（通信与信息系统专业论文）基于光纤光栅的微波光子滤波器的结构研究与优化.pdf

论文题目：基于光纤光栅的微波光子滤波器的结构研究与优化 学科专业：通信与信息系统 学位申请人：倪仟 指导教师姓名：武向农副教授 论文类型：应用基础研究 摘要 随着微波技术和信息技术的发展，人们对通信容量需求的增加和传输速率提出更高的 要求。微波通信能够在任意方向上发射、易于构建和重构，但传统的微波传输在长距离传 输时具有很大损耗。光波分复用技术的出现和掺饵光纤放大器的发明使光纤通信得到迅速 发展，光纤通信具有损耗低、高带宽、易于在波长、空间和偏振上复用等很多优点，对微 波信号传输及处理具有明显的优势。基于这个应用背景，光纤通信和微波通信相结合的光 载射频( r o f ) 技术被提出，微波光子滤波器( m p f ) 就是r o f 系统中的一个重要的研究方向。 微波光子滤波器是在光域内直接对微波信号进行滤波的新型光器件，它能克服传统电 信号处理中由于有限的采样频率而引起的“电子瓶颈，抗电磁干扰，不需要复杂、昂贵 的光电电光转换设备。目前国际上对微波光子滤波器的研究集中在设计新型滤波器结构 等方面以实现高q 值频率响应、负抽头系数、可调性、可重构和更大的动态范围等。光 纤光栅由于具有良好的波长选择性能和滤波特性，能够灵活构建具有不同功能的微波光子 滤波器，成为近年来光通信领域研究的热点之一。品质因数是衡量微波光子滤波器的选频 特性的重要指标之一，本文重点针对基于光纤光栅的微波光子滤波器的品质因数以及提高 品质因数的方法做了详细的研究。 本文着重研究了基于光纤光栅的微波光子滤波器结构的设计与优化。主要工作和创新 点如下： 1 研究了基于光纤布拉格光栅( f b g ) i 拘微波光子滤波器结构设计中的主要元器件：f b g 和掺饵光纤放大器，并利用m a t l a b 仿真软件进行了仿真分析。 2 提出改进的基于f b g 对的微波光子滤波器的结构，并在o p t i s y s t e m 仿真软件的平台 上进行优化研究，优化后的最高品质因数q 值可达3 4 2 5 ，改善了滤波器的选频性能。 3 采用添加扰动操作的自适应遗传算法对基于f b g 阵列的微波光子滤波器的抽头系数 等进行优化设计，在优化光纤光栅阵列的参数等方面做了有益的尝试。主要是优化 f b g 阵列中f b g 的个数和反射系数。指定滤波器的维数，用m a t l a b 仿真软件实现 了算法，对滤波器的幅频响应和相频响应进行了仿真，使仿真时间由原来的使用一般 l 的遗传算法直接得到f b g 阵列的反射系数的时间2 3 5 0 8 8 s 缩短到将近一半的时间 1 0 7 8 4 1 s 。并分析了f b g 阵列中f b g 的个数n 和反射系数的取值范围对于滤波器幅 频响应的影响，得出当f b g 的反射系数的取值范围变小的时候，m p f 的幅频响应曲 线的情况会恶化；采用带扰动操作的自适应遗传算法设计基于f b g 阵列的m p f 时， 比较合适的f b g 的个数n 的取值范围为n 7 。 关键字：光纤布拉格光栅( f b g ) ；掺饵光纤放大器( e d f a ) ；微波光子滤波器( m p f ) ；自适 应遗传算法：扰动操作； n t i t l e ：r e s e a r c ha n do p t i m i z a t i o no fm i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e r sb a s e do nf i b e rb r a g gg r a t i n g s 协l c t l i r e m a j o r ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s d e g r e ea p p l i c a n t ：n iq i a n t u t o r ：w ux i a n g n o n ga s s o c i a t ep r o f e s s o r p a p e rt y p e a p p l i e df u n d a m e n t a lr e s e a r c h a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o w a v et e c h n o l o g ya n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , p e o p l eh a v e h i g h e r d e m a n do nt h ec o m m u n i c a t i o n c a p a c i t y a n dt r a n s m i s s i o nr a t e m i c r o w a v e c o m m u n i c a t i o nc a nb el a u n c h e di na n yd i r e c t i o na n d e a s yt ob eb u i l ta n d r e c o n s t r u c t e d b u tt h e t r a d i t i o n a lt r