kHz量级单通带微波光子滤波器的制作方法

本公开涉及微波光子信号处理及电子对抗领域，尤其涉及一种khz量级单通带微波光子滤波器。

背景技术：

微波光子学是微波与光子技术融合的产物，在射频信号的产生、传输和处理等方面具有广泛的应用前景。微波光子滤波器采用光子技术在光域内对调制在光载波上的微波信号进行处理，最终实现滤波功能，其在带宽、调谐、重构等方面具有传统电域滤波器难以比拟的优势，是微波光子学领域的核心技术，引起人们的广泛研究。

具有一个通带的单带通滤波技术克服了频率响应周期性的缺点，在无线通信、传感、生物及军事等领域已获得广泛应用，衡量单带通滤波特性的关键指标是单通带的3db带宽δf3db，对于单通带滤波器，3db带宽δf3db越小，则滤波器的频率选择特性越好，可以更准确地滤出所需频率，因此实现超窄3db带宽δf3db单通带微波光子滤波器成为了研究热点。

目前，现有技术中存在多种实现超窄单通带的微波光子滤波的方案，例如：一种基于宽带光源和马赫增德尔干涉结构的单通带微波光子滤波器被提出，通过对宽带光信号采样以及马赫增德尔干涉仪对采样信号加权，获取多个抽头系数，从而实现单通带滤波，其3db带宽δf3db为几百mhz；一种基于受激布里渊散射的微波光子单通带滤波器被提出，该滤波器利用受激布里渊散射的窄带增益特性对微波调制的光信号进行处理，实现单通带滤波，其3db带宽δf3d可以达到24.4mhz；公告号为103715480b的专利文献公开了名为“一种超高品质因数的单带通可调谐微波光子滤波器”的发明，通过将光纤中受激布里渊散射的增益谱与损耗谱叠加的方法，有效减小受激布里渊散射的增益谱宽度，实现了超高品质因素的单通带微波光子滤波技术，3db带宽δf3db为4.14mhz，中心频率可调范围0.3ghz-29.7ghz。

虽然目前有很多单通带微波光子滤波器方案，但是其关键指标3db带宽δf3db受到限制，仍为mhz量级，还不能实现更窄(khz量级甚至hz量级)单通带微波光子滤波，无法满足高纯频谱微波信号产生、高分辨率微波光子传感以及高性能微波光子雷达等应用领域。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

现有微波光子滤波器技术方案难以实现3db带宽mhz量级以下单通带滤波，无法满足高纯频谱微波信号产生、高分辨率微波光子传感以及高性能微波光子雷达等应用领域。

(二)技术方案

本公开实施例提供了一种khz量级单通带微波光子滤波器，包括：激光器、第一光耦合器、单边带抑制载波调制模块、单边带调制模块、微波信号源、第一光放大器、第二光放大器、第二光耦合器、单频布里渊光纤激光器、光电探测器及矢量网络分析仪，其中：

由激光器产生频率为fc的激光，经过第一光耦合器后分为第一束激光和第二束激光，所述第一束激光进入单边带抑制载波调制模块，所述第二束激光进入单边带调制模块；

微波信号源输出的频率为fp的微波信号通过单边带抑制载波调制模块调制到第一束激光上，形成单边带抑制载波调制信号，所述单边带抑制载波调制信号包含第一上边带fc+fp，所述第一上边带fc+fp依次通过第一光放大器、第二光耦合器之后进入单频布里渊光纤激光器，所述第一上边带fc+fp的功率小于单频布里渊光纤激光器的激发功率阈值，在单频布里渊光纤激光器中形成3db带宽为khz量级的增益谱，增益谱的中心频率为fc+fp-fb、3db带宽为δfsfbfl，其中，fb为布里渊频移。

