（光学工程专业论文）多光源微波光子滤波器的研究及其在rof系统中的应用.pdf

浙汀人学硕士学位论文 摘要 本论文主要研究了多光源微波光子滤波器的基本原理并用实验验证了各种 多光源微波光子滤波器的特性，最后探讨了多光源微波光子滤波器在光纤无线 通信中的应用。 首先，论文介绍了微波光子学的发展、优势及应用领域；微波光子滤波器 的发展、应用及研究现状；r a d i o - o v e r - f i b e r 技术的基本概况，并详细介绍微 波光子滤波器的背景、现有的研究成果以及其广泛的应用。 然后，论文重点从理论的角度分析了微波光子滤波器的基本原理。按照实 现微波光子滤波器所需的光源数目不同，微波光子滤波器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，分别详细的分析了以上两种滤波器的原 理；并且对微波光子滤波器的相关概念，如相干性、可调性、可重构性、正负 系数微波光子滤波器等做了详细解释。 接着分析了基于独立激光器阵列的多光源微波光子滤波器，详细阐述其基 本原理，然后用m a t l a b 模拟了其响应与光纤长度、光源波长、光源个数、波长 间隔、采样权重大小等参数的关系；并用实验验证了上述理论分析结果。 在基于调制器产生多波长的微波光子滤波器的研究中，首先从理论上研究 了其基本原理以及性能；然后用m a t l a b 模拟了经外调制产生的多波长光信号与 调制器的驱动电压的大小、射频信号的频率等因素的关系；最后进行了相关的 实验，得出了实验结果并与模拟结果对照分析。 进一步分析基于宽带光谱光源分割技术的多光源微波光子滤波器，用数值 模拟的方式分析其特性，并基于该原理实验搭建了一个单响应、高q 值、可调 谐的微波光子滤波器。将这个滤波器应用在r a d i o - o v e r - f i b e r 系统中，实现了 副载波的解复用技术，对9 0 0 m h zg s m 信号和2 4 g h zw l a n 信号在光域里直接进 行解复用。这种滤波器操作方便、成本较低，具有很好的应用前景。 关键词： 微波光子学、微波光子滤波器、r a d i o o v e r f i b e r 、副载波复 用及解复用 m 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s w ed or e s e a r c h e so nm u l t i s o u r c em i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e r so f d i f f e r e n tk i n d sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n si nr a d i o o v e r - f i b e rs y s t e m ，a n dd e m o n s t r a t e t h e i rf e a t u r e st h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y a tt h eb e g i n n i n g ，i n t r o d u c e so nm i c r o w a v ep h o t o n i c s ，m i c r o w a v ep h o t o n i c f i l t e ra r eg i v e n ，w h i c ha r ef o c u so nt h e i rd e v e l o p m e n t ，a p p l i c a t i o n sa n dr e c e n t l y r e s e a r c hs i t u a t i o na l lo v e rt h ew o r l d t h e n ，t h ep r i n c i p l eo fm i c r o w a v ep h o t o n i c f i l t e ri se x p l a i n e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gs i n g l e s o u r c em i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e r sa n d m u l t i - s o u r c em i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e r s s o m ec o n c e p t sa b o u tm i c r o w a v ep h o t o n i c f i l t e r sa r ea l s oi n c l u d e di nt h i sc h a p t e r i nt h ef o l l o w i n gp a r t s ，t h r e ek i n d so fm i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e