本發(fā)明涉及光纖通信與微波光子信號處理領(lǐng)域，尤其涉及一種基于半導(dǎo)體光放大器的可調(diào)諧微波光子濾波器。

背景技術(shù)：

微波光子濾波器是微波光子學(xué)的一個重要分支。它將輸入的微波信號通過調(diào)制器調(diào)制到光信號上，在光域?qū)ξ⒉ㄐ盘栠M(jìn)行處理，最后通過光接收器輸出濾波后的微波信號。微波光子濾波器相對傳統(tǒng)電子微波濾波器具有低損耗、高帶寬、抗電磁干擾、靈活的可調(diào)諧與可重構(gòu)性等優(yōu)點(diǎn)，在雷達(dá)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)以及無線通信領(lǐng)域引起了廣泛的研究與應(yīng)用。

采用延遲線結(jié)構(gòu)的微波光子濾波器是最基本的一種濾波器結(jié)構(gòu)，其頻率響應(yīng)存在多次諧波通帶的問題，但是在許多應(yīng)用中都需要單通帶微波濾波器以獲得寬的頻率抑制范圍，避免頻譜重疊。這一要求體現(xiàn)在微波光子濾波器的性能指標(biāo)上就是品質(zhì)因數(shù)(Q),Q＝FSR/f_3dB，即自由頻譜范圍(文中簡稱：FSR)與濾波器3dB帶寬f_3dB的比值。例如，若某微波光子濾波器類型是無限沖激響應(yīng)(IIR)濾波器，其環(huán)路延時ΔT大約是43.42ns，則對應(yīng)FSR＝1/ΔT＝1/43.42ns＝23.03MHz，測得f_3dB為0.128MHz，則Q值約為181。受制于濾波器環(huán)路中各個光學(xué)器件連接尾纖的存在，環(huán)路總延時無法任意縮減，例如，現(xiàn)實(shí)情況下光纖環(huán)路總長度不少于1m，其對應(yīng)環(huán)路總延時ΔT也大約超過5ns，則對應(yīng)FSR不會大于200MHz。許多方法與技術(shù)都在努力擴(kuò)大微波光子濾波器的FSR，多濾波器環(huán)路級聯(lián)結(jié)構(gòu)。其中基于馬赫增德爾干涉儀或者二維硅基液晶開關(guān)陣列的寬譜光源光譜切割技術(shù)，能解決離散延遲結(jié)構(gòu)造成的周期性濾波通帶，但是馬赫增德爾干涉儀對周圍環(huán)境與溫度敏感，二維硅基液晶開關(guān)陣列結(jié)構(gòu)復(fù)雜同時載波抑制效應(yīng)嚴(yán)重限制了濾波器的頻率可調(diào)諧性；基于陷波環(huán)形諧振器、相移光纖布拉格光柵、受激布里淵散射的相位調(diào)制到強(qiáng)度調(diào)制轉(zhuǎn)換技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)光域?yàn)V波或放大到微波光子濾波器電響應(yīng)的映射，但是環(huán)形諧振器的穩(wěn)定性與陷波帶寬嚴(yán)重限制了此微波光子濾波器的可用性，相移光纖布拉格光柵的通帶帶寬限制了濾波器的可調(diào)諧范圍，而基于受激布里淵散射的微波光子濾波器的濾波帶寬為固定的布里淵增益帶寬，濾波器的可重構(gòu)性差。

此外，微波光子濾波器的可調(diào)諧性至關(guān)重要，也是此領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)，但是普遍存在調(diào)諧范圍小、不能連續(xù)可調(diào)的問題。常見的方法是使用可變延遲線、使用可調(diào)諧的調(diào)制器等器件，但是此法一般都要配上成本較高的可調(diào)諧光源，調(diào)諧穩(wěn)定度上也有一定限制。

目前已有的微波光子濾波器，存在的主要問題是系統(tǒng)復(fù)雜，低Q值導(dǎo)致頻率選擇性差，同時缺乏靈活的調(diào)諧能力，因而限制了在實(shí)際副載波復(fù)用光纖通信系統(tǒng)和光載無線電(RoF)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種基于半導(dǎo)體光放大器的可調(diào)諧微波光子濾波器，解決了現(xiàn)有延遲線結(jié)構(gòu)的微波光子濾波器存在的FSR受限于MHz量級的問題，還解決了現(xiàn)有延遲線結(jié)構(gòu)的微波光子濾波器存在的可調(diào)諧性問題。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實(shí)施例采用的技術(shù)方案是：

