一种基于受激布里渊散射效应的微波光子滤波器

摘要

本发明属于微波光子学技术领域，提供一种基于受激布里渊散射效应的微波光子滤波器，用以解决现有微波光子滤波器受到受激布里渊散射增益饱和效应的影响而输入动态范围较低的问题。本发明包括激光源CW、任意波形发生器AWG、双平行马赫曾德尔调制器DPMZM、掺铒光纤放大器EDFA、光环形器OC、可调谐激光源TLS、相位调制器PM、信号源SG、光隔离器ISO、高非线性光纤HNLF、光电探测器PD，在高非线性光纤内，通过泵浦光激发的受激布里渊损耗谱对相位调制产生的下光边带进行处理，而非增益谱，避免了受激布里渊增益饱和效应的影响，使得微波光子滤波器具有大的输入动态范围；此外，滤波器还具有很好的调谐和通带重构特性。

说明书

技术领域

本发明属于微波光子学技术领域，具体提供一种基于受激布里渊散射效应的微波光子滤波器。

背景技术

在通信系统中，传输信号的质量通常会受到通信系统内各种噪声和杂散信号的影响；为了获得高质量的信号，需要消除或抑制通信系统内的噪声和杂散信号，进而提高信号的频谱纯度；为了达到这一目的，通常会使用滤波器对信号进行处理。然而，传统的微波滤波器受限于电子瓶颈，难以在高频段实现调谐和通带重构。

微波光子学是一门微波技术与光子学技术相融合的新兴交叉学科，主要研究微波与光的相互作用，具体研究如何通过光学方法来生成、传输和处理微波信号；微波光子学可克服传统微波技术在处理速度和传输带宽等方面的电子瓶颈，具有工作频段宽、传输带宽大、传输损耗小、无电磁干扰等优势。微波光子滤波器是微波光子学发展过程中的重要产物之一，被用于在RF链路和系统中承担与传统微波滤波器相同的工作任务，并解决传统微波滤波器面临的电子瓶颈。在传统微波滤波器中，来自射频源或天线的射频信号被注入到一个射频电路中进行处理；而在微波光子滤波器中，射频信号首先被加载至光载波上，紧接着在光域内通过光学手段进行滤波处理。

由此可见，作为一种微波光子系统，微波光子滤波器除了具有上述微波光子学的优势外，还能克服传统微波滤波器所面临的电子瓶颈，能够高频段在实现大的调谐范围以及通带重构。在众多微波光子滤波器中，基于受激布里渊散射效应的微波光子滤波器因其在调谐和通带重构方面更具有灵活性成为研究的热点；而现有基于受激布里渊散射效应的微波光子滤波器大多会受到受激布里渊散射增益饱和效应的影响，使得微波光子滤波器的输入动态范围较低，面对具有大动态范围的信号时，会使得信号产生失真。

发明内容

本发明的目的在于针对现有基于受激布里渊散射效应的微波光子滤波器受到受激布里渊散射增益饱和效应的影响而输入动态范围较低的问题，提供一种基于受激布里渊散射效应的微波光子滤波器；本发明中微波光子滤波器使用布里渊损耗谱(而非增益谱)对相位调制器输出的光边带进行处理，避免了受激布里渊散射增益饱和效应的影响，进而有效提高器件的输入动态范围。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于受激布里渊散射效应的微波光子滤波器，包括：激光源CW(1)、任意波形发生器AWG(2)、双平行马赫曾德尔调制器DPMZM(3)、掺铒光纤放大器EDFA(4)、光环形器OC(5)、可调谐激光源TLS(6)、相位调制器PM(7)、信号源SG(8)、光隔离器ISO(9)、高非线性光纤HNLF(10)、光电探测器PD(11)；其特征在于：

激光源CW(1)发出的光进入双平行马赫曾德尔调制器DPMZM(3)，双平行马赫曾德尔调制器DPMZM(3)在任意波形发生器AWG(2)发出的电频梳调制下输出光频梳，输出的光频梳被掺铒光纤放大器EDFA(4)放大后作为泵浦光进入高非线性光纤HNLF(10)、产生受激布里渊散射效应，激发出布里渊损耗谱对高非线性光纤HNLF(10)中的反向传输光进行衰减；