a n s m i s s i o nm e d i ai nt h em i c r o w a v et r a n s m i s s i o ns y s t e mw i l li n d u c eg r e a tl o s s e s a f t e rl o n gd i s t a n c et r a n s m i s s i o n t h ee m e r g e n c eo fw a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g t e c h n o l o g ya n dt h ei n v e n t i o no fe r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e rm a k er a p i dd e v e l o p m e n to f o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nh a st h ea d v a n t a g e ss u c ha sv e r yl o wl o s s ， u l t r a - b a n d w i d t ha n de a s et ob em u l t i p l e x e do nw a v e l e n g t h ，s p a c ea n dp o l a r i z a t i o ne ta 1 a l lt h e a d v a n t a g e st h a t l i s ta b o v eh a v eo b v i o u sa d v a n t a g ef o rm i c r o w a v es i g n a lt r a n s m i s s i o na n d p r o c e s s i n g u n d e rt h i sa p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d ，r a d i oo v e rf i b e r ( r o f ) t e c h n o l o g yh a sb e e np u t f o r w a r dw h i c hi st h ec o m b i n a t i o no fo p t i c a lf i b e rt e c h n o l o g ya n dm i c r o w a v et e c h n o l o g y o p t i c a lf i b e rt e c h n o l o g ya n dm i c r o w a v et e c h n o l o g yh a v eb e e ni n t e g r a t e dt o g e t h e rt of o r m m i c r o w a v ep h o t o n i c s ，a ni n t e r d i s c i p l i n a r y m i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e r ( m p f ) i so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c t so ft h er o fs y s t e m m i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e rc a n p r o c e s sm i c r o w a v es i g n a l sd i r e c t l yi nt h eo p t i c a ld o m a i n i tc a no v e r c o m et h e e l e c t r o n i cb o t t l e n e c kc a u s e db yt h el i m i t e ds a m p l i n gf r e q u e n c y i t 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 dn on e e do fc o m p l e xo e e oc o n v e r s i o nd e v i c e c u r r e n t l yt h ei n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h e r sh a v eal o to fi n t e r e s ti nt h ed e s i g no ft h ef l e wf i l t e rw i t h b e t t e rp e r f o r m a n c e t h i si n c l u d e sah i g h e rqf a c t o ro ft h ef r e q u e n c y r e s p o n s e ，n e g a t i v e c o e f f i c i e n t s ，t e n a b i l i