一種基于半導(dǎo)體光放大器的可調(diào)諧微波光子濾波器，該濾波器包括：激光器、光調(diào)制器、摻鉺光纖放大器、第一可調(diào)光衰減器、偏振控制器、保偏環(huán)路器、單級濾波器環(huán)路、啁啾光柵、起偏器、光電探測器、微波信號放大器和網(wǎng)絡(luò)分析儀；所述激光器的輸出端與光調(diào)制器的輸入端連接，光調(diào)制器的輸出端與摻鉺光纖放大器的輸入端連接，摻鉺光纖放大器的輸出端與第一可調(diào)光衰減器的輸入端連接，第一可調(diào)光衰減器的輸出端與偏振控制器的輸入端連接，偏振控制器的輸出端與保偏環(huán)路器的第一端口連接，保偏環(huán)路器的第二端口與單級濾波器環(huán)路連接，啁啾光柵和單級濾波器環(huán)路連接；保偏環(huán)路器的第三端口與起偏器的輸入端連接，起偏器的輸出端與光電探測器的輸入端連接，光電探測器的輸出端與微波信號放大器的輸入端連接，微波信號放大器的輸出端與網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸入端連接。

作為優(yōu)選例，所述網(wǎng)絡(luò)分析儀為示波器或者頻譜儀。

作為優(yōu)選例，所述單級濾波器環(huán)路包括保偏耦合器、半導(dǎo)體光放大器和第二可調(diào)光衰減器，保偏環(huán)路器的第二端口與保偏耦合器的第三端口連接，保偏耦合器的第二端口與半導(dǎo)體光放大器的輸入端連接，半導(dǎo)體光放大器的輸出端與第二可調(diào)光衰減器的輸入端連接，第二可調(diào)光衰減器的輸出端與保偏耦合器的第一端口連接，保偏耦合器的第四端口和啁啾光柵連接。

作為優(yōu)選例，所述的摻鉺光纖放大器和第一可調(diào)光衰減器用于控制入纖功率，使得半導(dǎo)體光放大器工作在增益飽和區(qū)域。

作為優(yōu)選例，所述的半導(dǎo)體光放大器用于在垂直偏振方向上組成二階IIR濾波器遲延單元，且半導(dǎo)體光放大器的注入電流可調(diào)。

作為優(yōu)選例，所述的偏振控制器用于將第一可調(diào)光衰減器輸出的平行偏振光載波信號45°起偏成垂直偏振光載波信號。

作為優(yōu)選例，所述的啁啾光柵用于反射垂直偏振光載波信號；還用于將單級濾波器環(huán)路中產(chǎn)生的部分放大器自發(fā)輻射噪聲濾除。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例具有以下有益效果：本發(fā)明實(shí)施例的微波光子濾波器以單級濾波器環(huán)路接入半導(dǎo)體光放大器，作為IIR濾波器的延遲單元。利用半導(dǎo)體光放大器在TE及TM波垂直偏振條件下的不同折射率，即雙折射效應(yīng)，組成二階IIR濾波器。同時，通過在濾波器環(huán)路中放置一個工作在反射模式的線性啁啾光纖光柵，提升微波光子濾波器的延遲單元性能。另一方面利用啁啾光纖光柵的濾波特性，將濾波器環(huán)路中產(chǎn)生的ASE部分濾除，提升微波光子濾波器的信噪比性能。同時，本發(fā)明實(shí)施例也改善了傳統(tǒng)微波光子濾波器的可調(diào)諧性，常見的方法是使用可變延遲線、使用可調(diào)諧的調(diào)制器等器件，但是此法一般都要配上成本較高的可調(diào)諧光源，調(diào)諧穩(wěn)定度上也有一定限制。本發(fā)明實(shí)施例通過電域控制方法，調(diào)諧半導(dǎo)體光放大器注入電流的方式，改變其雙折射效應(yīng)，從而影響二階IIR的延遲特性，最終使微波光子濾波器的通帶中心頻率可調(diào)諧，解決了的傳統(tǒng)微波光子濾波器普遍存在調(diào)諧范圍小、不能連續(xù)可調(diào)的問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例一微波光子濾波器輸出的濾波曲線圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例二微波光子濾波器輸出的可調(diào)諧濾波曲線圖。

