一种宽带可调谐单通带微波光子滤波器产生系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种宽带可调谐单通带微波光子滤波器，包括：激光器，其用于提供连续光信号；光耦合器，将所述连续光信号分成第一路光信号和第二路光信号；偏振调制器，调制所述第一路光信号的偏振态；色散位移光纤，在泵浦光信号的诱导下对所述探测光信号发生受激布里渊散射；光电探测器，接收所述色散位移光纤输出的经过受激布里渊散射的探测光信号，产生微波信号；矢量网络分析仪，接收所述光电探测器输出的微波信号，并对其进行测量频率响应，同时将微波信号输出至第一偏振调制器；强度调制器，调制所述第一路光信号的偏振态，输出调制后的第一路光信号；光滤波器，对所述调制后的第一路光信号进行滤波，作为所述泵浦光信号。
【专利说明】一种宽带可调谐单通带微波光子滤波器产生系统
【技术领域】
[0001]本发明属于微波光子学领域，更具体的说是一种基于光纤的受激布里渊散射效应的宽带可调谐单通带微波光子滤波器。
【背景技术】
[0002]微波光子学是上个世纪70年代提出一种融合微波技术和光子技术的交叉学科，其兼顾了微波技术的灵活性和光子技术的宽带以及低损耗特性。微波滤波器在宽带无线接入网、雷达系统、电子对抗、卫星通信中有广泛应用，但是传统的基于电子技术的微波滤波的可重构性和可调谐性极差，一旦电路设计完成即只能完成特定频率微波的滤波。微波光子滤波器克服了传统的微波滤波器的缺点，具有低损耗、重量轻、宽带可调谐、可重构以及不受电磁干扰的优点。
[0003]由于受到离散时间信号处理的限制，绝大多数的微波光子滤波器的FSR比较小(呈现周期性滤波的特征)、滤波器的3dB带宽比较宽并且带外抑制比比较低。这种周期性滤波以及3dB带宽比较宽严重限制了微波光子滤波器的应用，特别是在需要大范围带外抑制比以及精细滤波的应用中。因而，研究带外抑制比高、3dB带宽窄、单通带、快速宽带可调谐以及可重构的微波光子滤波器具有重大的意义。
[0004]综上所述，为了解决基于电子技术微波滤波器面临的技术瓶颈，以及基于离散时间信号处理微波光子滤波器的技术壁垒，同时，为了满足宽带无线接入网、雷达系统、电子对抗、卫星通信中应用的需求，基于布里渊散射的宽带可调谐单通带微波光子滤波器应用而生。
【发明内容】
[0005]本发明基于光纤中的双折射效应，使得在光纤中发生的受激布里渊散射对探测光信号的放大同时在两个垂直的偏振态上发生，由于在两个垂直偏置态上对探测光信号的放大不相等，引起了探测光信号的矢量方向(偏振态)旋转。偏振调制之后的探测光信号的光载波和边带的偏振态相互垂直，由于该-1阶探测光信号经受矢量受激布里渊散射作用，使原本偏振态相互垂直的光载波和边带出现了偏振态相互平行的分量。本发明要解决雷达系统、电子对抗系统、宽带无线接入网系统以及卫星通信系统中微波滤波器的带外抑制比低、不能宽带调谐、Q值低、可重构性差的困难问题。
[0006]本发明公开了一种宽带可调谐单通带微波光子滤波器，包括:
[0007]激光器，其用于提供连续光信号；
[0008]光耦合器，其用于将所述连续光信号分成第一路光信号和第二路光信号；
[0009]第一偏振调制器，其用于调制所述第一路光信号的偏振态，使其输出的光信号的载波和-1阶边带的偏振态相互垂直，其调制后输出的光信号作为探测光信号；
[0010]色散位移光纤，其用于在泵浦光信号的诱导下对所述探测光信号发生受激布里渊散射；[0011]光电探测器，其接收所述色散位移光纤输出的经过受激布里渊散射的探测光信号，使得其中的载波和-1阶边带发生拍频而产生微波信号；
