（通信与信息系统专业论文）基于多波长光纤激光器的微波光子滤波器研究.pdf

摘要 微波光子滤波器是微波光子学的一个重要分支，它可以直接在光域对微波信号进行 滤波，从而克服了传统电子滤波器中的电子瓶颈，满足了当今社会对于信息传输带宽不 断增长的需求。多波长光纤激光器具有线宽窄、调谐性好等优点，非常适合用来做微波 光子滤波器的光源，所以基于多波长光纤激光器的微波光子滤波器必将成为微波光子滤 波器的一个重要研究方向。 本文主要从抽头系数设计和结构设计两方面对微波光子滤波器进行了仿真及实验 研究。主要内容及创新点如下： 1 )简单叙述了微波光子学的发展状况和该领域的研究热点。综合描述了多波长光纤 激光器及微波光子滤波器，并着重介绍了国内外在微波光子滤波方面的研究现状。 2 )介绍了微波光子滤波器的原理并推导了它的传输函数；介绍了相位调制到强度调 制的转换原理，利用该原理可以方便地设计出带通滤波器；对常见的微波光子滤 波器进行了分类介绍。 3 )分析比较了传统的设计微波光子滤波器抽头系数的方法，并提出了一种利用窗函 数来设计抽头系数的方法。通过仿真分析发现，该方法不仅可以设计出低通滤波 器，而且还可以方便地设计出带通滤波器，大大简化了设计过程。在此基础上对 影响滤波器性能的各种因素，比如抽头系数、抽头个数、抽头精度、抽头之间的 时间延迟量进行了仿真分析。 4 )对多波长光纤激光器以及双折射光纤环镜进行了理论及实验研究，并结合相位调 制到强度调制的转换技术设计出了一种可调谐的微波光子带通滤波器。该滤波器 具有实现成本低、主旁瓣抑制比高、可调性好、结构简单的优点；仿真发现该滤 波器的调谐范围为7 6 6 g h z ，主旁瓣抑制比达到了3 3 d b ，比不加双折射光纤环镜 时高出l l d b 。 关键词：微波光子学微波光子滤波器窗函数主旁瓣抑制比带通滤波器 a b s t r a c t p h o t o n i cm i c r o w a v ef i l t e r ( p m f ) i s 锄i m p o r t a n tb r 趾c ho fm em i c r o w a v ep h o t o i l i c s t h ep m fw h i c hc 锄f i l t e rm i c r o w a v es i 印a l sd i r e c t l yi no p t i c a ld o m a i nm e e t st h eg r o w i n g d e m a n df o rb a n d w i d t ho ft o d a v ss o c i e t yb e c a u s ei tc a no v e i i c o m et h ee l e c t i o n i cb o t t l e n e c k m u l t i w a v e l e n g t hf i b e rl 嬲e rw h i c hi sn a n 0 wl i n e w i d t ha n d2 r o o dt e n d b i l i t yi sv e r ys u i t a b l e f o rc o n s n u c t i n gp m f s ，锄dp m fb a s e do nm u l t i - w a v e l e l l 劬胁e rl a s e rw i l lb ea ni m p o r t a n t d i r e d i o ni nt h ep m ff i e l d 卸 1 ) 2 ) 3 ) t t l i sp a p e rm a i l l l yc o n c 删e so ns i n m l a t i o n 她de x p e r i m 啪lr e s e 鲫c ho nm ed e s i g no f c o e 街c i e l l t sa i l ds t m c t i l r e t h em a i nc o n t e n ta n di m l o v 砒i o np o i n t sa r c 髂f o l l o w s ： t h ed e v e l o p m e n to fm i c r o w a v ep h o t o l l i c si nr e c e n ty e a r s 姐dm eh o ts p o ti nt h i sf i e l di s d e s c f i b e db r i e f l y m u l t i w a v e l e n g i l lf i b e rl 嬲c ra i l dm i c r o w a v em l o t o i l i cf i l t e r sa r e 州e w e d t i l es n l d yo fm i c r o w a v ep h o t o i l i cf i l t e rs t a t u sa th o m ea n da b r o a di s e m p h a t i c a l l yi n 仃仪l u c e d t h e 研n c i p l eo fm