微波光子滤波技术_图文

1、1引言微波光子技术1是伴随着半导体激光器、集成光学、光纤波导光学和微波单片集成电路的发展而产生的一种新兴技术,是微波和光子技术结合的产物,它在射频(RF信号的产生、传输和处理等方面具有潜在的应用前景。由于射频信号的光滤波技术具有可实现宽带可调谐滤波的功能,因而能够克服电子瓶颈、滤除强干扰信号等优势。现阶段国内外实验成功且已经取得很大进展的微波光子滤波器Q 值可以达到9832,带宽可以低到只有0.32MHz 3,边模抑制比可以高于40dB 4,调谐范围可以从34.1MHz 调谐到34.1GHz 5。由此可见全光可调谐滤波器等技术在通信等诸多领域具有重要的潜在应用价值。现在已通过在系统中引入全光滤

2、波技术,突破了电子瓶颈的限制,滤除了混频器中的噪声3,有望提高接受机的性能。影响和限制光子滤波器性能的因素很多,比如线形度和动态范围、源的相干性、极化特性、正系数、FSR 、噪声、可重构性和可调谐性,现在,微波光子滤波器的关键问题在于可调谐和负抽头的实现,因此本文着重以横向滤波器为例讨论可调谐和负抽头这两个方面的问题。微波光子滤波技术Microwave Photonic Filter Technology刘崇正1,2陈建国1周涛21四川大学电子信息学院,四川成都6100652信息综合控制国家重点实验室,四川成都61003!"6Liu Chongzheng 1,2Chen Jiangu

3、o 1Zhou Tao 21School of Electronic Information,University of Sichuan National,Chengdu Sichuan 610065,China 2National Information Control Laboratory,Chengdu Sichuan 610036,Chin !"a摘要微波光子滤波器(MPF是在光域内实现对微波/射频(RF信号进行滤波的器件。由于微波光子滤波器在射频系统中具有带宽大、快速可调谐、可重构、无电磁干扰(EMI、低损耗和重量轻等优点,因而这一类器件已经引起了越来越多的人们的兴趣。在概

4、述微波光子滤波器基本原理基础上,分别介绍了现阶段对微波光子滤波器可调谐性、负抽头等问题基本方法的实现,并简要比较了不同方法的优缺点。最后展望了微波光子滤波技术的发展方向和技术难点。关键词微波光子学;滤波器;可调谐;可重构;负抽头AbstractMicrowave photonic filter (MPFcan filter microwave and radio frequency (RFsignals directly in optical domain.Because of the advantages such as wide bandwidth,fast tunability,immu

5、nity to electromagnetic interference (EMI,low loss and light weight and so on,microwave photonic filters have attracted much attension.After a brief summarization on the basic principle of microwave photonic filter,we several methods used to obtain the tunability,negative tap,etc,for the microwave p

6、hotonic filter are introduced.Also the advantages and disadvantages of these methods are listed.Finally,the prospects and the difficulties of the technique are discussed.Key words microwave photonics ;filter ;tunability ;reconfigurability ;negative tap 中图分类号:TN62doi :10.3788/LOP20084510.0032 2基本原理图1

7、为使用单光源获得N 个抽头的微波光子横向滤波器3,6原理图。利用多光源来实现的原理也大致相同。光载波expjw +f (t (w 为载波频率,f (t 为相位被射频信号S RF (t 所调制,调制后的信号经过耦合器分为N 路,利用色散机制对1,2,N 路信号提供T ,2T ,NT 的时间延迟后,经过N 路抽头而获不同时间延迟的信号由输出端的耦合器合并后得到最终的输出。探测器之前的光信号可表示为图1微波光子滤波器的基本结构式中Dn 为光源线宽,它是光源相干时间t coh 的倒数。(2式的第一项为非相干项对光电流的贡献,第二项为相干部分的贡献。如果要滤波器工作在非相干条件下,只需光源的相干时间t

8、coh 远远小于基本延迟时间差T ,此时(即非相干条件下光电流的表达式为I 0(t =R Nm =0a m S RF (t -mT ,(4于是,从(4式中可以得到滤波器的冲击响应为:h (t =Nm =0a m d (t -mT ,(5对(5式作傅里叶变换,最终可以得到传输函数电频率响应的表达式为h (W =Nm =0a m exp(-j m W T .(6从(6式可以看出,滤波器的性能由滤波器级数N (实现Q 值和带宽的改变、加权系数a m (实现重构,滤波器的形状系数的改变,通过使用衰减器可以容易实现以及延迟时间T (实现中心频率和FSR 改变决定。2.1可调谐性的实现实现可调谐的重要思路