r sa r ea n a l y z e d s p e c i f i c a ll y f i r s t ，o n eo ft h e s et h r e em i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e r s i sb a s e do n i n d e p e n d e n tl a s e ra r r a y t h e o r yp r i n c i p l e sa n df o r m u l a sa r ea n a l y z e d ，a sw e l la st h e s i m u l a t i o nu s i n gm a t l a b s o m ev a r i a b l e s ，s u c ha sl e n g t ho ft h ef i b e r ，w a v e l e n g t h o ft h el a s e r s ，n u m b e ro ft h el a s e r s ，d i f f e r e n tl e n g t ha n dp o w e rb e t w e e nt h el a s e r s ，a r e c h a n g e dt os e et h er e s u l t so ft h ef i l t e r s a n ds o m er e l a t e de x p e r i m e n t sa r ea l s o i m p l e m e n t e dt ov e r i f yt h e o r e t i cr e s u l t s t h es e c o n dk i n do ft h em u l t i - s o u r c em i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e ri sb a s e do nt h e m o d u l a t o r t h e o r i e sa n de x p e r i m e n t sa r eb o t hu s e dt op r o v et h ep e r f o r m a n c e t h e d c b i a sa n dt h ef r e q u e n c yo ft h er a d i oa p p l i e dt ot h em o d u l a t o ra r es p e c i f i c a l l y a n a l y z e d ap h a s em o d u l a t o ri se m p l o y e di nt h i se x p e r i m e n la n dt h en e g a t i v e m i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e ri sa c h i e v e dw h i c hh a sab i ga p p l i c a t i o ni nr e a l i t y t h el a s tk i n do fm u l t i - s o u r c em i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e ri sf o r m e db ys l i c i n gt h e b r o a d b a n do p t i c a ls o u r c eu s i n gam a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r t h ei n t e r f e r e n c e c a nb es e e na st h es a m p l e sw i t hd i f f e r e n tw e i g h t sd i s t r i b u t i n ga sag a u s s - l i k el i g h t l a s t l y ，t h i st u n a b l es i n g l er e s o n a n c em i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e rw i t hh i g hqi s a p p l i e di nr a d i oo v e rf i b e rs y s t e mt od e m u l t i p l e x e dt h em u l t i p l e x e ds u b c a r r i e r s o n e o ft h es u b c a r r i e r sl i e si n9 0 0 m h zr e p r e s e n t i n gt h eg s ms i g n a l ，a n dt h eo t h e ro n ei s 2 4 g h zr e p r e s e n t i n gt h ew l a ns i g n a l t h er