矢量网络分析仪输出的频率为frf的扫频微波信号通过单边带调制模块调制到第二束激光上，形成单边带调制信号，所述单边带调制信号包含光载波fc和第二上边带fc+frf，所述光载波fc和第二上边带fc+frf依次通过第二光放大器、第二光耦合器之后进入单频布里渊光纤激光器，所述光载波fc的功率大于单频布里渊光纤激光器的激发功率阈值，激发出频率为fc-fb的激光；所述第二上边带fc+frf的光功率位于所述单频布里渊光纤激光器的激发功率阈值之下，产生后向散射信号，当所述后向散射信号频率处于第一上边带fc+fp产生的增益谱(中心频率为fc+fp-fb、3db带宽为δfsfbfl)的频率范围内时，获得增益被放大，激发出激光信号，并且与频率为fc-fb的激光在光电探测器中拍频，产生微波信号；

所述光电探测器产生的微波信号输入进矢量网络分析仪，得到所述微波光子滤波器的频率响应特性。

可选地，所述滤波器的单通带中心频率fpass等于fp；所述滤波器的3db带宽δfpass等于所述单频布里渊光纤激光器的增益腔的3db带宽δfsfbfl。

可选地，所述第一光耦合器的分光比为50％∶50％，所述第二光耦合器的分光比为50％∶50％。

可选地，所述单频布里渊光纤激光器，包括：依次连接的光环形器、第三光耦合器、第四光耦合器、第五光耦合器、光隔离器、高非线性光纤，且所述高非线性光纤与所述光环形器连接，构成一个光学回路，形成一个光学谐振腔。

可选地，所述第三光耦合器的分光比为50％∶50％，所述第四光耦合器的分光比为x％∶(100-x)％，所述第五光耦合器的分光比为x％∶(100-x)％，优选地，x≥90。

可选地，所述第四光耦合器与所述第五光耦合器构成光纤环形腔；

所述第四光耦合器包括端口四二和端口四四；所述第五光耦合器包括端口五二和端口五四；

通过光纤将端口四二与端口五二进行连接，通过光纤将端口四四与端口五四进行连接，构成所述光纤环形腔；

经第四光耦合器分束的比例为(100-x)％的光束、经第五光耦合器分束的比例为x％的光束在光纤环行腔中传输。

可选地，所述光纤环形腔的自由谱范围fsr1与共振峰的3db带宽δfring满足下列条件：

fsr1≥δfb

δfring≤fsr2

其中，δfb为所述高非线性光纤的布里渊增益谱的3db带宽，fsr2为所述单频布里渊光纤激光器的模式间隔，优选地，所述光纤环形腔的腔长小于8米。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开khz量级单通带微波光子滤波器至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

1、将单边带调制光信号注入到单频布里渊光纤激光器中，利用单频布里渊光纤激光器超窄的光学增益腔进行光放大，解决了现有微波光子滤波器不能实现mhz量级以下单通带滤波的问题，本公开微波光子滤波器的3db带宽δf3db取得显著突破，可以达到khz量级甚至hz量级。

2、通过调节注入到单频布里渊光纤激光器中的泵浦光频率，可以调节滤波器的中心频率，具有中心频率精细可调的优点。

3、单频布里渊光纤激光器输出激光频率稳定，从而该微波光子滤波器的中心频率稳定，受环境影响小。

4、处于该微波光子滤波器通带范围内的射频信号是两束激光拍频产生的，处于通带范围外，只产生一束激光，无拍频射频信号，因此该微波光子滤波器具有带外抑制比高的优点。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1是本公开实施例提供的khz量级单通带微波光子滤波器的结构示意图；

图2是本公开实施例提供的khz量级单通带微波光子滤波器中单频布里渊光纤激光器的结构示意图；

图3是本公开实施例提供的khz量级单通带微波光子滤波器中单频布里渊光纤激光器的原理示意图；

图4是本公开实施例提供的khz量级单通带微波光子滤波器的原理示意图；

图5是本公开实施例提供的khz量级单通带微波光子滤波器中单频布里渊光纤激光器输出的激光进入探测器得到的拍频频谱图；

图6是本公开实施例提供的khz量级单通带微波光子滤波器的频率响应特性图；

图7是本公开实施例提供的khz量级单通带微波光子滤波器的中心频率可调谐特性图；

图8是本公开实施例提供的khz量级单通带微波光子滤波器中单频布里渊光纤激光器的另一种方案。

其中，附图标记为：

100、激光器；200、第一光耦合器；300、单边带抑制载波调制模块；400、单边带调制模块；500、微波信号源；600、第二光耦合器；700、单频布里渊光纤激光器；800、光电探测器；900、矢量网络分析仪；