[0012]矢量网络分析仪，其接收所述光电探测器输出的微波信号，并对其进行测量频率响应，同时其将所述微波信号输出至第一偏振调制器，作为其调制信号；
[0013]强度调制器，其用于调制所述第一路光信号的偏振态，输出调制后的第一路光信号;
[0014]光滤波器，其用于对所述调制后的第一路光信号进行滤波，仅剩下其中的-1阶调制边带信号，作为所述泵浦光信号。
[0015]从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果:
[0016]该基于受激布里渊散射宽带可调谐单通带微波光子滤波器的系统结构简单、能够实现快速滤波(滤波速度达到ns量级)、滤波器的带外抑制比高、Q值超高、宽带可调谐，通过调整矢量增益可重构滤波器。
[0017]该滤波器的Q值非常高、带外抑制比很高并且可以宽带可调谐，同时，由于泵浦光和信号都源于同一个激光器，因此，所形成的微波光子滤波器的通带中心频率非常稳定，另外通过改变泵浦光的谱线形状可以重构微波光子滤波器的通带形状；
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明中基于受激布里渊散射宽带可调谐单通带微波光子滤波器的装置图；
[0019]图2是本发明中基于受激布里渊散射宽带可调谐单通带微波光子滤波器的原理示意图；
[0020]图3是本发明中矢量布里渊散射诱导的偏振态旋转原理示意图；
[0021]图4是本发明中矢量布里渊散射和标量布里渊散射的布里渊增益曲线；
[0022]图5是本发明中宽带可调谐单通带微波光子滤波器。
【具体实施方式】
[0023]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0024]图1示出了本发明的基于受激布里渊散射宽带可调谐单通带微波光子滤波器的装置图，该装置包括:
[0025]一窄线宽激光器1，其用于提供连续的探测光信号；该探测光信号通过光耦合器分为等功率的第一路光信号和第二路光信号，并且这两束光信号的偏振态由偏振控制器调节;
[0026]一光耦合器2，其用于将窄线宽激光器I发出的光分为第一路和第二路光信号，分光比为1: 1，第一路光信号经过强度调制器10进行强度调制，第二路光信号经过偏振调制器4进行偏振调制；其中第二路光信号经过偏振调制器4调制后作为在色散位移光纤6中发生受激布里渊散射的探测光信号，而第一路光信号经过强度调制器11调制后作为在色散位移光纤6中发生受激布里渊散射的泵浦光信号；
[0027]—偏振控制器3,其用于调节光稱合器2输出的第二路光信号的偏振态,使进入偏振调制器4的光信号的偏振方向对准偏振调制器4入射端口的起偏方向,其输入端口与光率禹合器2的一个端口相连,其输出端口与偏振控制器的输入端口相连；
[0028]一偏振调制器4，其用于根据矢量网络分析仪9输出的扫频微波信号偏振调制所述第二路光信号，使得经过偏振调制器调制之后的第二路光信号的光载波和一阶边带的偏振态相互垂直，如果该第二路光信号直接入射到光电探测器拍频，不会产生微波信号；
[0029]一光隔离器5，偏振调制之后的第二路光信号经过光隔离器5入射到色散位移光纤6，其用于防止反向而来的受激布里渊散射的泵浦光进入偏振调制器4 ；