t y , r e c o n f i g u r a b i l i t ya n dl a r g e rd y n a m i cr a n g ee ta 1 f b gh a sv e r yg o o d p e r f o r m a n c eo ft h ew a v e l e n g t hs e l e c t i o na n df i l t e rc h a r a c t e r i s t i c s b e s i d e s ，i t c a l lc o n s t r u c t m i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e rw i t hd i f f e r e n tf u n c t i o n sa n dt h ef a b r i c a t i o nt e c h n i q u e sf o rf b g sw i t h v a r i o u sp r o f i l e sa r eq u i t em a t u r ea n dm a n yd e v i c e sa r ec o m m e r c i a la v a i l a b l e qf a c t o ri so n eo f i i i t h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r so ft h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so fm i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e r i n t h i st h e s i sw ef o c u so nt h es t u d i e so fi m p r o v i n gqf a c t o rf o rf b gb a s e ds 仃u c t u r e s i nt h i sp a p e rw es t u d y , d e s i g na n d o p t i m i z et h es t r u c t u r e so ff b g b a s e dm i c r o w a v e p h o t o n i cf i l t e r s t h em a i nw o r k a n dc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 w es t u d yt h em a j o rc o m p o n e n t su s e di nt h em i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e rs t r u c t u r e s ，e s p e c i a l l y t h eg a u s sa p o d i z e dl i n e a rc h i r p e df i b e rg r a t i n g sa n de r b i u m - d o p e df i b e r a m p l i f i e r w eu s e m a t l a bt os i m u l a t ea n d a n a l y z et h e mi nd e t a i l 2 p r o p o s a lo fa ni m p r o v e df b gp a i rb a s e dm i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e rs 仃1 j c t l j r ea n dm a k e f u r t h e ri m p r o v e m e n ti nt h eqf a c t o r w eu s et h eo p t i s y s t e ms o f t w a r et os i m u l a t et h e s t r u c t u r e a f t e ro p t i m i z a t i o n ，t h ev a l u eo ft h eh i g h e s tq u a l i t yf a c t o rc a nr e a c h3 4 2 5 4 5 a n d t h i si m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ef i l t e rf o rf r e q u e n c ys e l e c t i o n 3 a d a p t i v eg e n e t i ca l g o r i t h mw i t hd i s t u r b a n c eo p e r a t i o ni su s e di nd e s i g n i n gf b ga r r a y b a s e dm i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e r w em a k eau s e