e s u l t so ft h ef i l t e r i n g 戤eg i v e n 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 ，m i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e r , r a d i oo v e r f i b e r ( r o f ) ，s u b c a r r i e rm u l t i p l e x i n g i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 捌l 盔 签字日期： 伽7 口；7 罗 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝塑太堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙婆太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 捌? i k 签字日期：垆f 。年3 月 - - - j 上的帮助。 同时，我还要特别感谢欧海燕、付宏燕、朱坤以及叶晨晖，在学术上给予 我很大的帮助和启发，在生活上对我无微不至的关心感谢2 2 3 房间的全体成 员( 周斌师兄、刘伟升师兄、姜萌师姐、顾波波、夏天豪、程雯等) 、管祖光师 兄、王酷超师兄、李慧、傅娇娇、刘国荣等朋友对我科研和工作上的帮助。 在此，我还要特别感谢我的家人二十多年来对我的养育和支持。感谢他们 对我每一个决定的支持，感谢他们在我生命的每一天对我的照顾和教导! 感谢所有关心我的朋友，有你们的支持，我将走得更远! 胡颖 二零零九年十二月于浙大c o e r 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 微波光子学概述 1 1 1 微波光子学的发展及优势 早在2 0 多年前，“微波光子学”被首次提出，它是研究工作在微波及毫米 波频段的光电子器件及其在微波系统、光电子系统中的应用的一门学科，它将 微波信号及光学信号相结合，可应用在诸如宽带无线接入网、传感网络、卫星 通信、雷达等系统中。微波光子学引起了研究人员及商界人士的广泛关注，这 项技术使得微波系统中复杂的，甚至是无法在微波领域实现的技术成为可能， 并且给通信网络带来了新的希望【1 ，2 】。随着过去十几年中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 无线通信利用射频信号在大气中传输，传输成本较低；基站发射采用天线 发射，有很好的易构性和可重构性；终端采用移动设备接收，使用户在基站覆 盖的范围内能随时随地地接收、发射信号，带来了极大的便利性；但是随着微 波信号频率的增加，损耗会不断的增大，处理高频信号也变得越为复杂和昂贵， 宽带无线通信的发展受到了阻碍。而光纤通信的发展使得光纤宽带接入得以实 现，并且具有重量轻、成本低、低损耗、大带宽、抗电磁干扰等优势，但是光 纤通信无法实现移动性。微波光子学在通信方面的应用结合了微波学及光学两 门学科，将两者融合，优势互补，实现了超大带宽和便携移动性能兼顾的宽带 无线通信，很大程度上满足了用户日益增长的需求。在传统电子传输系统中， 需要利用同轴电缆等波导材料进行信号传输，相比之下，微波光子链路的最大 优势是减小了体积、重量及成本、抗电磁辐射、低色散、大带宽、高速数字传 输能力。 1 1 2 微波光子学的相关概念及研究领域 一个典型的微波光子链路系统主要包含三部分：首先，微波信号进入系统， 进行电一光转换；然后，载有电信号的光信号经过光学传输介质( 可以是光学系 一1 一 浙江大学硕士学位论文 统、光纤链路) 后到达接收端，接收端通过光一电转换器件解调电信号【1 】，从 而实现了微波信号的光学处理过程，即用光学器件来处理微波及毫米波频段的 信号。由此可见，微波光子系统的关键器件是能实现快速调制的光源、合适的 传输介质、高速光探测器或是光域控制的微波探测器。 近期，对于微波光子学的研究主要集中在以下几个方面：微波及毫米波段 信号的产生和相关的信号处理、光域相控阵列天线、微波光子滤波器、 r a d i o o v e r - f i b e r 系统、光域上的数模转换等。当然，微波光子学的关键器件， 如直接调制光源、外调制光源以及高速探测器件也引起了学者的广泛关注【1 。 1 1 2 1 微波信号的光学产生方法 低相位噪声、频率可调的微波源可以用在众多场合，如雷达、无线通信系 统以及现代化的测量仪器上。高频率的射频信号可以传输数据的带宽很大，所 以在宽带通信网络上受到了广泛的关注。传统的电子微波信号是利用多次电路 上的上变频来得到预期的频率，但这样的做法很复杂，成本很高，而且伴随着 高损耗。而采用光学方法产生微波信号可以从中心站到基站传输光信号，在远 端的基站经过拍频产生高频电信号，全光域的微波信号产生方案可以大大简化 系统设备的复杂程度。 微波信号的光学产生，除了直接强度调制及外部强度调制外，较典型的方 法是光外差法，即由两个不同波长的光源在光电探测器上拍频，产生的微波信 号由两个光源的频率差( 波长差) 决定【3 】，如图1 1 所示。