9、之一为:通过改变滤波器的结构参数或者外界所施加的物理参数的方法改变延迟时间,从而使滤波器的中心频率变化或自由光谱范围变化,进而实现可调谐。目前,改变延迟时间的技术主要有:1直接改变光程来改变延迟时间,现阶段主要有两种方法:(a使用控制传输路径的开关(延迟线开关7,8方法,通过使用空间光开关的方法来为光信号选择不同的路径,使之获得不同的基本传输延迟。图2所示为一个开关色散矩阵的延迟单元示意图,由于光信号通过不同的色散介质的时间不同,可以通过选择光开关来选择色散介质的方法控制延迟时间,这样就达到了可调谐的功能。目前这种方法实验调谐范围最高可以从8.07GHz 调谐到9.22GHz ;(b使用可调谐

10、光纤延迟线的方法,利用可调谐光纤延迟线直接改变光信号传输路径的长度,这样提供了不同的传输延迟,可以持续调谐。D.Chen 等9通过调谐可调谐光纤延迟线120mm ,其中心频率的改变量便可以覆盖微波器的自由频程约7.1MHz 。现在商用的可调谐光纤线可调精度达到3m(约为15fs,可调范围168mm ,可以满足滤波器可调谐的需求。该技术实现方法比较简单,实现的调谐过程简便,但该技术的调谐功能往往需要引入特殊的器件,E 0(t =Nm =0a m S RF (t -mT 1/2expjw(t -mT +f (t -mT ,(1式中a m 为第m 个抽头的权重。由式(1可以得到在微波光子滤波器的输出

11、端探测到的光电流为I 0(t =R |E 0(t |2=R Nm =0a m S RF (t -mT +R Nm =0n ma m S RF (t -mT 1/2×a n S RF (t -nT 1/2expjw(n -m T +f (t -mT -f (t -nT ,(2式中R 为探测器的响应度,符号代表对时间取平均。借助于互相干函数运算,(2式中对时间求平均的项(记作G mn 有G mn exp-|(m -n T |/t coh =exp-Dn|(m -n T |,(3这样使系统的复杂度提高,器件的要求以及成本相应也就提高了。2波长可调谐光源结合光色散介质,如标准的光纤、高色散光

12、纤3使用可调谐的色散器件。通过使用激励源作用在色散介质上以改变色散介质的色散3。固定的光源和新颖的可调谐色散介质2023结合能提供持续的可调谐,但是在时间和改变色散的准确性上不容易控制。典型的结构如图5所示,其中的可调谐延迟器件可调谐色散器件是一个由磁性材料控制的啁啾光栅组成的,磁性材料的磁场通过给一段螺线管加电流而产生并控制。一个5cm长的光纤光栅固定到一个磁致伸缩棒上然后放到一段磁性螺线管里。磁致伸缩介质的长度与所加电流而形成的磁场大小成一定的比例关系,因此当不同的电流加在螺线管上时,光纤光图2开关色散矩阵示意图图3典型的多波长可调谐光源结合光纤光栅的结构图图4分割宽带光源结合单模光纤的结

13、构图5典型的调谐可控的FBG 栅会表现出不同的色散。这样通过控制电流便可以控制光栅的色散,从而得到不同的延迟时间进而实现可调谐的功能。通过改变磁场这种可调谐色散器件的延迟时间和波长的比值可以在300900ps/nm之间变化。如图5所示使用电光调制器使射频信号调制到多个光载波上,然后通过受磁场控制的光纤布拉格光栅使不同的光信号得到不同的延迟。目前使用可调谐色散介质的方法得到的调谐范围可以达到1GHz。2.2负抽头的实现非相干的微波光子滤波器一般只能实现正抽头,这对于滤波器的应用不利。因为传统正系数的全光滤波器只能实现低通的滤波功能,而且其滤波形状受到极大的限制,滤波效果往往不太理想,所以负抽头对