f u l a t t e m p ti no p t i m i z a t i o n f o rt h e p a r a m e t e r si n c l u d i n gt h en u m b e ro ff b g sa n d t h er e f l e c t i o nc o e f f i c i e n t so ft h ef i b e rb r a g g g r a t i n ga r r a y w ee m p l o ym a t l a bt oa c h i e v eg e n e t i ca l g o r i t h ma n ds i m u l a t ea m p l i t u d e f r e q u e n c yr e s p o n s ea n dp h a s ef r e q u e n c yr e s p o n s eo ft h em p e a f t e rf i x i n gt h en u m b e ro f t h ef b g sw eo p t i m i z et h et a pc o e f f i c i e n t so ft h ef b g s d i s t u r b a n c eo p e r a t i o n sa r eu s e di n t h ea l g o r i t h ma n dt h es i m u l a t i o nt i m ei sr e d u c e db yh a l fc o m p a r i n gw i t ht h a tu s i n gt h e t r a d i t i o n a lg e n e t i ca l g o r i t h mw i t h o u td i s t u r b a n c e t h es i m u l a t i o nt i m ei sr e d u c e df r o m 2 3 5 0 8 8s e c o n d st o1 0 7 8 4 1s e c o n d s t h ei n f l u e n c e so ft w oc r u c i a lp a r a m e t e r s ，t h en u m b e r o ft h ef b g sa n dt h er a n g eo ft h et a pc o e f f i c i e n t so ft h ef b g s ，a led e t a i l e ds t u d i e di nt h i s t h e s i s f i n a l l y , i ti sc o n c l u d e dt h a tw h e n t h er a n g eo ft h et a pc o e f f i c i e n t so ft h ef b g s ( ) b e c o m e ss m a l l e r , t h ea m p l i t u d ef r e q u e n c yr e s p o n s eo ft h em p fw i l ld e t e r i o r a t e a n dw h e n w e 峨t h ed i s t u r b a n c eg e n e t i ca l g o r i t h mt od e s i g naf b g a r r a yb a s e dm p f , t h er e a s o n a b l e r a n g eo ft h en u m b e ro ff b g ss h o u l db en o tl a r g e rt h a n7 k e yw o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) ；e r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e r ( e d f a ) ；m i c r o w a v e p h o t o n i cf i l t e r s ( m p f ) ；a d a p t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m ；d i s t u r b a n c e ； i v 上海师范大学硕士论文第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 当前，随着现代高速通信对通信容量的要求不断提高，结合了光纤通信系统低损耗和 高带宽以及微波通信的不受空间限制等优点的一门新的学科微波光子学诞生了。微波 光子学这个概念最早是在1 9 9 3 年被提出【1 1 。近几年，国内外研究者对微波光子学的研究 十分活跃，针对微波光子学的研究领域主要可以分成两个部分【2 1 。一方面是专注于光电子 器件和系统的研究，它们的作用主要是解决传统微波信号的控制问题，包括开发研究用在 光域内的微波放大器和微波光子滤波器( 即m p f ) 等；另一方面主要是研究光电子器件和系 统用于解决光纤通信技术向微波的频段过渡发展的问题，包括一些激光器和探测器以及光 纤传输链路的研究。 