MPF微波光子学滤波器详解

微波光子学滤波器(MPF)综述第1章MPF的分类及其性能参数第2章高Q、负系数、高阶MPF典型方案分析第3章基于SOA级联窄带滤波器的有源环实现IIR滤波器的方案分析前言微波光子学是研究微波和光信号相互作用的交叉领域，应用于宽带无线接入网、传感网络、雷达、卫星通信、测量仪表和战争系统。微波光子系统主要功能有利用光子技术产生、处理、控制、分配微波和毫米波信号。近年来主要的研究方向有微波和毫米波信号的光子发生，微波和毫米波信号光子处理，光控相位阵列天线，光载无线系统以及光子模数转换。本人主要研究高性能微波光子滤波器实现技术。引言为什么要用MPF取代传统射频滤波器呢？对模数转换分辨率要求很高只能实现特定频段微波信号的滤波功能直接在光域处理，再转换为电信号后下变频MPFVS传统射频滤波器在传统射频电路中，由射频信号源或天线接收得到射频信号，注入到信号处理的射频电路，即经下变频到基带信号后通过模数转换，由数字滤波器滤除杂波得到所需的射频信号。这个系统的主要的瓶颈是对模数转换分辨率要求很高。该方法所实现的滤波器的最大弊端在于所设计的信号处理电路只能实现特定频段微波信号的滤波功能,一旦微波信号的频率发生变化,就必须重新设计新的信号处理电路。同时,在电域内处理信号时,带宽和采样频率将会受限,且高频电路容易引起电磁干扰,增大损耗。而在光域上用光子滤波器实现起来较简单。射频信号调制到光信号上，利用基于光纤或集成光子器件的光子滤波器直接在光域处理，再转换为电信号后下变频。并将完成滤波后的微波信号输出,以实现特定微波频段内的信号滤波功能。MPF的优势与传统射频电路相比，在光域处理射频或微波信号具有许多独特的优点：尺寸小，质量轻，带宽宽（高时间带宽积），结构简单，损耗低(光延迟线的损耗非常低)，消除电子瓶颈，抗电磁干扰(EMI)，动态范围大，重构速度快，可调性好等。用传统的微带或波导射频技术很难获得可重构的带通滤波器。还可以可以使用WDM技术来实现空间和波长并行传输，因此微波光子学技术可以广泛的应用于光纤无线传输系统中。第1章MPF的分类及其性能参数第2章高Q、负系数、高阶MPF典型方案分析第3章基于SOA级联窄带滤波器的有源环实现IIR滤波器的方案分析前言微波光子滤波器（MPF,MicrowavePhotonicFilter),也称光子微波滤波器,是在全光域上实现微波信号处理的典型技术之一。它借助现有的微波光子技术及相应的光学器件搭建光学系统,允许特定频率微波信号通过的同时,抑制其它频率的微波信号,进而实现微波信号的滤波处理。MPF的概念MPF的分类按滤波器抽头系数的多少采用的光源的个数按滤波器的抽头系数负抽头有限脉冲响应(FIR)滤波器无限脉冲响应(IIR)滤波器正抽头复抽头单光源微波光子滤波器多光源微波光子滤波器主要提升微波光子学滤波器的什么性能参数呢？微波光子滤波器研究重点是实现不同传输响应函数，例如带通、陷波、横向周期等。还注重可调谐、可重构、Q值等特性，以及单源、多源等结构的研究。其主要目标是得到较大自由谱范围(FSR)和主旁瓣比(MSSR)，窄半峰全宽(FWHM)或3-dB带宽，高Q值。如图，横向滤波器的时延单元T的频率表示1/T即为FSR，不相邻信道的滤波抑制特性用MSSR表示，滤波谐振的谱选择性由FWHM或3-dB带宽给出，滤波器的选择特性由Q值表示，Q=FSR/FWHM。Q值取决于抽样数，即抽头数N。若N10，则Q≈N，对于窗函数滤波器，修正为QN。影响MPF的主要性能参数微波光子学滤波器有着独有的优势，但是要想将它应用在实际当中，还必须克服一系列潜在的限制，主要表现为以下几个方面：1．自由频谱范围(FSR)滤波器的自由频谱范围(FSR)就是传输函数响应的频谱周期，是由滤波器延迟线模块所产生的延迟时间T来决定的，FSR的可以表示为：FSR=1/TFSR和延迟线产生的延迟时间T呈反比，其大小决定了滤波器选择频谱的中心频率，也就是射频信号所能通过的中心频率。