一种可调谐双通带微波光子滤波器实现装置及方法

摘要

本发明属于光电技术领域，具体涉及一种基于受激布里渊散射的可调谐双通带微波光子滤波器实现装置及方法。本发明采用一个激光器作为光源，利用光耦合器分路产生信号光和泵浦光，信号光支路通过电光相位调制加载待滤波的微波信号，泵浦光支路利用单模光纤中的布里渊散射效应以及双平行马赫增德尔调制器中的抑制载波双边带调制生成可调谐的双波长泵浦光；利用双波长泵浦光在高非线性光纤中的吸收谱实现信号光中对应频率分量相位调制到强度调制的转换，从而实现了窄线宽、高带外抑制比和高稳定的双通带微波光子滤波器，其中，两个通带的中心频率位置通过改变加载到双平行马赫增德尔调制器上的射频信号频率实现同向连续调谐，此外，通带间隔可以通过改换具有不同布里渊频移量的光纤进行改变。

权利要求

1.一种可调谐双通带微波光子滤波器装置，其特征在于，所述可调谐双通带微波光子滤波器装置包括窄线宽激光器、光耦合器、电光相位调制器、高非线性光纤、光环行器1、光环行器2、掺铒光纤放大器1、掺铒光纤放大器2、可调微波源、双平行马赫曾德尔调制器、单模光纤、光电探测器；

所述窄线宽激光器的输出通过光耦合器后分为两路，一路经过电光相位调制器，由输入射频信号进行相位调制，电光相位调制器的输出光从左到右正向进入高非线性光纤中传输；另一路进入掺铒光纤放大器1后进入光环行器1的1口，并由2口输出，从上到下进入单模光纤中传输，单模光纤的反向布里渊散射光进入光环行器1的2口，并由3口输出，随后进入双平行马赫曾德尔调制器，双平行马赫曾德尔调制器由可调微波源驱动实现抑制载波的双边带调制，生成的双波长泵浦光通过掺铒光纤放大器2后进入光环行器2的1口，并由2口输出从右到左反向进入高非线性光纤中传输；高非线性光纤从左到右的正向输出进入光环行器2的2口，并由3口输出，进入光电探测器还原出射频信号并由射频信号输出端输出。

2.一种可调谐双通带微波光子滤波器装置的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)激光器输出中心频率为fc的窄线宽光波，由光耦合器分为上下两路，上支路称为信号光，下支路称为泵浦光；

2)上支路的信号光进入相位调制器，由输入射频信号进行调制，形成相位调制光信号，所述调制光信号的频谱关于fc对称，上下一阶调制边带的幅度相同且相位相反，光信号从左到右正向进入高非线性光纤中传输；

 3)下支路的泵浦光经过掺铒光纤放大器1实现功率放大后，进入光环行器1的1口，并由2口输出，从上到下进入单模光纤中传输，由于布里渊散射效应，产生频移量为υB1的频率下移的后向斯托克斯散射光，频率为fc-υB1，进入光环行器1的2口，并由3口输出，随后进入双平行马赫曾德尔调制器，由可调微波源输出的射频信号实现抑制载波的双边带调制，形成双波长泵浦光，频率分别为fP1＝fc-υB1-fm和fP2＝fc-υB1+fm，通过掺铒光纤放大器2实现功率放大后，进入光环行器2的1口，并由2口输出，从右到左反向进入高非线性光纤中传输，所述fm为可调微波源产生的射频信号频率；

 4)信号光与泵浦光在高非线性光纤中对向传输，由于受激布里渊散射效应，双波长泵浦光在相位调制光信号边带中形成两个吸收峰，吸收峰的中心分别位于fP11＝fc-υB1-fm+υB2和fP21＝fc-υB1+fm+υB2，所述υB2为布里渊频移量，导致边带中与这两个吸收峰对应的两个频率成分被衰减，而与之对应的另外两个调制边带保留，从而使得这两组频率成分所对应的信号光完成了相位调制到强度调制的转换，而其余频率成分所对应的信号光仍然保持相位调制状态；

