（电路与系统专业论文）基于光纤的微波光子滤波器的分析与设计.pdf

助于复杂结构的微波光子滤波器的设计，而且基于m z 光纤干涉仪的微波光子滤波器 成本低。而光纤布拉格光栅具有良好的滤波性能和波长选择性，能够以灵巧的方式构建 具有独特性能的微波光子滤波器。由于在r o f 系统中具有重要的作用，所以微波光子 滤波器成为微波光子学领域内的研究热点之一。 本文利用了光纤耦合器的耦合理论，对非相干光在m z 干涉仪，单耦合器光纤谐 振环和双耦合器光纤谐振环中的传输特性进行了理论研究，以切比雪夫微波光子滤波器 为例，给出了微波光子滤波器的具体设计过程，并进行了计算机仿真验证，所得结果与 所要设计的微波光子滤波器相符合，这一算法对设计其他类型结构的微波光子滤波器具 有很好的参考价值。研究了级联微环辅助m z 型带通巴特沃斯光学滤波器的设计过程， 并对其进行了仿真分析。最后研究了基于光纤光栅的微波光子滤波器的设计，给出了级 联两个光纤光栅的微波光子滤波器的模型，并对其进行了仿真分析。本论文的主要内容 分为以下五个方面。 第一，研究了微波光子学的背景、发展和应用前景，从微波光子学引出了微波光子 滤波器的重要应用领域叫0 f 系统，并对r o f 系统做了较为详细的研究。 第二，研究了微波光子滤波器的基本理论电磁理论和耦合理论，研究了微波光 子滤波器的国内外研究现状及微波光子滤波器的应用。 第三，给出了微波光子滤波器的滤波原理，对非相干光在m z 干涉仪，单耦合器 光纤谐振环和双耦合器光纤谐振环中的传输特性进行了理论研究，并以此基本单元为基 础，给出了级联一臂附有光纤环的m z 干涉仪的微波光子滤波器的设计过程，对其进 行了仿真分析，并讨论了耦合系数和基准环长对其滤波性能的影响。 第四，基于相干光耦合理论分别对光波在m z 干涉仪、单耦合器光纤谐振环和双 耦合器光纤谐振环中的传输特性进行了理论分析，讨论了耦合器的各个参量对它们的输 出特性的影响。研究了级联微环辅助m z 型带通巴特沃斯光学滤波器的设计过程，对 其进行了仿真分析，并讨论了耦合系数和基准微环长度对其滤波性能的影响。 第五，描述了光纤布拉格光栅的理论模型，并给出了级联两个光纤布拉格光栅的微 波光子滤波器的滤波原理，仿真分析了两个光栅的反射率和两个光栅之间的间距对其频 谱的影响。 通过理论分析和数值模拟，给出了微波光子滤波器设计的全过程，并分析讨论了光 纤干涉仪的耦合系数、环长和光栅的反射率、光栅间距对微波光子滤波器频谱的影响。 这对微波光子滤波器的设计算法和优化结构提供了理论依据。 关键词：微波光子滤波器，r o f 系统，微波信号处理，马赫曾德尔光纤干涉仪，光纤 光栅 a b s t r a c t m i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e r ( m p f ) c a na c h i e v ef i l t e r i n gm i c r o w a v es i g n a l si no p t i c a ld o m a i n w i t h o u tc o m p l i c a t e da n de x p e n s i v ee oa n do ec o n v e r s i o n ，a n db o c 组u s eo ft h ea d v a n t a g e ss u c ha sw i d e b a n d w i d t h ，f a s tt u n a b i l i t y , r e c o n f i g u r a t i o n ，l o wl o s s ，i m m u n i t yt oe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n ds i m p l e s t r u c t u r ec o m p a r i n gt oc o n v e n t i o n a lm i c r o w a v ef i l t e r , s om p fp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nr o f ( r a d i oo v e r f i b e r ) s y s t e m o p t i c a lf i b e rm a c h - z e h n d e r ( m - z ) i n t e r f e r o m e t e ri st h et y p i c a ls t r u c t u r et oi m p l e m e n t t h e m p f s ，m zi n t e r f e r o m e t e rw a su s e dt og e tt i m ed e l a ya n do p t