假设两个光源为： 巨o ) = 厶。c o s ( q ，+ 织) ( 1 1 ) 巨o ) = e 0 2e o s ( a , d + 矽2 ) e 1 t t ) e 2 ( t ) 图1 1 ：由两路光信号外差发产生微波信号 p d ：光电探测器 一2 一 ( 1 2 ) 浙江火学硕士学位论文 则光电探测器上接受到的信号可表示为： k = r c o s ( c o , 一w 2 ) t + 融一唬) 】 ( 1 3 ) 但是，如果拍频的两个光信号分别由两个独立激光器产生，则这两个光信 号之间的相位是不相关的，那么产生的微波信号将会有很大的相位噪声，且不 稳定。研究人员提出了很多降低微波信号相位噪声的方法，大致可分为：光注 入锁相、光锁相环、外部调制产生微波信号、双波长单纵模激光器等【4 - 7 】。 1 1 2 2 光学微波信号处理 微波光子滤波是在全光域上处理微波信号的典型例子。传统电子处理方向 是将射频信号下变频后直接在电路中进行处理，由于受到电子器件的限制，速 度只能到达几个g h z 。而采用微波光子滤波技术，首先将电信号调制在光载波 上，然后在光学系统中处理此信号，如光纤、光学电路、光子器件等；最后通 过光电转换解调出原来的电信号，从而实现了微波信号的光学处理【8 】，如图 1 2 。由于光纤具有低损耗、大带宽等特性，所以可以将光纤作为信号处理的延 迟线，以提供短的延迟来产生高速( 大于1 0 0 g h z ) 的抽样频率，这大大超出了 传统电域上的处理频率范围。 冬 a n t e n n a ( a ) ( b ) 一3 一 壮一 浙江大学硕士学位论文 图1 1 微波信号传统处理方式( a ) 与微波光子处理方式( b ) 的概念对比协1 1 2 微波光子滤波器概述 1 2 1 微波光子滤波器的发展及应用 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。 如上文所述，传统电子技术的滤波技术是直接将射频信号下变频后在电路 中进行处理，相对缺少灵活性，例如，一个电路只能处理某个频带的射频信号； 系统易受电磁波的干扰；受到频带及采样频率等电子瓶颈的限制。而微波光子 滤波技术是在光域上处理载有的电信号，利用光纤、光学链路、光电子器件等 对信号采样、加权、相加等处理，如图1 2 。由于微波光子滤波器是用光学的 方法处理微波信号，它可以克服传统的电滤波器的“电子”瓶颈。传统的采样 频率最高只能达到几千兆赫兹左右，而微波光信号处理则可以达到上千亿赫兹， 这将给高速无线通信提供良好的基础。比起传统的电子滤波器，微波光子滤波 器用光学的方法处理微波信号，这种方法利用了光纤延迟线损耗小、抗电磁干 扰、体积小、重量轻、能提供较宽的工作带宽和高速的取样频率等优势；并且 微波光子滤波器更容易实现可调和可重构。这些优点使得微波光子滤波器的应 用非常广泛。 将微波光子滤波器应用在微波光子链路上，可以实现信道中信号的筛选及选 择优化。举例而言：当信道中有两路载波信号，可以分别看作有用和干扰信号， 利用微波光子器滤除干扰信号是微波光子滤波器的典型应用之一；再者，当信号 在基站被天线接收后，微波光子滤波器可以用来实现噪声抑制以及通过滤除交调 信号来减小信号间的干扰。可见，微波光子滤波器可以实现传统电子射频滤波器 的技术功能，同时又具备了微波光子学信号处理技术的优势。 微波光子滤波器可以在现代高速光纤无线接入网中得到广泛的应用。既可以 应用到地面雷达系统中【9 】，也可以应用到从通用移动通信系统( u m t s ： u n i v e r s a im o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 到固定接入微蜂窝网络中的宽带无 线接入网及相关标准中( 例如无线局域网( w l a n ：w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 、 全球互操作性微波接入( w i m a x ：w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) 一4 一 浙江大学硕士学位论文 以及局域多点分布服务( l m d s ：l o c a lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o ns e r v i c e ) ) ，另外， 由于重量轻的特点，微波光子滤波器的在数字卫星通信系统中也有广泛的应用。 这些技术都希望通过提高微波频率，减小微波信号的覆盖范围来提高传输的信道 容量【1 0 】，而利用r o f 系统技术提高系统的传输容量，它利用宽带光纤无线技术 能实现大容量无线射频信号的有线传输和超宽带无线接入，具体会在1 3 里介绍。 1 2 2 微波光子滤波器的研究现状 微波光子滤波器的研究兴起于国外，早在1 9 7 6 年，w i l t c r 和v a n d e rh e u v e l 第 一次提出了把光纤作为色散介质应用在微波信号处理中【1 1 】，他们最早认识到光 纤的低损耗和大带宽的特性使其在宽带延迟线方面有广阔的前景。