基于高双折射光子晶体光纤多波长激光器与色散级联器件的微波光子滤波器的制作方法

本发明属于微波光子滤波技术领域，特别是涉及改变光源的波长间隔实现通带中心频率可调谐的微波光子滤波器。

背景技术：

微波光子滤波器是微波光子学的一个重要分支，它将输入的射频(RF)信号通过调制器调制到光信号上，在光域对RF信号进行处理，最后通过光接收器输出滤波后的微波信号。采用这种方法具有低损耗、高带宽、不受电磁干扰、重量轻和支持高采样频率的优势，这些显著优势使微波光子滤波系统成为宽带射频信号处理中的热点技术而倍受国际关注。近年来研究学者对其进行深入研究，已获得许多实验成果，诸如：可调谐微波光子滤波器、可重构微波光子滤波器、负、复系数微波光子滤波器等。而高双折射光子晶体光纤(HB-PCF)具有优异的调谐特性，在超短脉冲、光纤传感、光纤激光器及滤波器等领域有重要的应用，将其引入微波光子滤波器的多波长光源或延迟单元中，必将极大的改善其系统特性。

可调谐微波光子滤波器与传统微波滤波器相比，具有灵活度高，动态响应范围大，成本低等优点。

微波光子滤波器的可调谐性至关重要，也是此领域中的研究热点，但是存在调谐范围小、不能连续可调的问题。常见的方法是使用可调谐延迟线(VDL)、使用可调谐的调制器等器件，但是此法一般都要配上成本较高的可调谐光源，应用起来还有一定困难。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有微波光子滤波器存在的可调谐范围小及不能连续可调的问题，提供了一种结构简单且制作技术成熟的可调谐微波光子滤波器，该滤波器以环形腔中嵌入一段一定长度的高双折射光子晶体光纤(HB-PCF)的多波长激光器作为微波光子滤波器的光源，用于产生光载波。通过对环形腔中的HB-PCF进行液体填充然后改变温度使其双折射率发生变化，进而影响到多波长激光器输出光载波的波长间隔，最终可以实现滤波器通带中心频率的可调谐。并且通过利用引入由单模光纤和光纤环组成色散级联器件，使滤波器的选频特性明显提高。

该发明的技术方案为：

一种基于高双折射光子晶体光纤多波长激光器与色散级联器件的微波光子滤波器，其特征在于该滤波器包括：多波长光纤激光器、一个3dB耦合器、光谱分析仪、相位调制器、模拟信号发生器、10km长的单模光纤、光纤环、光电探测器、频谱分析仪；其中多波长光纤激光器由一个980nm泵浦、一个波分复用器、两个偏振控制器A、B、一个偏振相关隔离器、一个耦合器A、一段长度为7m的掺铒光纤、一段长度为3km的单模光纤A和一段长度为10m的高双折射光子晶体光纤组成，光纤环包括耦合器C和可调谐光纤延迟线；

所述滤波器结构的连接关系：多波长光纤激光器发出多波长激光信号由耦合器A10％端口输出。然后经由一个1×2的3dB耦合器的a端口输入，一部分信号光通过c端口输出到光谱仪上进行观察测，另一部分信号光通过耦合器的b端口输入到相位调制器上，与此同时，由模拟信号发生器输出的RF信号通过相位调制器调制到信号光上，接着从相位调制器输出的信号光依次经由10km的单模光纤、光纤环传输到光电探测器上，最后信号从光电探测器输出到频谱分析仪。

进一步的，基于非线性偏振旋转效应的多波长光纤激光器，用于产生稳定的等间隔的多波长激光信号，其中长度为7m、掺杂Er³⁺为4×10^-4的掺铒光纤作为增益介质，偏振相关隔离器具有起偏器和隔离器的作用用于保证光单向运转，长度为10m、双折射系数可变的高双折射光子晶体光纤用来改变谐振腔内双折射强度，长度为3km的单模光纤A用于增加非线性偏振旋转效应，使此多波长激光器具有稳定的输出，两个偏振控制器A、B和偏振相关隔离器用来改变腔内的偏振态，980nm的泵浦光经波分复用器后进入掺铒光纤，在环形腔内顺时针单向运转，最后经10:90的耦合器A的10％端口输出。

