一种双通带可调谐微波光子滤波器的制作方法

本实用新型属于微波光子滤波器技术领域，尤其是一种双通带窄带可调谐微波光子滤波器。

背景技术：

在光域对微波进行滤波和选频处理是其中的重要研究领域之一，成为近几年的热点研究问题。用来对微波信号进行滤波和选频处理的光子器件集成系统被称为微波光子滤波器(MPF)，基本方法是先通过电光转换(E/O)把微波信号转换成光载微波信号，然后在光域用光纤时延线、光纤光栅、光放大器等光子器件对光载微波信号进行处理，最后通过光电转换(O/E)直接输出目标微波信号。相对于传统用电路板来实现的电子电路处理方法，MPF除了具有光纤损耗小、重量轻、宽带宽和抗电磁干扰的天然优点外，还具有可重构和宽带可调谐能力，这是传统电子方法所无法比拟的。因此，MPF在众多领域有着广泛的应用，例如可以在OEO中实现环腔选频，在RoF系统中实现信道选择和信道滤波，在天文无线电中实现波段选择，在移动目标识别的雷达系统中实现杂波消除。

最初的MPF都是基于多抽头时延线结构实现的，其中光源可以是多个单波长光源，也可以是单个多波长光源。时延线可以是单模光纤、色散补偿光纤、光纤光栅、阵列波导等。这种滤波器的数学模型可以表达为

其中k为整数，x(t)为输入信号，y(t)为输出信号，ak为抽头系数，T为相邻两个抽头之间的时延差。对(1)式进行傅里叶变换可得到其频域表达式为：

为了得到带通MPF，研究人员提出了各种方案实现负抽头系数，如差分检测法，利用半导体光放大器的交叉增益调制特性的方法，基于注入锁定半导体激光器的方法，利用偏振调制器两个偏振方向调制互补的方法，利用强度调制器的反相调制特性的方法等。这些方案实现了滤波器的带通特性，但调谐性比较差，还会造成各通道的频谱混叠，重构能力也比较差。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提出一种调谐性好的双通带微波光子滤波器。

本实用新型采用的具体技术方案如下：一种双通带可调谐微波光子滤波器，包括第一可调谐激光器、第一偏振控制器、第二可调谐激光器、第二偏振控制器、第一光耦合器、第三偏振控制器、光电调制器、光环行器、法布里-珀罗激光器和光电探测器；

第一可调谐激光器的输出端连接第一偏振控制器的输入端，第一偏振控制器的输出端连接第一光耦合器的输入端，第二可调谐激光器的输出端连接第二偏振控制器的输入端，第二偏振控制器的输出端连接第一光耦合器的输入端，第一光耦合器的输出端连接第三偏振控制器的输入端，第三偏振控制器的输出端连接光电调制器的输入端，光电调制器的输出端连接光环形器的第一端口，光环行器的第二端口连接法布里-珀罗激光器，光环行器的第三端口连接光电探测器。

作为本实用新型的进一步改进，第一可调谐激光器发射的光波波长大于法布里-珀罗激光器的中心主波长，第二可调谐激光器发射的光波波长小于法布里-珀罗激光器的中心主波长。

作为本实用新型的进一步改进，第一可调谐激光器发射的光波波长与法布里-珀罗激光器的中心主波长的差值小于法布里-珀罗激光器的中心主波长与第二可调谐激光器发射的光波波长的差值。

作为本实用新型的进一步改进，法布里-珀罗激光器的中心主波长为1561.5nm，法布里-珀罗激光器的阈值电流Ib取值为25.14mA，第一注入比R1取值为18.09，第二注入比R2取值为34.38，第一可调谐激光器发射的光波波长λ1取值为1562.704nm，第二可调谐激光器发射的光波波长λ2取值为1549.272nm，法布里-珀罗激光器的第一纵模波长λ1'取值为1562.856nm，法布里-珀罗激光器的第二纵模波长λ2'取值为1549.372nm。