 5)经过受激布里渊散射作用的信号光进入光环行器2的2口，并由3口输出进入光电探测器，完成了相位调制到强度调制转换的两组频率成分通过光电转换恢复出相应频率的射频信号，其余保持相位调制状态的频率成分无法通过光电转换恢复处对应频率的射频信号，从而实现了双通带滤波，两个通带的中心频率分别为fm±|υB2-υB1|，两个通带的频率间隔为2|υB2-υB1|；

6)通过改变可调微波源产生的射频信号频率fm，可以实现两个通带中心频率位置的同向连续调谐，通过换用具有不同布里渊频移量的光纤可以改变两个通带之间的频率间隔。

3.一种如权利要求2所述的可调谐双通带微波光子滤波器装置的实现方法，其特征在于，所述可调谐双通带微波光子滤波器装置为如权利要求1-2之一所述的可调谐双通带微波光子滤波器装置。

说明书

一种可调谐双通带微波光子滤波器实现装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于光电技术领域，具体涉及一种可调谐双通带微波光子滤波器实现装置及方法。

背景技术

[0002] 微波滤波器通常由单个或多个耦合谐振器在电域内实现，用来选择所需频段的微波信号并且抑制其余频段的微波信号，是射频系统和链路中必不可少的器件。电域微波滤波器的主要缺点在于调谐性差，无法满足某些要求宽频段调谐的射频系统应用需求。微波光子滤波器将电信号调制到光波上，在光域内对信号进行处理,然后再转换回电域得到滤波后的电信号，有效克服了电域微波滤波器调谐性差的问题，并且具有宽频段工作、可重构以及抗电磁干扰等优点，是解决电域微波滤波器技术瓶颈的有力替代方案之一。近年来，随着射频技术的快速发展，对射频系统双频段同时工作的需求越来越迫切，这就需要作为关键器件之一的微波滤波器具有两个通带(例如，双频路由器需要双通带滤波器来选择2.4GHz和5GHz的两组Wi-Fi信号)。相对于电域微波滤波器，微波光子滤波器在实现可调谐双通带方面同样具有显著的优势，是近年来关注的技术热点之一。

[0003] 受激布里渊散射效应由于其窄带、低泵浦阈值等特性，被广泛应用于实现微波光子滤波器，具有宽频段可调谐、高带外抑制比以及窄通带等一系列优点，被认为是目前最有潜力和前景的微波光子滤波器技术方案之一。此外，通过对系统结构的合理设计，基于受激布里渊散射的微波光子滤波器可以实现双通带滤波。2016年，J.Q.Li等人提出一种基于两个独立泵浦激光器的双通带微波光子滤波器(J.Q.Li,Y.C.Xiao,W.Dong,et al.Dual-band bandpass tunable microwave photonic filter based on stimulated Brillouin scattering.Optoelectronics Letters,2016,12(4):276-279)，实现了双通带的自由调谐，但是其通带中心频率取决于激光器之间的频率差，因此激光器的频率漂移问题严重影响了整个滤波系统的稳定性，同时该方案利用布里渊增益谱实现相位调制到强度调制的转换，因此不可避免地引入了布里渊自发辐射噪声，劣化了系统的信噪比。2017年，S.L.Hu等人采用单个激光器结合电光调制的方法产生双泵浦光，实现了可调谐的双通带微波光子滤波器(Hu S,Li L,Yi X,et al.Tunable Dual-Passband Microwave Photonic Filter Based on Stimulated Brillouin Scattering.IEEE Photonics Technology Letters,2017,29(3):330-333)，虽然激光器频率漂移问题对滤波系统稳定性的影响得到了解决，但是两个滤波通带只能以布里渊频移量(约10GHz)为中心对称分布，严重限制了滤波系统调谐的灵活性，此外，该方案同样采用布里渊增益谱实现相位调制到强度调制的转换，布里渊自发辐射噪声对系统的信噪比劣化依然存在。