在2 0 世纪7 0 年代，一些研究人员如c c h a n g 。h f t a y l o r 等人致力于研究如何用利用多模光 纤实现基于离散时间微波信号的光处理【1 2 - 1 4 。在2 0 世纪8 0 年代，美国斯坦福 大学g o o d m a n ，s h a w 等人进行了大量的理论和实验研究，集中在用单模光纤延 迟线实现微波光子处理技术【1 5 - 1 7 。此后，更多的抽样元件和色散机制被应用 于微波滤波器的研究，使其能够在更复杂的时域和频域上进行信号处理。2 0 世纪 8 0 年代末，随着光放大器、耦合器、调制器、电光开关等光电器件的发展，微波 光子处理的方法更加灵活，但是大多数研究仍然是集中在光纤的延迟线基础上。 然而，光纤布拉格光栅( f b g ) 和阵列波导光栅( a w g ) 的出现给全光微波信号处 理的应用提供了更为广阔的前景，提高了微波光子信号处理的重构性以及可调节 性。 此后，d b h u n t e r 和r a m i n a s i a n 等人【1 8 】第一个提出了单光源的连续可 调滤波器，实验中耦合器两个不同输入端分别连接长啁啾光栅，通过调节光源 的波长，可以线性控制其在光栅中反射点，从而控制了两个反射波的时间延迟。 2 0 0 1 年j m o r a 等人研究了基于阵列激光器的多光源微波光子滤波器，它可以 快速而独立的重构和调节滤波器，但是成本太高 1 9 ；而将光纤光栅( f b g ) 应 用在基于光源切片的微波光子滤波器的方法不仅可以降低成本，而且使得滤波 器具有更多的灵活性【2 0 ；由于微波光子滤波器频率响应的周期性使得它的实 际应用受到了一定的限制，2 0 0 5 年，j c a p m a n y 和j m o r a 等人研究了单频响 的微波光子滤波器，文章中利用光纤马赫一曾德干涉仪分割宽带光源的频谱，经 一5 一 浙江大学硕士学位论文 过光纤色散介质后形成了单个带宽的频率响应【2 1 】。n i n g s iy o u 和r o b e r ta m i n a s i a n 等人提出了基与负系数的低通微波光子滤波器，可以更好的应用于基 带信号的处理 2 2 】；之后，a l a y nl o a y s s a 、j o s ec a p m a n y 等人又提出了基于受 激布里渊散射的复系数的滤波器，使微波光子滤波器的应用更加广泛。j o s e c a p m a n y , b e a t r i zo t r e g a 和d a n i e lp a s t o r 等对微波光子滤波器作了比较系统的综 合研究，不仅从理论上分析了微波光子滤波器的原理，还从实验上研究测试了 其性能参数指标【2 3 1 3 本论文的主要内容 本论文的结构安排如下： 第一章：绪论 主要介绍了微波光子学的发展及优势，以及微波光子学的相关概念及研究 领域，之后介绍了微波光子滤波器的发展历史及其应用，并对其研究现状做了 详细的阐述。 第二章：微波光子滤波器的基本原理及分类 在第二章中，将详细阐述微波光子滤波器的基本原理，根据光源的分类标 准，将微波光子滤波器分为了单光源微波光子滤波器及多光源微波光子滤波器， 分别对这两种滤波器的原理给出了原理解释，并给出了若干设计实例，并且对 基于微波光子滤波器的其他相关概念进行了进一步的阐述。 第三章：基于多光源微波光子滤波器的理论及实验研究 在第三章中，根据多光源微波光子滤波器的原理，分别列举了三种光源微 波光子滤波器进行详细的研究：基于独立激光器阵列的多光源微波光子滤波器、 基于调制器产生多波长的多光源微波光子滤波器及基于宽带光源光谱分割技术 的多光源微波光子滤波器。对于各种滤波器，首先研究其理论原理、进行仿真 模拟，然后阐述具体实验结构，比对实验结果和理论结果，并进行相应分析。 第四章：多光源微波光子滤波器在r o f 系统中的应用 第四章中，首先介绍了r o f 系统的发展概况、基本原理及其优缺点。利用 第三章分析的基于宽带光源光谱分割技术的多光源微波光子滤波器单响应可调 一6 一 浙江大学硕上学位论文 谐的特性，提出将其应用于r o f 系统中进行副载波的解调。文章中给出了实验 结构，并对实验结果进行了分析。 第五章：总结与展望 第五章中，总结了本论文的主要内容，对未来的工作进行了探讨和展望， 并提出了改进意见 一7 一 浙江大学硕上学位论文 2 微波光子滤波器的基本原理及分类 在绪论中，已经简单介绍了微波光子滤波器。在本章中，将会详细介绍微 波光子滤波器的基本原理、相关分类及概念。 2 1 微波光子滤波器的基本原理 如图2 1 所示，微波光子滤波器可分为三个部分：微波信号s ；( t ) 通过光源 直接调制或光电调制器的外部调制实现电光转换，其中光源可以使用单个连续 光源或是独立光源阵列；光学子系统，如光学延迟链路、光纤光栅、耦合器、 放大器等，主要用来处理信号的采样、加权、相加等；接收器用来接收光信号， 如光电探测器，进行光电转换输出微波信号s 。( t ) ，接收器可以是单个接收器或 是阵列接收器。 a ) 露( q ) 图2 1 ：微波光子滤波器的基本结构1 2 3 图2 1 下方的图表示微波光子滤波器的理论模型。事实上，我们希望输入 的射频信号和输出的射频信号能够通过时域上的脉冲响应h ( t ) 或是频域的频 率响应日( q ) 建立一种线性关系。