i c a ls o b i c 圮s l i c e d m p f sb a s e do nm - z i n t e r f e r o m e t e rn o to n l yc a nr e a c hv e r yh i g hqv a l u e ，b u ta l s oc o n t r i b u t et ot h ec o m p l e xs t r u c t u r em p f 8 d e s i g n ，a n dm p f sb a s e do nm - zi n t e r f e r o m e t e ri sl o wc o s t w h i l ef i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) h a sag o o d p e r f o r m a n c ei nw a v e l e n g t hs e l e c t i o na n df i l t e r i n g ，m p fw i t hu n i q u ec h a r a c t e r sc a n b eb u i l ti ni n g e n i o u s w a yb ye m p l o y i n gf b gm p fb e c o m e sah o ts p o ti n t h ed o m a i no fm i c r o w a v ep h o t o n i c sb e c a u s eo f p l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei nr o fs y s t e m i nt h i sp a p e r , w ei n v e s t i g a t e dt h et r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fi n c o h e r e n tl i g h tt r a n s f e ri nm - z i n t e r f e r o m e t e r , s i n g l e - c o u p l e rf i b e rr i n gr e s o n a t o ra n dd o u b l e - c o u p l e rf i b e rr i n gr e s o n a t o rb yc a l c u l a t i o n a n dc o m p u t e rs i m u l a t i o ns e p a r a t e l ya c c o r d i n gt ot h ec o u p l e d - m o d et h e o r yo ff u s e df i b e rc o u p l e r w et a k e c h e b y s h e vf i l t e ra se x a m p l e st od e s c r i b et h es y s t e m a t i cp r o c e d u r ef o rd e s i g n i n gm p f s ，a n dt a k ec o m p u t e r s i m u l a t i o n ，t h es p e c t r u mi sg o o da g r e e m e n tw i t ht h ec h e b y s h e v f i l t e ru s i n gd i g i t a lf i l t e rd e s i g nm e t h o d s t h i sa l g o r i t h mh a v eav e r yg o o dr e f e r e n c ev a l u ef o rd e s i g n i n go t h e rt y p e sa n ds t r u c t u r e so fm p f s t h e p r o c e d u r ef o rd e s i g n i n gb a n a s sb u t t e r w o r t ho p t i c a l f i l t e ru s i n gc a s c a d e dm i c r o r i n g - a s s i s t e dm _ z i n t e r f e r o m e t e ri sa l s or e s e a r c h e d ，a n ds i m u l a t i o na n a l y s i si sa l s oc a r r i e do u t l a s t ，t h i sp a p e ra l s o i n v e s t