i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e ri si n 仃) d u c e d 锄di t s 仃a n s f 打c t i o ni s d 嘶v e d t h em e o r yo ft l l ep 】 l a s em o d u l a t i o nt 0i 1 1 【t e n s i t ym o ( 1 u l a t i o nc o n v e r s i o nw h i c h 啪b eu s e dt 0d e s i 趴ab 醐d p 舔sp m fe 鹊i l yi sd e s 嘶b e d c o m m o np m f sa r e p r e s e n t e db yc l a s s i f i c a t i o l l t h en a d i t i o n a lm e t h o d st od 懿i 驴m i c r o w a v ep h o t o l ：l i c6 1 t e rt 印sa r ca l l a l y s e d 觚d c o m p a r e da n dan e wm e t h o dw h i c hu s e sw i n d o w 劬c t i o ni sp r o p o s e d t 1 1 | 的u g h s i m l a t i o na n a l y s i sw ef i n dt l l a tt h en e wm e t h o dc 锄n o t0 n l yd e s i 盟al o w - p 嬲sf i l t b u ta 1 s 0c a i le a s i l yd 商印a b a l l d - p a l s s6 1 t 、) l 幅c h 伊e a t l ys i m p l i f i e st h ed e s i 印p r o c e s s o nt h i sb 戚s ，t h ev 碰o u sf a c t o r s ，s u c h 鹤t h et a pc o e 伍c i e n t s ，t h en u l i i l b e ro f 切p ，t a p p 僦i s i o n 锄dd e l a yb 咖嘲也e 删a c 咖切p s ，t h a ta 行e c tm ep e 渤彻a l l c eo fm ep m f a r es i m u l a t e d 髓d 锄a l y s e d 4 ) t h ei n u l t i w a v e l e n g m 肋e rl a s e ra n dt h eb i r e 衔n g e n to p t i c a l l o o pm i n 0 ra f es t u d i e d t h e o r e t i c a l l y 髓de x p 丽m c n t a l l y an e wt u i l a b l em i c r o w a v ep h o t o l l i cb a n d - p a s sf i l t e r 枷c hi sl o wc o s t ，h i 曲s i d e l o b es u p p r e s s i o l l ，t i l n a b l ea 1 1 ds i m p l es t m c t u r ei sd e s i 印e d u s i n gm u l t i - w a v e l e i l g t i l 舶e r1 a s e ra n db i r e 衔n g e n to p t i c a l l o o pm i n 0 rc o m b i n e dw i t h t h ep h a s em o d u l a t i o nt oi n t e n s i t ym o d u l a t i o nc o n v e r s i o nt e d m o l o g y b ys i m u l a t i o nw e f i n dt h a tm et i m i n gr a n g eo ft h ep m fi s7 6 6 g h za i l dt h es i d e - 1 0 b es u p p r e s s i o nr a t i oi s 3 3 d b 、h i c hi sh i g h e rt h a nt h ep m fw i t l l o u tb i r e 伍n g e n c e 助e rl o o pm i r r o rw h o s e s i d e - l o b es u p p r e s s i o ni s2 2 d b k e y w o r d s ：m i c r o w a v ep h o t o n i c s ，p h o t o n i cm i 啪w a v ef i l t w i n d o w 劬c t i o n ，s i d e - 1 0 b e s u p p r e s s i o n ，b a i l d - p a s sf i l t e r 第一章绪论 1 1 微波光子学概述 1 1 1 微波光子学简介 第一章绪论 在二十年以前，人们就已经提出了“微波光子学 的概念，它是研究光电子器件及 光电子系统在微波以及毫米波频段中应用的一门学科，它将微波信号和光学信号结合起 来，可以应用在雷达通信、卫星通信、未来无线通信网、传感网络等系统当中。