CN101393304A - 基于啁啾光纤光栅和掺杂有源光纤的微波光子滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于啁啾和掺杂有源光纤的微波光子滤波器，其构成器件的连接：激光器(10)输出端及射频信号发生器(20)输出端分别接调制器(30)两个输入端；调制器输出端接光纤耦合器(40)的一个输入端，光纤耦合器另一个输入端接光纤环形器(50)第一端口，光纤环形器第二端口接掺杂有源光纤(60)的一端，掺杂有源光纤另一端接波分复用器(70)输出端；光纤环形器的第三端口与N个光纤光栅串接。波分复用器一个输入端接泵浦源(80)，另一个输入端与光纤耦合器的一个输出端相连。光纤耦合器另一个输出端接光电检测器(100)输入端。该滤波器品质因数高、成本低。用于光纤微波通信、微波光子、卫星通信及雷达等领域。

Description

基于啁啾光纤光栅和掺杂有源光纤的微波光子滤波器

技术领域

本发明涉及一种微波光子滤波器，适用于光纤微波通信(RoF：Radioon/over Fiber)、微波光子、卫星通信以及雷达等领域。

背景技术

日新月异的通信技术和IT技术，促进社会不断发展。大容量数字微波传输***投入使用后不久，就被大容量长距离光纤通信***取代。近几年，伴随着电子技术高速、高频化的出现，毫米波波段又迎来复兴期，在电磁波波段，先进的光纤通信技术正发挥着作用。对人类来说，21世纪留给人们的最大资产是电波和光融合的电磁波波段。换言之，现代通信的关键是“光和无线”。

微波在卫星通信和陆地移动通信***中的应用日益普遍，而微波滤波器在通信***中占有十分重要的地位，是一种关键的射频器件。

目前微波滤波器的发展趋势主要包括阶跃阻抗谐振滤波器，具有较好的抑制谐波性能且加工尺寸小；微波有源滤波器，可以不失真地通过所要求的通带信号，同时尽可能大地抑制不需要的阻带信号，是实现该频段低损耗和高性能微波集成滤波器的重要手段，具有很大的市场潜力；薄膜声学体波共振技术，在小型化方面占有绝对的优势，可实现体积小于目前基于陶瓷产品10％的产品；此外，微波、毫米波通信，雷达、测量仪表等***和设备，要求微波器件与电路达到更高、更新的水平，超导材料的出现为微波技术的发展带来新的推动力。随着移动通信、电子对抗和导航技术的飞速发展，对新的微波元器件的需求和现有器件性能的改善提出了更高的要求。

微波光子技术将微波学和光学融合在一起，成为一个全新的技术领域，通常称为Microwave Photonics(简称MWP)。光子技术和微波、毫米波的集成在远程通信的发展上打开了一个神奇的、充满希望的领域。光技术和电波技术相融合，利用光纤具有的低损耗、大容量、无感应、重量轻、易于搬运等特点，在传统的微波技术中引入光技术，可组成信息社会的基础网络，达到个别技术不断发展也无法实现的通信***高功能化和高度化。最近十年，微波光子学引起了世界各国的重视，现在专门的微波光子国际会议每年在北美、欧洲、亚太地区轮流召开。

事实上，由于在微波/毫米波光纤***中潜在的应用价值，光域上的微波信号处理技术已经引起了众多研究者的兴趣，成为近年来一个国际上的研究热点。比起传统的电子微波滤波器，微波光子滤波器有着电磁环境兼容性好、体积小、重量轻和工作带宽较宽等优点。光纤光栅具有良好的波长选择性能和滤波特性，能以灵巧的方式构建微波光子滤波器，因此近年提出了许多基于光纤光栅的微波光子滤波器结构，如不平衡马赫曾德干涉仪结构、基于宽带光源和光纤光栅阵列的结构、采用超结构光栅和宽带光源的结构、采用光纤光栅对的结构、基于可调谐激光器和光纤光栅的结构以及应用计算机控制差分延迟线的可调滤波结构等，但是存在的主要问题是成本较高，结构复杂，可调谐性较差。

在期刊《光电子·激光》2006年1月出版，第17卷1期中的“基于光纤环的可调谐微波光子滤波器”中，提出了一种微波光子滤波器结构，激光器的输出端接调制器的一个输入端，射频信号发生器的输出端接调制器的另一个输入端；调制器的输出端接光纤耦合器的一个输入端，光纤耦合器的另一个输入端与光纤环形器的第一端口相连，光纤环形器的第二端口与光纤耦合器的一个输出端相连，光纤环形器第三端口连接N个串联的光纤光栅；光纤耦合器的另一个输出端与光电检测器的输入端连接；该结构的微波光子滤波器充分利用光纤光栅的波长选择特性，其自由频程可通过改变输入光载波的波长而实现连续调谐，具有陡峭的带外衰减，平坦的带内幅频特性和相位特性；但该结构的滤波器最大的缺陷在于品质因数比较低，使得滤波器性能差。

总之，微波滤波器在通信***中占有十分重要的地位，是一种关键的射频器件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提高微波光子滤波器的品质因数，改善滤波器性能，提供一种基于啁啾光纤光栅和有源光纤的微波光子滤波器。