本实用新型的有益效果：本实用新型采用两个主激光器和一个从激光器，通过注入锁定原理实现了一个双通带滤波器，两个主激光器产生的稳态光经过耦合器耦合，再通过光电调制器加载上微波信号，通过光环行器注入到从激光器中，再经过光电探测器将光信号还原成电信号，输出滤波后的微波信号，结构简单紧凑；采用两个可调谐激光器作为两个主激光器，法布里-珀罗(F-P)激光器作为从激光器，可通过调节两个主激光器的注入功率来调节MPF的中心频率，也可通过调节主从激光器间的失谐频率来调节MPF的中心频率，还可通过调节从激光器的偏置电流来调节MPF的中心频率，MPF的可调谐性好。

附图说明

图1为本实用新型提出的双通带可调谐微波光子滤波器的结构示意图。

图2为使用光谱分析仪测量得到的双通带可调谐微波光子滤波器的光谱图。

图3为图2中第一通带的光谱结构图。

图4为图2中第二通带的光谱结构图。

图5为使用矢量网络分析仪测量得到的双通带可调谐微波光子滤波器的滤波特性曲线图。

图6为图5中第一通带的滤波特性曲线图。

图7为图5中第二通带的滤波特性曲线图。

图8为调节第一失谐频率获得的双通带可调谐微波光子滤波器的滤波特性曲线。

图9为调节第二失谐频率获得的双通带可调谐微波光子滤波器的滤波特性曲线。

图10为调节第一注入比获得的双通带可调谐微波光子滤波器的滤波特性曲线。

图11为调节第二注入比获得的双通带可调谐微波光子滤波器的滤波特性曲线。

图12为调节法布里-珀罗激光器的阈值电流获得的双通带可调谐微波光子滤波器的滤波特性曲线。

图13为不同第一通带的中心频率下的双通带可调谐微波光子滤波器的滤波特性曲线。

图14为第一通带的中心频率和幅值随时间变化图。

图15为第二通带的中心频率和幅值随时间变化图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本实用新型，应理解这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本实用新型实施例提供一种双通带可调谐微波光子滤波器，如图1所示，包括第一可调谐激光器TLS1、第一偏振控制器PC1、第二可调谐激光器TLS2、第二偏振控制器PC2、第一光耦合器OC、第三偏振控制器PC3、光电调制器PM、光环行器Circulator、法布里-珀罗激光器F-P和光电探测器PD。

第一可调谐激光器TLS1的输出端连接第一偏振控制器PC1的输入端，第一偏振控制器PC1的输出端连接第一光耦合器OC的输入端，第二可调谐激光器TLS2的输出端连接第二偏振控制器PC2的输入端，第二偏振控制器PC2的输出端连接第一光耦合器OC的输入端，第一光耦合器OC的输出端连接第三偏振控制器PC3的输入端，第三偏振控制器PC3的输出端连接光电调制器PM的输入端，光电调制器PM的输出端连接光环形器Circulator的第一端口，光环行器Circulator的第二端口连接法布里-珀罗激光器F-P，光环行器Circulator的第三端口连接光电探测器PD。

其中光电调制器作为滤波器的输入端，用于输入待滤波的微波信号，光电探测器作为滤波器的输出端，输出滤波后的微波信号。使用本实用新型实施例提供的双通带可调谐微波光子滤波器进行滤波时，第一可调谐激光器和第二可调谐激光器各产生一路光信号，两路不同波长的光信号经第一光耦合器耦合后输入光电调制器，光电调制器将微波信号调制到光信号中，调制后的光信号从光环行器的第一端口输入，经第二端口输入到法布里-珀罗激光器中，经法布里-珀罗激光器反射的光信号从光环行器的第二端口输入，再从光环行器的第三端口输出，从而输入光电探测器，光电探测器将光信号转换成电信号，输出滤波后的微波信号。其中第一偏振控制器、第二偏振控制器和第三偏振控制器，分别用于调整第一可调谐激光器与第一光耦合器之间、第二可调谐激光器与第一光耦合器之间以及第一光耦合器与光电调制器之间的偏振态关系。