进一步的，多波长光纤激光器中所含有一段双折射率对温度敏感的高双折射光子晶体光纤，通过对其进行液体填充然后改变温度，可以使该结构的有效双折射率可调，实现输出多波长激光的波长间隔连续可调谐，从而使滤波器的通带中心频率可调谐；经3dB耦合器输出的信号光经相位调制器被模拟信号发生器发出的射频信号调制后送入到10km长的单模光纤中发生延迟，在经过光纤环滤波，最后经光电探测器拍频后传输到频谱分析仪上观察现象。

进一步的，通过10km的单模光纤和光纤环级联共同作为色散器件，用于实现高Q值，光纤环包括耦合器C和可调谐光纤延迟线，通过调节可调谐光纤延迟线改变光纤环的环长，从而更方便的提高滤波器的频率选择性。

进一步的，根据对多波长激光器中的高双折射光子晶体光纤进行液体填充然后改变温度可以得到其双折射率由Δn₁连续变化到Δn₂，由于多波长激光器输出光载波的波长间隔为其中λ为输入光的中心波长，Δn为高双折射光子晶体光纤的双折射率，L为高双折射光子晶体光纤的长度，因此当高双折射光子晶体光纤双折射率变化的时候多波长激光器输出光载波的波长间隔Δλ会随之改变，而微波光子滤波器的自由频谱范围为其中T是由单模光纤的色散引入的延迟，其与自由频谱范围成倒数关系，D是单模光纤的色散系数，L是单模光纤的长度，Δλ是输入信号光的波长间隔，其中，输入信号光波长间隔Δλ的变化会导致FSR的变化，从而实现滤波器通带中心频率连续可调谐。

本发明的优点和有益效果：

本发明提出了一种连续可调谐的微波光子滤波器，结构简单且制作技术成熟，起到调谐作用的关键部位只需要激光器环形腔中的HB-PCF进行液体填充然后改变其温度即可，并通过调节TODL改变光纤环的环长，从而更方便的提高滤波器的频率选择性。由于填充液体后的HB-PCF其双折射率对温度比较敏感，通过改变温度可以控制器双折射率的变化。本发明以此为切入点来实现滤波器通带中心频率的连续可调谐。该发明的微波光子滤波器，成本合适，操作技术成熟，灵活度高，动态响应范围大，频率选择性好，因而具有一定的应用价值。

附图说明

图1为本发明的基于高双折射光子晶体光纤多波长激光器与色散级联器件的微波光子滤波器结构示意图。

图2为本发明的微波光子滤波器输出射频信号的频谱。

图中：(1)多波长激光器(Multi-wavelength Laser)、(2)3dB耦合器、(3)光谱分析仪(OSA)、(4)相位调制器(PM)、(5)模拟信号发生器、(6)10km长的单模光纤(SMF2)、(7)光纤环(Fiber Ring)、(8)光电探测器(PD)、(9)频谱分析仪、(10)980nm泵浦、(11)波分复用器、(12)掺铒光纤、(13)偏振控制器A、(14)偏振相关隔离器、(15)偏振控制器B、(16)高双折射光子晶体光纤、(17)单模光纤A、(18)耦合器A、(19)耦合器C、(20)可调谐光纤延迟线。

具体实施方式

实施例：

一种基于高双折射光子晶体光纤多波长激光器与色散级联器件的微波光子滤波器，如图1所示，由一个多波长光纤激光器(Multi-wavelength Laser)1、3dB耦合器2、光谱分析仪(OSA)3、相位调制器(PM)4、模拟信号发生器(PM)55、10km长度的单模光纤(SMF2)6、光纤环(Fiber Ring)7、光电探测器(PD)8、频谱分析仪9组成。多波长光纤激光器1发出的信号光经由3dB耦合器2的a端口接入，由b端口输出到光谱分析仪3，由b端口输出到相位调制器4，由模拟信号发生器5输出的射频信号经相位调制器4调制到光载波上，调制后产生的光电信号经色散级联器件10km长的单模光纤6和光纤环7传输到光电探测器8，最后由光电探测器8接入到频谱仪9。