微波光 子学使微波系统中实现起来非常复杂，甚至无法实现的技术简单化，给宽带无线通信网 络注入了新的活力【1 埘，因此引起国内外众多科研院所及商业界的广泛关注。随着近几年 光电子器件的飞速发展，微波光子技术将成为高速通信、雷达、无线系统中的主要技术 之一。 微波信号的光学处理方法如图1 1 所示。在发射端，微波信号经过电光转换设备加 载到光信号上，通过在光域的信号处理之后到达接收端，经过光电转换得到处理之后的 微波信号。 图1 1 微波光子信号处理示意图 现代蜂窝无线通信利用基站发射微波信号经过空气的传输到达移动终端进行接收， 只要用户在基站覆盖范围内就能随时方便地发射、接收微波信号。这种方式利用空气作 为传输媒介，传输成本较低，另外基站采用天线进行收发信号，有很好的可重构性，但 是随着通信速率的快速增长，微波信号频率越来越高，在空气中的损耗越来越大【j j ，再 加上在电域内处理信号要受到采样频率和频带宽度的限制，处理速度和精度都受到影 响，处理高频微波信号的设备也越来越复杂和昂贵，现代无线通信的发展受到前所未有 的阻力。由于光纤通信具有损耗低、带宽大、成本低、抗电磁干扰等优势使得光纤宽带 接入飞速发展，但光纤通信只能实现固定接入，无法实现移动性。微波光子学结合微波 学和光学两门学科的优势，实现了便携移动性和高速传输兼顾的无线通信，具有很大的 吸引力。单模光纤的高带宽距离积( 1 k m 以上带宽超过l o o g h z ) 【2 4 刮和低损耗特性以 及光学器件技术的飞速发展为微波信号的光学处理奠定了基础。很多在电子领域可以实 现的功能利用微波光子信号处理技术同样可以实现：滤波、码型的产生、脉冲串的产生、 卷积、矩阵运算、相关、数据速率转化、脉冲压缩等等p j 。 第一章绪论 1 1 2 微波光子学的研究领域 ( 1 ) r o f 系统 无线移动通信和光纤到户是现代社会通信的热点。无线通信具有便携移动性咱勺优 势，可以使人们随时随地同他人通信，而光纤通信具有损耗低，成本低，带宽宽的优势。 r a d i o o v * f i b e r ( r o f ) 技术将无线通信和光纤通信结合起来【黏j ，能充分利用二者的优 势，同时实现可移动性和低损耗、低成本、大带宽、抗电磁干扰等特点。 r o f 系统近年来得到了人们的广泛关注，是微波光子技术最重要的应用之一，它是 使用光纤代替空气作为信号传输介质来传输微波信号的种技术【1 2 1 3 】。r o f 系统结构示 意图如图1 2 所示。在该系统中，多个基站与中心控制站通过光纤相连接，基站收发的 微波信号无需任何频率转换设备，而把所有的频率变换设备，微波信号产生设备和复杂 的信号处理设备都集中在中心控制站，被众多的基站共享。基站只负责光信号和电信号 的相互转换，大大简化了基站的结构，降低了成本。由于中心控制站起到枢纽的作用， 这使得整个网络的管理得以简化，方便系统升级，降低了维护成本，易于实现系统资源 的动态管理及优化分配。 图1 2 r o f 系统结构示意图 ( 2 ) 高频微波信号产生 近年来，随着移动通信迅猛发展，无线通信频带已经成为一个有限而宝贵的自然资 源。随着信息量的增加，作为通信资源的无线频带越来越紧张，工作在微波和毫米波段 的未来宽带无线网已经越来越重要。随之而来的是高频微波信号的产生问题，利用传统 的方法实现微波信号发生器会随着频率的增大结构越来越复杂，体积越来越庞大，造价 越来越昂贵，而利用光子学方法产生高频微波信号由于实现简单，成本低廉【1 4 。1 6 】受到研 究者的广泛关注。 利用光学方法产生高频微波信号最典型的方法是光外差法，它的基本原理就是用两 个不同波长的激光信号在光电探测器上拍频，如图1 3 所示。 光电探 波 波 微波信号 输出 图1 3 光外差法产生微波信号原理示意图 第一章绪论 ( 3 ) 微波光子滤波器 随着电信号带宽的不断展宽以及频率的增大，在电域内对信号进行滤波受到各种限 制，遇到了所谓的“电子瓶颈”问题，而微波光子技术在高频信号处理方面具有很多先 天的优势，可以克服这种“电子瓶颈”。微波光子滤波器( p h o t o i l i cm i c r o w a v ef i l t p m f ) 是微波光子学的一个重要分支，将输入的微波信号通过调制器加载到光信号上， 微波信号的处理在光域进行，最后通过光接收器输出滤波后的微波信号【l7 1 8 】。采用这种 方法的优点是：带宽大、损耗小、重量轻、不受电磁干扰和支持高采样频率，使用波分 复用技术还提供了空间和波长并行处理的可行性【憎加】。 图1 4 为传统的微波滤波器( a ) 和微波光子滤波器( b ) 结构【2 1 1 。 微波信号 似议佰丐 输入。微波滤波 输出 电路 ( a ) 微波信 号输出 _ 。 ( b ) 图1 4 传统微波滤波器( a ) 和微波光子滤波器( b ) 示意图 在传统的电子微波滤波器中，高频微波信号直接被送到微波滤波电路中经过下变频 到中频后进行处理。而微波光子滤波器是首先把高频微波信号调制到光载波上然后在由 各种光子器件所组成的光学系统中进行信号处理，经光电探测器后就可得到处理过的微 波信号。微波光子滤波器相对于传统的微波滤波器具有损耗小，成本低，可调谐，易重 构，带宽大，抗电磁干扰等优点，还支持大于1 0 0 g h z 的采样频率，上述这些特点是传 统的电子微波滤波器很难实现的。 ( 4 ) 微波信号的模数转换 微波信号的光子处理技术在微波信号的模数转换中也有着很好的应用前景【2 2 2 5 】。在 雷达通信系统等宽带通信系统中，由于带宽过宽给模数转换带来非常大的困难，因此模 数转换成为制约宽带通信系统发展的瓶颈。传统的模数转换功能是利用c m o s 电路来 实现的，但晶体管域值不匹配，采样时钟抖动等问题的存在使其不可能达到很高的采样 频率，无法满足当今宽带通信高速发展的要求【2 6 1 。 光学时间拉伸技术【2 。7 】是近年来随着光学技术的进步而发展起来的新技术，它为模数 转换带来了新的方法，可以满足高频电子信号模数转换的要求。光学拉伸的原理为：待 处理的高频电信号通过调制器加载到线性啁啾光脉冲上，然后送到色散光纤中传输，由 于光纤的色散作用，出来之后的高频信号在时间上就被拉伸了，进而在低速c m o s 电 路中就可以对其进行模数转换。 第一章绪论 ( 5 ) 光学相控阵列天线 相控阵列天线是一种通过控制多个辐射源之间的相对相位来实现天线阵列朝着空 自j 的特定方向辐射能量的天线。传统的相控阵列天线是由各种电设备构成的，体积庞大、 笨重，而且具有很大的损耗。随着光学技术的发展人们提出了光学相控阵列天线技术， 用光纤代替同轴电缆，具有体积小，重量轻，带宽大，损耗低，成本低，抗电磁干扰等 优点而受到人们的青睐。图1 5 为光学相控阵列天线的一个例子【2 引，该系统是将微波信 号调制到从单波长激光器输出的激光信号上面，然后经过分路器分成多路，分别馈入色 散光纤中，各路信号经过不同的延迟后进入各自的光电探测器得到电信号。通过控制每 一路的色散量从而控制延迟量，进而控制各路的相位，实现相控阵列天线。 。 色散光纤 光 占- 分色散光纤 电 探 天 路测 线 器器 阵 阵 列 列 可调谐电波长 色散光纤 激光器 图1 5 基于色散光纤的光学相控阵列天线 1 2 微波光子滤波器的国内外研究状况 微波光子滤波器是一个利用光学方法处理微波信号并实现滤波功能的光学子系统。 如前文所述，传统的电子微波滤波器是直接对微波信号进行下变频后在电路中处理的， 一个滤波器电路只能对特定频带的微波信号进行滤波，灵活性不够且容易受到电磁波的 干扰；另外它的带宽受到电子瓶颈的制约，不可能太高。而微波光子滤波器是在光域上 处理电域的微波信号，它利用了光学器件带宽大，损耗小，体积小，抗电磁干扰的优势， 可以克服传统滤波器中存在的“电子瓶颈，并且微波光子滤波器的可调性和可重构性 要远优于传统的电子微波滤波器。 微波光子滤波器的起源可追溯到1 9 7 6 年，当时、i l t e r 和v 觚d e rh e u v e l 提出在微波 信号处理中应用光纤作为色散介质【2 9 】，他们认识到光纤有带宽大和损耗低的优点以及其 在宽带延迟线方面的应用前景。同一时期，c c h a n g 和h f t a y l o r 等人则在利用多模光 纤来实现离散时间微波信号的光学处理问题中做了大量的工作【3 0 3 1 1 ，而斯坦福大学的 g 0 0 d m 肌，s h a w 等人则致力于研究用单模光纤延迟线来实现微波信号的光学处理【3 2 - 3 4 】。 随着光耦合器、光放大器、调制器、光电探测器等光电器件的发展，使微波光子处理更 加实用化，阵列波导光栅和光纤布拉格光栅的出现大大增强了微波光子信号处理的可调 谐性和可重构性【3 5 3 6 1 。 第一章绪论 1 9 9 5 年，d b h u n t e r 以及r a m i n 硒i 锄等人设计了一种基于单光源的可调谐微波光 子滤波器【3 j 7 1 ，实验中在耦合器的两个输入端口分别连接啁啾光栅，通过控制光源输出的 波长可以线性调节其在啁啾光栅中的反射位置，从而起到调节抽头时问延迟的作用，实 现滤波器频率的连续可调。2 0 0 1 年j m o m 等人基于激光器阵列设计出一种多光源微波 光子滤波器【3 8 】，它可以很好的实现滤波器的可调性和重构性，但是缺点是用到的激光器 太多，成本太高。 目前要同时实现具有可重构，调谐性好且具有高q 值的带通微波光子滤波器是比较 困难的。2 0 0 2 年英国a s t o n 大学的研究人员利用色散光纤和具有高斯包络的超结构光纤 光栅实现了旁瓣抑制比为4 5 d b 的微波光子滤波裂”l ，由于不具有负系数因此得到的是 低通滤波器，没有涉及到可重构性和可调谐性。 2 0 0 4 年西班牙的d p 嬲t o r 等研究人员设计出具有平顶响应和负系数的微波光子滤 波器【删，但是需要对激光器的功率进行大的调整且其旁瓣抑制比有限。