i g a t e dt h ed e s i g n i n go fm p f sb a s e do nf i b e rg r a t i n g ，m p fm o d e lw i t ht w oc a s c a d e df b g i sg i v e n ， a n ds i m u l a t i o na n a l y s i si sa l s oc a r r i e do u t t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ri sd i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n g f i v ea s p e c t s ： f i r s t ，t h eb a c k g r o u n d ，d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o np r o s p e c t o fm i c r o w a v ep h o t o n i c si s r e s e a r c h e d ，a n dt h em p f sa l li m p o r t a n ta p p l i c a t i o na r e a s - r o fs y s t e mi s l e a d e df r o mt h em i c r o w a v e p h o t o n i c s a n dr e s e a r c h e dr o fs y s t e mi nd e t a i l s e c o n d ，r e s e a r c h e dt h eb a s i ct h e o r yo fm p f s - - - - e l e c t r o m a g n e t i ct h e o r ya n dc o u p l i n gt h e o r y , a n d i i i a l s or e s e a r c h e dt h er e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n d a b r o a d ，t h ea p p l i c a t i o no fm p f s 1 1 1 砷，t h ef i l t e r i n gp r i n c i p l eo fm p f si sg i v e n ，t h et r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fi n c o h e r e n tl i g h t t r a n s f e ri nm _ zi n t e r f e r o m e t e r , s i n g l e - c o u p l e rf i b e rr i n gr e s o n a t o ra n dd o u b l e - c o u p l e rf i b e rr i n gr e s o n a t o ri s a l s oi n v e s t i g a t e d ，a n dt h ep r o c e d u r ef o rd e s i g n i n gt h em p fu s i n gc a s c a d e dm - zi n t e r f e r o m e t e rw i t haf i b e r r i n gi no n ea r l ni s a l s og i v e n ，t a k i n gc o m p u t e rs i m u l a t i o na n da n a l y s i s ，t h ei m p a c t so ft h ec o u p l i n g c o e f f i c i e n ta n dt h eb a s i cl e n g t ho ft h er i n go nt h es p e c t r u mi sd i s c u s s e d f o u r t h d e t a i l e dt h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h et r a n s f e rp r o p e r t i e so fo p t i c a lw a v et r a n s f e r si nm z i n t e r f e r o m e t e r , s i n g l e - c o u p l e rf i b e rr i n gr e s o n a t o ra n dd o u b l