圖中有：激光器1、光調(diào)制器2、摻鉺光纖放大器3、第一可調(diào)光衰減器4、偏振控制器5、保偏環(huán)路器6、保偏耦合器7、半導(dǎo)體光放大器8、第二可調(diào)光衰減器9、啁啾光柵10、起偏器11、光電探測器12、微波信號放大器13、網(wǎng)絡(luò)分析儀14。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明：本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的一種基于半導(dǎo)體光放大器的可調(diào)諧微波光子濾波器，其特征在于：該濾波器包括：激光器1、光調(diào)制器2、摻鉺光纖放大器3、第一可調(diào)光衰減器4、偏振控制器5、保偏環(huán)路器6、單級濾波器環(huán)路、啁啾光柵10、起偏器11、光電探測器12、微波信號放大器13和網(wǎng)絡(luò)分析儀14。

其中，單級濾波器環(huán)路包括保偏耦合器7、半導(dǎo)體光放大器8和第二可調(diào)光衰減器9，保偏環(huán)路器6的第二端口6b與保偏耦合器7的第三端口7c連接，保偏耦合器7的第二端口7b與半導(dǎo)體光放大器8的輸入端連接，半導(dǎo)體光放大器8的輸出端與第二可調(diào)光衰減器9的輸入端連接，第二可調(diào)光衰減器9的輸出端與保偏耦合器7的第一端口7a連接，保偏耦合器7的第四端口7d和啁啾光柵10連接。所述網(wǎng)絡(luò)分析儀14為示波器或者頻譜儀。

所述激光器1的輸出端與光調(diào)制器2的輸入端連接，光調(diào)制器2的輸出端與摻鉺光纖放大器3的輸入端連接，摻鉺光纖放大器3的輸出端與第一可調(diào)光衰減器4的輸入端連接，第一可調(diào)光衰減器4的輸出端與偏振控制器5的輸入端連接，偏振控制器5的輸出端與保偏環(huán)路器6的第一端口6a連接，保偏環(huán)路器6的第二端口6b與單級濾波器環(huán)路連接，啁啾光柵10和單級濾波器環(huán)路連接；保偏環(huán)路器6的第三端口6c與起偏器11的輸入端連接，起偏器11的輸出端與光電探測器12的輸入端連接，光電探測器12的輸出端與微波信號放大器13的輸入端連接，微波信號放大器13的輸出端與網(wǎng)絡(luò)分析儀14的輸入端連接。

上述結(jié)構(gòu)的微波光子濾波器中，激光器1發(fā)出的平行偏振激光信號經(jīng)由光調(diào)制器2調(diào)制成平行偏振光載波信號。經(jīng)過摻鉺光纖放大器3對光信號進(jìn)行放大，再通過第一可調(diào)光衰減器4對光信號進(jìn)行衰減，兩者配合精確控制光信號功率。通過偏振控制器5，使得原先的平行偏振光載波信號45°起偏成垂直偏振光載波信號，經(jīng)過保偏環(huán)路器6的第一端口與第二端口進(jìn)入保偏耦合器7，從而進(jìn)入濾波器環(huán)路中。如圖1所示，垂直偏振光載波信號在濾波器環(huán)路中順時鐘方向歷經(jīng)半導(dǎo)體光放大器8與第二可調(diào)光衰減器9至保偏耦合器7，經(jīng)由啁啾光柵10反射后，再次由保偏耦合器7進(jìn)入濾波器環(huán)路中。如圖1所示，垂直偏振光載波信號在濾波器環(huán)路中逆時鐘方向歷經(jīng)第二可調(diào)光衰減器9與半導(dǎo)體光放大器8至保偏耦合器7中，在相互垂直的偏振方向形成二階無限沖激響應(yīng)(文中簡稱：IIR)濾波器的延遲單元，進(jìn)而垂直偏振光載波信號通過保偏環(huán)路器6的第二端口與第三端口進(jìn)入起偏器11中。在起偏器11中，垂直偏振光載波信號經(jīng)過45°起偏后，重新生成平行偏振光載波信號，傳輸?shù)焦怆娞綔y器12中，生成電域微波信號，最后由微波信號放大器13放大驅(qū)動后，輸出至網(wǎng)絡(luò)分析儀14中進(jìn)行測量。