发明内容

[0004] 本发明针对上述问题，提出一种可调谐双通带微波光子滤波器实现装置及方法。

[0005] 本发明的技术方案：一种可调谐双通带微波光子滤波器实现装置及方法，具体结构如图1所示，工作原理如图2所示，包括以下步骤：

[0006] 1)激光器输出频率为fc的窄线宽光波，由光耦合器分为上下两路，上支路称为信号光，下支路称为泵浦光；

[0007] 2)上支路的信号光进入相位调制器，由输入的射频信号进行调制，形成相位调制光信号，从左到右正向进入高非线性光纤中传输；

[0008] 3)下支路的泵浦光经过掺铒光纤放大器1实现功率放大后，进入光环行器1的1口，并由2口输出，从上到下进入单模光纤中传输，由于布里渊散射效应，产生频率下移υB1的后向斯托克斯散射光(频率为fc-υB1)，进入光环行器1的2口，并由3口输出，随后进入双平行马赫曾德尔调制器，由可调微波源输出的频率为fm的射频信号进行调制，形成抑制载波的双边带调制光信号，作为双波长泵浦光(频率分别为fp1和fp2)，通过掺铒光纤放大器2实现功率放大后，进入光环行器2的1口，并由2口输出，从右到左反向进入高非线性光纤中传输；

[0009] 4)信号光与泵浦光在高非线性光纤中对向传输，由于受激布里渊散射效应，双波长泵浦光在相位调制光信号的边带中形成两个吸收峰，导致边带中与这两个吸收峰对应的两个频率成分被衰减，而与之对应的另外两个调制边带保留，从而使得这两组频率成分所对应的信号光完成了相位调制到强度调制的转换(中心频率分别为fp11和fp21)，而其余频率成分所对应的信号光仍然保持相位调制状态；

[0010] 5)经过受激布里渊散射作用的信号光进入光环行器2的2口，并由3口输出进入光电探测器，完成了相位调制到强度调制转换的两组频率成分通过光电转换恢复出相应频率的射频信号，其余保持相位调制状态的频率成分无法通过光电转换恢复处对应频率的射频信号，从而实现了双通带滤波；

[0011] 6)两个通带的中心频率之差由单模光纤和高非线性光纤中的布里渊频移量之差|υB2-υB1|决定，通过换用具有不同布里渊频移量的光纤可以改变两个通带之间的频率间隔，而通过改变可调微波源输出的射频信号频率fm可以实现两个通带中心频率位置的同向连续调谐。

[0012] 本发明的有益效果为：(1)利用两种不同光纤之间的布里渊频移之差构建了可调谐双通带滤波器，可实现两个通带的同向连续调谐，且通过改换具有不同布里渊频移量的光纤可以改变两个通带间的频率间隔；(2)系统只采用了一个激光器，两个通带的调谐是通过改变可调微波源输出的射频信号频率实现的，滤波系统具有很好的稳定性；(3)系统利用布里渊吸收谱实现相位调制到强度调制的转换，有效地解决了布里渊自发辐射噪声对系统信噪比的劣化问题。

附图说明

[0013] 图1为基于受激布里渊散射的可调谐双通带滤波器装置结构示意图。

[0014] 图2为基于受激布里渊散射的可调谐双通带滤波器工作原理示意图。

[0015] 图3为高非线性光纤中布里渊频移测试结果。

[0016] 图4为单模光纤中布里渊频移测试结果。

[0017] 图5为激光器输出光谱。

[0018] 图6为单模光纤中后向布里渊散射斯托克斯光的输出光谱。

[0019] 图7为双平行马赫曾德尔调制器抑制载波双边带调制的输出光谱。

[0020] 图8为基于受激布里渊散射的可调谐双通带微波光子滤波器频率响应测试结果。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图和实例对本发明进行详细的描述：

