一种基于布里渊光纤激光器的窄带可调谐微波光子滤波器

1.本发明涉及微波光子信号处理领域，具体为一种基于布里渊光纤激光器的窄带可调谐微波光子滤波器。


背景技术：

2.传统电子学滤波器件因受电子传输速率限制，难以完成高频宽带信号的控制和处理；而基于各类光学效应处理光载微波信号的微波光子滤波技术，因其大带宽、低损耗、抗电磁干扰等优异特性，以及克服电子传输局限性的潜力，多年来一直受到人们的关注，成为下一代无线射频系统中的关键技术。
3.由于射频系统逐渐增加的复杂性，微波光子滤波器正向高频、高q值和可调谐方向发展。其中，品质因素q值是衡量滤波器对目标频带选择能力的重要指标，q值越高，滤波器频率选择能力更强。决定q值大小的关键指标是滤波器通带的3db带宽δf
3db
，由可得，δf
3db
越小，q值越大，可以滤出待测信号精细频率成分。因此实现兼具大调谐范围的超窄带宽微波光子滤波器成为近年来研究的前沿和热点。
4.人们已经提出了多种可调谐、窄带宽微波光子滤波器。例如使用相位调制器和超结构光纤布拉格光栅实现的窄带、可调微波光子滤波器，其3db带宽为143mhz，可调谐范围为0.4～6.4ghz；使用基于光学注入下分布反馈半导体激光器的四波混频实现宽带可调谐微波光子滤波器，其3db带宽和边模抑制比分别为61.2mhz和25db，频率调谐范围为27.72ghz。公告号为cn105589221b的专利文献公开了“一种基于受激布里渊散射的可调谐双通带微波光子滤波器”，通过使用偏置回馈控制模块对电光调制器进行闭环控制，输出稳定的窄波抑制的双边带调制信号，利用光纤中受激布里渊散射结合斯托克斯增益和反斯托克斯损耗,有效减小受激布里渊散射的增益谱宽度，实现了双通带滤波器的幅度响应，该滤波器能实现20.1mhz的窄带宽,在1.8ghz～20ghz范围内能实现调谐,并获得超过35db的阻带抑制比。
5.目前的微波光子滤波器带宽大多集中在mhz量级，并且实现窄带与调谐功能的结构大多比较复杂，大多难以兼具宽频率调谐范围及khz甚至亚khz窄带滤波功能，无法满足高分辨率微波光子传感、高纯频谱微波光子信号发生、高精度微波光子雷达等前沿技术领域对超窄带宽可调谐微波光子滤波器的迫切需求。为了解决上述问题，本发明提出一种基于布里渊光纤激光器的窄带可调谐微波光子滤波器。


技术实现要素：

6.本发明为了解决目前传统电子学滤波器件难以完成高频宽带信号的控制和处理；现有微波光子滤波器难以兼具宽频率调谐范围及khz甚至亚khz窄带滤波功能的技术难题，本发明实施例提供一种基于布里渊光纤激光器的窄带宽可调谐微波光子滤波器；通过将窄线宽布里渊激光器与微波光子滤波器结合，利用布里渊激光明显的增益谱线宽压缩特性，
将滤波器通带压窄至亚khz量级，提供了一种兼具超窄带，可调谐、结构简单，高带外抑制比等优势的基于布里渊光纤激光器的窄带可调谐微波光子滤波器。
7.本发明采用如下技术方案实现：