其中多波长光纤激光器1由一个980nm泵浦10、一个波分复用器(WDM)11、两个偏振控制器(PC1、PC2)13、15、一个偏振相关隔离器(PDI)14、一个耦合器A(Coupler1)18、一段长度为7m的掺铒光纤(EDF)12、一段长度为3km的单模光纤A(SMF1)17和一段长度为10m的高双折射光子晶体光纤(HB-PCF)16组成，光纤环7包括耦合器C(Coupler3)19和可调谐光纤延迟线(TODL)20。所述的多波长光纤激光器1作为光源，多波长光纤激光器1环形腔中的HB-PCF的长度选取为10m，以改变谐振腔内双折射强度，单模光纤6的长度选取为10km，作为色散延迟器件。

如图1所示，本发明在实现可调谐微波光子滤波器时的光路传输为：多波长光纤激光器1发出多波长激光信号由耦合器(Coupler1)10％端口输出。然后经由一个1×2的3dB耦合器2的a端口输入，一部分信号光通过c端口输出到光谱仪3上进行观察测，另一部分信号光通过耦合器2的b端口输入到相位调制器4上，与此同时，由模拟信号发生器5输出的RF信号通过相位调制器4调制到信号光上，接着从相位调制器4输出的信号光依次经由10km的单模光纤6、光纤环7传输到光电探测器8上，最后信号从光电探测器8输出到频谱分析仪9观察滤波器通带中心频率的变化。

本发明中，基于非线性偏振旋转效应的多波长光纤激光器1，用于产生稳定的等间隔的多波长激光信号，其中长度为7m、掺杂Er³⁺为4×10^-4的掺铒光纤12作为增益介质，偏振相关隔离器14具有起偏器和隔离器的作用用于保证光单向运转，长度为10m、双折射系数可变的高双折射光子晶体光纤16用来改变谐振腔内双折射强度，长度为3km的单模光纤A17用于增加非线性偏振旋转效应，使此多波长激光器具有稳定的输出，两个偏振控制器A、B13、15和偏振相关隔离器14用来改变腔内的偏振态，980nm的泵浦光经波分复用器11后进入掺铒光纤12，在环形腔内顺时针单向运转，最后经10:90的耦合器A18的10％端口输出。

多波长光纤激光器1中所含有一段双折射率对温度敏感的高双折射光子晶体光纤16，通过对其进行液体填充然后改变温度，可以使该结构的有效双折射率可调，实现输出多波长激光的波长间隔连续可调谐，从而使滤波器的通带中心频率可调谐；经3dB耦合器b口输出的信号光经相位调制器4被模拟信号发生器5发出的射频信号调制后送入到10km长的单模光纤6中发生延迟，在经过光纤环7滤波，最后经光电探测器8拍频后传输到频谱分析仪9上观察现象。本发明根据对多波长激光器1中的HB-PCF进行液体填充然后改变温度可以得到其双折射率由Δn₁连续变化到Δn₂，通过将激光器环形腔中的HB-PCF进行液体填充并改变温度来改变其双折射率，构造了一种波长间隔可变的多波长光纤激光器作为光源，由于多波长激光器1输出光载波的波长间隔为其中λ为输入光的中心波长，Δn为HB-PCF的双折射率，L为HB-PCF的长度。因此当HB-PCF双折射率变化的时候多波长激光器1输出光载波的波长间隔Δλ会随之改变。而微波光子滤波器的自由频谱范围为其中T是由单模光纤6的色散引入的延迟，其与自由频谱范围成倒数关系，D是单模光纤6的色散系数，L是单模光纤6的长度，Δλ是输入信号光的波长间隔。由此可见，输入信号光波长间隔Δλ的变化会导致FSR的变化，而FSR的值就是滤波器第一个通带中心频率的位置，所以此方案可实现滤波器通带中心频率连续可调谐。通过10km的单模光纤6和光纤环7级联共同作为色散器件，用于实现高Q值，并通过调节TODL改变光纤环的环长，从而更方便的提高滤波器的频率选择性，且提高了调谐灵敏度。

由附图2可知，当通过控制温度变化能够使多波长光纤激光器输出光载波的波长间隔在0.36nm～0.26nm之间连续变化时，实现了微波光子滤波器的通带中心频率在15.518GHz～21.487GHz范围内的连续调谐。

该滤波器具有体积小，结构简单，制作技术成熟，成本合适等优点，可应用于国防、工业生产以及民用滤波领域。

应当明确的是，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，按本发明构思所做出的显而易见的改进和修饰都应该在本发明的保护范围之内。