本实用新型实施例提供的双通带可调谐微波光子滤波器，采用两个主激光器和一个从激光器，通过注入锁定原理实现了一个双通带滤波器。

其中第一主激光器采用第一可调谐激光器，第二主激光器采用第二可调谐激光器，可调节注入从激光器的光波长、注入功率以及注入频率。

从激光器采用法布里-珀罗(F-P)激光器，F-P激光器存在很多个纵模，多纵模效应使得激光器输出的光不是单一波长，而是一组波长，每一组波长有一定的宽度，且相邻波长之间的间隔相同，通过改变F-P激光器的偏置电流可以改变能量在不同纵模之间的分布，因此F-P激光器具有可重构特性。两个主激光器的光注入F-P激光器，会被分别锁定到F-P激光器的两个纵模上。同时为了保证注入光能反射回来，F-P激光器不带隔离器。

以一个可调谐激光器为例，发射频率为ft，光电调制器对该主激光器发射的光源信号进行双边带强度调制，在ft两边分别产生对称边带(f0，f1，f-1)，即包含一个强光载波和两个弱二级边带。当这些边带随着ft一起注入到F-P激光器的腔内时，落在增益谱范围内的边带f-1将被放大，得到的增益大小由边带与纵模的相对位置决定。当-1级边带被放大到一定程度后，F-P激光器被锁定，纵模消失。此时若对F-P激光器进行数据基带信号的直接调制，则只有锁定纵模的-1级边带会被调制，而载波和+1级边带由于远离增益区而几乎不受影响，从而可实现单边带调制。经过光电探测器检测后各频点的功率分布与纵模处的增益谱一致，即得到一个类高斯形的单通带MPF。

第一可调谐激光器和第二可调谐激光器发射的光波波长分别处于F-P激光器的中心主波长的两侧，因此在相应位置会分别形成单通带MPF，合成一个双通带MPF。本实用新型实施例中，F-P激光器的中心主波长是1561.5nm，纵模间隔为1.34nm，但主波长两侧并不严格对称，短波长侧功率随波长减小而减小的趋势更缓慢，长波长侧功率随波长增加而减小的趋势更快速。因此，为使两个主激光器注入F-P激光器的光功率基本相同，需要发射短波长光波的主激光器的波长值与中心主波长相差更大，即第一可调谐激光器发射的光波波长与法布里-珀罗激光器的中心主波长的差值小于法布里-珀罗激光器的中心主波长与第二可调谐激光器发射的光波波长的差值。在注入F-P激光器前，可通过光功率计或光谱仪进行粗略测量，以保证两路主激光器注入的光信号功率相当。

为了观察滤波器的性能，在光环行器与光电探测器之间连接第二光耦合器，具体的，光环行器的第三端口连接第二光耦合器的输入端，第二光耦合器的输出端连接光谱分析仪，用于监测F-P激光器输出的光信号的波形，第二光耦合器的输出端连接光电探测器，光电探测器的输出端连接矢量网络分析仪，用于检测MPF的频率响应。

通过光谱分析仪可以得到如图2所示的双通带MPF光谱图，第一通带位于第二通带的右边，图3为图2中第一通带的光谱结构图，从图中可以看出，第一主激光器波长是1564.19nm，功率是-5.17dB，从激光器第一纵模波长是1564.30nm，功率是-4.82dB。图4为图2中第二通带的光谱结构图，从图中可以看出第二主激光器波长是1549.35nm，功率是-4.33dB，从激光器第二纵模波长是1549.46nm，功率是-5.25dB。

两个主激光器发射光信号注入到从激光器中，在从激光器的两个纵模处分别产生类高斯型的增益谱，增益谱的形状(通带的形状)由第一失谐频率Δf1＝ft1-fFP1、第二失谐频率Δf2＝ft2-fFP2、第一注入比和第二注入比共同决定，其中ft1为第一可调谐激光器的发射频率，ft2为第二可调谐激光器的发射频率，fFP1为F-P激光器的第一纵模的输出频率，fFP2为F-P激光器的第二纵模的输出频率，P1为第一可调谐激光器注入到F-P激光器谐振腔内部的光功率，P2为第二可调谐激光器注入到F-P激光器谐振腔内部的光功率，PFP为F-P激光器自由振荡时的出射功率。