8.一种基于布里渊光纤激光器的窄带可调谐微波光子滤波器，窄线宽连续波光纤激光器ⅰ的输出端与偏振控制器ⅰ的输入端连接，偏振控制器ⅰ的输出端与相位调制器的a端口连接，相位调制器的c端口与光纤耦合器ⅰ的a端口连接，光纤耦合器ⅰ的b端口与单模光纤ⅰ的a端口连接；窄线宽连续波光纤激光器ⅱ的输出端与偏振控制器ⅱ的输入端连接，偏振控制器ⅱ的输出端与掺铒光纤放大器的输入端连接，掺铒光纤放大器的输出端与光环形器的a端口连接，光环形器的b端口与单模光纤ⅰ的b端口连接，光环形器的c端口与光纤耦合器ⅱ的a端口连接，光纤耦合器ⅱ的c端口与单模光纤ⅱ的输入端连接，单模光纤ⅱ的输出端与光纤耦合器ⅱ的d端口连接，光纤耦合器ⅱ的b端口与光纤耦合器ⅲ的a端口连接，光纤耦合器ⅲ的b端口与偏振控制器ⅲ的输入端连接，偏振控制器ⅲ的输出端光纤耦合器ⅰ的c端口连接；光纤耦合器ⅲ的c端口与光电探测器的输入端连接，光电探测器的输出端与矢量网络分析仪的输入端连接，矢量网络分析仪的输出端与相位调制器的b端口连接。
9.实施时，本发明所设计的一种基于布里渊光纤激光器的窄带可调谐微波光子滤波器，窄线宽连续波光纤激光器ⅰ为发射光载波的可调谐窄线宽激光器，窄线宽连续波光纤激光器ⅰ的输出端与偏振控制器ⅰ的输入端连接，偏振控制器ⅰ的输出端与相位调制器的a端口连接，相位调制器的c端口与光纤耦合器ⅰ的a端口连接，光纤耦合器ⅰ为分光比为50:50，光纤耦合器ⅰ的b端口与单模光纤ⅰ的a端口连接，单模光纤ⅰ的长度为100m；窄线宽连续波光纤激光器ⅱ为发射泵浦光的可调谐窄线宽激光器，窄线宽连续波光纤激光器ⅱ的输出端与偏振控制器ⅱ的输入端连接，偏振控制器ⅱ的输出端与掺铒光纤放大器的输入端连接，掺铒光纤放大器的输出端与光环形器的a端口连接，光环形器的b端口与单模光纤ⅰ的b端口连接，构成一个窄线宽布里渊光纤激光器，获得khz量级的3db带宽，光环形器的c端口与光纤耦合器ⅱ的a端口连接，光纤耦合器ⅱ为分光比为50:50，光纤耦合器ⅱ的c端口与单模光纤ⅱ的输入端连接，单模光纤ⅱ的长度为10m，单模光纤ⅱ的输出端与光纤耦合器ⅱ的d端口连接，由光纤耦合器ⅱ的c端口、单模光纤ⅱ、光纤耦合器ⅱ的d端口连接，形成环形腔ⅱ；光纤耦合器ⅱ的b端口与光纤耦合器ⅲ的a端口连接，光纤耦合器ⅲ为分光比为90:10，a端口为输入端口，b端口为90％输出端口，c端口为10％输出端口，光纤耦合器ⅲ的b端口与偏振控制器ⅲ的输入端连接，偏振控制器ⅲ的输出端光纤耦合器ⅰ的c端口连接，光纤耦合器ⅰ、单模光纤ⅰ、光环形器、光纤耦合器ⅱ、光纤耦合器ⅲ、偏振控制器ⅲ连接构成布里渊激光谐振腔，形成环形腔ⅰ，环形腔ⅰ与环形腔ⅱ级联构成环形法布里-珀罗谐振腔从而形成游标效应，利用两个环形腔不同的周期共振，有效抑制边模，滤出所需的频带信号；光纤耦合器ⅲ的c端口与光电探测器的输入端连接，光电探测器的输出端与矢量网络分析仪的输入端连接，矢量网络分析仪的输出端与相位调制器的b端口连接。使用时，由窄线宽连续波光纤激光器ⅰ发出中心频率为f
c1
的光作为载波，经过偏振控制器ⅰ从相位调制器的a端口进入相位调制器，来自矢量网络分析仪产生的频率为f
rf
的射频信号通过相位调制器的b端口进入对载波进行双边带扫频调制，调制信号由相位调制器的c端口输出，由光纤耦合器ⅰ的a端口进入光纤耦合器ⅰ并由b端口输出，通过单模光纤ⅰ的a端口进入单模光纤ⅰ中；由窄线宽连续波光纤激光器ⅱ发出中心频率为f
c2
的光作为激发受激布里渊散射的泵浦光，通过改变窄线宽
连续波光纤激光器ⅱ的激光波长就可以改变泵浦光频率f
c2