[0022] 由图1可知，激光器输出频率为fc的窄线宽光波，由光耦合器分为上下两支路。上支路称为信号光，下支路称为泵浦光。上支路的信号光进入相位调制器，由输入的射频信号进行调制，形成相位调制光信号。在小信号调制近似下，光波经过相位调制器产生幅度相等但相位相反的上下一阶边带，从左到右正向进入高非线性光纤中传输。相位调制器的输出光场可以表示为

[0023]

[0024] 其中m为相位调制器的调制系数，J0(x)和J1(x)分别为零阶和一阶的第一类贝塞尔函数。如果相位调制光信号直接进入光电探测器进行探测，上下一阶边带分别与载波拍频得到的信号相位相差为180度，从而相互抵销，无法恢复出射频信号。

[0025] 下支路的泵浦光经过掺铒光纤放大器1实现功率放大后，进入光环行器1的1口，并由2口输出，从上到下进入单模光纤中传输，由于布里渊散射效应，产生频移量为υB1的频率下移的后向斯托克斯散射光(频率为fc-υB1)，进入光环行器1的2口，并由3口输出，随后进入双平行马赫曾德尔调制器，由可调微波源输出的射频信号进行调制，微波源调制频率为fm，形成抑制载波的双边带调制光信号，频率分别为fP1＝fc-υB1-fm和fP2＝fc-υB1+fm，作为双波长泵浦光，通过掺铒光纤放大器2实现功率放大后，进入光环行器2的1口，并由2口输出，从右到左反向进入高非线性光纤中传输。信号光与泵浦光在高非线性光纤中对向传输，由于受激布里渊散射效应，双波长泵浦光在相位调制光信号边带中形成两个吸收峰，导致边带中与这两个吸收峰对应的两个频率成分被衰减。在单波长泵浦下，布里渊增益谱和损耗谱可以表示为

[0026]

[0027]

[0028] 其中υ为相对于布里渊频移处的频偏量，g0和ΓB分别为布里渊峰值增益系数和3dB布里渊线宽。由图2可知，相位调制光信号中频率位于fP11＝fc-υB1-fm+υB2和fP21＝fc-υB1+fm+υB2附近的两组边带由于双波长泵浦光布里渊散射损耗谱的作用，功率被衰减，其输出光场可以表示为

[0029]

[0030] 其中，L为光纤有效长度，IP为泵浦光功率，f1＝υB2-υB1-fm-f和f2＝υB2-υB1+fm-f分别为相位调制信号频率f相对于双波长泵浦光fP1和fP2的布里渊损耗谱中心频率fP11和fP21处的频偏。而与之对应的另外两个调制边带保留，从而使得这两组频率成分所对应的信号光完成了相位调制到强度调制的转换，而其余频率成分所对应的信号光仍然保持相位调制状态。经过受激布里渊散射作用的信号光进入光环行器2的2口，并由3口输出进入光电探测器，完成了相位调制到强度调制转换的两组频率成分通过光电转换恢复出相应频率的射频信号，其余保持相位调制状态的频率成分无法通过光电转换恢复处对应频率的射频信号，从而实现了双通带滤波。光电探测器的输出电流可以表示为

[0031] I(t)＝J0(m)J1(m)[A(f1)-A(f2)]cos[2πft-φ(f1)-φ(f2)]     (5)

[0032] 其中

[0033]

[0034]

[0035]

[0036]

[0037] 因此微波光子滤波器的功率-频率响应可以表示为

[0038] |H(f)|2∝|A(f1)-A(f2)|2       (10)

[0039] 本发明中，滤波器两个通带的中心频率由单模光纤和高非线性光纤中的布里渊频移量之差|υB2-υB1|以及可调微波源输出的射频信号频率fm共同决定，分别为fm±|υB2-υB1|。通过改变可调微波源输出的射频信号频率fm，可以实现两个通带中心频率位置的同向连续调谐，而通过换用具有不同布里渊频移量的光纤可以改变两个通带之间的频率间隔2|υB2-υB1|。