[0030]一色散位移光纤6，其用于发生受激布里渊散射，即其接收经过光隔离器5后输出的第二路光信号，还接收从经偏振控制器16调节后经环形器7输出的对第一路光信号进行调制后得到的-1阶调制边带信号，所述对第一路光信号进行调制得到的-1阶调制边带信号作为受激布里渊散射的泵浦光信号，所述第二路光信号作为被色散位移光纤6进行受激布里渊散射的光，由于第二路光信号中包括偏振态相互垂直的光载波和-1阶调制边带，其在发生受激布里渊散射以后，其中的-1阶调制边带被受激布里渊散射矢量放大，进而所述第二路光信号中的-1阶调制边带的偏振方向旋转，旋转之后的第二路光信号中的-1阶调制边带信号将会与所述第二路光信号中的光载波发生相互作用，进而可以在光电探测器8中发生拍频而产生微波信号；此处需注意，当泵浦光的下变频布里渊增益谱不在-1阶探测光的波长位置处时，可以通过调整宽带微波源和光滤波器使强度调制之后的泵浦光信号的-1阶边带下变频的布里渊增益谱落在偏振调制的探测光信号的-1阶边带；
[0031]一环形器7，其端口①与偏振控制器16的输出端口相连，端口②与6的输出端口相连，端口③与8的输入端口相连；用于将色散位移光纤6输出的探测光信号从端口②输出至端口③，而偏振控制器16输出的泵浦光信号则经过受激布里渊散射衰减后，同时经过光隔离器衰减，因此其将不会输入到偏振控制器4。
[0032]一光电探测器8，其输入端口与环形器7的端口③相连，其电输出端口与9的输入端口相连，用于将环形器7输出的探测光信号转化为电信号，由于布里渊增益效应使探测光信号中的-1阶边带的偏振态旋转，根据矢量受激布里渊增益理论，偏振态旋转的大小与光信号的功率成正比，偏振态旋转之后，该偏振调制的探测光信号的光载波和-1阶边带在光电探测器中拍频就会产生微波信号，同时，将产生的微波信号入射到矢量网络分析仪9内响应系统的频响；
[0033]一矢量网络分析仪9，其输出端口与偏振调制器4的射频端口相连，其根据所输入的所述微波信号输出频率连续变化的微波信号，作为偏振调制器的调制信号，其输入端口与光电探测器8的输出端口相连，用于在扫频模式下测量系统的频率响应；
[0034]—偏振控制器10,其输入端口与光稱合器2的另一个输出口相连,用于控制所述第一路光信号的偏振方向，使得入射到强度调制器11的第一路光信号的偏振方向对准强度调制器入射的起偏方向，是入射光功率最大
[0035]一强度调制器11，其输入端口与偏振控制器10的输出端口相连，其用于根据微波信号源12加载的微波信号强度调制经过所述偏振控制器10控制的第一路泵浦光信号，强度调制器11加载的微波信号来自于外部宽带微波源12产生，强度调制之后的泵浦光信号进过光放大器放大该泵浦光信号；
[0036]一微波信号源12，其输出端口与强度调制器11的射频端口相连，其用于产生微波信号并输出至强度调制器11 ;可选地，此处的微波信号源12输出的微波信号也可以替换成矢量网络分析仪9输出的微波信号。
[0037]—光放大器13，其输入端口与强度调制器11的输出端口相连，其用于放大强度调制之后的第一路泵浦光信号；
[0038]—光滤波器14,其输入端口与光放大器13的输出端口相连,其用于滤除所述第一路光信号中的光载波信号和其余的光边带，仅仅剩余-1阶调制边带，强度调制的-1阶调制边带诱导色散位移光纤发生受激布里渊散射；
[0039]—光放大器15,其输入端口与14的输出端口相连,其用于放大滤波之后的-1阶调制边带即泵浦光信号，补偿光滤波器引起的光功率的损耗，放大之后的-1阶调制边带通过偏振控制器16调节偏振态由光环器由①端口路由到②端口，该-1阶调制边带入射到色散位移光纤用于诱导受激布里渊散射；
[0040]—偏振控制器16,其输入端口与光放大器15的输出口相连,其输出端口与光环器7的①相连，用于调节光滤波器14滤波之后的-1阶调制边带即泵浦光信号的偏振态，使得其偏振态在环形器7中由①端口路由到②端口 ；