，从而达到改变受激布里渊散射增益谱中心频率的目的，实现微波光子滤波器的稳定可调谐功能，泵浦光经过偏振控制器ⅱ进入掺铒光纤放大器中放大功率，放大到超过激发受激布里渊散射阈值，随后由光学环形器的a端口输入并由b端口输出，再由单模光纤ⅰ的b端口进入，在单模光纤ⅰ中相互作用激发受激布里渊散射，调制信号上边带f
c1
+f
rf
经布里渊增益谱放大，布里渊增益谱中心频率为f
c2-fb，其中，fb为布里渊频移；经布里渊增益放大的调制信号由光学环形器的b端口并从光环形器的c端口输出，注入光纤耦合器ⅱ的a端口，并由c端口进入由光纤耦合器ⅱ的c端口、单模光纤ⅱ、光纤耦合器ⅱ的d端口连接形成的环形腔ⅱ，在环形腔ⅱ谐振后由光纤耦合器的b端口输出，进入光纤耦合器ⅲ的a端口到达分光比为90:10的光纤耦合器ⅲ；调制信号经过光纤耦合器ⅲ后分为第一束激光和第二束激光，90％的第一束激光通过光纤耦合器ⅲ的b端口输出，随后经过偏振控制器ⅲ由光纤耦合器ⅰ的c端口逆时针注入光纤耦合器ⅰ，完成一次谐振，之后在光纤耦合器ⅰ、单模光纤ⅰ、光环形器、光纤耦合器ⅱ、光纤耦合器ⅲ、偏振控制器ⅲ连接形成的环形腔ⅰ中进行多次谐振，由相位调制器的c端口输出的调制信号经过光纤耦合器ⅰ的b端口输入到环形腔ⅰ中，与受激布里渊散射信号相互作用；10％第二束激光通过光纤耦合器ⅲ的c端口输入光电探测器，经光电探测器光电转换后的信号输入矢量网络分析仪测量幅频响，得到所提出的窄带可调谐微波光子滤波器的滤波特性。
10.与现有技术相比本发明具有以下有益效果：将窄线宽布里渊激光器与微波光子滤波器结合，利用布里渊激光明显的增益谱线宽压缩特性，观察图像，可得到到单环腔结构微波光子滤波器的边模被明显抑制，并且边模抑制比为25db，在3db带宽压窄上取得了显著突破，将滤波器通带压窄至khz量级，获得亚khz量级的3db带宽，从而极大的压窄了滤波器的通带带宽。通过简单地改变泵浦光波长，滤波器通带可以稳定调谐，解决了兼具大调谐范围和超窄滤波带宽微波光子滤波器设计难题。微波光子滤波器在0～20ghz的频率范围内可稳定调谐，带外抑制比约为20db，其3db带宽和最大q值分别为114hz和1.753
×
108，表现出极高的频率选择性和较大的可调谐范围，在实现khz及以下量级滤波带宽、高抑制比、可调谐单通带滤波方面潜力巨大。
11.相比于单个环形谐振腔对受激布里渊散射增益线宽压窄特性，通过环形腔r2与r1级联构成环形法布里-珀罗谐振腔形成的游标效应，双环腔结构可以提供更高的线宽压缩比，并且极大抑制边模，有助于实现更高q值的微波光子滤波器。相比较于自感应光纤布拉格光栅，基于环行器的环形腔具有布里渊泵浦频率不需要与腔模匹配的优点，除了器件的固有损耗外，没有额外的腔衰减，并且由于单模光纤的低非线性系数，很难产生高阶斯托克斯。基于布里渊光纤激光器的窄带可调谐微波光子滤波器是用于获得窄带可调谐微波滤波器的有效解决方案。
附图说明
12.图1表示本发明的结构示意图。
13.图2表示本发明实施例中提供的基于布里渊光纤激光器的窄带可调谐微波光子滤波器的原理示意图；
14.其中，a为窄线宽连续波光纤激光器ⅰ输出频率为f
c1
的光载波，来自矢量网络分析仪的射频信号f
rf
通过相位调制器进行双边带调制信号的光谱图；
15.b为窄线宽连续波光纤激光器ⅱ输出的布里渊泵浦光频率为f