210、端口一一；220、端口一二；230、端口一三；

310、第一光输入端口；320、第一光输出端口；330、第一微波输入端口；

410、第二光输入端口；420、第二光输出端口；430、第二微波输入端口；

610、端口二一；620、端口二二；630、端口二三；

710、光环形器；720、第三光耦合器；730、第四光耦合器；740、第五光耦合器；750、光隔离器；760、高非线性光纤；

711、端口①(单频布里渊光纤激光器输入端口)；712、端口②；713、端口③；

721、端口三一；722、端口三二(单频布里渊光纤激光器输出端口)；723、端口三三；

731、端口四一；732、端口四二；733、端口四三；734、端口四四；

741、端口五一；742、端口五二；743、端口五三；744、端口五四；

770、第一光纤光栅；780、第二光纤光栅。

具体实施方式

本公开提供了一种khz量级单通带微波光子滤波器，利用单频布里渊光纤激光器(sfbfl，single-frequencybrillouinfiberlaser)的超窄增益腔实现超窄单通带微波光子滤波，解决现有微波光子滤波器不能实现mhz量级以下单通带滤波的技术问题，本发明微波光子滤波器的3db带宽δf3db可以达到khz甚至hz量级，同时其中心频率稳定、可调谐、带外抑制比高。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开实施例提供了一种khz量级单通带微波光子滤波器，图1为所述hz量级单通带微波光子滤波器的系统结构示意图，参见图1，所述微波光子滤波器包括：激光器100、第一光耦合器200、单边带抑制载波调制模块300、单边带调制模块400、微波信号源500、第一光放大器、第二光放大器、第二光耦合器600、单频布里渊光纤激光器700、光电探测器800及矢量网络分析仪900。

其中，所述激光器100与第一光耦合器200连接，所述第一光耦合器200与单边带抑制载波调制模块300连接；所述第一光耦合器200同时与单边带调制模块400连接；所述单边带抑制载波调制模块300与微波信号源500连接；所述单边带抑制载波调制模块300、第一光放大器、第二光耦合器600及单频布里渊光纤激光器700依次连接；所述单边带调制模块400与矢量网络分析仪900连接；所述单边带调制模块400、第二光放大器、所述第二光耦合器600及所述单频布里渊光纤激光器700依次连接；所述单频布里渊光纤激光器700、光电探测器800及矢量网络分析仪900依次连接。

在本公开一个可行的方式中，所述第一光耦合器200的分光比为50％∶50％，其包括：与所述激光器100进行连接的端口一一210，与单边带抑制载波调制模块300连接的端口一二220，和与所述单边带调制模块400连接的端口一三230。

本公开实施例的工作原理为：通过激光器100产生频率为fc的激光，由第一光耦合器200的端口一一210输入，然后以耦合比为50％∶50％分束成两束激光，其中一束激光由端口一二220输出进入单边带抑制载波调制模块300，另外一束激光由端口一三230输出进入单边带调制模块400；从微波信号源500输出的频率为fp的微波信号通过单边带抑制载波调制模块300调制到激光fc上，单边带抑制载波调制模块300的输出信号是频率为fc+fp的上边带(即第一上边带)，经过第一光放大器放大之后通过第二光耦合器600进入单频布里渊光纤激光器700，作为该微波光子滤波器的泵浦光；从矢量网络分析仪900输出的用于测量滤波器频率响应特性的扫频微波信号frf通过单边带调制模块400调制到激光fc上，单边带调制模块400的输出信号是频率为fc的光载波与频率为fc+frf的上边带(即第二上边带)，经过第二光放大器放大之后通过第二光耦合器600进入单频布里渊光纤激光器700；单频布里渊光纤激光器700的输出信号进入光电探测器800，光电探测器800输出的微波信号输入进矢量网络分析仪900，从而得到本公开微波光子滤波器的频率响应特性。