[0041]其中，所述窄线宽激光器I可以是半导体激光器也可以是光纤激光器；偏振控制器2、10、16可以是光纤结构或者是波导结构的偏振控制器，也可以是空间结构的偏振控制器；强度调制器11可以是铌酸锂晶体的也可以是半导体聚合物的或者有机聚合物的；调制带宽越宽越好，半波电压越小越好，偏压越稳定越好，插损越低越好；微波信号源12可以是矢量网络分析仪也可以是微波信号源；色散位移光纤7可以是掺锗高非线性光纤也可以是硫化物高非线性光纤；只要保证1550nm的色散值为O即可；光滤波器14可以是基于硅基液晶技术的波形整形器也可以是光滤波器或者是波分复用器以及光纤光栅；滤波器的通带边沿越陡越好，插损越小越好；光电探测器8可以是光电二极管也可以是光电倍增管；可以是磷化铟材料的也可以是硅基材料的；带宽越宽越好，饱和输入光功率越大越好，光电转化效率越高越好。
[0042]本发明提出的上述方案中，将窄线宽激光器产生的连续光分成两路光信号，其中一路光信号经过强度调制器进行强度调制，强度调制器加载的微波信号来自于外部宽带微波源产生，强度调制之后的光信号进过光放大器放大光信号，然后经过光滤波器滤除光载波和其余光边带，仅仅剩余-1阶调制边带；强度调制的-1阶调制边带诱导色散位移光纤发生受激布里渊散射；
[0043]滤波之后的光信号经过另一个光放大器进行放大，该光放大器用于补偿滤波引起的光功率衰减；放大之后的光信号通过偏振控制器调制偏振态由光环器由①端口路由到②端口，该光信号入射到色散位移光纤用于诱导受激布里渊散射；
[0044]另一路光信号通过偏振控制器3入射到偏振调制器，通过偏振控制器调节入射光的偏振态，偏振调制器偏振调制该光信号，其加入的射频信号是由矢量网络分析仪提供，在小信号调制的情况下，经过偏振调制器调制之后的光信号的载波和一阶边带的偏振态相互垂直，如果该信号直接入射到光电探测器拍频，不会产生微波信号；调制之后的光信号经过光隔离器入射到色散位移光纤，该光隔离器用于防止泵浦光入射到偏振调制器；
[0045]由于泵浦光信号的矢量受激布里渊散射效应，该偏振调制器的-1阶边带将会经历矢量受激布里渊散射的作用，通过调整宽带微波源和光滤波器使强度调制之后的光信号的-1阶边带的下变频的布里渊增益谱落在偏振调制的光信号的-1阶边带，由于布里渊增益效应该-1阶边带的偏振态将会旋转，根据矢量受激布里渊增益理论，偏振态旋转的大小与光信号的功率成正比，偏振态旋转之后，该偏振调制的光信号的载波和边带在光电探测器中拍频就会产生微波信号，将受激布里渊散射的增益谱映射为微波光子滤波器，故该滤波器的Q值非常高、带外抑制比很高并且可以宽带可调谐，同时，由于泵浦光和信号都源于同一个激光器，因此，所形成的微波光子滤波器的通带中心频率非常稳定，另外通过改变泵浦光的谱线形状可以重构微波光子滤波器的通带形状。
[0046]图2给出了本发明中基于受激布里渊散射宽带可调谐单通带微波光子滤波器的原理示意图，偏振调制的探测光载波和探测光信号调制边带的偏振态相互垂直(如图2a)，探测光载波与探测光信号调制边带的频率差等于偏振调制器上所加载的微波信号的频率，此时光电探测器无法将偏振调制的探测光信号所携带的微波信号检测出来；第一路光信号通过强度调制器和光滤波器实现光信号的移频(如图2b)，移频量等于受激布里渊散射的移频量和偏振调制的移频量，移频后的第一路光信号作为受激布里渊散射的泵浦光；该泵浦光通过光环行器入射到色散位移光纤，泵浦光诱导偏振调制的调制边带(下边带)的矢量方向(偏振态)旋转，偏振态旋转的大小与泵浦光的光功率以及偏振态有关，偏振态旋转之后的探测光信号的下边带(即高频分量)将会和探测光信号的光载波拍频检测出所携带的微波信号，该边带的频率即为滤波器的中心频率(如图2c)。