滤波器的延迟线可以利用各种不同的色散器件构成，如单模光纤，光纤布拉格光栅，光纤环等。。2．品质因数(Q值)在微波光子学滤波器中，Q值会影响到滤波器通带对射频信号频谱的选择性。Q值的大小影响到滤波器选择性的好坏。3．主旁瓣抑制比(MSR)表示了滤波器主瓣对边带的抑制程度，其大小决定了对边带的抑制程度，也反映了滤波器对边带噪声抑制性能的好坏。4.3dB带宽(W3dB)滤波器的3dB带宽是滤波器响应功率值下降3dB时的频谱宽度，其反应了滤波器所能通过的信号频率范围。5.抽头数和抽头系数MPF的抽头数也就是滤波器的采样点数，这是由滤波器的载波信号源和滤波器的结构决定的，抽头数的多少会影响到滤波器的主旁瓣抑制比(MSR)。滤波器的抽头系数分为正系数，负系数和复系数，系数的符号直接影响滤波器的通带特性，正系数的一般只能实现基带附近的低通滤波，而具有负系数或复系数的滤波器能够实现带通滤波或陷波滤波。除了上述因素外，影响滤波器性能的参数还有其它很多因素，如滤波器的抽头权重，结构中的损耗特性等。(1)可重构性：可重构性是指可以任意改变滤波器抽头个数以及抽头间的相互关系,进而实现滤波器频谱形状的变化。无源的结构是没有这种特性的，现在一般通过使用光放大器、调制器、光纤光栅和激光阵列等来克服这一限制。即便如此，如何设计和构造所需要特殊的滤波器也是一个大的挑战。(2)可调谐性：可调谐性是指MPF中心波长的位置可以通过改变光器件控制参数等方式而改变。实际上就是实现采样周期T的可调，现有方案中主要使用光纤延时线、高色散光纤和光纤布拉格光栅来解决，而在后两种方案中，可调光源的使用十分必要。MPF的主要研究方向（3）负抽头的滤波器实现要得到工作稳定的MPF,目前大多数的MPF研究都集中在非相干MPF。但是光源工作在非相干状态下的MPF在PD上响应时只能是光强度的叠加,由于光强只能为正值,对应于各个抽头的权重,只能取正值。为了能够得到完全意义上的带通滤波器响应,需要在滤波器中引入负抽头。为了实现负抽头,目前提出的方法有采用差分探测,混合光电方法,利用光电调制器的方向调制特性,或者采用光学器件中的自相位调制,受激布里渊散射,受激拉曼散射等非线性效应。（5）克服光源的相干性因为工作在相干状态下的MPF受环境的影响较大,现在提出的MPF方案大部分是基于非相干MPF。但是相干性差的光源实际的使用范围受限。为了克服光源相干性对于MPF的影响,有报道中提出了釆用布拉格声光频移器来构建MPF,很好的实现了刹用相干光源搭建MPF。（6）克服滤波器频率响应曲线的周期性特性通过不同FSR的滤波器的级联或者采用非均勾的时延是增大MPF的FSR的常用方法。从技术层面上考虑，微波光子学滤波器主要需要关注的是其可调谐性、负系数与高Q值的实现这三个方面。可调谐保证了其灵活性，负系数则是为了实现高通和带通滤波器，而Q值是体现微波光子学滤波器频率选择性的一项重要指标。可调谐性负系数高Q值第1章MPF的分类和性能指标第3章基于SOA级联窄带滤波器的有源环实现IIR滤波器的方案分析第2章高Q、负系数、高阶MPF典型方案分析前言高Q滤波器实现由Q值的定义可以看出，实现高Q即是要同时得到大的FSR和窄的3dB带宽。目前高Q的方案主要分为FIR、IIR以及级联结构的高Q实现。对于单个FIR滤波器来说，FSR=1/T，而对于非相干的滤波器，T不可能无限制的减小，即FSR的大小是受到限制的。一般通过提高FIR滤波器的分路数量，来减小其3dB带宽，从而达到实现高Q的目的。目前已经报道了利用AWG对宽带光源进行谱分割实现40分路的FIR滤波器的方案，经频谱分割后，得到频率间隔相同的一系列波长的光载波，然后利用标准单模光纤做延时线。设相邻两个载波的波长间隔为Δλ，光纤长度为L，色散参量为D，则相邻两载波信号之间的延迟时间为T=Δλ⋅LDFIR滤波器实现高Q图基于AWG的FIR方案如果在AWG之间引入开关阵列和衰减器阵列，就可以实现频率间隔以及分路加权系数的可调，从而实现延时T的调谐和滤波器的重构。