基于光纖環的可調諧微波光子濾波器

由于在微波/毫米波光纖系統中潛在的應用價值，光域上的微波信號處理技術引起了眾多研究者的興趣。比起傳統的電子微波濾波器，微波光子濾波器有著電磁環境兼容性、體積小、重量輕和較寬的工作帶寬等。鑒于光纖光柵（FBG）能以靈巧的方式構建微波光子濾波器，近年提出了許多基于FBG的微波光子濾波器結構，如不平衡馬赫-澤德（MZ）結構、基于寬帶光源和FBG陣列的結構、采用超結構光柵和寬帶光源的結構、采用FBG對的結構、基于可調諧激光器和FBG的結構以及應用計算機控制差分延遲線的可調濾波結構等^[1～3]。

本文設計了2種新穎的濾波結構—可調諧IIR濾波器和可調諧陷波濾波器，它們都基于光纖環和啁啾光纖光柵（FBGs），其自由頻程（FSR）可通過改變輸入光載波的波長而實現連續調諧。

1、原理和結構

基于耦合器和光纖環的IIR微波光子濾波器已有報道。在這種結構的濾波器中，如果加入一段摻鉺光纖在光纖環中（當然還需泵浦光源），可實現有源的高Q值濾波器^[4]。然而，由于環中的光纖長是固定的，這種IIR結構的濾波器難以實現調諧。圖1給出了我們設計的可調諧IIR濾波器結構。如圖所示，網絡分析儀輸出的射頻信號驅動MZ電光調制器，將來自可調激光器的光信號調制，然后調制器輸出的光信號射入3dB耦合器，耦合器的1個輸入端和輸出端通過光纖連接構成光纖環。為實現可調諧，在光纖環中置入一3端口環形器，在環形器的另一端連上已串接好若干個不同工作波長光柵的光纖。這樣，由于FBG對特定波長的反射能力，通過改變輸入光的波長，光信號在光纖環中走的距離是不一樣的，因而濾波器的FSR也相應的改變。該IIR濾波器的頻響（采用3dB耦合器）可表示為

式中：f是射頻信號的頻率；n是光纖的有效折射率；L是對應某一輸入光波長的環長；c為真空中的光速。圖2給出了理論計算得出的該IIR濾波器的頻響，曲線a、b分別對應于耦合器的分光比是50∶50和45∶55的情形。

圖3給出了我們提出的可調諧陷波濾波器結構。它不同于IIR結構，光纖環是通過連接耦合器的2個輸出端構建的。在以前的采用FBG作為抽頭器件的工作中，要實現二抽頭的陷波濾波器，往往需要1對FBG^[5]，而在本結構中，只需1個FBG就可實現。為了實現可調諧，可將一串FBG放置在光纖環上。作為對以前工作的改進，這里使用CFBGs，即可實現連續的調諧^[6]。從調制器輸出的強度調制信號光輸入3dB耦合器，從耦合器輸出2個強度相同的光信號，分別在光纖環中相反方向傳輸，經對應波長的CF-BGs后反射，這樣耦合器的另一個輸入端輸出的是兩束經不同時延的光信號，就可實現陷波濾波。由于采用的是CFBGs，這個陷波濾波器的FSR就可實現連續可調。2個抽頭的光程差由相應的CFBGs在光纖環中的位置和輸入光波長決定，該陷波濾波器的頻響為

其中，L是2個抽頭的路程差。該結構的主要缺點是；由于有1/2的光信號返回到原光信號的入射端，因而存在3dB的光損耗；同時，為了避免光反射進可調諧激光器，還需在光路中放置隔離器。圖2的曲線c給出了理論計算得出的該陷波濾波器的頻響。

2、實驗結果

在光纖環中串接2個CFBGs，它們的中心波長分別是1547.2nm和1548.5nm。CFBGs是通過掃描法用25mm的相位掩模板在經載H處理的普通單模光纖上制作而成。2個CFBGs的中心反射率都高于99%。圖4給出了IIR濾波器頻響的實驗結果，其中曲線a對應CFBG1，曲線b對應CFBG2，FSR分別等于62MHz和48MHz，對應2個抽頭光纖距離差為3.22m和4.17m。實驗所觀察的頻率范圍是2.4～2.6GHz，所獲得的濾波器的抑制比大于6.5dB，而根據理論計算該值只有510dB。這是由于耦合器的分光比不是嚴格的310dB，導致了較大的抑制比，正如圖2曲線b所示。這也表明，為了獲得較好的抑制比，耦合器的最佳耦合比并非310dB。理論分析表明，耦合器的分光比在45∶55左右可獲得最大的抑制比，將若干個這樣的IIR濾波器串接，可獲得較高的抑制比。可調諧陷波濾波器的實驗結果如圖5所示。結果表明，濾波器的FSR可以通過改變輸入光波長而實現調諧，濾波器抑制比大于20dB。

實驗結果表明，2種濾波器結構是有效和可行的。實際上，可以根據需求設計包含多個CFBGs的濾波器，這樣可以實現更大范圍的調諧，同時濾波器的FSR可通過控制CFBGs在光纖環上的位置來精確控制。濾波器連續調諧的范圍主要受CFBGs長度的限制，若采用更長的CFBGs，可實現具有大范圍連續調諧能力的濾波器。

3、結論

設計了2種新穎的基于光纖環和CFBGs的可調諧微波光子濾波器，濾波器的FSR可通過改變輸入光的波長實現連續調諧。這2種濾波器結構都比較簡單且易于實現，所需的濾波器FSR可通過精確控制CFBGs在光纖環上的位置來設計，通過使用低色散的CFBGs，由雙邊帶調制和色散效應引起的射頻功率惡化可以得到有效的抑制^[7，8]。

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作者：池灝，章獻民，沈林放