微波光子滤波器其实相当于一个光子子系统，它在射频系统中的作用就相当于一个普 通的微波滤波器。它能够带来的优点分别是低损耗，高带宽，抗电磁干扰，可调谐以及可 重构等。微波光子滤波器的应用十分的广泛【3 】，它除了可以用在地面雷达系统中以外，在 新兴的宽带无线接入网络，通用移动通信系统，固定接入微蜂窝网络包括无线局域网， w i m a x 技术和本地多点分布式业务中都有应用，因为它们都要求更小的覆盖面积但是更 大的容量。要达到这个目的，有效的技术方案就是采用光载射频( t i pr o f ) 系统。 在r o f 系统中射频信号是通过光纤在中心站和远端基站之间传输的。如图1 1 所示， r o f 技术使射频信号的处理都集中在中心站处理。这样只要求远端基站能实现光电转换 和放大功能，因此远端基站的结构可以很简单，进而降低了系统成本。由于射频信号的处 理集中在中心站，因而实现了设备的共享，动态资源分配以及能够实现系统的简单操作和 维护。在中心站的信号处理包括了下变频、模数转换( 即a d c ) 以及利用数字信号处理器( 即 d s p ) 实现的基带处理，如图1 1 所示，在图中显示了一个指定的远端基站和中一t l , 站利用 光纤链路直接连接。下变频可以取消或者分为两步进行，如图1 1 ( c ) ，如果在光学探测前 放置一个m p f ，那么我们就可以在模数处理和d s p 处理的时候使用要求相对不那么严格 的仪器设备。 第一章绪论 上海师范大学硕士论文 ( c ) 图1 - 1r o f 接入网络( a ) m p f 代替传统滤波器在通信中的应用( b ，c ) 哺 f i g u r el - 1r a d i oo v e rf i b e rn e t w o r k ( a ) ，u s eo f m p fi n s t e a do f t r a d i t i o n a lf i l t e r s i nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( b ，c ) t 3 j m p f 也可以用作信道抑制或者信道选择。当天线既接收了有用的信号同时又接收了 我们不想要的干扰信号的时候，就可以用m p f 实现信道抑制。比如，在射电天文学中， 从一些基站到中心站的信号传输的过程中需要从频带中滤除那些人为的干扰信号。如果要 在光域中直接把这些干扰射频信号抑制掉，只有依靠m p f 技术来实现。另一个应用实例 就是全球移动通信系统( 即u m t s ) 基站的天线接收到信号再传输到表面声波滤波器之前 在前端用作噪声抑制和信道干扰抑制，当光纤链路传输的信号包含一些不相交的射频频谱 的时候，可以用m p f 来实现信道选择，可以用一个基带m p f 实现指定射频频带或者频 谱区域的选择。而可调谐的m p f 能实现调整这个指定的射频频带，这对于传统的微波滤 波器是不可能的。在这两种应用中，频率陷波的位置或者滤波器的通频带可以低到几兆赫 或者高到几千兆赫，这都是由光延迟线的宽带的特点所决定的。另外，当重量轻成为最主 要的考虑因素时，比如，在数字卫星通信系统中要抑制信道间干扰时需要重量非常轻的模 拟陷波滤波器，m p f 技术也成为首选。 2 上海师范大学硕士论文第一章绪论 1 2 微波光子滤波器的国内外研究现状 查阅国内外的文献可以发现，目前m p f 仍然是围绕几个方面在展开研究，分别是可 重构性、可调谐性以及负系数和提高q 值。 m p f 国内的研究目前主要集中在各大高校，研究比较早的有浙江大学，主要研制出 了基于光纤环的微波光子滤波器结构，实现滤波器的可调谐和可重构。近年来比较活跃的 有华中科技大学，北京交通大学，清华大学等机构。针对q 值的主要研究成果如表1 1 所示： 表1 - 1 国内研究机构针对q 值的研究现状 t a b l el - 1r e s e a r c hs i t u a t i o no fq u a l i t yf a c t o rb yd o m e s t i cr e s e a r c hi n s t i t u t e s 发表年 技术方案作者作者单位关键参数 份 付 基于掺铒光纤放大器的可调谐微波光子滤波浙江大 掺饵光纤放大器；q 值约 宏 2 0 0 7 11 4 1 器学1 0 0 ：抑制比2 0 d b 燕 周 基于半导体光放大器的一阶i i r 微波光子滤波华中科半导体光放大器；q 值接 俐 2 0 0 9 2 1 5 器及其品质因素分析技大学近2 0 0 ； 娜 基于电光相位调制器和法布里珀罗半导体光 于华中科3 d b 带宽是9 9 5 m h z ； 放大器的具有连续宽带可调性能的单通带微 2 0 1 1 1 2 6 源技大学 q - - 1 8 4 ；形状因子= 5 波光子滤波器 国外在m p f 方面的研究比较活跃，各种结构中使用的器件也比较灵活，主要机构有 西班牙的巴仑西亚理工大学、悉尼大学和加拿大的渥太华大学等。研究的领域除了之前提 到的三个方面以外，还有针对边带抑制以及以提高m p f 的各个性能指标为目标的研究， 自由频程( 即f s r ) 范围达到4 7 9 3 g h z 7 1 。