基于光注入技术的双通道微波光子滤波器及滤波方法与流程

本发明涉及微波光子技术领域，尤其涉及一种基于光注入技术的双通道微波光子滤波器及滤波方法。

背景技术：

随着科学技术的进步与发展，微波技术的应用已渗透到了科学领域的众多方面，如无线通信、全球定位系统、计算机工程、雷达探测以及卫星通信等领域。滤波器是微波信号处理的重要功能单元，在雷达、无线通信以及移动通信等领域都具有重要的应用价值。但是传统电滤波器在多通道滤波频率调谐、带宽改变等方面存在较大的局限性，导致其在高频领域的应用受到了极大的限制。除此之外，随着微波系统中通信容量的不断增大，其对信号处理的速率和带宽的要求也就愈来愈高，这就对传统多通道电滤波器的性能提出了更大的挑战。

因此在这种背景条件之下，随着微波光子技术的发展，微波光子滤波器应运而生，微波光子滤波器是指经过特殊设计，实现对微波信号滤波处理的光子系统，微波光子滤波器—般用来对信号进行信道选择、消除干扰、提高信噪比。微波光子滤波器与传统电域微波滤波器相比能够在光域内对微波信号进行处理，抑制噪声并滤除杂波信号，获取所需频段的微波信号，从而实现信号选频功能，因此微波光子滤波器具有工作频率高、带宽大、抗电磁干扰能力强等优势，是未来信号处理技术领域的重要研究方向。

现有的微波光子滤波器可以通过光延迟线结构实现，但是有限脉冲响应中的固有周期性频谱效应导致了其频谱利用率比较低，只能利用其自由谱区。此外基于多抽头延迟线结构的微波光子滤波器的可调灵活性相对较差，限制了其在通信系统中的应用。

除此之外，基于宽谱光源频谱切割技术以及相位调制转强度调制技术实现的微波光子滤波器，受外界物理环境的限制比较明显，不利于集成且成本较高，不适合在系统中广泛应用。

在先技术[1](wangzheli,mingli,andjianpingyao,“anarrow-passbandandfrequency-tunablemicrowavephotonicfilterbasedonphase-modulationtointensity-modulationconversionusingaphase-shiftedfiberbragggrating,”ieeetransactionsonmicrowavetheoryandtechniques,vol.60,no.5,pp.1287-1296,may.2012)中，利用相移光纤布拉格光栅实现相位调制到强度调制的转换，同时通过调节光载波的波长获取频率可调谐的窄带宽微波光子滤波器，但是受光栅陷波位置与陷波带宽固定的影响，导致滤波器通带带宽的可调谐性较差，此外该滤波器的插入损耗也较大，限制了其在通信领域的应用。

在先技术[2](liangguo,jiejunzhang,xiangfeichenandjianpingyao,“microwavephotonicfilterwithtwoindependentlytunablepassbandsusingaphasemodulatorandanequivalentphase-shiftedfiberbragggrating,”ieeetransactionsonmicrowavetheoryandtechniques,vol.62,no.2,pp.380-387,feb.2014)中，采用相位调制器和等效相移光纤布拉格光栅，并分别在两路通道中实现相位调制到强度调制的转换，从而获取两个通带可独立调谐的双通道微波光子滤波器。但是基于此方案的微波光子滤波器的两个通道间的频率间隔较小，导致两个通带的中心频率接近，且两个通带间的频率间隔可调性较差。

因此为应对现代军事与信息通信等领域对微波信号处理技术需求的提升，研制出高速率、高频段、宽带可调谐的双通道微波光子带通滤波器，是该领域亟需解决的一个问题。

技术实现要素：

本发明主要解决现有技术中存在的通带中心频率可调谐性较差、插损较大、成本较高，同时通带间频率间隔较小且频率间隔可调谐性较差的技术问题，提出一种基于光注入技术的双通道微波光子滤波器及滤波方法，通过采用半导体激光器、双输出电光调制器、光环形器、偏振控制器、平衡探测器，在利用光注入半导体激光器技术下的非线性效应与波长选择放大特性的基础上，结合平衡差分探测技术实现了双通道宽带可调谐微波光子滤波功能。

