【《微波光子滤波器的研究概述》2400字】

微波光子滤波器的研究概述2005年，加拿大渥太华大学的JunWang等人利用Sagnac环对不同频率的光的强度响应不一样这一特殊特性，通过控制输入的载波光束的频率，使输入光信号处于不同的调制点。在不同的调制点，调制强度的斜率或为负，或为正。利用射频信号对于相位调制器的控制，微小的改变载波光束的频率，不同调制点的调制信号相位差为，实现频谱的滤波[44]。但该设计由于需要精确对应不同强度增益的调制点。2008年，加拿大渥太华大学的Wang等人利用偏振控制器调节激光器的输入光束的偏振方向[45]，使载波光束的偏振方向与偏振光调制器的主轴方向成或，通过偏振光调制器对于不同偏振方向的相位调制，基于傅里叶变换的原理，实现多光束的干涉滤波。再通过接入的偏振片进行载波信号的强度控制，实现滤波函数的调节。针对滤波器的可调谐性，通过引入复数滤波系数是实现滤波器函数频移的有效方法。2006年，A.Loayssa等人借助于布里渊散射的相位调节特性实现了滤波器的可调谐性[46]，该系统可以通过外加电场的控制实现任意位相延时，带宽可达50GHz。受激布里渊散射（SBS）由于其窄的增益线宽而被广泛应用于滤波器系统，然而实现中心频带的可调谐性需要一个额外的本振扫描信号，使系统可调的带宽有限，而且调谐速度也受本振信号的限制。图1-14多参数可调微波光子学滤波系统[48]Fig.1-14Multi-parametertunablemicrowavephotonicfilteringsystem[48]2012年，V.R.Supradeepa等人通过改变本振光频率实现了对滤波函数通带带宽的重构，可调谐范围为170MHz-360MHz[47]。考虑到微波光子滤波器在实际应用中的需求，单纯实现某一物理量的可调谐可重构性并无太大意义，如何在一个系统中实现对滤波函数的综合调节是国内外学者的研究热点。在这方面，V.R.Supradeepa团队利用频率梳整形和调制、色散技术实现了40ns内多参数可调谐的微波光子学滤波器[48]，如图1-14所示，该系统用到了频谱整形、四波混频等非线性机制，整个系统包含很多光纤元件使得系统昂贵不具备实用价值。2012年，比利时根特大学的WimBogaerts等人深入研究了基于硅基微环谐振腔实现光子滤波器的设计[49]，如图1-15所示。他们研究微环谐振器的基本理论，并将其应用于亚微米量级硅基纳米线波导的特性：小尺寸、紧弯曲半径、对微扰的敏感性和制造工艺条件。通过理论分析与定量的实验测量相比较。讨论了硅基微环谐振器的应用，即光子滤波器和光学延迟线，生物传感器，高效调制器等。他们将微环谐振腔组合成不同的模式类型，包括串联、并联级联等结构，实现光子滤波器的设计。不同的微环-波导耦合结构会产生不同的耦合效率，通过控制耦合效率可以实现输出性能的调谐。在实验结果显示通过多个微环谐振腔的叠加设计，提高了光子滤波器响应频谱的平顶特性和了带外抑制。图1-15微环谐振腔串行耦合光子滤波器[49]。Fig.1-15PhotonicFilterBasedonSerialCoupledMicroringResonator[49].2017年，圣安娜高等师范学院的TommasoCassese提出了一种基于石墨烯-硅微环滤波器的结构[50]，如图1-16所示。基于环形波导顶部的硅-二氧化硅-石墨烯（SOG）电容结构，通过电压驱动石墨烯光吸收的变化，实验演示了电压驱动滤波器带宽的变化。2017年，北京大学的XiaoqiZhu提出并实现了一种基于光学频率梳(OFC)的新型微波光子滤波器，该滤波器可以实现任意形状的线性相位响应滤波[51]，如图1-17所示。利用有限脉冲响应(FIR)滤波器设计方法，对滤波器的响应形状进行软件编程。利用可编程的整形器对OFC频谱进行整形，可以实现FIR抽头的设计幅值。FIR抽头的正负号是通过平衡光检测实现的。采用双边带(DSB)调制和滤波器抽头的对称分布来保持线性相位条件。在实验中实现了一个从DC到13.88GHz的全可编程滤波器。产生了四种基本类型的滤波器(低通、高通、带通和带阻)，它们具有不同的带宽、截止频率和中心频率。图1-16（a）SOG电容波导原理图，（b）实验装置的俯视图。灰色的形状是硅波导，深灰色是高度掺的硅，绿色是石墨烯，黄色是电极[50]Fig.1-16(a)SchematicoftheSOGcapacitorwaveguide.(b)Topviewoftheproposeddevice.Grayshapesaresiliconwaveguides,darkgrayisthehighlyp-dopedsiliconslab,greenisgraphene,andyellowmarksthecontacts[50]图1-17基于光学频率梳(OFC)的新型微波光子滤波器[51]Fig.1-17ThenovelmicrowavephotonicfilterbasedonOFC[51]2019年，澳大利亚悉尼大学的YiweiXie对片上受激布里渊散射的微波光子滤波器提出了改进，改善了布里渊增益过程引起的放大噪声[52]。在实验中，对芯片布里渊滤波器的关键性能指标进行了实验研究和数值分析，包括链路增益、噪声系数、通带分辨率、带宽可调谐性和通带消光。同年，东南大学的JingLi研究了具有光学相位调制的陷波环谐振器可以实现可调谐带通微波光子滤波器。通过使用双光载流子，减小环形谐振器在频谱阻带外射频诱发的残留相位，从而大大提高了微波光子滤波器的带外抑制率和矩形系数。与单光载波方法相比，该滤波器的带外抑制率从17.7dB提高到31.5dB，滤波器的形状因子从3.05提高到1.78。此外，滤波器的频率和带宽可以通过改变两个光载波的波长和环形谐振器的耦合系数来调整。实现了一种频率调谐范围为2~14GHz,3dB带宽调谐范围为0.673~2.798GHz的可调谐带通微波光子滤波器。2019年，加拿大麦吉尔大学的RezaMaram提出了一种基于时间塔尔博特效应的离散可编程微波光子滤波器[53]。通过电光强度调制的光脉冲序列对微波信号进行均匀采样。然后将采样的光脉冲定向到基于塔尔博特的光信号处理器，该处理器由电光时序相位调制器和色散线组成，如图1-18所示。基于塔尔博特的微波光子滤波器利用塔尔博特自成像效应的固有特性来缓解光脉冲之间的脉冲强度波动，以传输一些波动频率，并缓解或阻断其他微波频谱成分。最后由处理后的光脉冲重建输出的微波信号，并由网络分析仪测量合成的射频响应。该滤波器具有周期性的、对称的通带，其中心频率和自由频谱范围由采样率和色散值定义。通过调整相位调制器的调制功能，即不需要手动调整光学元件，滤波器通带可以通过电信号进行调节，具有快速调谐滤波器的频谱响应的潜力。图1-18不同采样脉冲宽度下微波光子滤波器的频率响应[53]Fig.1-18Measuredfrequencyresponseofmicrowavephotonicfilterforseveralsamplingpulsewidths[53]2020年，耶鲁大学的ShaiGertler演示了基于全硅波导的射频光子滤波器[54]，其光谱分辨率比以前的硅光子滤波器的分辨率提高了100倍。其原理是基于布里渊相互作用来获取超长寿命的声子，大大延长了在光子在硅波导中的相干时间。这种基于布里渊的光学机械系统能够实现3.5MHz