[0040] 实施例

[0041] 下面结合图1-图8，以实验结果为例进一步说明本发明。

[0042] 本实施例按照图1和图2所示结构和原理搭建基于受激布里渊散射的可调谐双通带微波光子滤波器，所用单模光纤和高非线性光纤长度分别为25.2km和1km。利用单边带调制方法和矢量网络分析仪测试得到单模光纤和高非线性光纤中布里渊频移量分别为10.862GHz和9.644GHz，测试结果如图3和图4所示。此外，本实施例采用分布反馈(DFB)激光器作为窄线宽光源，中心波长为1549.901nm，图5给出了测试得到的输出光谱。激光器输出的窄线宽光波由光耦合器分为上下两路，上支路称为信号光，下支路称为泵浦光。上支路的信号光进入相位调制器，由矢量网络分析仪输出的扫频信号进行调制，形成相位调制光信号，从左到右正向进入长度为1km的高非线性光纤中传输，信号光功率为2.5dBm。下支路的泵浦光经过掺铒光纤放大器1实现功率放大后，进入光环行器1的1口，并由2口输出，从上到下进入长度为25.2km的单模光纤中传输，由于布里渊散射效应，产生频移量为υB1的频率下移的后向斯托克斯散射光，其光谱如图6所示。后向斯托克斯散射光进入光环行器1的2口，并由3口输出，随后进入双平行马赫曾德尔调制器，由可调微波源输出的射频信号进行调制，形成抑制载波的双边带调制光信号，频率分别为fP1和fP2，作为双波长泵浦光，其光谱如图7所示。双波长泵浦光通过掺铒光纤放大器2实现功率放大后，进入光环行器2的1口，并由
2口输出，从右到左反向进入高非线性光纤中传输，泵浦光功率为5.7dBm。信号光与泵浦光在高非线性光纤中对向传输，由于受激布里渊散射效应，双波长泵浦光在相位调制光信号的边带中形成两个吸收峰，导致边带中与这两个吸收峰对应的两个频率成分被衰减，而与之对应的另外两个调制边带保留，从而使得这两组频率成分所对应的信号光完成了相位调制到强度调制的转换，而其余频率成分所对应的信号光仍然保持相位调制状态。经过受激布里渊散射作用的信号光进入光环行器2的2口，并由3口输出进入光电探测器，完成了相位调制到强度调制转换的两组频率成分通过光电转换恢复出相应频率的射频信号，其余保持相位调制状态的频率成分无法通过光电转换恢复处对应频率的射频信号，从而实现了双通带滤波。最后光电探测器的输出送入矢量网络分析仪，在矢量网络分析仪中得到的双通带频率响应如图8所示。

[0043] 本实施例中所用单模光纤和高非线性光纤中的布里渊频移量之差为1.218GHz，因此两个通带的中心频率分别为fm±1.218GHz，两个通带的频率间隔为2.436GHz，可调谐范围为0-9GHz。实验中对可调微波源输出频率分别为3GHz、4GHz、5GHz、6GHz、7GHz、8GHz时的6组数据进行了测试，得到的双通带中心频率分别为1.788GHz和4.216GHz、2.787GHz和5.215GHz、3.787GHz和6.214GHz、4.783GHz和7.212GHz、5.782GHz和8.215GHz、6.786GHz和
9.214GHz，其带宽分别为50.3MHz、51.9MHz、51.9MHz、55.3MHz、54.6MHz、56.1MHz，带外抑制比超过20dB。从实验结果可以看到，通过改变可调微波源输出的射频信号频率，实现了两个通带中心频率位置的同向连续调谐。

[0044] 由具体实例可知，本发明提出了一种可调谐双通带微波光子滤波器装置及方法，它能够实现稳定、窄带、高带外抑制比的双通带滤波，且两个通带中心频率位置可同向连续调谐，通过换用具有不同布里渊频移量的光纤还可以改变两个通带之间的频率间隔。

[0045] 另外需要说明的是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的原理方法范围内的多种简化、变型均属于本发明的保护内容。