c2
发射到单模光纤ⅰ中，受激布里渊过程发生的光谱；
16.c为调制信号的上边带f
c1
+f
rf
被布里渊增益谱放大的光谱图；布里渊增益谱的中心频率和带宽分别为f
c2-fb和δfb；
17.d为环形腔ⅰ周期性共振的光谱图；
18.e为环形腔ⅰ与环形腔ⅱ自由光谱范围匹配，形成游标效应抑制边模，压窄的布里渊增益谱图。
19.图3表示本发明实施例中提供的基于布里渊光纤激光器的窄带可调谐微波光子滤波器所采用的游标效应原理图。
20.图4表示本发明实施例中提供的基于布里渊光纤激光器的窄带可调谐微波光子滤波器在不同结构对应的微波光子滤波器频率响应图。
21.图5表示本发明实施例中提供的基于布里渊光纤激光器的窄带可调谐微波光子滤波器中心频率的可调谐特性图，具体为在窄线宽连续波光纤激光器ⅱ输出的泵浦光波长在1550.2320至1550.3920nm范围内变化图。
22.图中：1a-窄线宽连续波光纤激光器ⅰ，1b-窄线宽连续波光纤激光器ⅱ，2a-偏振控制器ⅰ，2b-偏振控制器ⅱ，2c-偏振控制器ⅲ，3-相位调制器，4a-光纤耦合器ⅰ，4b-光纤耦合器ⅱ，4c-光纤耦合器ⅲ，5a-单模光纤ⅰ，5b-单模光纤ⅱ，6-掺铒光纤放大器，7-光环形器，8-光电探测器，9-矢量网络分析仪，r1-环形腔ⅰ，r2-环形腔ⅱ。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明的具体实施例进行说明。
24.一种基于布里渊光纤激光器的窄带可调谐微波光子滤波器，如图1所示，窄线宽连续波光纤激光器ⅰ1a为发射光载波的可调谐窄线宽激光器，窄线宽连续波光纤激光器ⅰ1a的输出端与偏振控制器ⅰ2a的输入端连接，偏振控制器ⅰ2a的输出端与相位调制器3的a端口连接，相位调制器3的c端口与光纤耦合器ⅰ4a的a端口连接，光纤耦合器ⅰ4a为分光比为50:50，光纤耦合器ⅰ4a的b端口与单模光纤ⅰ5a的a端口连接，单模光纤ⅰ5a的长度为100m；窄线宽连续波光纤激光器ⅱ1b为发射泵浦光的可调谐窄线宽激光器，将激发布里渊散射效应的单模光纤ⅰ5a和单模光纤ⅱ5b置于同一恒温箱内可避免温漂产生的误差，窄线宽连续波光纤激光器ⅱ1b的输出端与偏振控制器ⅱ2b的输入端连接，偏振控制器ⅱ2b的输出端与掺铒光纤放大器6的输入端连接，掺铒光纤放大器6的输出端与光环形器7的a端口连接，光环形器7的b端口与单模光纤ⅰ5a的b端口连接，构成一个窄线宽布里渊光纤激光器，获得khz量级的3db带宽，光环形器7的c端口与光纤耦合器ⅱ4b的a端口连接，光纤耦合器ⅱ4b为分光比为50:50，光纤耦合器ⅱ4b的c端口与单模光纤ⅱ5b的输入端连接，单模光纤ⅱ5b的长度为10m，单模光纤ⅱ5b的输出端与光纤耦合器ⅱ4b的d端口连接，由光纤耦合器ⅱ4b的c端口、单模光纤ⅱ5b、光纤耦合器ⅱ4b的d端口连接，形成环形腔ⅱr2；光纤耦合器ⅱ4b的b端口与光纤耦合器ⅲ4c的a端口连接，光纤耦合器ⅲ4c为分光比为90:10，a端口为输入端口，b端口为90％输出端口，c端口为10％输出端口，光纤耦合器ⅲ4c的b端口与偏振控制器ⅲ2c的输入端连接，偏振控制器ⅲ2c的输出端光纤耦合器ⅰ4a的c端口连接，光纤耦合器ⅰ4a、单模光纤ⅰ5a、光环形器7、光纤耦合器ⅱ4b、光纤耦合器ⅲ4c、偏振控制器ⅲ2c连接构成布里渊激光谐振