本发明提供了一种基于光注入技术的双通道微波光子滤波器，包括：主半导体激光器、双输出电光调制器、第一光环形器、第一从半导体激光器、第二光环形器、第二从半导体激光器和平衡探测器；

所述主半导体激光器的输出端与双输出电光调制器的光输入端连接；所述双输出电光调制器的射频信息输入端接入待处理微波信号；所述双输出电光调制器的输出端分别与第一光环形器的第一接口和第二光环形器的第一接口连接；

所述第一光环形器的第二接口与第一从半导体激光器连接，所述第一光环形器的第三接口与平衡探测器第一输入接口连接；

所述第二光环形器的第二接口与第二从半导体激光器连接，所述第二光环形器的第三接口与平衡探测器第二输入接口连接；

所述平衡探测器的输出口外接检测设备。

其中，所述第一从半导体激光器与第二从半导体激光器的频率不同，且低于主半导体激光器的输出频率。

优选的，所述双输出电光调制器的输出端与第一光环形器之间设置第一偏振控制器。

优选的，所述双输出电光调制器的输出端与第二光环形器之间设置第二偏振控制器。

优选的，所述主半导体激光器的输出波长为1535-1575nm。

优选的，所述第一从半导体激光器和第二从半导体激光器的输出波长均为1530-1610nm。

优选的，所述双输出电光调制器的带宽为40ghz。

优选的，所述平衡探测器的带宽为45ghz。

对应的，本发明提供了一种基于光注入技术的双通道微波光子滤波方法，包括以下过程：

将待处理微波信号经双输出电光调制器调制后加载到主半导体激光器输出的光载波上，获得相同的包含边带信号与光载波的第一路光信号和第二路光信号；

将第一路光信号通过第一光环形器注入到第一从半导体激光器，所述第一从半导体激光器对第一路光信号中位于第一预设锁定区内的边带信号进行放大，其他频率的边带信号的光功率则不变，得到放大处理后的第一路光信号；同时，将第二路光信号通过第二光环形器注入到第二从半导体激光器；所述第二从半导体激光器对第二路光信号中位于第二预设锁定区内的边带信号进行放大，其他频率的边带信号的光功率则不变，得到放大处理后的第二路光信号；

将放大处理后的第一路光信号和放大处理后的第二路光信号，分别输入到平衡探测器的第一输入接口和第二输入接口中，并经过平衡探测器的差分平衡探测功能，滤除其余边带信号，实现滤波后的微波信号输出。

本发明提供的一种基于光注入技术的双通道微波光子滤波器及滤波方法，可在光域上实现对微波信号的选频与带通滤波处理，可以实现对高频微波信号的双通道滤波功能。采用双输出电光调制器将接收到的微波信号调制到主半导体激光器输出的光载波上，生成两路包含边带和光载波的信号，该信号分别经对应的环形器注入到两个自由运行频率不同且不含光隔离器的半导体激光器中，利用光注入半导体激光器的波长选择放大特性及非线性效应，实现满足放大对应波长(频率)信号功率的双通道滤波选频功能，最后经平衡探测器的光电转换后实现对选频信号的输出，进一步滤除其他频率的信号。本发明的滤波器可以进一步通过调谐主半导体激光器与从半导体激光器间的失谐频率以及光注入系数，改变从半导体激光器谐振腔红移量的大小，从而实现双通道宽带可调谐滤波，极大提升了系统的灵活性与频率可调谐范围，克服了传统电滤波器带宽小、频率低、损耗大的限制。本发明结构简单、灵活性好，可以实现对天线接收到的小功率微波信号的高带外抑制比的带通滤波功能。本发明避免了传统光延迟线结构的微波光子滤波器频谱利用率低的问题。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的基于光注入技术的双通道微波光子滤波器的框图；