不同于現(xiàn)有的基于多濾波器環(huán)路級聯(lián)結(jié)構(gòu)的微波光子濾波器，本發(fā)明實(shí)施例的微波光子濾波器基于半導(dǎo)體光放大器雙折射效應(yīng)，分別在單級濾波器環(huán)路中相互垂直的偏振方向上組成等效二階效果的IIR，二階IIR延時(TE偏振態(tài)下延時：ΔT+ΔT_TE；TM偏振態(tài)下延時：ΔT+ΔT_TM)分別取決于半導(dǎo)體光放大器8在垂直偏振態(tài)下的折射率及單級濾波器環(huán)路中的延時ΔT，從而引入的皮秒(ps)量級的延時差ΔT’＝(ΔT+ΔT_TE)-(ΔT+ΔT_TM)。其中，ΔT_TE表示半導(dǎo)體光發(fā)大器8在TE偏振方向的延時；ΔT_TM表示半導(dǎo)體光發(fā)大器8在TM偏振方向的延時。對于本發(fā)明實(shí)施例的濾波器，若等效二階環(huán)路延遲差ΔT’為皮秒量級，則該二階濾波器的FSR＝1/ΔT’。這使得所述的微波光子濾波器的FSR提升至10GHz量級以上，極大提高了微波光子濾波器的Q值。據(jù)測量，基于本發(fā)明實(shí)施例的有源IIR結(jié)構(gòu)的微波光子濾波器Q值可達(dá)13000以上，遠(yuǎn)超目前業(yè)界報道的基于單級IIR結(jié)構(gòu)的微波光子濾波器其Q值200左右，以及基于多級級聯(lián)IIR結(jié)構(gòu)的微波光子濾波器其Q值3000左右。

本發(fā)明實(shí)施例的微波光子濾波器還解決了現(xiàn)有延遲線結(jié)構(gòu)的微波光子濾波器存在的可調(diào)諧性問題。本發(fā)明實(shí)施例的微波光子濾波器，通過更為方便的電域控制方法，調(diào)諧半導(dǎo)體光放大器8注入電流的方式，改變其雙折射效應(yīng)，從而影響二階IIR的延遲特性，最終使微波光子濾波器的通帶中心頻率可調(diào)諧。對于本發(fā)明實(shí)施例的微波光子濾波器可調(diào)諧步長Δf＝1/ΔT，取決于單級濾波器環(huán)路中的延時ΔT。根據(jù)需求，可以靈活設(shè)計單級濾波器環(huán)路延時，以滿足可調(diào)諧步長的要求。例如：本發(fā)明實(shí)施例微波光子濾波器中，單級濾波器環(huán)路長度約為1.25m，對應(yīng)延時ΔT為6.25ns，濾波器可調(diào)諧步長為160MHz。

本發(fā)明實(shí)施例的微波光子濾波器中，使用摻鉺光纖放大器3與第一可調(diào)光衰減器4控制入纖功率。具體的，經(jīng)過摻鉺光纖放大器3對光信號進(jìn)行放大，再通過第一可調(diào)光衰減器4對光信號進(jìn)行衰減，兩者配合精確控制光信號功率，使得微波光子濾波器中的半導(dǎo)體光放大器8工作在增益飽和區(qū)域。

本發(fā)明實(shí)施例中，偏振控制器5用于將第一可調(diào)光衰減器4輸出的平行偏振光載波信號45°起偏成垂直偏振光載波信號。

本發(fā)明實(shí)施例使用半導(dǎo)體光放大器8，利用其雙折射效應(yīng)，在垂直偏振方向上組成等效二階效果的IIR濾波器延遲單元，并通過控制其注入電流改變其雙折射效應(yīng)，從而影響二階IIR濾波器的延遲特性，最終使微波光子濾波器的通帶中心頻率可調(diào)諧。

本發(fā)明實(shí)施例使用啁啾光柵10，一方面利用其反射特性，將垂直偏振光載波信號反射，再次經(jīng)過單級濾波器環(huán)路，提升微波光子濾波器的延遲單元性能；另一方面利用其濾波特性，將單級濾波器環(huán)路中產(chǎn)生的放大器自發(fā)輻射噪聲(ASE)部分濾除，提升微波光子濾波器的信噪比性能。