在本公开一个可行的方式中，其中激光器100为可调谐窄线宽激光器，为微波信号提供光载波，同时，经过移频之后，作为该微波光子滤波器的泵浦光，采用同一激光器，避免由于激光器波长漂移造成微波光子滤波器的中心频率不稳定。

在本公开一个可行的方式中，所述单边带抑制载波调制模块300包括：与所述端口一二220相连接的第一光输入端口310，与所述第一光放大器连接的第一光输出端口320，和与所述微波信号源500连接的第一微波输入端口330。

在本公开一个可行的方式中，所述单边带调制模块400包括：与所述端口一三230连接的第二光输入端口410，与所述第二光放大器连接的第二光输出端口420，和与所述矢量网络分析仪900连接的第二微波输入端口430。

在本公开一个可行的方式中，所述第二光耦合器600的分光比为50％∶50％，其包括：与所述单频布里渊光纤激光器700连接的端口二一610，与所述第一光放大器相连接的端口二二620，和与所述第二光放大器相连接的端口二三630。

其中，单边带抑制载波调制模块300与单边带调制模块400已有很多方案可以实现，本公开实施例对此不作具体限制，例如采取相位调制器与光滤波器等方案，在此不再赘述。

图2是本公开实施例提供的khz量级单通带微波光子滤波器中单频布里渊光纤激光器的结构示意图，参见图2，所述单频布里渊光纤激光器700，包括：依次连接的光环形器710、第三光耦合器720、第四光耦合器730、第五光耦合器740、光隔离器750、高非线性光纤760；且所述高非线性光纤760与所述光环形器710连接。其中高非线性光纤760提供受激布里渊增益。

所述光环形器710包括：与所述端口二一610连接的端口①711，端口①711作为单频布里渊光纤激光器700的输入端口，与所述高非线性光纤760连接的端口②712，及与所述第三光耦合器720连接的端口③713。

所述第三光耦合器720的分光比为50％∶50％，其包括：与所述光环形器710的端口③713连接的端口三一721，与所述光电探测器800连接的端口三二722，端口三二722作为单频布里渊光纤激光器700的输出端口，及与所述第四光耦合器730连接的端口三三723。

所述第四光耦合器730的分光比为x％∶(100-x)％，其包括：与所述第三光耦合器720的端口三三723连接的端口四一731，分别与所述第五光耦合器740进行连接的端口四二732和端口四四734，及端口四三733，端口四三733为本公开实施例中弃之不用的端口。

所述第五光耦合器740的分光比为x％∶(100-x)％，其包括：与所述光隔离器750连接的端口五一741，与所述端口四二732连接的端口五二742，与所述端口四四734连接的端口五四744，及端口五三743，端口五三743为本公开实施例中弃之不用的端口。

在本公开实施例中，第四光耦合器730与第五光耦合器740组成一个光纤环形腔，经第四光耦合器730分束的比例为(100-x)％的光束、经第五光耦合器740分束的比例为x％的光束在光纤环行腔中传输。

在本公开实施例中，光环形器710、第三光耦合器720、第四光耦合器730、第五光耦合器740、光隔离器750和高非线性光纤760构成一个光学回路，形成一个光学谐振腔，高非线性光纤760提供受激布里渊增益，从端口①711输入的布里渊泵浦光作为激励源，从而满足激光的三要素；第四光耦合器730与第五光耦合器740组成的光纤环形腔，起到频率选择与稳定输出激光频率的作用，从而保证布里渊光纤激光器700的输出光为稳定的单频光。

在本公开实施例中，以频率fc的光载波为例说明单频布里渊光纤激光器700的原理，光载波fc从端口①711输入，经过光环形器710的端口②712，进入高非线性光纤760，在高非线性光纤760中产生频率为fc-fb(fb为光载波fc在高非线性光纤760的布里渊频移)，反向传输的自发布里渊散射信号，自发布里渊散射信号经过光环形器710的端口②712和端口③713，经过第三光耦合器720，经过由第四光耦合器730与第五光耦合器740组成的光纤环形腔，通过隔离器750，进入高非线性光纤760，自发布里渊散射信号fc-fb正好处于光载波fc的布里渊增益谱范围内，且与光载波fc传输方向相反；如果光载波fc的功率满足受激布里渊散射阈值，光载波fc与自发布里渊散射信号fc-fb在高非线性光纤760中互相作用，发生受激布里渊散射，自发布里渊散射信号fc-fb被放大；自发布里渊散射信号fc-fb在光学谐振腔中多次传输，如果受激布里渊散射提供的增益大于环腔损耗，将产生频率为fc-fb的激光信号，从端口三二722输出。