图2是强度调制后输出的光载微波信号示意图；

图3是光注入锁定放大输出后信号的光谱示意图，其中：(a)第一从半导体激光器输出；(b)第二从半导体激光器输出；

图4是经平衡探测器光电转换后获取的滤波后微波信号示意图。

图5是本发明实施例二提供的基于光注入技术的双通道微波光子滤波方法的实现流程图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

实施例一

图1是本发明实施例一提供的基于光注入技术的双通道微波光子滤波器的框图。如图1所示，本发明实施例提供的基于光注入技术的双通道微波光子滤波器，包括：主半导体激光器、双输出电光调制器、第一光环形器、第一从半导体激光器、第二光环形器、第二从半导体激光器和平衡探测器；

所述主半导体激光器的输出端与双输出电光调制器的光输入端连接；所述双输出电光调制器的射频信息输入端接入待处理微波信号；所述双输出电光调制器的输出端分别与第一光环形器的第一接口和第二光环形器的第一接口连接；

所述第一光环形器的第二接口与第一从半导体激光器连接，所述第一光环形器的第三接口与平衡探测器第一输入接口连接；所述第二光环形器的第二接口与第二从半导体激光器连接，所述第二光环形器的第三接口与平衡探测器第二输入接口连接；所述平衡探测器的输出口外接检测设备。检测设备例如为：矢量网络分析仪、频谱分析仪，进行后续处理与分析。本实施例采用平衡差分探测器降低噪声与带外微波信号的影响，实现带外抑制比的提升。

其中，所述第一从半导体激光器与第二从半导体激光器的频率不同，且低于主半导体激光器的输出频率。第一从半导体激光器自由运行时频率表示为f1，第二从半导体激光器自由运行时频率表示为f2，且f2与f2不同，均位于主半导体激光器输出的光载波频率f0的左侧。由于第一从半导体激光器与第二从半导体激光器间的自由运行频率不同，所以其预设锁定区的频率也不同，从而实现两个通路分别对不同频率的边带微波信号进行锁定放大。

所述双输出电光调制器的输出端与第一光环形器之间设置第一偏振控制器。所述双输出电光调制器的输出端与第二光环形器之间设置第二偏振控制器。

具体的，主半导体激光器的输出波长为主激光器波长1535-1575nm，典型值为1550nm；双输出电光调制器的带宽为40ghz；第一从半导体激光器和第二从半导体激光器的输出波长均为1530-1610nm，典型值1550nm。平衡探测器的带宽为45ghz。

在上述方案中，各组件依次由光纤或电缆相连。通过天线将接收到的包含若干个频率的待处理微波信号经双输出电光调制器的射频信息输入端输入到双输出电光调制器中，经过双输出电光调制器的电光调制后加载到主半导体激光器输出的频率为f0的光载波上，并经双输出电光调制器的输出端输出两路光载微波信号，其具体输出光谱图如图2所示。

其中，第一路光信号经第一光环形器进入到第一从半导体激光器中，经第一从半导体激光器的波长选择作用放大，实现对频率为f0-f3的边带信号的选频放大，其具体光谱图如图3(a)所示；第二路光信号经第二光环形器进入到第二从半导体激光器中，经第二从半导体激光器的波长选择作用放大后，实现对频率为f0-f4的边带信号的选频放大，其具体光谱图如图3(b)所示；其中，f0表示主半导体激光器输出的光载波频率，f1表示第一半导体激光器自由运行频率，f2表示第二半导体激光器自由运行频率，f3表示滤波后的第一路微波信号频率，f4表示滤波后的第二路微波信号频率。从而通过光注入技术实现对光信号的两个不同频率的边带信号的选频放大，并经平衡探测器的差分平衡探测后实现双通道选频输出，完成带通滤波功能，其具体经滤波后输出的微波信号频谱图如图4所示。