与FIR的单向结构不同，IIR滤波器需要引入递归，一般采用反射腔和环腔结构来实现。调制后的信号光经过反馈腔，一部分在腔内不断的反馈实现延时，一部分输出到探测器端，不同分路之间的延时由信号光在反馈腔行进一周需要的时间决定。目前已报道的利用单个FBG的环腔结构来实现高Q值IIR滤波器的方案，能实现Q值为200的滤波器。如图，这种结构利用了光纤光栅的两个面进行反射，延时为光在环腔中行进一周时间的两倍。IIR滤波器实现高Q图基于单个FBG环腔结构的IIR方案IIR和FIR级联实现高Q(a)级联前(b)级联后用级联的方式来实现高Q滤波器，其思路是使用两个经过精心挑选的滤波器，一个具有很强的频率选择性和很窄的3dB带宽，其传递函数设为H(f)1,而另外一个滤波器则有很大的FSR，其传递函数设为H(f)2。这样经过级联这两个滤波器，得到一个传递函数为H(f)=H(f)1H(f)2的滤波器，这个滤波器同时具有很窄的3dB带宽和很大的FSR，即能实现很高的Q值。图IIR和FIR级联实现高Q滤波器负系数滤波器的实现非相干的MPF在探测器端是信号功率的叠加，一般只能实现正的加权系数，这样滤波器的波形局限在低通，为了实现高通和带通的滤波器，需要引入负系数。为了得到负的加权系数，可以利用反相位调制。如图，利用了SOA的交叉增益调制效应来实现一个2路的FIR负系数滤波器，可调谐激光器输出波长为λ1，DFB激光器输出波长为λ2，由于SOA的交叉增益调制效应，下路信号光λ1上携带的微波信号转移到探测光载波λ2上，且与λ1上的信号相位相反。载波λ1上的信号获得正的加权系数，载波λ2上的信号获得负的加权系数，它们可以由激光器的输出功率来调节。基于SOA交叉增益调制效应实现负系数的方案图基于SOA交叉增益调制效应实现负系数的方案为获得多路负系数信号，可以将光滤波器输出的光束经耦合器分束。这种方案的缺点在于需要引入SOA这样一个非线性源。图1-10MZM的调制曲线MZM的调制曲线如图所示。利用两个MZM分别对两组载波进行调制，其中一个调制器工作在线性正斜率区，由它调制的得到的信号对应正的加权系数。另一个工作在线性负斜率区，由它调制得到的信号对应负的加权系数。利用MZM实现负系数的方案利用两个MZM来实现负系数便于扩展得到多路信号，不过需要利用大量的可调谐激光器，增加了成本。图基于两个MZM实现负系数的方案利用单个MZM的反相位调制实现负系数基于单个MZM的反相位调制也有报道。对不同的载波波长，MZM的调制曲线错开一定距离。在同一个偏置电压下，如在Vbias=0.6V处，对1550nm的载波，工作点处在负斜率区，而对1300nm的载波，工作点处在正斜率区。这样，对波长1550nm附近的载波，调制得到的信号对应负的加权系数，对波长1300nm附近的载波，调制得到的信号对应正的加权系数。基于此原理，利用单个调制器就可以同时得到正加权系数和负加权系数。图不同载波波长对应的MZM的调制曲线如图，为了产生相同的延迟时间T，两组载波应分别进行延时，因为它们处在不同的光通信窗口，对应的光纤色散参量不同，光纤3在1550nm处色散参量为零，用它来补偿两组光波之间的群速度的差值，以保证第N路信号与第N＋1路信号之间的延迟时刚好为T。图1-13基于单个MZM实现负系数的方案高阶滤波器的实现一般讨论的IIR滤波器都有唯一的单极点，即为一阶滤波器。一阶IIR滤波器受到传递函数的限制，在实验中很难得到很高的Q值和滤波抑制比。利用级联的办法在一定条件下能实现IIR和FIR滤波器的级联，从而大大的改善其Q值特性，然而IIR和IIR滤波器的级联却无法实现，从理想情况分析，如果能实现多个同样IIR滤波器传递函数的相乘，必然能改善滤波器的滤波特性，提高其Q值和滤波抑制比。高阶MPF的研究思路正是由此出发，利用光学器件构造一个类似于IIR和IIR级联的传递函数，能对滤波器的滤波特性进行有效改善。高阶滤波器的实现是目前微波光子学领域的一大