基于光纤环的可调谐微波光子滤波器

2013-12-04 来源:互联网 我要评论(0) 字号:

由于在微波/毫米波光纤系统中潜在的应用价值,光域上的微波信号处理技术引起了众多研究者的兴趣。比起传统的电子微波滤波器,微波光子滤波器有着电磁环境兼容性、体积小、重量轻和较宽的工作带宽等。鉴于光纤光栅(FBG)能以灵巧的方式构建微波光子滤波器,近年提出了许多基于FBG的微波光子滤波器结构,如不平衡马赫-泽德(MZ)结构、基于宽带光源和FBG阵列的结构、采用超结构光栅和宽带光源的结构、采用FBG对的结构、基于可调谐激光器和FBG的结构以及应用计算机控制差分延迟线的可调滤波结构等[1~3]

本文设计了2种新颖的滤波结构—可调谐IIR滤波器和可调谐陷波滤波器,它们都基于光纤环和啁啾光纤光栅(FBGs),其自由频程(FSR)可通过改变输入光载波的波长而实现连续调谐。

1、原理和结构

基于耦合器和光纤环的IIR微波光子滤波器已有报道。在这种结构的滤波器中,如果加入一段掺铒光纤在光纤环中(当然还需泵浦光源),可实现有源的高Q值滤波器[4]。然而,由于环中的光纤长是固定的,这种IIR结构的滤波器难以实现调谐。图1给出了我们设计的可调谐IIR滤波器结构。如图所示,网络分析仪输出的射频信号驱动MZ电光调制器,将来自可调激光器的光信号调制,然后调制器输出的光信号射入3dB耦合器,耦合器的1个输入端和输出端通过光纤连接构成光纤环。为实现可调谐,在光纤环中置入一3端口环形器,在环形器的另一端连上已串接好若干个不同工作波长光栅的光纤。这样,由于FBG对特定波长的反射能力,通过改变输入光的波长,光信号在光纤环中走的距离是不一样的,因而滤波器的FSR也相应的改变。该IIR滤波器的频响(采用3dB耦合器)可表示为


式中:f是射频信号的频率;n是光纤的有效折射率;L是对应某一输入光波长的环长;c为真空中的光速。图2给出了理论计算得出的该IIR滤波器的频响,曲线a、b分别对应于耦合器的分光比是50∶50和45∶55的情形。

图3给出了我们提出的可调谐陷波滤波器结构。它不同于IIR结构,光纤环是通过连接耦合器的2个输出端构建的。在以前的采用FBG作为抽头器件的工作中,要实现二抽头的陷波滤波器,往往需要1对FBG[5],而在本结构中,只需1个FBG就可实现。为了实现可调谐,可将一串FBG放置在光纤环上。作为对以前工作的改进,这里使用CFBGs,即可实现连续的调谐[6]。从调制器输出的强度调制信号光输入3dB耦合器,从耦合器输出2个强度相同的光信号,分别在光纤环中相反方向传输,经对应波长的CF-BGs后反射,这样耦合器的另一个输入端输出的是两束经不同时延的光信号,就可实现陷波滤波。由于采用的是CFBGs,这个陷波滤波器的FSR就可实现连续可调。2个抽头的光程差由相应的CFBGs在光纤环中的位置和输入光波长决定,该陷波滤波器的频响为


其中,L是2个抽头的路程差。该结构的主要缺点是;由于有1/2的光信号返回到原光信号的入射端,因而存在3dB的光损耗;同时,为了避免光反射进可调谐激光器,还需在光路中放置隔离器。图2的曲线c给出了理论计算得出的该陷波滤波器的频响。

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