e - c o u p l e rf i b e rr i n gr e s o n a t o rw e r ed i d a c c o r d i n gt oc o h e r e n tt r a n s f e rt h e o r y , d i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo fi n t e r f e r o m e t e r 8e a c hp a r a m e t e rt ot h e i r o u t p u t t h ep r o c e d u r ef o rd e s i g n i n gb a n d p a s sb u t t e r w o r t ho p t i c a lf i l t e ru s i n gc a s c a d e dm i c r o r i n g - a s s i s t e d m - zi n t e r f e r o m e t e ri sr e s e a r c h e d ，a n ds i m u l a t i o na n a l y s i si sc a r r i e do u t ，t h ei m p a c t so ft h ec o u p l i n g c o e f f i c i e n ta n dt h eb a s i cl e n g t ho ft h em i c r o r i n go nt h es p e c t r u mi sa l s od i s c u s s e d f i f m ，d e s c r i b e st h et h e o r e t i c a lm o d e lo ff b qa n dg i v e st h ef i l t e r i n gp r i n c i p l eo fm p f 讯n l c a s c a d i n gt w of b qt h ei m p a c t so ft h et w og r a t i n gr e f l e c t i o nr a t ea n dt h es p a c i n gb e t w e e nt h et w of i b e r g r a t i n go nt h es p e c t r u mi sa l s oa n a l y s i s e d t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ew h o l ep r o c e d u r ef o rd e s i g n i n gm p f s i sg i v e n ，t h ee f f e c t so ft h ec o u p l i n gc o e f f i c i e n t s ，t h el e n g t ho ft h ef i b e rr i n g ，a n dt h eg r a t i n gf l e c t i v i t y , t h e g r a t i n gs p a c i n go nt h es p e c t r u mo fm p f sa r ea l s od i s c u s s e da n da n a l y s i s e d a l lo ft h e s eh a v ep r o v i d e dt h e t h e o r yb a s i sf o rd e s i g n i n ga l g o r i t h m sa n do p t i m i z i n gt h es t r u c t u r eo fm p f s k e yw o r d s ：m i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e r , r o fs y s t 豇n ，m i c r o w a v es i g n a lp r o c e s s i n g ，m a c h z e h n d e rf i b e r i n t e r f e r o m e t e r , f i b e rg r a t i n g i v 目录 摘要一i a b s t r a c t 。