本发明的技术方案：

基于啁啾光纤光栅和掺杂有源光纤的微波光子滤波器，构成该滤波器的器件之间的连接为：激光器的输出端接调制器的一个输入端，射频信号发生器的输出端接调制器的另一个输入端；调制器的输出端接光纤耦合器的一个输入端，光纤耦合器的另一个输入端接光纤环形器的第一端口，光纤环形器的第二端口与掺杂有源光纤的一端相连，光纤环行器的第三端口串联N个啁啾光纤光栅，掺杂有源光纤的另一端与波分复用器的输出端相连，波分复用器的一个输入端接泵浦源，波分复用器的另一个输入端与光纤耦合器的一个输出端相连，光纤耦合器的另一个输出端与光电检测器的输入端连接。

掺杂有源光纤为掺铒、掺镱、掺钬、镱铒共掺、掺钍、掺镨或掺钕有源光纤。

光纤耦合器分光比为任意的。

泵浦源的泵浦方式为同向泵浦、后向泵浦或双向泵浦。

掺杂有源光纤的长度≥0.5米。

本发明的有益效果具体如下：

本发明所述的基于啁啾光纤光栅和掺杂有源光纤的微波光子滤波器，充分利用啁啾光纤光栅的波长选择特性，在光纤环行器与光纤耦合器中加入掺杂有源光纤，大幅度提高了微波光子滤波器的品质因数，改善了微波光子滤波器的性能，其自由频程可通过改变输入光载波的波长而实现连续调谐，该高性能的微波光子滤波器与低噪声前置放大器、小型制冷机和电子控制***可组成滤波器***代替现有移动通信基站中由普通金属滤波器组成的常规滤波器***，能够较大幅度地提高通话质量，增加通话容量，扩大基站的覆盖面积，增强基站的抗干扰能力，降低手机发射功率，具有诱人的发展前景。

附图说明

图1为基于啁啾光纤光栅和掺杂有源光纤的微波光子滤波器啁啾光纤光栅个数为N的结构示意图。

图2为基于啁啾光纤光栅和掺杂有源光纤的微波光子滤波器啁啾光纤光栅个数为2的结构示意图。

图3为基于啁啾光纤光栅和掺杂有源光纤的微波光子滤波器啁啾光纤光栅个数为6的结构示意图。

图4为基于啁啾光纤光栅和掺杂有源光纤的微波光子滤波器啁啾光纤光栅个数为10的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对基于啁啾光纤光栅和掺杂有源光纤的微波光子滤波器作进一步描述。

实施例一

如图2，基于啁啾光纤光栅和掺杂有源光纤的微波光子滤波器，其构成的器件之间的连接：

选择啁啾光纤光栅的个数N为2。

选择掺杂有源光纤60为掺铒光纤，长度为1米。

选择泵浦光80的泵浦方式为同向泵浦。

选择光纤耦合器40的分光比为50：50

激光器10的输出端接调制器30的一个输入端，射频信号发生器20的输出端接调制器30的另一个输入端；调制器30的输出端接分光比为50：50的光纤耦合器40的一个输入端，光纤耦合器40的另一个输入端接光纤环形器50的第一端口1，光纤环形器50的第二端口2与长度为1米的掺铒光纤60的一端相连，光纤环形器50的第三端口3串联2个啁啾光纤光栅91，92，掺铒光纤60的另一端与波分复用器70的输出端相连，波分复用器70的一个输入端接泵浦源80，泵浦源80通过波分复用器70对掺铒光纤60进行同向泵浦产生增益，波分复用器70的另一个输入端与光纤耦合器40的一个输出端相连，光纤耦合器40的另一个输出端与光电检测器100的输入端连接。

射频信号发生器20发射的射频信号与激光器10发出的光信号在调制器30中进行调制，之后调制器30输出的光信号射入光纤耦合器40中，泵浦光80同向泵浦驱动1米长的掺铒光纤60产生增益，由于啁啾光纤光栅91，92具有对不同波长的反射能力，根据波长的不同被调制的光被切割成和光纤光栅91，92数目相同的2束光束，光束的宽度由啁啾光纤光栅91，92的反射带宽决定，而每束切割光因为反射点的不同，到达光纤环行器50第三端口3相邻之间有一个时间差，这样就形成了不同光束的延时差，通过改变激光器10输入光的波长，光信号经过光纤环行器50的第三端口3串联的啁啾光纤光栅的路径是不同的，因而微波光子滤波器的自由频程也相应的改变，从而实现有源的高品质因数滤波和可调谐性。