同年澳大利亚的 d b h 啪t e r 等人基于平衡桥式电光调制器实现了平顶微波光子滤波器】，由于其延迟时 间不易调整结构复杂导致其旁瓣抑制比较低。2 0 0 5 年，悉尼大学的r a m i n 嬲i 锄课题 组利用综合光栅结构设计出平顶和高旁瓣抑制比的微波光子滤波器【4 2 】，但是其调谐性有 待改善。同年，j i 锄p i n g y 幻，f e iz e i l g 等人综合利用光电相位调制器和色散设备消除了 低频谐振峰，从而实现了带通微波光子滤波裂4 3 1 ，它的旁瓣抑制比达到了3 0 d b 且主瓣 宽度较窄，但是它的可调性有很大的局限性。 2 0 0 9 年，韩国k i s t 实验室设计的基于单纵模可调谐双波长激光器和散射光纤延迟 线的可调谐微波光子陷波滤波器，通过对可调谐双波长激光器中的f b g 施加s 弯曲， 可以调节激光器的双波长间隔，从而使滤波器的陷波频率在1 2 g h z 一6 7 g h z 范围内可调 谐。 2 0 l o 年美国普渡大学的e h s a i lh 锄i d i ，d a n i e le 等研究人员利用光梳状滤波器设计 出含有大量抽头的可调谐微波光子滤波器【4 5 1 ，利用脉冲整形以及光延时技术可以调整滤 波器的通带带宽，通过对多抽头进行可控切趾可以控制微波光子滤波器的通带形状，使 主旁瓣抑制比提高1 0 d b 到3 0 d b 。 近年来微波光子滤波器的研究也引起我国众多研究机构和大学的高度重视，清华大 学，华中科技大学，北京邮电大学，浙江大学和北京大学等都开展了这方面的研究工作 并取得了可喜的研究成果并获得国家基金委的资助。 2 0 0 7 年浙江大学何赛灵教授的研究组报道了一种基于多波长拉曼光纤激光器的连 续可调谐可重构微波光子滤波器m 】，在多波长拉曼光纤激光器中马赫曾德迩干涉仪用作 可调谐的梳状滤波器，通过调节其中的可变光纤延迟线改变激光器相邻的波长间隔，从 而改变滤波器的自由频谱范围。三年后，该研究组又在0 p t i c s & l a s e rt e c h n o l o g y 上报 道一种基于相位调制器和光纤马赫曾德迩调制器的正负系数单通带可调谐微波光子滤 波剐4 7 1 ，其中的光纤马赫曾德迩调制器用来对s l e d 光谱进行切割，利用相位调制器产 生负系数，抑制低频谐振峰。通过调节马赫曾德迩调制器中的可变光纤延迟线来实现微 波光子滤波器带通中心频率的连续可调，其主旁瓣抑制比为2 0 d b 。 2 0 0 8 年北京邮电大学林金桐课题组利用s s b 调制实现了一种具有上转换功能的全 第一章绪论 光微波光子带通滤波器【4 8 l ，它利用双电极马赫曾德迩调制器通过不同边带的s s b 调制 使微波信号产生万相移，通过采用不同的包络实现了具有5 个抽头的带通微波光子滤波 器的重构，并且其中心频率在2 1 6 g h z 至4 0 8 g h z 范围内可调。 2 0 0 9 年国立台北科技大学的p e l l 乎c h l l l lp e l l g 等人通过在可调谐微波光子滤波器中 应用慢光技术【4 9 j ，使可调谐陷波滤波器的陷波深度达到了3 6 d b ，且其频率可调谐范围 为1 3 4 g h z 到2 0 g h z 。 2 0 1 1 年华中科技大学光电子科学与工程学院设计出一种利用全光射频相移器来得 到复系数的可调谐微波光子滤波器唧】，通过调节光信号的强度可以连续调节射频信号的 相位，从而可以在保持频率响应形状不变的条件下连续调节滤波器的频率。但是该滤波 器只有两个抽头，实现的是陷波滤波器，要想低成本实现具有多个复抽头的带通微波光 子滤波器还有很多工作要做。 1 3 多波长光纤激光器概述 随着通信带宽的越来越大，对光纤通信提出了越来越高的要求，波分复用( w d m ) 技术尤其是密集波分复用( d w d m ) 技术迅速发展起来。它可以同时在一根光纤链路上 传送多路信号而互不影响，大大提高了通信容量，提高了设备利用率。由于光纤激光器 具有效率高、与光纤耦合性好、线宽窄、可调谐性好、成本低等优点，从而使得波分复 用技术往往采用光纤激光器来提供光源。若采用的是单波长光纤激光器那么需要的数目 往往是巨大的，这就增加了整个系统的成本和复杂度。于是多波长光纤激光器应运而生， 它是一种成本低且效率高的光源，可以同时给多个信道提供光载波。 多波长光纤激光器由于具有众多优异的性能，除了应用于光纤通信技术外，在r o f 系统、高频微波产生、微波光子滤波器等微波光子学领域也有着广阔的应用前景。从2 0 世纪8 0 年代国外就已经开展了对多波长光纤激光器的研刭5 1 】。自1 9 9 2 年n p a r k 等人 首次实现了基于单一增益介质的六个波长同时输出的多波长光纤激光裂5 2 l 以来，多波长 光纤激光器已经取得了巨大的进步。 多波长光纤激光器可以利用半导体光放大器、掺铒光纤放大器、拉曼放大器等各种 不同的增益介质来制作。与另外两种增益介质相比掺铒光纤的优点比较突出，比如它的 增益谱较平坦、饱和功率值较高等，但是铒离子的均匀展宽效应是实现多波长掺铒光纤 激光器稳定多波长输出的最大障碍。当多波长光纤激光器的输出波长问隔小于铒离子的 均匀展宽线宽时，不可避免地存在严重的模式竞争和模式跳变问题，从而导致激光器的 输出功率不稳定，因此必须抑制铒离子的这种均匀展宽效应才能实现多波长掺铒光纤激 光器的稳定输出。