另外，图3是本公开实施例提供的khz量级单通带微波光子滤波器中单频布里渊光纤激光器的原理示意图，参见图3，为了实现单频布里渊光纤激光器700单频激光输出，所述第四光耦合器730与所述第五光耦合器740构成光纤环形腔，所述光纤环形腔的自由谱范围fsr1与共振峰的3db带宽δfring满足下列条件：

fsr1≥δfb(1)

δfring≤fsr2(2)

其中，δfb为所述高非线性光纤760的布里渊增益谱的3db带宽，fsr2为所述单频布里渊光纤激光器700的模式间隔，由单频布里渊光纤激光器700的光学谐振腔长度lcav决定；高非线性光纤760的布里渊增益谱的3db带宽δfb约为25mhz，为了满足式(1)的条件，根据自由谱范围的计算公式fsr＝c/nl可知，由第四光耦合器730与第五光耦合器740组成的光纤环形腔的腔长应该小于8米。此外，光纤环形腔共振峰的3db带宽δfring与光在环形腔中传输一圈的损耗成反比，为了满足式(2)的条件，选择损耗较低的、分光比x％∶(100-x)％中的x≥90的第四光耦合器730与第五光耦合器740。

图4是本公开实施例提供的khz量级单通带微波光子滤波器的原理示意图，参见图4，其中，图4中的(a)图是单边带抑制载波调制模块300与单边带调制模块400的输出信号分别经过第一光放大器与第二光放大器放大后输出信号的光谱示意图；所述单边带调制模块400的输出信号包括频率为fc的光载波与频率为fc+frf的上边带，其中frf是所述矢量网络分析仪900输出的扫频微波信号频率；频率为fc的光载波经过第二光放大器放大之后，其功率值位于单频布里渊光纤激光器700的激发功率阈值之上，激发出频率为fc-fb的激光，fb为光载波fc在所述高非线性光纤760的布里渊频移；频率为fc+frf的上边带经过第二光放大器放大之后，其光功率位于所述单频布里渊光纤激光器700的激发功率阈值之下，产生后向散射信号；所述单边带抑制载波调制模块300的输出信号包括频率为fc+fp的上边带，其中，fp为所述微波信号源500输出的微波信号频率，经过所述第一光放大器放大之后，在所述单频布里渊光纤激光器700的谐振腔中形成增益谱，所述增益谱的中心频率为fc+fp-fb，3db带宽为δfsfbfl；

参见图4中的(b)图，图4中的(b)图是单频布里渊光纤激光器700的输出信号光谱示意图，频率为fc的光载波功率由于满足单频布里渊光纤激光器700的激发功率阈值，激发出频率为fc-fb的激光；频率为fc+fp的上边带的功率接近单频布里渊光纤激光器700的激发功率阈值，形成一个超窄增益谱，增益谱的中心频率为fc+fp-fb、3db带宽为δfsfbfl；频率为fc+frf的上边带没有达到单频布里渊光纤激光器700的激发功率阈值，只产生功率非常低的后向散射信号；但是，当后向散射信号的频率处于fc+fp产生的增益谱(中心频率为fc+fp-fb、3db带宽为δfsfbfl)范围内时，将获得增益被放大，从而激发出激光信号，且此激光信号与频率为fc-fb的激光相干，这两束激光信号在光电探测器800中拍频，产生微波信号。