通过调节偏振控制器、F-P激光器的阈值电流Ib、第一失谐频率Δf1、第二失谐频率Δf2(或者第一可调谐激光器发射的光波波长λ1、第二可调谐激光器发射的光波波长λ2、F-P激光器的第一纵模波长λ1'和第二纵模波长λ2')、第一注入比R1以及第二注入比R2，获得不同性能的双通带窄带滤波器。本实用新型优选实施例中，当Ib＝25.14mA，R1＝18.09，R2＝34.38，λ1＝1562.704nm，λ2＝1549.272nm，λ1'＝1562.856nm，λ2'＝1549.372nm时，双通带窄带滤波器可获得良好性能，如图5所示，为矢量网络分析仪测量得到的双通带MPF滤波特性曲线图，第一通带位于第二通带的右边，从图中可以看出，MPF的带外抑制比为23.8dB，如图6所示，第一通带的3dB带宽为615MHz，如图7所示，第二通带的3dB带宽为500MHz。

可通过调节第一失谐频率Δf1，从而调节双通带滤波器的中心频率fc1，当Δf1分别取值17.873GHz、21.122GHz、21.872GHz、22.497GHz、22.747GHz、23.122GHz、23.372GHz时，呈现的规律如图8所示，随着Δf1增加，第一通带的3dB带宽逐渐减小，中心频率fc1逐渐减小，第二通带的频率响应曲线基本不变。

同样，可通过调节第二失谐频率Δf2，从而调节双通带滤波器的中心频率fc2，当Δf2分别取值11.792GHz、16.214GHz、16.706GHz、17.197GHz、18.671GHz、19.162GHz、20.145GHz时，呈现的规律如图9所示：随着Δf2增加，第二通带的3dB带宽逐渐减小，中心频率fc2逐渐减小，第一通带的频率响应曲线基本不变。

也可通过调节第一注入比R1，从而调节双通带滤波器的第一通带的中心频率fc1，当R1分别取值33.44dB、32.27dB、32.07dB、31.09dB、30.42dB、29.60dB、28.89dB、28.15dB时，呈现的规律如图10所示，随着R1减小，第一通带的3dB带宽逐渐减小，中心频率fc1逐渐增大，第二通带的频率响应曲线基本不变。

同样，也可通过调节第二注入比R2，从而调节双通带滤波器的第二通带的中心频率fc2，当R2分别取值28.26dB、27.27dB、26.27dB、25.50dB、24.58dB、23.45dB、22.82dB、22.22dB时，呈现的规律如图11所示，随着R2减小，第二通带的3dB带宽逐渐减小，中心频率fc2逐渐增大，第一通带的频率响应曲线基本不变。

当F-P激光器的阈值电流Ib从22mA变化到28mA时，呈现的规律如图12所示，第一通带的中心频率fc1和第二通带的中心频率fc2逐渐变大，频率响应幅值先增大后减小，比较第一通带和第二通带，随着Ib增加，第一通带响应曲线幅值先小于第二通带，然后相等，最后第一通带响应曲线幅值大于第二通带响应曲线幅值。

当调节其他参数而使第一通带的中心频率fc1等间隔(2GHz)变化时，如图13所示，第一通带的频率响应幅值略微下降，可调谐范围为18GHz，第二通带的频率响应曲线基本不变。

测量MPF频率响应曲线的中心频率与幅值的稳定性情况，1个小时内每间隔5分钟测一次，如图14所示，第一通带的中心频率与幅值变化量分别为190MHz和0.57dB，如图15所示，第二通带的中心频率与幅值变化量分别为57MHz和0.29dB。

本实用新型实施例提出的双通带可调谐微波光子滤波器，采用两个主激光器和一个从激光器，通过注入锁定原理实现了一个双通带滤波器，两个主激光器产生的稳态光经过耦合器耦合，再通过光电调制器加载上微波信号，通过光环行器注入到从激光器中，再经过光电探测器将光信号还原成电信号，输出滤波后的微波信号，结构简单紧凑；采用两个可调谐激光器作为两个主激光器，法布里-珀罗(F-P)激光器作为从激光器，可通过调节两个主激光器的注入功率来调节MPF的中心频率，也可通过调节主从激光器间的失谐频率来调节MPF的中心频率，还可通过调节从激光器的偏置电流来调节MPF的中心频率，本实用新型提出的MPF的可调谐性好。