微波光子濾波技術概述（二）

1.2、負抽頭的實現

非相干的微波光子濾波器一般只能實現正抽頭，這對于濾波器的應用不利。因為傳統正系數的全光濾波器只能實現低通的濾波功能，而且其濾波形狀受到極大的限制，濾波效果往往不太理想，所以負抽頭對全光濾波器來說一直都是設計中的熱點問題。這方面的研究在20世紀80年代就已經展開，但在最近才獲得重大的進展。為了解決此限制，目前所采用的主要方法有以下4種：

1)初期的負抽頭實現的出發點基本是以光電結合的方式進行的，稱為差分探測^[24]。圖6是其工作原理示意圖。將抽頭分為兩部分，一部分用來實現正抽頭，一部分用來實現負抽頭。這兩部分光信號分別被輸入到兩個光探測器中，然后在兩個光探測器上將光信號轉換成電信號，最后在電域中執行電信號相減運算，實現兩路信號在相位上相差π，所以可以分別得到正負抽頭。這種實現方法缺陷很明顯，負抽頭是通過電子設備實現的，所以濾波性能受到電子設備的性能和有源設備帶來額外的噪聲影響以及這種結構很難重構，而且，器件價格也比較昂貴。

2)利用半導體光放大器(SOA)的非線性來實現負抽頭。這種方法利用了SOA交叉增益調制和交叉相位調制波長轉換的非線性現象獲得了π相位變換^[25，26]。圖7顯示了其交叉增益調制的實現原理圖。被調制的光信號l₁通過分路器分為兩路，其中一路和由另外一個激光器發出的光l₂同時經過SOA，由于SOA隨著光強度增加而增益飽和，所以波長l₁的光信號強度反過來調制SOA的增益，注入的波長為l₂光信號又會被調制后的增益所調制，這樣l₂得到了l₁上π相位反轉后的強度變化信號，因此實現了負系數。這種結構比較復雜，很難實現可重構性能和多抽頭結構，在光域里的相位反轉受到SOA轉換帶寬的限制，另外存在的一個問題就是SOA對偏振很敏感。

3)基于利用光柵分割寬帶光源加多個可調光的結構實現負抽頭。這種結構通過利用光柵組切割寬帶光源，使其在一定波長出現光功率的凹槽，再加上多個可調激光器使其出現光功率的峰值，合成的光源經過延遲線，實現負抽頭。圖8給出了實現結構原理圖，這個結構是由可調諧激光器和摻鉺光纖放大器(EDFA)組成的光源，兩個光源發出的光信號通過耦合器合并后經過電光調制器被射頻信號所調制，再通過一定長度的光纖后被光波分析儀(LCA)所接受。這樣兩個抽頭的射頻濾波器就形成了。圖8里嵌入的圖是由光譜分析儀(OSA)探測得到的輸入進電光調制器的光功率相對于EDFA光功率的比值圖，可以看到在光柵反射波長那里有個凹槽，這樣直接在光域就提供了相位反轉，也就是說實現了負抽頭。這種結構的優點是不受寬帶的限制、濾波器可以重構、偏振不敏感。缺陷是在低頻總是存在直流信號，由于受到光源數量的限制，很難實現多抽頭。

4)利用電光調制器的傳輸函數正負斜率線性部分實現反相位調制來實現負抽頭^[27，28]。這種方法里有兩種方式可實現負抽頭，第一種方式為一個波長兩個偏置點，如圖9^[27]所示為固定波長下輸出光功率隨著電壓變化的曲線。從圖中可以看出，將兩個調制器的偏置點分別設在Vbias1和Vbias2，然后通過這兩個調制器使用相同的RF信號去調制光信號，因為兩個偏置點都是線性偏置點，而且相位相差π，這樣從調制器出來后，兩路的RF信號就有了π的相位差，也就相當于實現了負抽頭的設計。第二種方式為兩個波長一個偏置點^[28]，如圖10所示，如果將偏置點電壓設在Vbias，則兩個波長所載的RF信號能夠實現π相位差。

另外對于可重構性的問題，由于傳輸函數的幅度響應形狀只決定于系數，為了實現重構，就要改變濾波器的形狀系數^[3，6，29]。實踐中，可以通過調整光源的功率，或者通過控制抽頭光路中光波的衰減或者增益，等方法來改變形狀系數^[30，31]。

2、結論與展望

綜上所述，微波光子濾波器的可調諧性的實現，使用直接改變光程的方法雖然簡單，但是調諧的過程比較復雜，需要特殊器件的引入，而使用可調諧的色散器件方法，調諧速度會受器件的影響，速度往往不太理想。相對于前兩種方法，使用波長可調諧光源結合色散介質雖然結構比較復雜但是它是一種比較理想的實現可調諧的方法。對于濾波器負抽頭的實現，利用電光調制器的傳輸函數斜率線性部分來實現負抽頭相對于其他方法是最新也是最好的方法，對于研究和發展微波光子濾波器具有重要的參考意義。

綜合來看，微波光子濾波器的主要研究重點將是：發展更簡潔的技術獲得負系數和復系數濾波器；發展更多的技術實現濾波器可調諧；克服具有很小的延遲時間值的相干效應實現與電路集成的目的；研究發展更好的微波光子濾波器的各項器件，現階段全光濾波器的帶寬受到調制器和探測器的帶寬限制，其中主要是調制器的帶寬限制。

雖然現階段全光可調諧濾波器仍然停留在實驗研究階段。可以預見這個技術具有巨大的應用前景，對以后的濾波技術將產生巨大的影響。

作者：劉崇正、陳建國、周濤