一种可调谐高Q值单通带微波光子滤波器 |
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| 申请号 | CN201710467582.8 | 申请日 | 2017-06-20 | 公开(公告)号 | CN107300788A | 公开(公告)日 | 2017-10-27 |
| 申请人 | 华中科技大学; | 发明人 | 于源; 徐路; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种可调谐高Q值单 通带 微波 光子 滤波器 ，包括 光源 、光学 调制器 、光学滤波器、光电探测器、射频功分器和射频 放大器 ；其中，光学调制器的第一端与光源的输出端相连、第二端作为接收外部射频输入的第一射频 接口 、第四端作为接收内部射频 信号 的第二射频接口；光学滤波器的第一端与光学调制器的第三端相连；光电探测器的第一端与光学滤波器的第二端相连，射频功分器的第一端与光电探测器的第二端相连、第二端作为射频输出接口； 射频放大器 的第一端与射频功分器的第三端相连，第二端作为内部 射频信号 输出接口；本发明提供的这种可调谐高Q值单通带微波光子滤波器具有极高的Q值，并且可以实现可调谐的单通带滤波功能。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种可调谐高Q值单通带微波光子滤波器，其特征在于，包括光源、光学调制器、光学滤波器、光电探测器、射频功分器和射频放大器； |
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| 说明书全文 | 一种可调谐高Q值单通带微波光子滤波器技术领域背景技术[0002] 微波光子滤波器是将微波信号调制到光载波上，利用光学器件在光域对信号进行处理然后进行光电转换再输出微波信号的器件。相比于传统的微波滤波器，微波光子滤波器具有抗电磁干扰，工作频率高、带宽大，体积小，重量轻，损耗小等优点。微波光子滤波器处理信号的方法是将微波信号加载到不同的光载波抽头之上，然后对每个抽头之上的信号进行延时和加权合并。根据抽头的数量是否有限，可以将微波光子滤波器分为有限冲激响应和无限冲击响应两种。由于无线冲击响应微波光子滤波器拥有较多数量的抽头，因此形成的滤波器的频率选择性更好。品质因子Q(Quality Factor)是衡量滤波器频率选择性能的重要指标，它定义为滤波器的FSR(自由频谱范围，Free Spectrum Range)与3dB带宽(Δf3dB)的比值，即Q＝FSR/Δf3dB。为了获得更好的频率选择性能，实现高Q值的微波光子滤波器成为了微波光子领域的研究热点之一。 [0003] 目前高Q值滤波器的方案主要是基于无限冲击响应形成的滤波器，一般是用一段光学有源环路来实现。但是，为了避免光学环路中的信号相干，光学环路的延时必须大于光源的相干时间，因此光学环路的长度必须够长，所以得到的滤波器的FSR的大小也受到了限制，无法进一步的增大，微波光子滤波器的Q值也受到限制。另一种实现高Q滤波器的方法是使用光学滤波器，但是这种方法对光学滤波器的要求很高，Q值受到滤波器性能的限制。为了进一步提高微波光子滤波的Q值，需要一种能够克服光学相干和突破光学滤波器性能限制的高Q值微波光子滤波器。 发明内容[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可调谐高Q值单通带微波光子滤波器，其目的在于解决现有微波光子滤波器因为光学环路中光信号相干的限制而使Q值受到影响的问题，并且通过反馈的方法进一步减小微波光子滤波器的带宽，增大Q值。 [0006] 其中，光学调制器的第一端与光源的输出端相连、第二端作为接收外部射频输入的第一射频接口、第四端作为接收内部射频信号的第二射频接口；光学滤波器的第一端与光学调制器的第三端相连；光电探测器的第一端与光学滤波器的第二端相连，射频功分器的第一端与光电探测器的第二端相连、第二端作为射频输出接口；射频放大器的第一端与射频功分器的第三端相连，第二端作为内部射频信号输出接口； [0007] 其中，光学调制器、光学滤波器、光电探测器、射频功分器和射频放大器构成了光电反馈环路。 [0008] 优选的，上述可调谐高Q值单通带微波光子滤波器，工作时，光学调制器接收光源发出的光信号作为光载波，将接收的外部射频信号调制到光载波上，生成调制信号；光学滤波器对光学调制器输出的调制信号进行滤波；光电探测器接收光学滤波器输出的光信号并进行光电转换，输出射频信号；射频功分器将接收到的射频信号分成两路，一路通过其射频输出接口输出，另一路发送到射频放大器，射频放大器对这一路射频信号进行放大后经其第二端反馈到光学调制器的第二射频接口。 [0010] 其中，环形器的第一端口作为光学滤波器的第一端、第二端口与相移光纤光栅相连、第三端口作为光学滤波器的第二端。 [0011] 优选的，上述可调谐高Q值单通带微波光子滤波器，还包括射频耦合器；射频耦合器的第一端与射频放大器的第二端相连、第二端作为接收外部射频输入的第三射频接口、第三端作为射频反馈信号输出接口。 [0012] 优选的，上述可调谐高Q值单通带微波光子滤波器，工作时，可调谐光源发出的光信号发送到相位调制器，经过调制后的光信号发送到环形器的第一端口，由环形器的第二端口发送到相移光纤光栅，光信号在相移光纤光栅经过反射后到发送环形器的第二端口，从环形器的第三端口发送到光电探测器的第一端；光电探测器将接收到的光信号转换成射频信号；射频功分器接收该射频信号并将其分成两路，一路通过射频功分器的射频输出接口输出，另一路发送到射频放大器，射频放大器对接收到的射频信号进行放大后发送射频耦合器的第一端，射频耦合器的第二端接收外部射频信号，这两路射频信号在射频耦合器内合成后反馈到相位调制器的第二射频接口。 [0014] 优选的，上述可调谐高Q值单通带微波光子滤波器，工作时，可调谐光源发出的光信号发送到双驱动马赫-曾德尔调制器作为光载波，光学调制器将接收的外部射频信号调制到光载波上，生成调制信号；经过调制后的光信号发送到环形器的第一端口，由环形器的第二端口发送到相移光纤光栅，光信号在相移光纤光栅经过反射后到发送环形器的第二端口，从环形器的第三端口发送到光电探测器的第一端；光电探测器将接收到的光信号转换成射频信号；射频功分器接收该射频信号并将其分成两路，一路通过射频功分器的射频输出接口输出，另一路发送到射频放大器，射频放大器对接收到的射频信号进行放大后作为反馈信号发送双驱动马赫-曾德尔调制器的第二射频接口。 [0015] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果： [0016] (1)本发明提供的可调谐高Q值单通带微波光子滤波器，由光学调制器、光学滤波器、光电探测器、射频功分器、射频放大器构成了光电反馈环路；经射频放大器放大之后的反馈信号发送到光学调制器的射频输入端；由于采用了射频放大器，所以形成了一个有源环；有源环可以使微波信号循环形成高Q的频率响应，而光电反馈环路中避免了光学环路中信号相干的限制，可以尽量缩短环程，增大FSR； [0017] (2)本发明提供的可调谐高Q值单通带微波光子滤波器，由于采用了光学滤波器，可以通过环内的循环反馈形成一个3dB带宽很窄的通带，以增大Q值，并且由于得到的频谱响应是单通带的，所以避免了FSR有限的增加量，可以尽可能地增大微波光子滤波器的Q值；需要指出的是，为了避免光电反馈结构中的信号形成激射，产生类似光电振荡器的效果，环路中的总增益始终小于1； [0018] (3)本发明提供的可调谐高Q值单通带微波光子滤波器，突破了光学滤波器的带宽对微波光子滤波器Q值的限制，可以实现更高的Q值，并且避免了光纤延时环路中由于光载波相干而限制进一步增大Q值的问题，由于结构中避免了光学环路，所以可以降低相位引入的强度噪声，这种滤波器结构简单，易于实施，具有单片集成的能力。附图说明 [0019] 图1是本发明提供的可调谐高Q值单通带微波光子滤波器的基本结构示意图； [0020] 图2是实施例1提供的可调谐高Q值单通带微波光子滤波器的结构示意图； [0021] 图3是实施例1提供的可调谐高Q值单通带微波光子滤波器的原理示意图； [0022] 图4是实施例2提供的可调谐高Q值单通带微波光子滤波器的结构示意图； [0023] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中： [0024] 1-光源、2-光学调制器、3-光学滤波器、4-环形器、5-相移光纤光栅、6-光电探测器、7-射频功分器、8-射频放大器、9-射频耦合器。 具体实施方式[0025] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。 [0026] 本发明所提供的可调谐高Q值单通带微波光子滤波器采用光学调制器和光学滤波器初步实现Q值较高的微波光子滤波器，通过光电反馈环路来进一步提高Q值，其基本结构如图1所示，包括光源1、光学调制器2、光学滤波器3、光电探测器6、射频功分器7和射频放大器8； [0027] 其中，光学调制器2的第一端与光源1相连、第二端作为接收外部射频输入的射频信号接口；光学滤波器3的第一端与光学调制器2的第三端相连；光电探测器6的第一端与光学滤波器3的第二端相连，射频功分器7的第一端与光电探测器6的第二端相连，第二端作为射频输出接口；射频放大器8的一端与射频功分器7的第三端相连，另一端与光学调制器2的第四端相连； [0028] 其中，光学调制器2、光学滤波器3、光电探测器6、射频功分器7和射频放大器8构成了光电反馈环路。 [0029] 工作时，光学调制器2接收光源1发出的光信号作为光载波，将接收的外部射频信号调制到光载波上，生成调制信号；光学滤波器3对光学调制器2输出的调制信号进行滤波；光电探测器6接收光学滤波器3输出的光信号并进行光电转换，输出射频信号；射频功分器7将接收到的射频信号分成两路，一路通过其射频输出接口输出，另一路发送到射频放大器 8，射频放大器对这一路射频信号进行放大后反馈到光学调制器2。 [0030] 在本发明提供的这种可调谐高Q值单通带微波光子滤波器结构下，通过光学滤波器3对光学调制器2输出的调制信号进行滤波，通过射频功分器7、射频放大器8将经光电探测器6转换生成的射频信号进行放大，光学调制器2接收经射频放大器8放大后的反馈信号，由此形成了一个循环回路；由于包括射频放大器8，所以由光学调制器2、光学滤波器3、光电探测器6、射频功分器7和射频放大器8所构成的光电反馈环路是一个有源环，该有源环可以使微波信号循环形成高Q的频率响应；而光电反馈环克服了光学环路中信号相干的限制，可以尽量缩短环程，增大FSR。由于采用了光学滤波器，通过光电反馈环内的循环反馈，可以形成一个带宽很窄的通带，以增大Q值；由于得到的频谱响应是单通带的，避免了FSR有限的增加量，可尽可能地增大微波光子滤波器的Q值；需要指出的是，在本发明中为了避免光电反馈环中的信号形成激射，产生类似光电振荡器的效果，光电反馈环中的总增益始终小于1。 [0031] 以下结合实施例具体阐述本发明提供的可调谐高Q值单通带微波光子滤波器。 [0032] 实施例1提供的可调谐高Q值单通带微波光子滤波器，其结构如图2所示；包括光源1、光学调制器2、环形器4、相移光纤光栅5、光电探测器6、射频功分器7、射频放大器8；还包括射频耦合器9；本实施例中，光源1采用可调谐光源，光学调制器2采用相位调制器； [0033] 其中，相位调制器的第一端与可调谐光源的输出端相连、第二端作为接收射频输入的射频信号接口；环形器4的第一端口①与相位调制器的第三端相连，第二端口②与相移光纤光栅5相连；光电探测器6的第一端与环形器4的第三端口③相连，射频功分器7的第一端与光电探测器6的第二端相连、第二端作为射频输出接口；射频放大器8的第一端与射频功分器7的第三端相连，射频耦合器9的第一端与射频放大器8的第二端相连，第二端作为接收外部射频输入的射频信号接口，第三端与光学调制器2的第四端相连； [0034] 其中，光学调制器2、环形器4、相移光纤光栅5、光电探测器6、射频功分器7、射频放大器8和射频耦合器9构成了光电反馈环路。 [0035] 工作时，实施例1提供的这种可调谐高Q值单通带微波光子滤波器的光路具体为：可调谐光源发出的光信号发送到相位调制器，经过调制后的光信号发送到环形器4的第一端口①，由环形器4的第二端口②发送到相移光纤光栅5，光信号在相移光纤光栅5经过反射后到发送环形器4的第二端口②，从环形器4的第三端口③发送到光电探测器6的第一端；光电探测器6将接收到的光信号转换成射频信号；射频功分器7接收该射频信号并将其分成两路，一路通过射频功分器7的射频输出接口输出，另一路发送到射频放大器8，射频放大器8对接收到的射频信号进行放大后发送射频耦合器9的第一端，射频耦合器9的第二端接收外部射频信号，这两路射频信号在射频耦合器9内合成后发送到相位调制器的射频信号接口。 [0036] 以下结合图3来具体阐述实施例1提供的这种基于相位调制器和相移光纤光栅5构成的单通带微波光子滤波器的工作原理；射频信号经由相位调制器调制到光载波上，在光谱上形成边带；调制后的光信号经由环形器4发送到相移光纤光栅5上，相移光纤光栅5的反射谱中有一个很窄的阻带，当相移光纤光栅5反射谱的阻带与一个边带对齐时，这个边带会被过滤掉，进而在微波光子滤波器响应的对应频率处形成一个很窄的通带，而其他频率处的信号由于大小相等而相位相差π，拍频时相互抵消，因此在频谱上的响应功率很低，形成一个窄带宽的微波光子滤波器。 [0037] 由于存在光电反馈环路，形成通带响应的信号经过射频放大器8放大之后，经由射频耦合器9又反馈到相位调制器之中，然后在光电反馈环路中再一次地滤波，让微波光子滤波器的通带变得更窄；如此循环往复，最后得到的单通带微波光子滤波器通带的3dB带宽非常窄。由于光电反馈环路中避免了光学环路的相干，因此环程可以尽量缩短，以提高滤波器的自由光谱范围，从而保证相移光纤光栅所形成的微波光子滤波器的通带内仅有1个光电环路对应的一个微波通带，因此保证了所实现的微波光子滤波器为单通带，本实施例的单通带微波光子滤波器中的光电反馈环路可大大减小微波光子滤波器的带宽，从而提高滤波器的Q值。 [0038] 实施例2提供的基于光电反馈环路、双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM)以及相移光纤光栅的可调谐高Q值单通带微波光子滤波器的结构如图2所示；包括光源1、光学调制器2、环形器4、相移光纤光栅5、光电探测器6、射频功分器7和射频放大器8；本实施例中，光源1采用可调谐光源，光学调制器2采用双驱动马赫-曾德尔调制器； [0039] 其中，双驱动马赫-曾德尔调制器的第一端与可调谐光源的输出端相连、第二端作为接收外部射频输入的射频信号接口；环形器4的第一端口①与双驱动马赫-曾德尔调制器的第三端相连，第二端口②与相移光纤光栅5相连；光电探测器6的第一端与环形器4的第三端口③相连，射频功分器7的第一端与光电探测器6的第二端相连、第二端作为射频输出接口；射频放大器8的第一端与射频功分器7的第三端相连，第二端与双驱动马赫-曾德尔调制器的第四端相连； [0040] 其中，双驱动马赫-曾德尔调制器、环形器4、相移光纤光栅5、光电探测器6、射频功分器7和射频放大器8构成光电反馈环路。 [0041] 工作时，实施例2提供的这种可调谐高Q值单通带微波光子滤波器的光路具体为：可调谐光源发出的光信号发送到双驱动马赫-曾德尔调制器作为光载波，双驱动马赫-曾德尔调制器将接收的外部射频信号调制到光载波上，生成调制信号；经过调制后的光信号发送到环形器4的第一端口①，由环形器4的第二端口②发送到相移光纤光栅5，光信号在相移光纤光栅5经过反射后到发送环形器4的第二端口②，从环形器4的第三端口③发送到光电探测器6的第一端；光电探测器6将接收到的光信号转换成射频信号；射频功分器7接收该射频信号并将其分成两路，一路通过射频功分器7的射频输出接口输出，另一路发送到射频放大器8，射频放大器8对接收到的射频信号进行放大后作为反馈信号发送双驱动马赫-曾德尔调制器的第四端，即其第二射频接口。 [0042] 在初始状态，双驱动马赫-曾德尔调制器的偏压设置在调制传输曲线的最大值，双驱动马赫-曾德尔调制器的第二端接收外部输入的射频信号，此时双驱动马赫-曾德尔调制器的第二射频接口(即其第四端)没有射频信号输入；初始射频信号调制到光载波上，在光谱上形成边带，由于双驱动马赫-曾德尔调制器的偏压设置在调制曲线最大值，与使用相位调制器的实施例1相似，调制后的光信号经由环形器4传输到相移光纤光栅5上，相移光纤光栅5的反射谱有一个很窄的阻带；当相移光纤光栅5反射谱的阻带与一个边带对齐时，这个边带会被过滤掉，进而在形成的微波光子滤波器响应的对应频率处形成一个很窄的通带，而其他频率处的信号由于大小相等而相位相差π，拍频时相互抵消，因此在频谱上的响应功率很低，形成一个窄带宽的微波光子滤波器。 [0043] 由于存在光电反馈环路，形成通带响应的信号经过射频放大器7放大之后，作为反馈信号发送到双驱动马赫-曾德尔调制器的第二射频接口，然后在光电反馈环路中再一次地滤波，让微波光子滤波器的通带变得更窄；如此循环往复，最终得到的单通带微波光子滤波器通带的3dB带宽非常窄，因此可以极大地提高滤波器的Q值。 [0044] 相比于现有的基于无限冲击响应的高Q值微波光子滤波器，本发明提供的可调谐高Q值单通带微波光子滤波器克服了因为光学环路中光信号相干的限制而使Q值受到影响的问题，并且通过反馈的方法进一步减小微波光子滤波器的带宽，突破光学滤波器性能的限制，从而增大Q值。 |
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