研究发现，通过降低铒离子的温度可以显著降低其均匀展宽效应实现 稳定多波长输出，但是这要把掺铒光纤放在液氮中1 5 3 j ，条件比较苛刻，实用性不高。 为了实现在室温下多波长激光器的稳定输出，必须采取其它方法。 ( 1 ) 基于频移反馈技术的多波长掺铒光纤激光器 2 0 0 0 年加拿大的a b e l l e m a r e 等人采用图1 6 所示的实验装置，通过在环形腔中插 入一个频率偏移器来抑制模式竞争从而在室温下获得了稳定的1 4 波长的激光输出【5 5 1 。 第一章绪论 它的工作原理是：激光腔内的光信号每次经过频率偏移器其频率都会有一定的漂移，这 样就避免了单一波长处光信号由于多次放大而饱和，有效地抑制了铒离子的均匀展宽效 应，减小了模式竞争，获得室温稳定的多波长激光输出。2 0 0 1 年，韩国的s k 硒m 等 研究人员通过对上述结构中的梳状滤波器进行改进，获得了3 4 个波长的激光输出f 5 6 1 ， 并且它的功率值是比较均衡的。 状 器 图1 6 基于频移反馈技术的多波长掺铒光纤激光器 ( 2 ) 基于偏振烧孔效应的多波长掺铒光纤激光器 通过在激光器谐振腔中加入偏振相关器件，使激光器输出的不同波长来源于不同偏 振态的高能级粒子，可以有效地抑制铒离子的均匀展宽效应，实现室温下多波长激光输 出【5 7 侧。这些偏振依赖器件包括保偏布拉格光栅【5 7 1 、保偏长周期光栅【5 8 j 等，也可以采用 在单模光纤中插入一段多模光纤从而构成单模多模单模的光纤结构，利用该结构的空 间模式拍频效应，把多模光纤中的偏振方向不同的反射模分开【6 1 1 ，实现室温下的多波长 激光输出。该方法可以方便地实现多波长的可开关操作，在很多领域有应用前景，但是 利用该方法所设计的激光器输出波长数太少，一般只有几个波长。 ( 3 ) 基于四波混频效应的多波长掺铒光纤激光器 研究证明四波混频效应具有均衡多波长激光信号的作用【67 1 ，基于四波混频效应的多 波长掺铒光纤激光器示意图如图1 7 所示。大功率的掺铒光纤放大器( e d f a ) 为该激光 器提供增益，梳状滤波裂6 7 埘1 对多波长进行选择，高非线性光纤【6 7 ，6 9 】用来产生四波混频 效应，偏振控制器对环形腔内的激光信号的偏振态进行调节，更有利于多波长激光信号 的产生。该类型多波长光纤激光器的原理为：通过四波混频效应在各个波长处实现了功 率的重新分配，抑制了高功率波长处的激光信号而增大了低功率波长处的激光信号，从 而使各个波长处功率值达到一个动态平衡，实现多波长的稳定输出。 该结构产生多波长的关键是产生很强的四波混频效应，为了产生四波混频效应需要 引入高非线性光纤或者光子晶体光纤等结构，由于光子晶体光纤具有很好的可控性，可 以实现在很宽波长范围内的高非线性特性，这种多波长激光器结构具有很好的应用前 景。但是该结构对激光腔内的光功率有较高的要求并且该结构的抗干扰性不是很好，非 常容易受到环境影响。 第一章绪论 光梳状滤波器 图1 7 基于四波混频效应的多波长掺铒光纤激光器示意图 1 4 本文的主要工作和内容安排 本文在前人工作的基础上对微波光子滤波器的原理进行了深入的研究，利用 m a t l a b 对影响滤波器性能的各种因素，比如：抽头系数、抽头个数、抽头系数的精 度、正负系数等进行了仿真分析，提出利用窗函数来设计微波光子滤波器抽头系数的方 法。另外，本文在理论分析的基础上综合可调谐多波长光纤激光器和双折射光纤环镜设 计出一种可调谐带通微波光子滤波器，该滤波器具有可调谐范围大、主旁瓣抑制比高、 成本相对较低等优点。 本文的主要内容和工作安排如下： 第一章对微波光子学及近几年该领域的研究热点进行了简单介绍，概述了多波长光 纤激光器的研究现状，并对微波光子滤波器的发展历史进行了回顾。 第二章介绍了微波光子滤波器的原理及相位调制到强度调制的转换原理，针对常见 的微波光子滤波器进行了分类介绍。 第三章对微波光子滤波器抽头系数进行了仿真分析，提出利用窗函数法来设计滤波 器抽头系数的方法，简化了设计过程，具有较强的实际应用价值。 第四章基于多波长光纤激光器和双折射光纤环镜设计出一种微波光子带通滤波器， 具有主旁瓣抑制比高、可调谐性好、成本低等优点，通过仿真发现该结构比未加双折射 光纤环镜时主旁瓣抑制比提高了大约l l d b 。 第五章对全文进行了总结并对未来微波光子滤波器的发展方向进行了展望。 1 5 本论文的主要创新点 本文对微波光子滤波器抽头系数的设计及整体结构的设计进行了相关的研究，具体 创新点如下： 提出利用窗函数代替智能算法来求解微波光子滤波器抽头系数的方法，该方法不仅 可以设计低通滤波器的抽头，而且还可以方便地设计出带通滤波器的抽头，使设计过程 简单化，降低了运算量。 设计出一种基于多波长光纤激光器和功率调整机构的微波光子滤波器，降低了微波 第一章绪论 光子滤波器的实现成本并提高了滤波器的性能，经仿真发现它的频率调谐范围达到了 7 6 6 g h z ，主旁瓣抑制比比未加功率调整机构时提高了ll d b 。 