参见图4中的(c)图，图4中的(c)图是光电探测器800拍频之后得到的微波信号输入进矢量网络分析仪900，从而得到本公开微波光子滤波器的频率响应特性的示意图。该微波光子滤波器的通带中心频率fpass＝(fc+fp-fb)-(fc-fb)＝fp，从而通过调节频率fp，可以调节微波光子滤波器的通带中心频率fpass，具有单通带中心频率可调谐的优点；值得注意的是，布里渊频移fb的值与泵浦光的频率相关，不同频率的泵浦光所对应的布里渊频移fb有所差别，在本公开实施例中，频率为fc+fp的上边带与频率为fc的光载波由于频率差而引起的布里渊频移fb的差值没有考虑；该微波光子滤波器的3db带宽δfpass等于单频布里渊光纤激光器700的增益腔的3db带宽δfsfbfl，即δfpass＝δfsfbfl。

在本公开实施例中，激光器100为窄线宽激光器，在其线宽为hz量级的情况下，单频布里渊光纤激光器700的增益腔3db带宽δfsfbfl可以由以下公式表示：

其中，c为真空光速，neff为有效折射率，lcav、r分别为单频布里渊光纤激光器700的腔长以及腔的光振幅反馈系数。

由式(3)可知，单频布里渊光纤激光器700的增益腔3db宽度δfsfbfl由其腔长lcav以及腔的光振幅反馈系数r决定，且δfsfbfl与lcav、r成反比，通过增加lcav以及提高r，可以实现超窄增益腔δfsfbfl。

理想的情况下，单频布里渊光纤激光器700发生激光谐振时光损耗等于增益，即r＝1，增益谱δfsfbfl＝0，增益腔无限窄。但是由于自发散射噪声、自发辐射噪声等影响，r不可能达到1，但仍可接近于1。

假设r＝0.99，腔长lcav为5km，则δfsfbfl＝132.2hz。由以上理论推导可知，单频布里渊光纤激光器700可实现超窄3db带宽δfsfbfl，由于微波光子滤波器的3db带宽δfpass＝δfsfbfl，因此本公开的微波光子滤波器的3db带宽以取得显著突破，可以达到khz甚至hz量级。

作为本公开的一个具体实施例，选取高非线性光纤760的长度为530米，第四光耦合器730与第五光耦合器740的分光比x＝90，第四光耦合器730与第五光耦合器740组成的光纤环形腔的腔长为4米，满足公式(1)与(2)的条件，在以上条件下，测量单频布里渊光纤激光器700的单频特性，以及该微波光子滤波器的频率响应以及中心频率调谐特性。

在上述具体实施例中，图5为单频布里渊光纤激光器700的输出激光输入进光电探测器的拍频频谱图，拍频噪声非常小，没有由相邻模式拍频的射频频率，说明激光器700为单频激光输出。

在上述具体实施例中，图6为所述khz量级单通带微波光子滤波器的频率响应特性，由图6所示，其通带中心频率fpass＝10ghz，δfpass≈10khz。对应光振幅反馈系数r≈0.92，3db带宽10khz符合式(3)的理论计算。因此本公开的微波光子滤波器的3db带宽δf3db取得了显著突破，可以达到khz甚至hz量级。

在上述具体实施例中，图7为所述khz量级单通带微波光子滤波器的单通带中心频率可调谐特性，其中心频率fpass分别为5ghz、10ghz、15ghz、20ghz、25ghz、30ghz、35ghz、40ghz，本发明具有中心频率可调、带外抑制比高等优点。

在本公开实施例中，单频布里渊光纤激光器700还可以通过其它方案实现，例如，如图8所示，单频布里渊光纤激光器700中起到频率选择与稳定作用的光纤环形腔(由第四光耦合器730与第五光耦合器740以及光纤环组成)可以由光纤光栅法布里-珀罗腔(由光纤连接起来的高反射率的第一光纤光栅770、第二光纤光栅780组成)替代。此外，为了降低单频布里渊光纤激光器700的激发功率阈值，可以在谐振腔中增加edfa。对本公开实施例中单频布里渊光纤激光器700的改进方案不再一一赘述。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，例如：将本发明中的单频布里渊光纤激光器通过其它方式实现；将本发明中用于产生受激布里渊散射的高非线性光纤由其它种类的光纤或者由硫族化合物(chalcogenide)光波导等其它类型的集成光波导代替；等等，均应包含在本发明的保护范围之内。