i i i 目录v 第一章绪论1 1 1 微波光子学的背景和发展l 1 2 微波光子学的应用前景1 1 2 1 无线通信1 1 2 2 信号处理2 1 2 3 微波光子学的应用前景2 1 3r o f 豸统3 1 3 1r o f 系统简介3 1 3 2r o f 的应用4 1 4 本论文的主要研究意义5 1 5 本论文的主要内容6 第二章微波光子滤波器的基本理论、研究现状及应用一7 2 1 电磁理论和耦合理论7 2 1 1 电磁理论7 2 1 2 光纤耦合器的耦合机理9 2 2 微波光子滤波器的基本概念1 2 2 3 微波光子滤波器的国内外研究现状1 5 2 3 1 基于m z 光纤干涉仪的微波光子滤波器l7 2 3 2 基于光纤光栅的微波光子滤波器1 7 2 4 微波光子滤波器的应用2 0 第三章基于m z 干涉仪的微波光子滤波器的设计2 3 3 1 微波光子滤波器的滤波原理2 3 v 3 2 组成微波光子滤波器的几种基本结构2 4 3 2 1m z 光纤干涉仪2 5 3 2 2 单耦合器光纤谐振环2 6 3 2 3 双耦合器光纤谐振环2 7 3 3 级联i i 卜z 带通切比雪夫微波光子滤波器的设计2 9 3 3 1 设计带通切比雪夫微波光子滤波器的算法2 9 3 3 2 一臂附有光纤环的m z 光纤干涉仪3 3 3 3 3 级联m - z 带通切比雪夫微波光子滤波器的实现3 4 3 4 本章小结。3 6 第四章级联微环辅助m z 型带通巴特沃斯光学滤波器的设计3 7 4 1 组成光学滤波器的几种基本结构3 7 4 1 1m z 光纤干涉仪3 7 4 1 2 单耦合器光纤谐振环4 0 4 1 3 双耦合器光纤谐振环4 4 4 2 利用数字滤波器方法设计的光学滤波器4 5 4 3 微环辅助的m - z 光纤干涉仪4 7 4 4 级联m - z 带通巴特沃斯光学滤波器的实现4 8 4 5 本章小结5 0 第五章基于光纤光栅的微波光子滤波器的设计5 l 5 1 光纤光栅介绍陋矧5 l 5 2 光纤布拉格光栅的理论模型5 l 5 3 级联两个光纤布拉格光栅的微波光子滤波器5 3 5 3 1 基本原理5 3 5 3 2 级联两个光纤光栅的微波光子滤波器的理论分析5 4 5 4 j 、结5 6 第六章总结与展望5 7 6 1 总结5 7 6 2 展望5 7 参考文献。5 9 致谢一6 3 攻读学位期间发表的学术论文目录一6 5 独创性声明6 7 关于论文使用授权的说明：6 7 v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 微波光子学的背景和发展 通信技术的发展促进了微波通信和光纤通信的快速发展。光纤通信是以光波作为信 息载体，利用光纤传输信息的通信，它的问世使整个通信领域发生了革命性的变化，它 使高速率、大容量的通信成为可能。光纤通信的特点是体积小、损耗小、重量轻、大带 宽( 大于4 0 t h z ) ：能实现几十g b i t s 的信息传输，而且可以多路复用；易于分解和多 路合成等许多优点，但是光纤通信的移动性不好。 微波通信是通过大气传输的，传输成本低，而且微波通信能够在任意方向上发射、 组建和重构比较容易，此外还能够实现与移动和手提设备的相互联接；但是微波通信也 有两个主要问题：一是高频微波信号在大气中长距离传输时损耗很大，导致使用频率的 高频扩展受限：二是大气中日益增多的电磁波辐射对人们的安全和身体健康产生了不利 的影响，这些影响受到越来越多人们的关注。 早在1 9 9 3 年已经提出了微波光子学概念n 1 。其研究内容涉及到光纤技术和微波技术 相关的各个领域乜1 。这些领域主要集中在两个方面：一是解决光纤通信向微波通信频段 转变中的问题，主要包括放大器、激光器、探测器、光调制器和光控微波设备及光纤传 输链路的研究等；二是利用光电子器件来解决微波信号的控制和产生问题，主要有光生 微波源、光域微波放大器、微波光子滤波器、光致微波电信号的控制和合成等。 1 2 微波光子学的应用前景 正因为微波光子学在一些领域中具有潜在的应用前景，才驱动它在近些年得到了快 速的发展。目前，作为- - f - i 新兴学科，微波光子学研究的是微波或毫米波波段的高速光 子器件及其在微波、光波系统中的应用，微波光子学在众多方面都有很好的应用前景。 典型的潜在应用领域包括：无线通信、信号传输和天线遥感、微波信号处理和光控天线 阵列等。下面分别从无线通信和信号处理这两个方面来介绍微波光子学的应用领域。 1 2 1 无线通信 为了满足快速增长的通信业务量的需求，移动通信业务区正在向微小化发展。最近 基于光纤的微波光子滤波器的分析与设计 几年来，r o f ( r a d i oo v e rf i b e r ) 技术已走出实验室，已经应用在大楼内的蜂窝式无线 通信系统中。由于日益增长的宽带移动通信容量的需求和在较低频段的拥挤，r o f 系统 中的无线通信频率正由微波向毫米波发展，光纤毫米波系统的传输容量将会更大。 考虑到基站的复杂性和开发成本问题，微波无线网络的开发可以只在中心站产生信 号，用光纤传输给每一个基站，然后用毫米波天线传输给所有的蜂窝区域，如图卜1 所 示。这种结构中的基站系统允许大量基站共享远离服务区的处理设备和传输设备。这样 的系统将有效地降低了对密集客户宽带服务的造价问题。 