第二章微波光子滤波器的理论基础 第二章微波光子滤波器的理论基础 微波光子滤波器是一种利用光学方法对微波信号进行滤波的光学系统，它充分利用 了光学器件重量轻、体积小、损耗小、带宽大、抗电磁干扰等优势，此外还有调谐性好、 0 可重构等电子微波滤波器所不容易实现的优良特性。本章对微波光子滤波器的实现原理 进行了理论分析，为后续章节起到一个铺垫作用。 2 1 微波光子滤波器的基本原理 微波光子滤波器的原理示意图如图2 1 所示。输入的微波信号通过电光调制器调制 到由单波长激光器或者激光器阵列输出的激光信号上，经过光学子系统的处理后被光电 探测器或探测器阵列接收，实现光电转换，得到滤波后的微波信号。 图2 1 微波光于滤波器原理示意图 数字滤波器的输入、输出都是离散离散时间信号，它的冲激响应也是离散的【7 0 】。现 设x ( 力) 为输入信号，y ( 刀) 为输出信号，j i l ( 以) 为系统的传输函数，则在时域上可以表示 为【7 1 】： 夕( 刀) = z ( 刀) 拳五( 刀) ( 2 一1 ) 对式( 2 1 ) 左右边同时进行z 变换得： y ( z ) = x ( z ) 日( z ) ( 2 2 ) 所以 日( z ) = y ( z ) x ( z ) ( 2 - 3 ) 其中的h ( z ) 即为它的系统函数，它是单位冲激响应矗( 甩) 的z 变换： 日( z ) = z 【l l ( z ) 】= j i l ( ，1 ) z 一“ ( 2 4 ) = 线性移不变离散时间系统的常系数线性差分方程表示方式为： 唧y ( n 一七) = 屯x ( ，l m ) ( 2 - 5 ) 第二章微波光子滤波器的理论基础 其零状态响应的z 变换为： nm z _ 】，( z ) = 吒z ”x ( z )_ 量= 0朋= 0 酢，= 鬻卷 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 中的口o = 1 ，所以 酢，= 器= 等 协8 ， 微波光子滤波器是基于数字滤波器理论得到的，它可以利用光器件直接在光域中对 微波信号进行滤波，它的传输函数也可以用数字滤波器的传输函数表示，如式( 2 8 ) 所示。 当以= 0 ( k - 1 ，2 ，3 ) 时，微波光子滤波器的系统函数为： 日( z ) ：爹 ( 胛k ：塑 ( 2 9 ) 川z ) 2 萎从咖2 嚣 q 母 n = o_ ，o 、二， 它的傅氏变换为 h ( q ) = ( 甩) p 一归 ( 2 - l o ) 线性差分方程为 y ( 刀) = 鼠工( 以一尼) ( 2 1 1 ) 从上式可以看出，微波光子滤波器的实现方式和一般的微波滤波器是类似的，都需 要加法器、常数乘法器和延时单元。不同的是微波光子滤波器使用光学元器件代替电子 元器件来实现上述几个运算单元。其中的常数乘法器由光放大器或者光衰减器实现，延 时单元有普通单模光纤或者光栅等色散介质实现，加法器可在光电探测器中实现。 由公式( 2 1 0 ) 可见，微波光子滤波器的频率响应是周期性的，其周期为t ，通常 称之为自由频谱范围( f r e es p e c 仃a lr 锄g e ，f s r ) ，如图2 2 所示。对于微波光子滤波器 来说，它还有其它的一些参数，列举如下： 主旁瓣抑制比( m a i n t os i d e l o b e r a t i o ，m s r ) ：主瓣和最高旁瓣的比值，值越大越 好。 q 值：滤波器的f s r 和其通带3 d b 带宽的比值，它反映的是滤波器的频率选择性， 值越大越好。 形状因子：它等于2 0 d b 带宽和其3 d b 带宽的比值，用来反映滤波器频率响应特性， 它的值越接近于1 滤波器性能越好。 第二章微波光子滤波器的理论基础 罩 型 粤 一f s r r 一 、tj r 、1 、 m s r _3 d b 带宽 n ? 叩 吖八 厂、 厂 f l 一 厂| w ! l 频率g h z 图2 2 微波光子滤波器的典型周期频谱图 2 2 微波光子滤波器的分类 微波光子滤波器像电子滤波器一样，可以分为许多不同的类型，不过由于微波光子 滤波器的特殊性，它的分类方法有很多。例如，根据所需光源个数的不同可以分为单光 源微波光子滤波器和多光源微波光子滤波器；根据滤波器的相干性可以分为相干微波光 子滤波器和非相干微波光子滤波器；根据其滤波特性又可以分为低通滤波器、高通滤波 器、带通滤波器和带阻滤波器；根据滤波器抽头个数是否有限可以分为有限冲激响应滤 波器( f i i l i t eh i l p u l s er e s p o 璐e ，f i r ) 和无限冲激响应滤波器( i i l f i i l i t ei i n p u l s er e s p o i l s e ， i i r ) 。 由于相干微波光子滤波器容易受到外界环境的影响，其滤波特性非常不稳定，所以 现在的研究都集中于非相干微波光子滤波器。下面重点介绍一下单光源微波光子滤波器 和多光源微波光子滤波器以及f i r 滤波器和i i r 滤波器。 2 2 1 单光源微波光子滤波器 单光源微波光子滤波器只利用一个光源，它既可以实现f i r 滤波器，又可以实现i i r 滤波器，如图2 3 所示。 