腔，形成环形腔ⅰr1，环形腔ⅰr1与环形腔ⅱr2级联构成环形法布里-珀罗谐振腔从而形成游标效应，利用两个环形腔不同的周期共振，有效抑制边模，滤出所需的频带信号，光纤耦合器ⅲ4c的c端口与光电探测器8的输入端连接，光电探测器8的输出端与矢量网络分析仪9的输入端连接，最大调谐范围由矢量网络分析仪9的工作带宽决定，矢量网络分析仪9的输出端与相位调制器3的b端口连接。
25.使用时，由窄线宽连续波光纤激光器ⅰ1a发出中心频率为f
c1
的光作为载波，经过偏振控制器ⅰ2a从相位调制器3的a端口进入相位调制器3，来自矢量网络分析仪9产生的频率为f
rf
的射频信号通过相位调制器3的b端口进入对载波进行双边带扫频调制，调制信号由相位调制器3的c端口输出，由光纤耦合器ⅰ4a的a端口进入光纤耦合器ⅰ4a并由b端口输出，通过单模光纤ⅰ5aa端口进入单模光纤ⅰ5a中；由窄线宽连续波光纤激光器ⅱ1b发出中心频率为f
c2
的光作为激发受激布里渊散射的泵浦光，通过改变窄线宽连续波光纤激光器ⅱ1b的激光波长就可以改变泵浦光频率f
c2
，从而达到改变受激布里渊散射增益谱中心频率的目的，实现微波光子滤波器的稳定可调谐功能，泵浦光经过偏振控制器ⅱ2b调谐到最佳偏振状态，进入掺铒光纤放大器6中放大功率，放大到超过激发受激布里渊散射阈值，随后由光学环形器7的a端口输入并由b端口输出，再由单模光纤ⅰ5a的b端口沿调制光信号的相反方向发射进入，在单模光纤ⅰ5a中相互作用激发受激布里渊散射，调制信号上边带f
c1
+f
rf
经布里渊增益谱放大，布里渊增益谱中心频率为f
c2-fb，其中，fb为布里渊频移；经布里渊增益放大的调制信号由光学环形器7的b端口并从光环形器的c端口输出，注入光纤耦合器ⅱ4b的a端口，并由c端口进入由光纤耦合器ⅱ4b的c端口、单模光纤ⅱ5b、光纤耦合器ⅱ4b的d端口连接形成的环形腔ⅱr2，在环形腔ⅱr2谐振后由光纤耦合器4b的b端口输出，进入光纤耦合器ⅲ4c的a端口到达分光比为90:10的光纤耦合器ⅲ4c；调制信号经过光纤耦合器ⅲ4c后分为第一束激光和第二束激光，90％的第一束激光通过光纤耦合器ⅲ4c的b端口输出，随后经过偏振控制器ⅲ2c由光纤耦合器ⅰ4a的c端口逆时针注入光纤耦合器ⅰ4a，完成一次谐振，之后在光纤耦合器ⅰ4a、单模光纤ⅰ5a、光环形器7、光纤耦合器ⅱ4b、光纤耦合器ⅲ4c、偏振控制器ⅲ2c连接形成的环形腔ⅰr1中进行多次谐振，由相位调制器3的c端口输出的调制信号经过光纤耦合器ⅰ4a的b端口输入到环形腔ⅰr1中，与受激布里渊散射信号相互作用；10％第二束激光通过光纤耦合器ⅲ4c的c端口输入光电探测器8，经光电探测器8光电转换后的信号输入矢量网络分析仪9测量幅频响，得到所提出的窄带可调谐微波光子滤波器的滤波特性。
26.所采用的工作原理如下：利用腔长分别为100m的主腔和10m的副腔构成的双环形谐振腔，在布里渊增益谱与光调制信号相互作用后，通过主谐振腔构成布里渊光纤激光器压窄光谱线宽，利用双环形腔不同的周期共振形成的游标效应有效抑制边模，从而实现基于布里渊激光的超窄带微波光子滤波。
27.如图2所示：微波光子滤波器的中心频率可表示为：