1 2 2 信号处理 2 用户终端 控制站 基站 n 丁t射频信号 光传输 光吨和 电，光 接收和 和接收 传输 转换 图1 - 1 利用光纤链路传输微波毫米波系统基本结构框图 光纤延迟线对于体积大的声波设备来说，它可以为处理微波信号提供更长的时间延 迟b 1 。延迟线在模拟雷达目标系统中具有很重要的应用价值h 1 。最近基于延迟线的横向 滤波器正在火热的研究中晦1 ，并且随着光纤光栅的成熟和e d f a ( e r b i u m - d o p e df i b e r a m p li f i e r ) 的发展，这些都为滤波器的合成扩展了思路和方法呻1 。 1 2 3 微波光子学的应用前景 前面已经对微波光子学的两个主要应用领域作了介绍。总而言之，微波光子学在很 多领域都有广阔的应用前景。但是，对微波光子学的研究工作就在近些年有了较快的进 展，而要将这些技术真正运用于工程实践当中，还需要进一步的认真研究和开发。 下面就从微波光子学的一个重要应用领域r o f 系统，来探究微波光子学的研究 意义和前景。 2 第一章绪论 1 3r o f 系统 1 3 1r o f 系统简介 r o f 技术是指用光纤作为传输媒介来传送宽带射频信号的一种传输技术，是无线通 信接入网和光宽带接入网的结合点。它的英文名称为r a d i oo v e rf i b e r ，简称之为r o f ， 也称作为“光纤无线电 ，它的工作原理是把射频信号加载到光波上，利用光纤把复合 信号传送到远端，在远端通过o e 转换恢复出所需要的微波信号的一种技术。 将移动通信和光纤通信相结合的r o f 系统不仅可以使得人们能够随时随地和任何人 进行通信，而且带宽可以将数据、语音、视频等多媒体信息传送到商业和家庭用户。目 前第一代和第二代移动通信系统的传输速率只有几十k b 8 到几百k b s ，而基于c d m a 技 术的第三代移动通信( 3 g ) 的传输速率也只有2 m b i t s ，无疑这些移动通信系统都无法 满足人们在未来所需要的海量通信数据的宽带要求。为了实现更大带宽的无线通信，目 前提出和研究的第四代移动通信系统( 4 g ) 利用全新的无线传输系统业务，支持l o o m b s 乃至g b s 以上的信息传输速率，这样的宽带无线通信系统可以同时支持电话业务、数 据业务、高清晰度电视为代表的宽带多媒体业务等，可以充分满足未来人们对移动宽带 接入网的需求，但是这样增加了组网和数据处理的复杂度，从而大大增加了组建和升级 系统的成本。利用宽带光纤无线技术能够实现大容量无线射频信号的有线传输和超宽带 无线接入，同时应用光纤无线技术可以有效地降低整个系统建设的复杂度和建设成本， 并可以对不同速率、不同格式的数据进行传输，实现对网络和频率资源的动态管理和优 化配置，也易于网络升级，降低了安装和维护成本。 目前的无线通信中使用的微波载波的频段在3 g h z 以下，传输信息速率是k h z ，未来 的无线网络必然要向高传输信息速率高带宽发展，这就需要采用更高频率的微波作为载 波。因此，将光纤通信与无线通信相结合的r o f 技术应运而生。如图卜2 所示。基于r o f 技术的无线网络被认为是能同时满足用户对大带宽和移动性需求的一种经济的解决方 案，具有很好的应用前景。 3 基丁光纤的微波光子滤波器的分析与设计 基站( b s ) e o ：电光转换o e ：光电转换t r ：信号发射接收机 图1 - 2r o f 系统示意图 在r o f 系统中，用光纤通信代替传统无线通信中从控制站( c s ) 到基站( b s ) 的那 一段微波信号传输，控制站通过光纤与多个基站相连，所有的处理功能都是在控制站完 成的。基站的主要功能是实现微波射频信号和光信号的相互转换。当光信号传输到基站 时，光探测器接收到复合信号，经过光功率放大，然后送入天线发送出去。在移动客户 终端，再将有效信号从复合信号中解调出来。 1 3 。2r o f 的应用 最初的r o f 系统只是用于军事用途，1 9 9 0 年，c o p p e r 等提出了r o f 系统用于无线通 信n 们，从此以后，r o f 系统经过快速的发展，已经得到了实际的应用，虽然目前其市场不 大，但是随着微波光子技术的发展，r o f 系统将会在未来的4 g 移动通信领域占有很大的 市场份额。r o f 系统具有传输距离长，低功耗，易安装，成本低等优点，可用于蜂窝网 络、室内无线局域网及车载移动通信等。 1 、蜂窝网络 r o f 可用于分布式的2 g 和3 g 蜂窝网络通信，用于扩大城市网络区域和室内网络的 容量和覆盖范围。 2 、在室内无线局域网中的应用 室内无线局域网可用于外围设备和计算机之间的高速率数据传输。与传统的有线网 络相比，无线网络具有传输速率高而且灵活的特点。 4 第一章绪论 3 、车载移动通信 目前智能交通系统越来越多地引起人们的重视，它用以提供交通信息、路况信息、 娱乐多媒体服务和最佳行驶路线等等。