是连续可调的中心频率很宽。如图1-4所示，其原理是，改变光载波的波 长，也就是改变其频率，由于光栅是根据不同的频率提供不同的反射长度，从而 造成不同波长的光波具有不同的延时，最终实现微波光子滤波器的可调谐带通响 应。Chirped GrlingChirped GratingModulated Light Input501100%Bbium*doped fibreIOutput图1-4基于线性喟啾光纤光栅和掺钳光纤的微波光子滤波器在此情况下，为了获得更高的品质系数，有源的EDF结构和无源的MZ串联 结构出现了。如图1-5所示，为了实现滤波器的平坦特性和特定的滤波

10、频率，此结 构采用了马赫-增德尔干涉仪串联。但是也存在着一定的局限性，其可调性很难实 现，必须使用特定的光纤光栅。实验中获得了中心频率在1.1GHz处，Q值达到 80L通过尝试后将原结构进行优化（图1-6）获得的Q值增加到983皿图1-5混合结构的MPF图1-6高Q值MPF2000年，基于8路光纤光栅阵列和一个可调光源的结构被提出来，如果1-7 所示面。为了得到不同的带通谱线，一个1*8的分光器连接在环形结构的器件之 后，并且通过一个可调的衰减器使得各个抽头的权重不同。为了实现各种带通频 响的可调性，必须实现空间距离增量随着光载波波长的改变而改变，所以需要在 每一个可调衰减器后面加上4个布拉格

11、光纤光栅。在同一年，为了增加抽头数 量，增加一个MZ的结构被提出来，如图1-8所示，两束光中的一束光由于被光栅 的加入而使得其与另一只光的延迟不同，从而和不同抽头形成的效果相同。图1-7光纤光栅阵列的高性能MPF图1-8光纤光栅阵列和MZ的MPF下面来介绍一种基于环路的结构，IIR微波光子滤波器形成的环路可以实现 的非常陡的陷波频率是其中的最紧凑的结构之一。2001年，有人为了获得可调的 FSR和最大的陷波深度，将环路结构和光栅阵列结合在一起。其结构如图1-8所 示。2007年为了得到更大的Q值，提出了基于简单的光纤环形延时线的结 构，如果1-9所示的，其得到的Q值达到100,阻带抑制比为50

12、dB左右，环形因 子为11.3o通过研究表明，基于不对称结构的光纤环结构的微波光子滤波器的应 用价值更高，因为其抑制比更高。MZEON图1-9环路延时结合光栅阵列结构的MPF2010年，为了消除单光源带来的相位感生强度噪声（PIIN）,即消除相干效 应的影响，在环形结构中加入了一个移频器四。如图1-11所示，实际上获得信噪 比为41dB,品质系数200的高性能频谱响应。图1-10光纤环形延时形成的MPF图1-11移频器形成的MPF下面来介绍结构更为复杂的多光源结构的微波光子滤波器。微波光子滤波器 的可重构与可调性是其很重要的指标，所以独立光源的微波光子滤波器就此产生 了。：1999年一种源于一

13、段线性喟啾布拉格光纤光栅和N个相互独立的可调光源的 结构被提出网。如图1-12,此结构的滤波器的传递函数之所以可以快速重构是因 为各激光源的输出功率可以相互独立地顺序调整，但是其缺点就是由于用到多个 可调光源，其成本很高。2006年，J.Mora等人为了滤波器的响应的重构性得到改 善，于是利用了固定光源来改变不同光源的加权四，如图1-13所示。图1-13多个固定光源的可调MPF图1-12利用激光阵列作为光源的MPF实际以上结构成本相对而言都是很高的，要想设计出低的相干时间和低成本 的微波光子滤波器可以采用宽谱光谱切片。：1996年在基于FBG阵列结构中，FBG 间的距离决定了其抽头数和时延，从

14、而实现了 29个抽头的带通滤波器。如果 1-14所示。2Sea 23sa图1-14宽谱光源光谱切片多抽头MPF图1-15基于SLED与UFBG的MPF2002年，在FBG的连续可调结构上，利用SLED和UFBG技术实现了 FSR 值在l6GHz的调谐如图l-15o 2004年J.S.Leng为了获得较高的旁瓣抑制水 平设计出了一种新的超结构光纤布拉格光栅的微波光子滤波器，如图1-16所 示。2005年，Jose Capmany等人运用空间光调制器和1*40的阵列波导光栅实现了 多个抽头的可重构滤波器，如图1-17所示。BroadbandUghtSourceEO Modulator50krn1i

15、breSFBGOptical EDFA FilterLightwave ComponentsAnalyser图1-16基于SFBG的宽带连续可调的MPF图1-17基于AWG和SLM的可重构横向滤波器2008年，全新的声光可调滤波器技术在微波光子滤波器中得到应用四，其通 过选择合适的中心波长来获得滤波器想要的权重及其抽头，并且控制AOTF信 号。并且为了实现滤波器的可重构性可以使用压电材料传感器，如图1-18。同年 8月，D.Pastor等人提出基于FBG阵列、宽谱光谱、以及延时光开关的可调可重构 微波光子滤波器结构，如图1-19,为了实现信道选择、信道抑制和抑制噪声的 作用，将图中的结构放在了全球移动通信系统(UMTS)的前置电路中的表面声波 (SAW)滤波器之前。图1-18使用AOTF技术的微波横向滤波器图1-19基于宽谱光源的可重构可调滤波器2009年，X.Yi等人使用一个多段端口可编程波长处理从而实现了一个新的任 意光谱分割技术曲。图1-20是其原理接头图。实验表明该滤波器的可重构性、可 调谐性和FSR都具有很高的水准。RFoutI RFm = CFBG port 1 _X_T ,叩作 eomgtodiode图1-20可调可重构MPF国内情况：国内对微波光子滤波器的研究也有着不错的进展。2006年，浙江 大学的学者为了有效地