但实际上，这种线性关系只存在于特殊情况 中。首先，射频输入信号s ：( t ) 与光学系统中输入的光场强度e ；( t ) 存在非线性 。 一8 一 = 8 1 t t ? f h t e r 懈佟。s , ) l t 矗( 纷) = h t i r j 6 q - 七r ) ot2 1 3 1 带 上0 浙江大学硕士学位论文 的关系：乞( f ) o c s ( t ) ；类似的，射频输出信号s 。( t ) 与光学系统中输入的光场 强度e 。( t ) 也存在着非线性的关系：( f ) 芘( ( 1 巳( f ) 2 ) ) 。因此射频输入信号s ；( t ) 与s 。( t ) 在一般情况下并不能符合线性关系。根据麦克斯方程的线性特征，我们 只能确定射频信号对应的输入光场强度e ，( 缈) 和输出光场强度e 。佃) 之间保持 线性关系【2 3 】，这种线性关系可以表示为如下： e 。( c o ) = e ，( 国) 见( 国) ( 2 1 ) 其中，i - o ( c 0 1 为光域上的传输函数。 如果我们假设s ；( t ) 与s 。( t ) 之间的线性关系存在( 将在2 2 1 和2 2 2 中 详细介绍两者成线性关系的前提) ，那么在时域上他们满足如下关系： ( ，) = a , s , ( t - r t ) r = 一 s o ( t ) = s j ( f ) 木办( f ) nn 办( f ) = a r 6 ( t - r t ) = h ( n ) 万( t - r t ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 其中，n 为脉冲响应序列中的采样数。 由公式2 4 可知，h ( t ) 可以看作离散时间信号或序列，所以可以利用z 变 换及傅里叶离散时间变换进行分析【3 0 - 3 1 】，例如： z 变换：h ( z ) = h ( n ) z 一“ ( 2 5 ) 月 傅里叶离散时间变换：( q ) = h ( n ) e 一舯r ( 2 6 ) 微波光子滤波器可以用系统差分方程以及相关的系统函数表示，见公式 2 7 ，可见，系统函数可以表示成含有z 的多项式n ( z ) 和d ( z ) 的比值，方程的 根则为滤波器的零值和极值。滤波器的零值和极值决定了滤波器的模及相位响 应【2 3 】。 s o ( t - n t ) = b o s ( f ) + 6 l s ( f 一丁) + + 4 ( ，一胛) 一q ( ，一丁) 一一知o 一 口) 一9 一 浙汀大学硕上学位论文 酢，= 湍i m o ? i z - m = 粥= 等 7 ， 由公式2 5 及2 6 ，滤波器的传输函数在频域上具有周期性，对应频率为 1 丁，称为滤波器的自由频谱范围( f s r ：f r e es p e c t r a lr a n g e ) 。如图2 2 为 微波光子滤波器的典型周期频谱图。对于微波光子滤波器，有特定的参数来定 义它的相关性能，下面是一些具体的参数： ( 一) m s s r 滤波器的非相邻通带的抑制比是通过主峰与二次旁瓣的比值( m s s r ： m a i nt os e c o n d a r ys i d e l o b er a t i o ) 表示的。 ( 二) q 值 对于带通滤波器，其频率选择性是由其通带的3 d b 带宽决定的，我们将其 称为全宽半高值，记作q 删，滤波器的选择性用q 值来衡量，表示如下： q 2 瓦f s = r ( 2 8 ) q 值与滤波器的采样个数n 有关，如果采样个数比较多( 1o ) ，则q 值近 似于n 。研究表明，当q 值为大于3 0 0 0 时【3 2 】，可以形成单响应微波光子滤波 器。 ( 三) f i r 及i i r 根据脉冲响应序列中的采样数n 的个数，滤波器可以分为：有限冲激响应 ( f i r ：f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) 滤波器( 对应于n o o ) 和无限冲激响应( i i r ： i n f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) 滤波器( 对应于b l f f i ) 。 一1 0 浙江大学硕士学位论文 o - 5 - 1 0 5 茄 4 5 4 0 5 d o f 8 r o 36 f l g h ) 图2 2 ：微波光子滤波器的典型周期频谱图【2 3 】 2 2 微波光子滤波器的分类 3 d 日 按照使用光源数目的不同，微波光子滤波器可以分为单光源微波光子滤波 器( s s m p f ：s i n g l e s o u r c em i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e r s ) 和多光源微波光子滤波 器( m s m p f ：m u l t i s o u r c em i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e r s ) f i 一 万( ) ( a ) 单光源形成微波光子滤波器 浙江大学硕士学住论文 n 瞳l s 虹蛳血 吖o p t i c a l y o p t i c a l 0 p t i c 缸 二 曲呷咖鹏2 d e w c t o x - s s o u r c e 圈_ 豳粤广、l 。