若将智能交通系统扩展到定位系统可以比 g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 更准确和快捷。此外，智能交通系统可以提供车内多 媒体服务。智能交通系统可以分为两类：道路汽车的通信和车内通信。 总之，r o f 系统在未来智能交通系统、宽带无线通信等应用领域具有广阔的应用前 景。未来基于光纤和无线融合的r o f 技术的广泛应用将使得宽带无线接入网最终得以实 现1 。 1 4 本论文的主要研究意义 关于微波光子滤波器最初的研究是用无源耦合器和光纤作为延迟线来实现信号的分 支，这种结构不久即被证实能够处理多种信号处理任务，但由于无分支权重( 滤波器不 可重构) 和基本延迟时间不可改变( 滤波器不可调谐) ，因此缺乏灵活性。随着可调谐激 光器、光纤光栅、高色散光纤等新型元器件的发展和应用，开启了解决这一问题的新途 径。 图1 - 3 是传统的电子滤波器与微波光子滤波器相比较的逻辑框图。可以看出，微波 光子滤波器与传统电子滤波器相比，是通过调制器先把射频信号加载到光波信号上，而 后通过光学处理器在光域上直接进行处理，最后通过光接收机恢复出原来的射频信号。 从表面看微波光子滤波器比电子滤波器元件要多，结构更复杂，但是利用光学方法 处理微波信号，可以克服电信号处理中有限的信号取样和控制速度即所谓的“电子 瓶颈 ，并且可以实现高速信号处理、宽带取样和并行操作，并且成本相对较低。微波 光子滤波器与传统的电子滤波器相比，具有电磁环境兼容性好、体积小、重量轻和工作 带宽大，而且微波光子滤波器更容易实现可调谐和可重构，这些在r o f 系统中将会有很 大的应用前景。 5 基于光纤的微波光子滤波器的分析与设计 图卜3 微波光子滤波器与传统电子滤波器的对比馏。 1 5 本论文的主要内容 第一章绪论 首先研究了微波光子学，然后研究了r o f 系统，最后引入本论文的研究内容微 波光子滤波器。 第二章微波光子滤波器的基本理论、研究现状和应用 详细阐述微波光子滤波器的基本理论，然后以时间为线索，重点介绍了微波 光子滤波器的国内外研究现状。 第三章基于马赫一曾德尔干涉仪的微波光子滤波器的理论研究 首先给出了微波光子滤波器的滤波原理，并对组成微波光子滤波器的几种基本结构 进行了仿真分析；最后，给出了带通切比雪夫微波光子滤波器的整个设计过程，进行了 仿真分析，并讨论了耦合系数和基准环长对其滤波性能的影响。 第四章级联微环辅助m - z 型带通巴特沃斯光学滤波器的设计 研究了光学滤波器的设计方法，给出了级联微环辅助m z 型带通巴特沃斯光学滤波 器的设计过程，并对其进行了仿真分析。 第五章基于光纤光栅的微波光子滤波器的理论研究 首先简要介绍了光纤光栅，给出了光纤布拉格光栅的理论模型，仿真分析了级联两 个光纤布拉格光栅的微波光子滤波器。 第六章总结和展望 扼要总结了全文，提出了以后有待继续进一步研究的问题，对以后的研究工作提出 了建议；并对以后微波光子滤波器的发展情况进行了展望。 6 第二章微波光子滤波器的基本理论、研究现状及应用 第二章微波光子滤波器的基本理论、研究现状及应用 微波光子滤波器是光子信号处理技术的重要内容。在电域内处理微波信号受到频带 宽度和采样频率的限制，处理精度和速度都受到影响，我们称之为电子“瓶颈 。微波 光子滤波器提供了一种解决传统的电子“瓶颈”的方法。输入的射频信号通过调制器调 制到光波信号上，在光域进行射频信号的处理，最后通过光接收机输出滤波后的微波信 号。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。 微波光子滤波器最初应用在需要高速信号处理能力的航空航天领域和雷达系统。随 着r o f 系统研究的深入，微波光子滤波器在通信系统中特别是在微波、毫米波r o f 系统 中得到应用。目前国际上集中研究新型的微波光子滤波器结构以实现q 值更高的频率响 应、负抽头系数、可调谐性、可重构和更大的动态范围等。传统的方法有两种：第一种 方法是用电差分的结构，早在1 9 9 5 年已经实现了这种结构，但这种方法可调谐性和可 重构性都很差，而且受电器件带宽限制：第二种方法是利用复杂的光电器件来实现全系 数的滤波器，但这种方法成本很高。最近，报导很多新型低成本结构的微波光子滤波器 用来实现负抽头系数，其中利用偏振态和外调制器的方法最具有吸引力。另一方面，在 r o f 系统中，微波光子滤波器的功能和其他信号处理功能相结合将会大大降低系统成本 和加强功能集中化。 