為了便于更好的理解本發(fā)明，下面對本發(fā)明的原理做進(jìn)一步說明。

采用延遲線結(jié)構(gòu)的微波光子濾波器是最基本的一種濾波器結(jié)構(gòu)，最為重要的性能指標(biāo)就是品質(zhì)因數(shù)Q。Q＝FSR/f_3dB。FSR表示濾波器自由頻譜范圍，f_3dB表示濾波器3dB帶寬。FSR＝1/ΔT，其中，ΔT表示單級濾波器環(huán)路延時。受制于濾波器環(huán)路中各個光學(xué)器件連接尾纖的存在，環(huán)路延時ΔT無法任意縮減。例如，現(xiàn)實(shí)情況下光纖環(huán)路總長度不少于1m，其對應(yīng)環(huán)路總延時也大約超過5ns，則對應(yīng)FSR不會大于200MHz。不同于以往的基于多濾波器環(huán)路級聯(lián)結(jié)構(gòu)的微波光子濾波器，本發(fā)明實(shí)施例的微波光子濾波器，分別在單級濾波器環(huán)路中相互垂直的偏振方向上組成等效二階效果的IIR，二階IIR延時(TE偏振態(tài)下延時：ΔT+ΔT_TE；TM偏振態(tài)下延時：ΔT+ΔT_TM)分別取決于半導(dǎo)體光放大器8在垂直偏振態(tài)下的折射率及單級濾波器環(huán)路中的延時ΔT，從而引入的皮秒(ps)量級的延時差ΔT’＝(ΔT+ΔT_TE)-(ΔT+ΔT_TM)。對于本發(fā)明實(shí)施例的濾波器，若等效二階環(huán)路延遲差ΔT’為皮秒量級，則該二階濾波器的FSR＝1/ΔT’。這使得所述的微波光子濾波器的FSR提升至10GHz量級以上，極大提高了微波光子濾波器的Q值。本發(fā)明實(shí)施例的微波光子濾波器，通過更為方便的電域控制方法，調(diào)諧半導(dǎo)體光放大器注入電流的方式，改變其雙折射效應(yīng)，從而影響二階IIR的延遲特性，最終使微波光子濾波器的通帶中心頻率可調(diào)諧。對于本發(fā)明實(shí)施例的濾波器可調(diào)諧步長Δf＝1/ΔT，取決于單級濾波器環(huán)路中的延時ΔT。根據(jù)需求，可以靈活設(shè)計單級濾波器環(huán)路延時，以滿足可調(diào)諧步長的要求。

本發(fā)明實(shí)施例的濾波器以環(huán)形腔中(即單級濾波器環(huán)路)接入半導(dǎo)體光放大器作為無限沖激響應(yīng)濾波器的延遲單元，在單級結(jié)構(gòu)的濾波器環(huán)路中，利用垂直偏振的橫電波與橫磁波的雙折射效應(yīng)構(gòu)成等效二階效果的延遲單元，并通過控制半導(dǎo)體光放大器的注入電流改變其雙折射效應(yīng)，從而影響二階無限沖激響應(yīng)濾波器的延遲特性，最終使微波光子濾波器的通帶中心頻率可調(diào)諧。本發(fā)明的微波光子濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單，超高的品質(zhì)因數(shù)，成本較低便于集成化的優(yōu)點(diǎn)，解決了現(xiàn)有微波光子濾波器調(diào)諧范圍小、不能連續(xù)可調(diào)的問題，適用于國防、工業(yè)生產(chǎn)以及民用領(lǐng)域。

下面例舉兩實(shí)施例。

實(shí)施例一驗(yàn)證了本發(fā)明實(shí)施例的微波光子濾波器的Q值。實(shí)施例一采用本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，其中，半導(dǎo)體光放大器的注入電流保持在450mA時，微波光子濾波器輸出的濾波曲線如圖2所示。經(jīng)測量，F(xiàn)SR＝30.726GHz，抑制比為30dB，f_3dB＝2.45MHz，計算該濾波器Q值可達(dá)13000以上。

實(shí)施例二驗(yàn)證了本發(fā)明實(shí)施例微波光子濾波器的可調(diào)諧性。實(shí)施例二采用本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)。通過采用電域控制方法，調(diào)諧半導(dǎo)體光放大器8注入電流的方式，改變其雙折射效應(yīng)，從而影響二階IIR的延遲特性，最終使微波光子濾波器的通帶中心頻率可調(diào)諧，解決了的傳統(tǒng)微波光子濾波器普遍存在調(diào)諧范圍小、不能連續(xù)可調(diào)的問題。半導(dǎo)體光放大器的注入電流保持在300mA～450mA變化時，微波光子濾波器輸出的可調(diào)諧濾波曲線如圖3所示。經(jīng)測量，本實(shí)施例中單級濾波器環(huán)路長度約為1.25m，對應(yīng)延時ΔT為6.25ns，濾波器可調(diào)諧步長為160MHz，F(xiàn)SR線性頻率調(diào)諧范圍30.726GHz～32.166GHz。

以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。