此外，悉尼大学提出采用f i r 滤波器和i i r 滤波 器级联的方法可以使m p f 的q 值达到1 0 0 0 左右【8 】。目前微波光子滤波器的q 值最高可 以做到3 3 3 8 9 1 ，是由武汉光电国家实验室( 筹) 光电子器件与集成研究部实现的。 此外，针对基于f b g 的m p f 的结构的优化算法研究也是一个研究热点。最早于1 9 9 7 3 第一章绪论 上海师范大学硕士论文 年国外t a c u s i e k 等人利用经典仿生算法一遗传算法来设计全光的m p f 【1 0 1 ，但是之后 的研究并不是很多。在国内对m p f 算法设计的研究目前主要是集中在两个高校：分别是 浙江大学和北京交通大学。浙江大学主要是利用t a b us e a r c h ( t s ) 算法来设计基于f b g 阵 列的m p f 1 ，北京交通大学主要是利用d i r e c t 算法设计基于f b g 延迟线的m p f 1 2 1 。 两者的设计主要是讨论了两个因素对于滤波器性能的影响，分别是f b g 的个数和光纤光 栅反射系数的取值范围。 针对可调谐性、可重构性以及负系数三个方面，归类如下： i ) 可调谐性 m p f 的可调谐性是指动态的改变滤波器陷波中心频率。通常我们会通过改变采样周 期t 来实现m p f 的可调谐性。目前已经研究出的实现滤波器可调谐的方法主要是通过变 换光纤延时线【1 3 1 ，高色散光纤【1 4 】，和f b g 1 5 1 等。在前两种方法中，可调光源是必须的。 i ) 基于一对啁啾光纤布拉格光栅( c f b g ) 的可调谐光横向滤波器 图i 2 可调谐光横向滤波器的结构图“副 f i g u r ei - 2t u n a b l eo p t i c a lt r a n s v e r s a lf i l t e rs t r u c t u r e 0 6 1 最早的连续可调谐光横向滤波器，如图l 一2 所示，它的整个结构关键的器件有可调光 源和长c f b g 对。通过可调光源调整光源的波长，长c f b g 的反射点会沿着每个光栅的 长度做一个线性的变化，从而实现两个反射信号间延迟的时间可控。 i i ) 利用多个激光器和线性c f b g 的可调谐横向滤波器 4 上海师范大学硕士论文 第一章绪论 图1 - 3 利用多个激光器和线性c f b g 的可调谐横向滤波器【切 f i g u r e1 - 3t u n a b l et r a n s v e r s a lf i l t e rb a s e do nl a s e r sa n dl i n e a rc f b g i 7 】 如图1 3 所示，在这个m p f 结构中，将多束激光注入到线性c f b g 中，由于c f b g 对不同的波长会产生不同的延时，可以通过调节激光器的输出功率的调节来实现系统传输 函数的快速重构，同时可通过控制可调光源波长与中心波长之间的间距，实现滤波器的可 调谐性。 i i i ) 利用多模光源和宽带c f b g 实现的m p f 射频信号 输出 射频信号输入 图1 4 利用多模光源和c f b g 的组成的微波光子滤波器【1 a l f i g u r e1 - 4m p fb a s e d o nm u l t i m o d el i g h ts o u i o ea n dc f b g t l 8 】 如图l _ 4 ，这种m p f 的结构很简单，主要通过多模光源中不同的纵向模式之间的波 长分隔或者改变宽带c f b g 的群时延包络来实现m p f 的可调谐性，多模光源由输入射频 信号调制后通过色散介质到达光探测器，多模光源中不同纵模经过宽带色散介质后会产生 不同的延时时间，因而产生不同的射频响应。 i v ) 基于两个级联的调制器和色散介质的可调谐可重构的m p f 结构。 图1 - 5 一个基于两个级联的调制器和色散介质的可调谐可重构的m p f 结构1 1 9 1 f i g u r ei - 5m p fb a s e do nt w oc a s c a d e dm o d u l a t o r sa n dd i s p e r s i o nm e d i u m 【1 9 】 第一章绪论 上海师范大学硕士论文 如图1 5 所示，通过改变调制的频率和调制器的偏置电压，波长间隔等，实现滤波器 的可调谐和可重构。这个滤波器的结构实现了2 5 d b 的主瓣的抑制比。 i i ) 可重构性 m p f 的可重构性主要是指通过滤波器抽头系数的改变来重组频谱响应。目前，用来实 现m p f 的可重构性的方法主要是插入光放大器( o a ) 汹凇1 ，光纤光栅，调制器或采用 激光器阵列乜们等方法。 i ) 基于调制器级联的可重构可调谐微波光子滤波器 色散补 图1 - 6 基于级联调制的可重构可调谐微波光子滤波器【2 司 f i g u r e1 - 6r e c o n f i g u r a b l et u n a b l em p fb a s e do nc a s c a d e dm o d u l a t o r s 【2 5 】 如图1 - 6 所示，由级联调制生成的边带可以实现多抽头，而可重构和可调谐可以通过 改变强度调制器和调制器之间的光相移来实现。