2 1 电磁理论和耦合理论 2 1 1 电磁理论 同所有的电磁现象一样，光纤中的光脉冲的传输也服从麦克斯韦方程组，在国际单 位制中，该方程组可以写成“3 i ： v 膏：一c a d + 歹( 2 1 ) a v 云：一一c a b c a t ( 2 - 2 ) v b = 0 ( 2 - 3 ) 7 基于光纤的微波光子滤波器的分析与设计 v d2 乃 ( 2 4 ) 式中，云、厅分别为电场强度矢量和磁场强度矢量；西、云分别为电位移矢量和磁感应 强度矢量：电流密度矢量歹和电荷密度p ，表示电磁场的源，在光纤这样无自由电荷的介 质中，显然是，= 0 ，p ，= 0 。 介质内传输的电场强度e 和磁场强度日增大时，电位移矢量d 和磁感应强度矢量曰 也随之增大，它们的关系通过物质方程联系起来，在各向同性媒质中，物质方程可以表 示为： 西：正( 2 - 5 ) b = 朋 ( 2 - 6 ) 式中，占= 占( 尹) ，= ( f ) 。对于光纤这样的无磁性介质，有( 尹) = o ，。为真空中的 磁导率。对( 2 - 2 ) 式两边取旋度，并利用( 2 - 1 ) 式和( 2 - 6 ) 式可以得到 v 岬厕一胪警 7 ) 而 v x ( v xe ) = v ( v e ) 一v 2 e ( 2 8 ) 则 v ( v 面一v 2 五：= - 9 0 e 即o t 2 堡 ( 2 9 ) 由( 2 7 ) 式和( 2 5 ) 式我们可以得到v 西= v ( 瘟) = 刃云+ 云v s = 0 则v 云：一云里 ( 2 1 0 ) 由( 2 - 7 ) 式和( 2 1 0 ) 式我们可以得到： v 2 衲( 云孚卜s 喾 倍 对于均匀光纤( g 为常数和v g = 0 ) 或缓慢变化的光纤( f 不为常数但v s 0 ) ，上 面的式子可以简化为 v 2 云铂s 警 ( 2 _ 1 2 ) 对于在光纤中传播的单色波有 云( 尹，f ) = 云( z ，y ) e x p j ( c o t 一肚) ( 2 1 3 ) 第二章微波光子滤波器的基本理论、研究现状及应用 其中为光在光纤中的传播常数。将( 2 - 1 3 ) 代入( 2 1 2 ) 中可得： ( 昙号卜卅咏2 以2 凤加。 在计算中利用了国2 o 占= 国2 o s o 占，= 占，砖= 刀2 七；，其中s ，和以分别是光纤材料的相对介 电常数和折射率，：_ 2 , 为真空中的波数，名为真空中的光波波长。 2 1 2 光纤耦合器的耦合机理 全光纤耦合器就是将两根( 或两根以上) 的除去涂覆层的光纤按一定的方式靠拢，在 高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，实 现传输光功率耦合的一种方法，其结构可以用图2 - 1 表示出来。入射光功率在双锥体结 构的耦合区发生功率再分配，一部分光功率从“直通臂”继续传输，另一部分则由“耦 合臂 传到另一光路。这里主要介绍单模耦合器的耦合机理。 图2 - 1 光纤耦合器结构示意图 当光纤中两种模式无相互作用时，由式( 2 一1 4 ) 可知其波动方程可以写为n 们 曼三铲+ 望三害争盟+ 尼；以；! ( 石，j ，) 一f 1 2 f - , , ( x , y ) = o o = l ，2 ) ( 2 1 5 ) 孤立模式的电场矢量可以表示为 e ( 石，y ，z ) = e l ( x ，y ) e x p ( - j f l z ) ( f = l ，2 ) ( 2 1 6 ) y 方向电场极化的耦合波光程可以写成如下形式 v 2 豆( 石，j ，z ) + 后；聆2 ( 石，y ) 云( 工，y ，z ) = 0 ( 2 1 7 ) 其中，n ( x ，y ) 为整个耦合区域的折射率分布。因为光纤中两种模式之间的耦合是在 它们的迅衰波相互交错的过程中产生的，式( 2 - 1 7 ) 的解可以写成两个孤立模式的叠加： e ( x ，y ，z ) = c i ( z ) e l ( x ，y ) e x p ( 一粥z ) 1 - c 2 ( z ) e 2 ( j ，y ) e x p ( 一，织z ) ( 2 一l8 ) 9 基于光纤的微波光子滤波器的分析与设计 其中c l 和c 2 表示由于耦合造成的模振幅的变化，我们认为它们都只和z 有关。将式 ( 2 一1 8 ) 代入( 2 1 7 ) 中，并利用屈= n i k oo = 1 ，2 ) ，可以得到 凼为稻合模包耋各相对十传输距禹来说焚化的很慢，所以式( 2 一1 9 ) 中时二阶微分坝口j 以忽 略，则上式可以简化为： 警喇刮，荆 协2 。， + l 一2 鹇孕+ k ；( n 2 - ) gi 岛( 一鹏z ) ：o l宓l 为了进一步简化( 2 2 0 ) 式，在该式的两边同时点乘模式1 的电场矢量的共轭复数日，并 对罄个耦合区域取积分i i ( 2 2 0 ) 式可写为： 由于( n 2 一万? ) 描述的是模式2 对模式1 的介电常数的微扰，模式1 对自身的扰动可 以不予考虑，所以( 2 - 2 1 ) 式中积分的第二项可以忽略。由模式正交理论可知积分的第三 项也可以忽略。这样，( 2 - 2 1 )