7p 占( f ) ( b ) 激光器阵列形成微波光子滤波器 a ( o 卜 t ( c ) 相干时问很短的宽带光源形成微波光子滤波器 s l i c e db r o a d睁 一 b a n ds o u r c e 杉叫c a 、i 0 p t i c 缸 d e t e c t o r s ( l i m s l e d 隧曩囊_ 。 四f a ) 。丫- _ _ _ _ 7r 占( ) t w a v e l e n g t h ( d ) 相干时间很短的宽带光源被频谱分割后形成微波光子滤波器 图2 3 ：实现非相干微波光子滤波器的四种可能方法 一1 2 一 l l l 一一皿 浙江大学硕上学位论文 图2 3 列出了用非相干离散时间微波信号光处理的方法实现微波光子滤波 器的四种可能的方法。( a ) 中使用了单光源产生微波光子滤波器，信号调制后， 在光学系统中进行处理，通过光纤延迟等方法，被调制的信号通过各个通道产 生不同时延，再进行叠加；如果使用相干长度很长的窄线宽激光器，系统中的 干涉现象非常严重，在一定程度上限制了f s r 。要提高滤波器的f s r ，可以使用 有一定线宽的单模激光器，如分布反馈式激光器d f b 。另一种提高f s r 的方法 如( b ) ，使用激光器阵列，每个激光器都被同一个射频信号调制后进行延迟加 权处理，每一个激光器产生的光信号形成一路或有限路抽头。在第一种情况中， 由于各路信号中不存在相位相关，相干时间可近似看为o ，即对于最小延迟时 间和最大f s r 没有限制；在第二种情况中，如果相邻的两信道是来自不同的激 光器，则相干问题可以避免，但来自同一个光源的两个连续采样时间间隔需要 远远大于光源的相干时间。( c ) 中是利用宽谱光源构成微波光子滤波器：宽谱 光源具有低相干时间的特点，每一路载波都具有宽谱光源的全部光谱成分。由 于宽谱光源的线宽很宽，每一路采样的相干长度近似为0 ，所以对于最小延迟 时间和最大f s r 没有限制。但如果延迟是使用色散器件实现的，每一路采样的 载波都是宽谱光源，延迟的实际时间不仅受到色散介质的一阶色散的影响，还 会受到二阶色散的影响，从而导致滤波器的传输函数上出现低通包络，影响滤 波器的性能。( d ) 图中，也使用的是宽带光谱，和( c ) 不同的是，此宽带光源 进行了光谱分割的处理。所以每一个抽头实际是被分割的宽谱光源一个部分， 相当于多个子光源产生的微波光子滤波器。如果宽谱光源光谱足够宽，系统对 于f s r 也没有限制【3 4 】。 2 2 1 单光源微波光子滤波器 单光源光子滤波器是使用一个光源形成的微波光子滤波器。根据采样数的 不同，单光源光子滤波器又可以分为有限冲激响应的单光源微波光子滤波器 ( f i r s s m p f ) 和无限冲激响应的单光源微波光子滤波器( i i r s s m p f ) ，如图 2 4 ，2 5 所示。光源输出的光场强度为：口( f ) = p 州呦，其中，厶代表光 强，廖代表光源的相位抖动，o 。为光源的中心频率。光载波被射频输入信 号s ；( t ) 调制后，可以经过不同的延迟及加权处理。 一13 江 碗学位论文 豆融，一”。竺旦 d d a y c d w a 由c d t o m l c de i g r l d 图2d 有限冲教咱应的单光撺微放光子璁渡暑【2 弼 如图2q 是有限冲激响应的单光源微波光子蘸渡垂，带有射频信号的光载 波被耦合器分成7n 路，每一路进行加权和延迟的处理，例如耦合器的第j 路 输出经过加权系数为i 的衰减放大器以及( j 一1 ) t 长的延迟线后，然后n 路 信号又通过另一个对称的耦台器叠加干涉成一路，用光电探测器接收后恢复出 经过不同延时和叠加处理后的射额信号s 。( t ) 。 r f h 刚t i * d d e l a y e d w n 血e d o )”c z m q 咄q f 皿 i 面e j ”枷! d d q d w q 茸t d o p h a i l l g r _ h 圈25 ：无限冲璇响应的单光豫微玻光子穗我器【2 3 】 如圈25 为无限冲激响应的单光豫微敢光子漶渡器。如图25 的结构是基 一1 4 一 l 一一 生警燕j鼢 灞 、 浙江大学硕上学位论文 于单个光纤环延迟线形成的微波光子滤波器，把耦合器的一个输出端和输入端 相连即构成了光纤环延迟线。光信号每经过一次环形器就产生t 的延迟，理论 上说，光信号会无限次经过光纤环形器，所以采样数接近无限。 上述两种结构中，输出光强都可以表示为公式2 9 【2 3 】： e o ( f ) ：订艺【口，( f 一，丁) 弦( ”，删嗍 ( 2 9 ) 所以光电探测器的电流可以表示为：( 假设光电探测器的响应度为r ) i o ( t ) = ，( 1 e ( f ) 1 2 ) = _ n - l 川i ( 阳丁) + 一n - 1 n - i 厄西耳丽而；r ( ( ，一s ) 丁) 2 圳 r 表示光源的相干性，我们假设光源的各个形态过程中都存在相位抖动现 象，那么 i ( r - s ) t i r ( ( r - s ) t ) o ce ( 2 1 1 ) 其中l o b = l 以l ，是光源的相干时间，它和连续光源的线宽v 成反比。 