实现不同数目的抽头和权重则可以通过调 整偏置电压和马赫曾德尔调制器的调制深度以及两个马赫曾德尔调制器之间的光纤长度。 ) 负系数 具有负系数的滤波器的研究在最近几年吸引了很多关注，目前实现m p f 负系数的方 法主要包括通过s o a 结合探测光辅助的波长转换的方法，还有基于s o a 的交叉偏振以 及基于s o a 马赫曾德尔调制结构的交叉相位调制等方法。 i ) 一种全光负系数微波光子滤波器 近几年研究得比较集中的是采用全光技术来实现负系数，在全光条件下可以克服由 于电子器件引起的带宽受限和热噪声问题。 6 上海师范大学硕士论文第一章绪论 旯2 图1 7 一种全光负系数微波光子滤波器【2 6 】 f i g u r e1 - 7a n o v e la 1 1 o p t i c a ln e g a t i v e 砷f i b e r - o p t i ct r a n s v e r s a lf i l t e r 【2 6 】 如图1 7 所示，基于半导体光放大器的交叉增益调制器( s o a x g m ) 实现负系数抽头 的m p f 。s o a 工作于饱和状态，输入信号分别是强度调制信号 和连续光信号如。强度 调制信号 的作用是能够让s o a 的增益饱和，以此对连续波信号如实现增益调制，在 s o a 的输出端可以获得含有信号 中的信息的波长为如的光信号。 尽管在过去的几十年中对m p f 的研究已经开展的很密集，但是仍然有一些地方有待 进一步的研究和提高： 1 研究更加好的方法和技术来得到稳定的且高的q 值。这个可能需要a ) 研究新的技 术以增加f i r 结构中的光抽头数；b ) 开发用来控制i i r 结构中的抽头的值的技术 c ) 研究新的由级联的非相干滤波器组成的结构。 2 开发新的技术用来实现滤波器的负系数。这个可能需要a ) 继续研究新的马赫曾德 尔调制器；b ) 扩展基于半导体光放大器交叉增益调制( s o a x g m ) 实现多抽头。 3 进一步优化滤波器可调谐的技术。这个包括在尽可能小的长度内得到更加强的延 迟。 4 克服级联滤波器间的相干情况。 1 3 本文的主要工作和贡献 本文主要是通过对国内外m p f 研究情况的研究，利用m a t l a b 对构成m p f 的主要 器件：f b g 和e d f a 进行仿真，得出高斯切趾的线性啁啾光纤光栅适用于后续的微波光 子滤波器的设计，可以起到优化滤波器参数的目的；利用o p t i s y s t e m 光系统仿真软件完 7 第一章绪论上海师范大学硕士论文 成基于f b g 对的m p f 的结构仿真与优化及性能分析和研究。并且在此基础上通过进步 优化m p f 的结构，使m p f 的q 值得到了提高：利用带有扰动操作的自适应遗传算法对 基于f b g 阵列的m p f 进行了参数设计。并且在此基础上仿真讨论了f b g 阵列中f b g 的 个数以及f b g 反射系数的取值范围对最后设计出的滤波器的性能的影响。同时还通过改 变滤波器的设计要求中的参数，证实本文提出的优化算法在设计基于f b g 阵列的微波光 子滤波器方面是可行的且可靠的。具体内容如下： 第二章阐述m p f 的基本原理和理论分析，利用m a t l a b 软件，对构成m p f 的重要 器件光纤光栅进行了仿真研究。主要是研究了f b g 的反射率和长度之间的关系、高斯切 趾线性c f b g 的优越性以及在相同泵浦功率的条件下，e d f a 的增益与光纤的长度和不同 信号波长的关系。 第三章主要参照滤波器的一个重要参数品质因数( q 值) ，在基本结构的基础上为 提高q 值提出了两种改进的m p f 的结构，提高了m p f 的滤波性能。并在o p t i s y s t e m 平 台上进行优化研究，优化后的最高品质因数q 值可达3 4 2 5 ，改善了滤波器的选频性能。 通过与国内最新的同等条件下设计的m p f 的结构的参数进行了比较，得出本文提出的这 种改进的m p f 的结构是比较经济以及性能比较优的。 第四章主要是对基于f b g 阵列的m p f 的优化算法的研究，采用带有扰动操作的自适 应的遗传算法进行优化设计建模，根据模型对基于f b g 的m p f 的结构进行m a t l a b 仿 真。首先利用仿真证明带扰动操作的自适应遗传算法在设计基于f b g 阵列的m p f 中是有 效的。接着，主要是从f b g 的反射系数口的取值范围以及f b g 的个数n 的改变两个方 面进行了讨论，得出当f b g 的反射系数的取值范围变小的时候，m p f 的幅频响应曲线的 情况会恶化；采用带扰动操作的自适应遗传算法设计基于f b g 阵列的m p f 时，比较合适 的f b g 的个数n 的取值范围为n 7 第五章总结本文的主要工作内容并对以后的研究方向做出了展望。 8 上海师范大学硕士论文第二章m p f 的原理以及f b g 的性能分析 第二章m p f 的原理以及f b g 的性能分析 本章先主要介绍m p f 的基本原理，包括m p f 的基本结构的构成以及m p f 的几个重 要参数；然后对后续章节要用在滤波器结构设计中的主要器件：f b g 和e d f a 的基本原 理和构成做了相应的研究。 