可调谐激光源TLS(6)发出光载波进入相位调制器PM(7)，信号源SG(8)发出微波信号对相位调制器PM(7)内的光载波进行调制，光载波在小信号调制下将产生上、下两个光边带；光载波与两个光边带作为反向传输光，经过光隔离器ISO(9)在高非线性光纤HNLF(10)内经受激布里渊衰减后，通过光环形器OC(5)到达光电探测器PD(11)进行光电转换，光电探测器PD(11)输出电信号。

进一步的，所述微波光子滤波器的频率响应函数为：

其中，H(f

进一步的，通过使用布里渊损耗谱而非增益谱对相位调制光边带进行衰减处理，这种处理方式可以避免受激布里渊散射增益饱和效应的影响，进而增大该滤波器的输入动态范围。

进一步的，光隔离器ISO(9)用于消除从高非线性光纤HNLF(10)中输出的泵浦光，以避免对可调谐激光源TLS(6)的影响。

进一步的，高非线性光纤HNLF(10)被用作激发受激布里渊散射效应的介质，其长度可选为1～10km，适当增加其长度可以降低产生受激布里渊散射效应的阈值。

进一步的，通过调节任意波形发生器AWG(2)的输出信号，改变泵浦光频梳，从而改变布里渊损耗谱，最终实现滤波器通带的重构。

进一步的，通过调节可调谐激光源TLS(6)输出的光载波频率，进而实现滤波器通带中心频率的调谐。

从工作原理上讲：

本发明提供一种基于受激布里渊散射效应的微波光子滤波器，由激光源CW输出的光场E

E

式中，E

双平行马赫曾德尔调制器由三个马赫曾德尔调制器组成，在一个母马赫曾德尔调制器MZM-γ的两条干涉臂上分别存在一个子马赫曾德尔调制器MZM-α和MZM-β，双平行马赫曾德尔调制器的传递函数为：

式中，V

当MZM-α和MZM-β偏置在最低功率传输点，并加载频率和幅值相同、相位差为π/2的射频信号，即V

当V

通过上式可以看到，激光源CW输出的光通过双平行马赫曾德尔调制器后，光的频率发生下移，频移量为所加载射频信号的频率大小。

当任意波形发生器发出电频梳

上式表达的光场为光频梳，光频梳经过掺铒光纤放大器放大后作为泵浦光进入高非线性光纤，用于激发布里渊损耗谱；在光频梳作用下损耗谱的传输函数可表示为：

式中，Γ

由可调谐激光源TLS发出的光载波输入到相位调制器内，信号源输出的低功率射频信号V

E

式中，E

则输出光场可表示为：

式中，J

光载波和上、下两个光边带输入高非线性光纤，在高非线性光线内，下光边带的强度受到布里渊损耗效应的影响，则在光电探测器上检测到的光场为：

在光电探测器上，光载波和上下两个光边带进行光电转换，输出的射频信号为：

式中，R代表光电探测器的响应度；

因此，该微波光子滤波器的频率响应函数为：

由微波光子滤波器的频率响应函数可得，当f

由前面的分析可以看到，本发明中微波光子滤波器的通带形状取决于布里渊损耗谱的形状，而布里渊损耗谱可以通过调整任意波形发生器的输出来改变，因此可通过改变任意波形发生器的输出实现滤波器通带的重构。由微波光子滤波器的频率响应函数可以看出，通带的中心频率取决于f

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种基于受激布里渊散射效应的微波光子滤波器，在高非线性光纤内，通过泵浦光激发的受激布里渊损耗谱对相位调制产生的下光边带进行处理，而非增益谱，避免了受激布里渊增益饱和效应的影响，使得微波光子滤波器具有大的输入动态范围；此外，该滤波器还具有很好的调谐和通带重构特性。

附图说明

图1为本发明提供的基于受激布里渊散射效应的微波光子滤波器的结构示意图。

图2为本发明提供的基于受激布里渊散射效应的微波光子滤波器中相位-强度调制转换原理示意图。

图3为本发明提供的基于受激布里渊散射效应的微波光子滤波器中光频梳生成结构的示意图。

图4为本发明提供的基于受激布里渊散射效应的微波光子滤波器中生成的光频梳光谱图。

图5为本发明提供的基于受激布里渊散射效应的微波光子滤波器与传统微波光子滤波器中相位调制产生的下光边带在各个功率时的频率响应曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本实施例提供一种基于受激布里渊散射效应的微波光子滤波器，其结构如图1所示，具体包括：激光源CW(1)、任意波形发生器AWG(2)、双平行马赫曾德尔调制器DPMZM(3)、掺铒光纤放大器EDFA(4)、光环形器OC(5)、可调谐激光源TLS(6)、相位调制器PM(7)、信号源SG(8)、光隔离器ISO(9)、高非线性光纤HNLF(10)、光电探测器PD(11)。