由公式2 10 可以看出，输出电流由两部分组成：非相干部分和相干部分。 非相干部分中，输出的电流是和输入的射频信号成线性关系的，而相干部分中， 这种线性关系取决于光源的相干性。 如果光源的相干时间远远小于滤波器的延迟时间，即t c o h t ，那 么公式2 1 1 可表示为： r ( ( s - r ) t 、= e j “o r ( 2 1 3 ) 所以2 10 可以写成： n - in - iniv-i 一1 ，_ - _ _ - _ _ - _ _ - 一 l ( f ) = 防h ( t - ，丁) + 口，蠢墨( f r 丁) 薯( f s r 弦脚一7 ( 2 1 4 ) 可以从公式上看出，输出的射频信号是由被调制后的射频信号经过加权、 延时、相加后得到的，合并项很容易受到光源相位变化的影响。虽然相干滤波 器最终可以得到负的总加权系数，但是滤波器的性能将大大受到环境的影响， 这个致命的缺点导致其实用性不强。 2 2 2 多光源微波光子滤波器 对于多光源微波光子滤波器来说，连续激光阵列耦合后同时被射频输入信 号s ；( t ) 调制。光源阵列可以是独立激光器阵列、低成本的法布里珀罗激光器、 或者是宽带光源被周期滤波器分割后的梳状阵列等无论使用哪种类型的多光 源，光信号在被射频信号调制之前的光强度为： e ( ，) ：n - | 不胞哪) ) ( 2 1 5 ) 其中，i ，为光强，| ) ，为光源的中心频率，p ，俐为第r 个光源的相位抖 动。每个光源都完成对滤波器的采样，通过色散延迟线，如色散光纤、线性啁 啾布拉格光纤光栅等形成采样，使得光源阵列的相邻波长的延迟时间为t 。多 种技术可以实现采样窗口。如果光源是独立的激光阵列，那么可以通过调节每 个激光器的功率来调节采样窗i ：i ；如果光源是基于宽带光谱分割的，那么就比 较复杂，可以对光谱进行波长解复用，然后再对每路光进行单独的衰减、放大 后合路。图2 6 及2 7 说明了两类不同的多光源微波光子滤波器。 一1 6 图26 基于教光嚣阵列的有限冲教响应多光琢截渡光于德波器 2 3 】 圉27 基于览带光谱分割的有限冲澈响应多光源傲玻光子滤波器【2 3 】 多路信号经过加权、相加后的输出电场为： 州 e ( ，) = h ( f _ ) 】p ”“” ( 216 冈 假设光电探测器的响应度为r ，则其输出电流可以表示为 = r ( 毗) 陪r 艺 龇o w ) + ，窆兰面赢j 亓i 而 叫一”一一一( e m m 一“) = ，艺 川s “一们 由于不同光源之间通常是非相关的，其相位抖动也可视为非相关的，所以 公式2 17 的第二项可以看为o 。在这种情况下，输入射频信号和输出射额信号 一1 7 一 浙江大学硕士学位论文 之间呈线性关系 2 3 】。 2 2 3 微波光子滤波器其他相关概念 2 2 3 1 相干性 如果不同采样的光信号经历不同时延后，在光电探测器前端存在相位关系， 称为两路信道具有相干性，相干性会导致光信号在光电探测器中恢复出的电流 项中出现干涉项。相干的情况只会在使用单个光源时产生，并且光源的相干时 间远远大于相邻采样抽头的延迟时间。在相干范围内，各路的采样信号的光相 位在时域和频域上会较大程度地影响信号处理的质量。由于这种滤波器的操作 受到光信号的相干性的影响，光处理器的任何一个小小的变动就会影响滤波器 的性能，如：延迟线的长度，光传输介质的折射率的影响等，这对外界环境的 稳定性提出了很大的要求【3 5 】。 如果不同采样的光信号经历不同时延后，在光电探测器前端不存在规律的 相位关系，即相位关系为随机状态，则称为信道间的非相关性。若使用单个光 源时，则要求单个光源的相干时间远远小于相邻采样抽头的延迟时间。信号之 间没有干涉现象，所以光电探测器之前的光强为每路信号的光强之和，不含拍 频项。这种情况下，滤波器的结构不受环境的影响，性能比较稳定。但这种情 况下通常只能形成正系数的微波光子滤波器，这使得其应用受到了较大的限制。 但目前，已经有很多研究集中在了如何在非相关情况下产生负系数的微波光子 滤波器【3 6 】。 2 2 3 2 可调性 微波光子滤波器的可调性是指频率响应的通带位置可以通过系统参数的改 变来调节，使得微波光子滤波更具有灵活性。对于频谱响应上具有周期性的滤 波器而言，可以通过改变采样时问来改变系统的f s r ，从而改变通带位置，具 体的调节方案可因系统不同而异。 2 2 3 3 可重构性 一1 8 浙江大学硕士学位论文 可调性和可重构性的差别在于：可调性通常指的是滤波器自由频谱范围( 即 f s r ) 的改变；而可重构性通常指滤波器频谱响应的形状的改变。 微波光子滤波器的可重构性可以通过改变滤波器的抽头数量及其相关系数 来实现。滤波器的窗口函数( 窗函数是指在信号处理中，除在给定区间之外取 值均为0 的实函数) 、各个抽头的权重等是影响滤波器频率响应的很重要的因 素。例如，通过改变每个信号抽头的相对功率来改变滤波器的窗函数；可以改 变