2 1m p f 的原理 m p f 是一个光子子系统，它在射频系统中的作用就相当于一个标准的微波滤波器， 除此之外还有一系列的优点( 如：低损耗、高带宽、可调谐、可重构和抗电磁干扰等) 。 图2 1 所示是m p f 的基本结构图： 输入射频信号o ) 射频信号输出 上 单个激光器 i涸相强1 - 光子子系统单个接收器 光源多个 洲需r 广， ( 延迟线，耦台器，光纡布拉 ji ，r 多个接收 激光器光源格光栅，放大器等)器 输入光信号 e j ( f ) he l ( 国) 输出光信号 e o ( t ) h 乞( 缈) 图2 - 1 微波光子滤波器的基本结构图网 f i g u r e2 - 1g e n e r a lr e f e r e n c el a y o u to fam p f 1 3 l 根据图2 1 可以看出，射频信号到光信号的转换是通过直接( 或者外) 调制实现的， 所用的光源可以是单个的连续激光器也可以是多个的激光器光源。输入的射频信号s ( f ) 是通过光介质传送的，复合的信号被传送到光子链路中，在这个光子链路中实现信号的时 域采样，信号加权，最后再通过光延时线和其它的光子元素实现合并。在输出端，最后的 射频信号瓯( ，) 是通过一系列的光接收设备得到的。 9 第二章m p f 的原理以及f b g 的性能分析 上海师范大学硕士论文 t 滤波器 h o 】 ”岬l j j 。、7 f t卜掣】 办( 刀) = h k 万( t - k t ) ot2 t 3 t胛 k = o 厅0 ) 蚤月 图2 - 2 微波光子滤波器的基本结构图【3 1 f i g u r e2 - 2g e n e r a lr e f e r e n c el a y o u to fam i c r o w a v ep h o t o n i ef i l t e rs h o w i n gt h er e l e v a n te l e c t r i c a la n d o p t i c a ls i g n a l s 【3 】 理想情况是在时域中通过h ( t ) 或者是频域中的h ( q ) 促使输入和输出的射频信号呈现 线性关系。但是，实际上，这样的线性关系只有在特殊的操作条件下才能实现。从图2 2 可以看出唯一可以保证线性关系的是输入豆( 缈) 和输出的光场分量己( 妫，这个的依据就 是麦克斯韦方程的线性性质。这个线性关系可以通过光域中的传输函数也( 动实现： e o ( 国) = 置( c o ) n o ( 神( 2 1 ) 从输入的射频信号到输入到光子子系统的变换过程是非线性的，这是由于 q ( f ) 虻( f ) ，同样的输出的射频信号和从光子子系统输出的信号是非线性的，这是因为 s o ( f ) 芘 ， 代表信号波动的总体均值，这是由信号或者滤波器采用的多路激光 器的相干特性引起的。这两个非线性算子在普通条件下使得墨( f ) 和s o ( f ) 间不能建立线性 关系。 假设这种线性关系满足的条件下，整个系统可以表示成： s o ( t ) = a , s _ ( t - t t ) = s o ( t ) = 墨( f ) m 7 r a - ( 2 2 ) nn 、。 厅( f ) = a , 万( t - r t ) = j i i ( 疗眵( f - 刀丁) r = - - nn = - - 根据脉冲响应中的采样数n ，滤波器可以分为有限脉冲响应滤波器( f i r ) 和无限脉冲 响应滤波器o r e ) 。 在式( 2 2 ) 中，h ( t ) 可以被当做是离散时间信号或者序列，采用z 变换以及离散傅里叶 变换来分析。如： 1 0 上海师范大学硕士论文第二章m p f 的原理以及f b g 的性能分析 日( z ) = h ( n ) z 叫 h ( f 2 ) = h ( n ) e 叫叮 m p f 的原理也可以用系统的差分方程和它对应的系统函数来表达： s 。( t - n t ) = b o s f ( f ) + b l s ，( f r ) + + b m s j ( f m t ) 一c l s 。o r ) 1 一c j j 。( f n t ) 酢，= 酱= ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 在式( 2 5 ) 中系统函数被表达成了两个带有复杂变量z 的n ( z ) 和d ( z ) 多项式的商的形 式，两个多项式的根分别是滤波器的零点和极点。滤波器零点和极点的位置取决于滤波器 系数b t j g l c i 。从微波光子转换函数式( 2 - 3 ) 可以观察出m p f 的频谱是呈现周期性的。它的 光谱周期是2 刀 i t ( 用角频率表示) 或者l r ( 用频率单位表示) 。这个概念就是滤波器的自 由频程( f s r ) 。 此外，m p f 的两个重要参数如下： 1 ) 形状因子( s h a p e f a c t o r ) ：s = 穹唑 ( 2 - 6 ) ，3 d 8 这个参数是用来表征滤波器频率响应曲线的特性。低通和带通滤波器的形状因子大 于l ，而高通和带阻滤波器的形状因子小于l 。形状因子越接近l ，滤波器的性能越 好。 2 ) 品质因数( 即q d