具体而言：

激光源CW(1)发出的光进入双平行马赫曾德尔调制器DPMZM(3)，双平行马赫曾德尔调制器DPMZM(3)在任意波形发生器AWG(2)发出的电频梳调制下输出光频梳；双平行马赫曾德尔调制器DPMZM(3)输出的光频梳被掺铒光纤放大器EDFA(4)放大后作为泵浦光进入高非线性光纤HNLF(10)、产生受激布里渊散射效应，激发出布里渊损耗谱，用于对高非线性光纤HNLF(10)中反向传输的泵浦光进行衰减；

可调谐激光源TLS(6)发出光载波进入相位调制器PM(7)，信号源SG(8)发出微波信号对相位调制器PM(7)内的光载波进行调制，光载波在小信号调制下将产生上、下两个光边带；光载波和两个光边带经过光隔离器ISO(9)在高非线性光纤HNLF(10)内经布里渊损耗谱影响后通过光环形器OC(5)到达光电探测器PD(11)进行光电转换；该滤波器利用相位-强度调制转换原理，将布里渊的光学频响特性映射到电域，实现滤波器频响曲线的构建。

上述基于受激布里渊散射效应的微波光子滤波器中相位-强度调制转换原理如图2所示，具体为：

激光源CW输出频率为f

由可调谐激光源TLS发出频率为f

由于相位-强度转换的作用，使得滤波器的通带形状由布里渊损耗谱形状决定，因此，可通过改变布里渊损耗谱，实现滤波器通带的重构。

上述基于受激布里渊散射效应的微波光子滤波器中光频梳生成结构如图3所示，其中，双平行马赫曾德尔调制器DPMZM由两个子马赫曾德尔调制器MZM-α、MZM-β和一个母马赫曾德尔调制器MZM-γ组成；由激光源CW发出的光进入到双平行马赫曾德尔调制器内，由任意波形发生器发出电频梳

上式描述的光场为光频梳，为了使基于受激布里渊散射效应的微波光子滤波器有较为平坦的通带，光频梳的梳齿间距应选在布里渊谱线3dB带宽的一半左右，本发明中的布里渊线宽为30MHz，所以光频梳的梳齿间距为15MHz；由于光频梳的梳齿间距较窄，为使光频梳有较好的光谱特性，所选激光源的线宽为100kHz。所述光频梳光谱如图4所示，其中，圆圈所标注的为被抑制的光载波；被抑制的光载波的左侧为生成的光频梳，包括5根梳齿，梳齿间距为15MHz，被抑制的光载波的右侧为被抑制的光边带。

本发明中基于受激布里渊散射效应的微波光子滤波器与传统微波光子滤波器中相位调制产生的下光边带在各个功率时的频率响应曲线如图5所示，其中，(a)代表传统微波光子滤波器中下光边带在布里渊增益作用下的频率响应曲线，(b)代表本发明中下光边带在布里渊损耗作用下的频率响应曲线；从图5中(a)可以看到，当下光边带的功率分别为-10dBm、-20dBm和-30dBm时，频率响应曲线上的增益最大值分别为15dB、20dB和22dB，这意味着在布里渊增益作用下，下光边带获得的增益会受到下光边带功率的影响，而下光边带的功率与相位调制器上加载的射频信号的功率有直接关系，所以基于布里渊增益效应的微波光子滤波器对于具有大动态范围(即功率变化较大)的射频信号来说是一个非线性系统，大动态范围射频信号通过这种滤波器后会产生失真；从图5中(b)可以看到，当下光边带的功率分别为-10dBm、-20dBm和-30dBm时，频率响应曲线上的损耗最大值均为26dB，这意味着在布里渊损耗作用下，下光边带在不同功率时有着几乎相同的频率响应曲线，代表基于布里渊损耗效应的微波光子滤波器是一个线性系统，所以相比于基于布里渊增益效应的微波光子滤波器，基于布里渊损耗效应的微波光子滤波器能够处理大动态范围的射频信号，具有大的输入动态范围。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。