两路光信号注入对应的从半导体激光器后，由于光注入半导体激光器过程中的非线性效应的影响，其输出频率会分别产生δf1与δf2的红移量，第一预设锁定区的中心频率为f1-δf1，第二预设锁定区的中心频率f2-δf2。位于中心频率f1-δf1附近以及位于中心频率f2-δf2附近的边带信号，会由于光注入锁定半导体激光器所引起的波长选择放大特性而被放大，同时其余频率的边带信号的光功率不会变化，最后通过平衡差分探测器的差分平衡探测后进一步滤除噪声与其余边带的影响，从而实现高带外抑制比的双通道滤波功能。本实施例，受光注入半导体激光器过程中的非线性效应引起的从半导体激光器的波长红移的影响，以及光注入锁定半导体激光器条件下波长选择放大特性的影响，位于从半导体激光器波长红移后的谐振峰附近锁定区内的边带信号将被选择放大，而其他频率的边带信号的幅度则不会变化。

本实施例可以通过改变主半导体激光器输出光功率与从第一从半导体激光器和第二从半导体激光器自由运行时的光功率间的比值，即改变主半导体激光器与从半导体激光器间的注入系数比，可以改变主半导体激光器与从半导体激光器间的频偏量δf1与δf2的大小，从而实现对不同频率的边带信号的放大。因此通过对光注入系数的调谐可以实现双通道、可重构、宽带可调谐微波光子滤波功能。

由于第一从半导体激光器与第二从半导体激光器间的自由运行频率不同，所以其锁定区的频率也不同，从而实现两个通路分别对不同频率的边带微波信号进行锁定放大。采用平衡差分探测器降低噪声与带外微波信号的影响，实现带外抑制比的提升。

实施例二

图5是本发明实施例二提供的基于光注入技术的双通道微波光子滤波方法的实现流程图。如图5所示，本发明实施例提供的基于光注入技术的双通道微波光子滤波方法，包括以下过程：

将待处理微波信号经双输出电光调制器调制后加载到主半导体激光器输出的光载波上，获得相同的包含边带信号与光载波的第一路光信号和第二路光信号；

将第一路光信号通过第一光环形器注入到第一从半导体激光器，所述第一从半导体激光器对第一路光信号中位于第一预设锁定区内的边带信号进行放大，其他频率的边带信号的光功率则不变，得到放大处理后的第一路光信号；

同时，将第二路光信号通过第二光环形器注入到第二从半导体激光器；所述第二从半导体激光器对第二路光信号中位于第二预设锁定区内的边带信号进行放大，其他频率的边带信号的光功率则不变，得到放大处理后的第二路光信号；

将放大处理后的第一路光信号和放大处理后的第二路光信号，分别输入到平衡探测器的第一输入接口和第二输入接口中，并经过平衡探测器的差分平衡探测功能，滤除其余边带信号，实现滤波后的微波信号输出。

本实施例可以通过改变主半导体激光器输出光功率与从第一从半导体激光器和第二从半导体激光器自由运行时的光功率间的比值，即改变主半导体激光器与从半导体激光器间的注入系数比，可以改变主半导体激光器与从半导体激光器间的频偏量δf1与δf2的大小，从而实现对不同频率的边带信号的放大。因此通过对光注入系数的调谐可以实现双通道、可重构、宽带可调谐微波光子滤波功能。

本发明实施例二提供的基于光注入技术的双通道微波光子滤波方法，可以在光域上实现对高频微波信号的选频与双通道带通滤波功能。通过采用双输出电光调制器将接收到的微波信号调制到主半导体激光输出的光载波上，生成两路包含边带和光载波的光载微波信号，该信号分别经对应的环形器注入到两个自由运行频率不同且不含光隔离器的半导体激光器中，利用光注入半导体激光器的波长选择放大特性及非线性效应，实现满足放大对应波长(频率)信号功率的双通道滤波选频功能，最后经平衡探测器的差分平衡探测后实现对选频信号的输出，进一步滤除其他频率的信号。本发明的滤波器可以进一步通过调谐主半导体激光器与从半导体激光器间的失谐频率以及光注入系数，改变从半导体激光器谐振腔红移量的大小，从而实现双通道宽带可调谐滤波功能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。