28.f
pass
＝f
c2-fb29.由上式可得，通过调谐频率f
c2
，可改变微波光子滤波器的中心频率f
pass
，并且调谐不受调制信号频率f
c1
的限制。
30.如图3所示：δfb为受激布里渊增益谱带宽，与受激布里渊散射泵浦光有关的频移fb定义为：
31.fb＝(2νa/c)ν
p
32.其中，νa表示介质中的声速，c表示真空光速，ν
p
表示泵浦光的光学频率；fb在1550nm波长范围内约为10.737ghz。根据游标效应，两个环形腔的自由光谱范围fsr1，fsr2与双环腔结构的有效fsr满足下列条件：
33.fsr＝n1fsr1＝n2fsr234.式中，fsr1对应环形腔ⅰr1；fsr2对应环形腔ⅱr2；nm(m＝1，2)为整数。即，双环腔结构的有效自由光谱范围fsr是fsr1和fsr2的最小公倍数；
35.环形腔ⅰr1与环形腔ⅱr2的自由光谱范围表示为：
[0036][0037]
式中，lm(m＝1，2)为环形腔ⅰr1与环形腔ⅱr2的环长；光纤有效折射率n＝1.468，本实施例中，l1＝100m，l2＝10m；环形腔ⅰr1与环形腔ⅱr2的自由光谱范围分别为1.86mhz和18.6mhz；微波光子滤波器有效自由光谱范围为18.6mhz。当有效自由光谱范围超过布里渊增益带宽且增益大于损耗时，激光模式仅在同时满足环形腔ⅰr1与环形腔ⅱr2谐振条件的频率下振荡。
[0038]
如图4所示：布里渊增益谱的3db带宽约为9.926mhz，在本实施例中，仅加入环形腔ⅰr1时，微波光子滤波器的3db带宽压窄到亚khz量级。但当实施例中级联环形腔ⅱr2后，形成双环腔结构，此时微波光子滤波器的3db带宽进一步缩小到百赫兹量级；对比单环腔结构与双环腔结构图像，可明显观察到单环腔结构微波光子滤波器的边模被明显抑制，并且边模抑制比为19db，因此本实施例公开的微波光子滤波器在3db带宽压窄上取得了显著突破，可以达到亚khz量级。同时在19.98ghz下，通过公式q＝f/δf
3db
计算得q＝1.753
×
108，表明本发明公开的微波光子滤波器具有极高的选择性和较大的可调谐范围，在实现亚khz量级带宽高抑制比可调谐单通带滤波方面潜力巨大。
[0039]
如图5所示：波长在1550.2320至1550.3920nm范围内变化时，微波光子滤波器的通带稳定调谐2-20ghz，同时带外抑制超过25db，由可得波长λ与频率f之间的关系呈反比，式中，f表示受激布里渊散射泵浦光频率，λ表示受激布里渊散射泵浦光波长，光速c＝3
×
108m/s。本实施例中的最小调谐精度这取决于窄线宽连续波光纤激光器ⅱ1b的最小调谐精度，通过提高器件的工作带宽和调谐精度，可以进一步提高调谐范围和调谐精度。
[0040]
本实施例中的微波光子滤波器3db带宽δf
pass
基本稳定，同时边模抑制比在调谐范围内波动较小；这种变化的主要原因是温度变化和实施例中环形腔ⅰr1、环形腔ⅱr2的自由光谱范围之间的匹配问题。通过调节偏振控制器ⅲ2c可解决两个环形腔之间的匹配问题和保持光路中的泵浦波和斯托克斯波之间的平行偏振。
[0041]
本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。