在图2 3 ( a ) 中，微波信号经过电光调制器调制到连续激光器所发出的激光信号上， 然后被分成多路，每一路信号经过放大器或者衰减器进行不同的加权和延时之后经过耦 合器的合并，在光电探测器处得到滤波后的微波信号。图2 3 ( b ) 所示的是一种利用单 腔循环产生延时的i i r 滤波器结构，这种结构的特点是理论上它具有无限多个抽头，因 此滤波器的q 值比第一种要大很多，不过由于腔内损耗的限制实际上抽头个数不可能是 无限多的。另外，图2 3 ( a ) 所示的抽头权重玩( k = 0 ，l ，2 ，m ) 是可以单独调节的， 而图2 3 ( b ) 所示的该种i i r 滤波器的各抽头之间具有确定的比例关系，不能进行调节， 所以它的可调性不如相应的f i r 滤波器。 第二二章微波光子滤波器的理论基础 伺 光 _ 亘卜( 卜 光 信 信 号衄丑 p号 分 厶 口 束 成 电圃匝b 一 - 滤波后的 微波信号 ( b ) 图2 - 3f m 微波光子滤波器( a ) 和i i r 微波光子滤波器( b ) 设光源所输出光信号的电场为哪坝嘞，其中为光源的光强度，为光源的中 心频率，( f ) 是它的相位变化。设微波信号为s ，( f ) ，滤波器的基本延时为t ，则上述两 种滤波器输出的光信号可以表示为： ， ： i 毛o ) = z 【现量。一，r ) 】e 7 铷卜汀卜，? 1 r ( 2 一1 2 ) r = 0 m 取有限值时表示的是f i r 滤波器，取无限值时是i 瓜滤波器，设光电探测器的响 应度为g ，则它的输出电流为： 厶( f ) = g ( 1 昂( f ) l ) l i ， 、 | i ，m ( 2 1 3 ) ， 一 厶一j ， = 鸥 川( 卜r r ) + 醇如如( 卜，r ) _ ( f j 丁) r ( ( ，一j ) 丁) ，= o，兰0j 其中r 为光源相干性的指标，它对滤波器有很大的影响。当光源的相干时间远小于 滤波器的基本延迟时间时，上式中的第二项可以忽略，即 厶( f ) = g ( 1 反( f ) | 2 ) = 醇叫_ ( f 一，丁) ( 2 “) r = o 这种滤波器称为非相干微波光子滤波器，从式( 2 1 4 ) 可以看出它的响应与光相位 没有关系，不容易受到干扰，有很好的稳定性，所以目前大部分微波光子滤波器都是非 相干滤波器。但是由于1 6 ，i 为j 下数，所以它不能实现负系数，不能消除低频谐振峰，因 而只能设计出低通滤波器，这在微波光子滤波器设计中是一个很大的缺陷。近年来，随 着广大科研工作者的努力，利用相位调制器【7 2 1 、差分检测【7 3 1 或者波长转换技术【7 4 1 使这 一测 一 磊生 一光 一 第二章微波光子滤波器的理论基础 个问题得到了很好的解决。 如果光源的相干时间大于滤波器的基本延迟时间，那么式( 2 1 3 ) 中后面的干涉项 就不可忽略，这时是可以实现负系数的，但是干涉项非常容易受到干扰，这时的滤波器 将会变得非常不稳定。 2 2 2 多光源微波光子滤波器 在多光源微波光子滤波器中，通常利用激光器阵列，宽带光源光谱分割或者用多波 长激光器来作为多波长光源。多波长光源的输出信号经叠加后在电光调制器中加载上微 波信号，然后经过色散器件的延时在光电探测器中得到滤波后的微波信号。其中的宽带 光源光谱切割技术通常是利用f p 干涉仪、马赫曾德迩干涉仪、光纤环镜等对l e d 等 宽带光源进行光谱切割，可以低成本实现大量抽头，不过缺点是经切割后的每个抽头的 带宽较宽，噪声较大从而使得微波光子滤波器的主旁瓣抑制比不高。 上述几种多波长光源在未加载微波信号之前的电场可表示为： 一i 一 巨( f ) = 扛p 旭件删 ( 2 一1 5 ) 其中，彩，和痧( f ) 分别为第r 个光载波分量的光强，中心频率和相位变化。每个光 载波由于波长不同，所以经过色散介质时会经历不同的延时，一般要保证经过色散介质 后相邻的两个波长信号延时时间差均为t ，而所用的色散介质基本上都是线性色散的， 如普通单模光纤，线性啁啾光栅等，这就要求波长间隔必须相等。如果用激光器阵列作 为光源，那么可以通过合理的设置各个激光器的中心波长来实现波长间隔相等的要求； 若采用宽带光源光谱切割或者是多波长激光器作为光源，由于所使用的梳状滤波器本来 就是等间隔的，就不会出现波长间隔不相等的情况。另外激光器阵列的各个光载波的光 强可以通过单独调节各个激光器的功率方便的得到调节，而宽带光源光谱切割和多波长 激光器则不太好控制。图2 4 列举了以上所讨论的三种多光源微波光子滤波器的结构。 第二章微波光子滤波器的理论基础 ( b ) 微波信号 ( c ) 图2 4 基于激光器阵列( a ) ，宽带光源分割( b ) 和多波长激光器( c ) 的微波光子滤波器 以上各种结构的微波光子滤波器在进入光电探测器之前的电场均可以表示为： 一i： i 昂( f ) = 【墨( f 一，丁) 】2 啡卜，r 卜“卜盯 ( 2 - 1 6 ) ，= 0 在光电探测器的响应度为g 时其输出电流为： 厶( f ) = g ( i 岛( f ) 1 2 ) = g 艺h ( f _ ，r ) 】 ”o ( 2 1 7 ) + g s f ( f 一，r ) 墨。一