[0047]图3是本发明中矢量布里渊散射诱导的偏振态旋转原理示意图；由于光纤的双折射效应，使得光纤中的受激布里渊散射对光信号的放大是在两个偏振态上进行，分别表示为Gmax (f)和Gmin (f),—般情况下,Gmax (f) >Gmin (f),故矢量布里渊放大之后会引起被放大的探测光信号的偏振态旋转。
[0048]图4给出本发明中矢量布里渊散射和标量布里渊散射的布里渊增益曲线，根据增益曲线，可知矢量布里渊放大的增益谱的谱宽更窄，并且带外抑制更高。
[0049]图5给出本发明基于布里渊散射的宽带可调谐单通带微波光子滤波器。
[0050]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种宽带可调谐单通带微波光子滤波器，包括: 激光器，其用于提供连续光信号； 光耦合器，其用于将所述连续光信号分为第一路光信号和第二路光信号； 第一偏振调制器，其用于调制所述第一路光信号的偏振态，使其输出的光信号的载波和-1阶边带的偏振态相互垂直，其调制后输出的光信号作为探测光信号； 色散位移光纤，其用于在泵浦光信号的诱导下对所述探测光信号发生受激布里渊散射； 光电探测器，其接收所述色散位移光纤输出的经过受激布里渊散射的探测光信号，使得其中的载波和-1阶边带发生拍频而产生微波信号； 矢量网络分析仪，其接收所述光电探测器输出的微波信号，并对其进行测量频率响应，同时其将所述微波信号输出至第一偏振调制器，作为其调制信号； 强度调制器，其用于调制所述第一路光信号的偏振态，输出调制后的第一路光信号； 光滤波器，其用于对所述调制后的第一路光信号进行滤波，仅剩下其中的-1阶调制边带信号，作为所述泵浦光信号。
2.根据权利要求1所述的光子滤波器，其中，所述探测光信号在色散位移光纤中发生受激布里渊散射后，使得其中-1阶边带的偏振态发生旋转。
3.根据权利要求1所述的光子滤波器，其中，所述泵浦光信号中-1阶边带下变频的布里渊增益谱与所述探测光信号中的-1阶边带的波长位置处。
4.根据权利要求3所述的光子滤波器，其中，所述泵浦光信号中-1阶边带下变频的布里渊增益谱通过所述强度调制器使用的调制信号和光滤波器控制。
5.根据权利要求1所述的光子滤波器，其中，所述强度调制器利用外部输入的宽带微波源信号或者矢量网络分析仪输出的微波信号作为调制信号对所述第一路光信号进行调制。
6.根据权利要求1所述的光子滤波器，其还包括:光放大器，用于对光滤波器滤波之后的第一路光信号进行放大。
7.根据权利要求1所述的光子滤波器，其还包括:环形器，用于将所述色散位移光纤输出的探测光信号输出至光电探测器，还用于将光滤波器输出的泵浦光输出至色散位移光纤。
8.根据权利要求1所述的光子滤波器，其中，所述窄线宽激光器为半导体激光器或光纤激光器；所述强度调制器为铌酸锂晶体、半导体聚合物或者有机聚合物的强度调制器。
9.根据权利要求1所述的光子滤波器，其中，所述色散位移光纤为掺锗高非线性光纤或硫化物高非线性光纤其1550nm的色散值为O。
10.根据权利要求1所述的光子滤波器，其中，所述光滤波器为基于硅基液晶技术的波形整形器、、波分复用器或者光纤光栅；所述光电探测器为光电二极管或光电倍增管，其材料可以使憐化钢材料或娃基材料。
【文档编号】G02B6/26GK103955028SQ201410177820
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月29日 优先权日:2014年4月29日
【发明者】李伟, 王文亭, 刘建国, 祝宁华 申请人:中国科学院半导体研究所