14、全光滤波器来说一直都是设计中的热点问题。这方面的研究在20世纪80年代就已经展开,但在最近才获得重大的进展。为了解决此限制,目前所采用的主要方法有以下4种:1初期的负抽头实现的出发点基本是以光电结合的方式进行的,称为差分探测24。图6是其工作原理示意图。将抽头分为两部分,一部分用来实现正抽头,一部分用来实现负抽头。这两部分光信号分别被输入到两个光探测器中,然后在两个光探测器上将光信号转换成电信号,最后在电域中执行电信号相减运算,实现两路信号在相位上相差,所以可以分别得到正负抽头。这种实现方法缺陷很明显,负抽头是通过电子设备实现的,所以滤波性能受到电子设备的性能和有源设备带来额外的噪声影响以及这

15、种结构很难重构,而且,器件价格也比较昂贵。2利用半导体光放大器(SOA的非线性来实现负抽头。这种方法利用了SOA交叉增益调制和交叉相位调制波长转换的非线性现象获得了相位变换25,26。图7显示了其交叉增益调制的实现原理图。被调制的光信号l1通过分路器分为两路,其中一路和由另外一个激光器发出的光l2同时经过SOA,由于SOA随着光强度增加而增益饱和,所以波长l1的光信号强度反过来调制SOA的增益,注入的波长为l2光信号又会被调制后的增益所调制,这样l2得到了l1上相位反转后的强度变化信号,因此实现了负系数。这种结构比较复杂,很难实现可重构性能和多抽头结构,在光域里的相位反转受到SOA转换带宽的限

16、制,另外存在的一个问题就是SOA对偏振很敏感。3基于利用光栅分割宽带光源加多个可调光的结构实现负抽头。这种结构通过利用光栅组切割宽带光源,使其在一定波长出现光功率的凹槽,再加上多个可调激光器使其出现光功率的峰值,合成的光源经过延迟线,实现负抽头。图8给出了实现结构原理图,这个结构是由可调谐激光器和掺铒光纤放大器(EDFA组成的光源,两个光源发出的光信号通过耦合器合并后经过电光调制器被射频信号所调制,再通过一定长度的光纤后被光波分析仪(LCA所接受。这样两个抽头的射频滤波器就形成了。图8里嵌入的图是由光谱分析仪(OSA探测得到的输入进电光调制器的光功率相对于EDFA光功率的比值图,可以看到在图6

17、差分探测技术实现负抽头图7基于SOA非线性效应的负抽头实现结构图光栅反射波长那里有个凹槽,这样直接在光域就提供了相位反转,也就是说实现了负抽头。这种结构的优点是不受宽带的限制、滤波器可以重构、偏振不敏感。缺陷是在低频总是存在直流信号,由于受到光源数量的限制,很难实现多抽头。4利用电光调制器的传输函数正负斜率线性部分实现反相位调制来实现负抽头27,28。这种方法里有两种方式可实现负抽头,第一种方式为一个波长两个偏置点,如图927所示为固定波长下输出光功率随着电压变化的曲线。从图中可以看出,将两个调制器的偏置点分别设在V bias1和V bias2,然后通过这两个调制器使用相同的RF信号去调制光信

18、号,因为两个偏置点都是线性偏置点,而且相位相差,这样从调制器出来后,两路的RF信号就有了的相位差,也就相当于实现了负抽头的设计。第二种方式为两个波长一个偏置点28,如图10所示,如果将偏置点电压设在V bias,则两个波长所载的RF信号能够实现相位差。另外对于可重构性的问题,由于传输函数的幅度响应形状只决定于系数,为了实现重构,就要改变滤波器的形状系数3,6,29。实践中,可以通过调整光源的功率,或者通过控制抽头光路中光波的衰减或者增益,等方法来改变形状系数30,31。3结论与展望综上所述,微波光子滤波器的可调谐性的实现,使用直接改变光程的方法虽然简单,但是调谐的过程比较复杂,需要特殊器件的引入,而使用可调谐的色散器件方法,调谐速度会受器件的影响,速度往往不太理想。相对于前两种方法,使用波长可调谐光源结合色散介质虽然结构比较复杂但是它是一种比较理想的实现可调谐的方法。对于滤波器负抽头的实现,利用电光调制器的传输函数斜率线性部分来实现负抽头相对于其他方法是最新也是最好的方法,对于研究和发展微波光子滤波器具有重要的参考意义。综合来看,微波光子滤波器的主要研究重点将是:发展更简洁的技术获得负系数和复系数滤波