实施例二

如图3，基于啁啾光纤光栅和掺杂有源光纤的微波光子滤波器，其构成的器件之间的连接：

选择啁啾光纤光栅的个数N为6。

选择掺杂有源光纤60为掺镱光纤，长度为4米。

选择泵浦光80的泵浦方式为后向泵浦。

选择光纤耦合器40的分光比为30：70

激光器10的输出端接调制器30的一个输入端，射频信号发生器20的输出端接调制器30的另一个输入端；调制器30的输出端接分光比为30：70的光纤耦合器40的一个输入端，光纤耦合器40的另一个输入端接光纤环形器50的第一端口1，光纤环形器50的第二端口2与波分复用器70的输出端相连，光纤环形器50的第三端口3串联6个啁啾光纤光栅91，92，……，96，波分复用器70的一个输入端与4米长的掺镱光纤60的一端相连，波分复用器70的另一个输入端接泵浦源80，泵浦源80通过波分复用器70对掺镱光纤60进行反向泵浦产生增益，掺镱光纤60的另一端与光纤耦合器40的一个输出端相连，光纤耦合器40的另一个输出端与光电检测器100的输入端连接。

实施例三

如图4，基于啁啾光纤光栅和掺杂有源光纤的微波光子滤波器，其构成的器件之间的连接：

选择啁啾光纤光栅的个数N为10。

选择掺杂有源光纤60为掺钕光纤，长度为10米。

选择泵浦光80的泵浦方式为双向泵浦。

选择光纤耦合器40的分光比为50：50

激光器10的输出端接调制器30的一个输入端，射频信号发生器20的输出端接调制器30的另一个输入端；调制器30的输出端接分光比为50：50的光纤耦合器40的一个输入端，光纤耦合器40的另一个输入端接光纤环形器50的第一端口1，光纤环形器50的第二端口2与波分复用器70的输出端相连，光纤环形器50的第三端口3串联10个啁啾光纤光栅91，92，……，910，波分复用器70的一个输入端与10米长的掺钕光纤60的一端相连，波分复用器70的另一个输入端接泵浦源80，掺钕光纤60的另一端与波分复用器71的输出端相连，波分复用器71的一个输入端接泵浦源81，波分复用器71的另一个输入端与光纤耦合器40的一个输出端相连，泵浦源80通过波分复用器70，泵浦源81通过波分复用器71同时对掺钕光纤60进行双向泵浦产生增益，光纤耦合器40的另一个输出端与光电检测器100的输入端连接。

实施例四

如图1，基于啁啾光纤光栅和掺杂有源光纤的微波光子滤波器，其构成的器件之间的连接：

激光器10的输出端接调制器30的一个输入端，射频信号发生器20的输出端接调制器30的另一个输入端；调制器30的输出端接光纤耦合器40的一个输入端，光纤耦合器40的另一个输入端接光纤环形器50的第一端口1，光纤环形器50的第二端口2与掺杂有源光纤60的一端相连，光纤环形器50的第三端口3串联N个啁啾光纤光栅91，92，……，9N，掺杂有源光纤60的另一端与波分复用器70的输出端相连，波分复用器70的一个输入端接泵浦源80，泵浦源80通过波分复用器70对掺杂有源光纤60进行同向泵浦产生增益，波分复用器70的另一个输入端与光纤耦合器40的一个输出端相连，光纤耦合器40的另一个输出端与光电检测器100的输入端连接。

掺杂有源光纤60为掺铒、掺镱、掺钬、镱铒共掺、掺钍、掺镨或掺钕有源光纤。

光纤耦合器40分光比为任意的。

泵浦源80的泵浦方式为同向泵浦、后向泵浦或双向泵浦。

掺杂有源光纤60的长度≥0.5米。

实施例二，实施例三，实施例四中的微波光子滤波器的实现原理思想与实施例一中相同，只是啁啾光纤光栅的数量不同使得切割的光束数量不同，以及选择的掺杂有源光纤种类和泵浦方式有所不同。目前啁啾光纤光栅的个数可以做到80个，但随着光纤光栅制作工艺以及所用的光器件不断发展，啁啾光纤光栅的个数会逐渐增多，从而使得微波光子滤波器的调谐范围逐渐增大。

本发明所使用器件均由市场选购。

Claims (5)

1.基于啁啾光纤光栅和掺杂有源光纤的微波光子滤波器，构成该滤波器的器件之间的连接为：激光器(10)的输出端接调制器(30)的一个输入端，射频信号发生器(20)的输出端接调制器(30)的另一个输入端；调制器(30)的输出端接光纤耦合器(40)的一个输入端，光纤耦合器(40)的另一个输入端与光纤环形器(50)的第一端口(1)相连，光纤环形器(50)的第二端口(2)与光纤耦合器(40)的一个输出端相连，光纤环形器(50)第三端口(3)连接N个串联的光纤光栅(91～9N)；光纤耦合器(40)的另一个输出端与光电检测器(100)的输入端连接；

其特征在于，光纤环形器(50)的第二端口(2)与掺杂有源光纤(60)的一端相连，掺杂有源光纤(60)的另一端与波分复用器(70)输出端相连；波分复用器(70)一个输入端与泵浦源(80)相连，波分复用器(70)另一个输入端与光纤耦合器(40)的另一个输出端相连。

2.根据权利要求1所述的基于啁啾光纤光栅和有源光纤的微波光子滤波器，其特征在于，掺杂有源光纤(60)为掺铒、掺镱、掺钬、镱铒共掺、掺钍、掺镨或掺钕有源光纤。

3.根据权利要求1所述的基于啁啾光纤光栅和有源光纤的微波光子滤波器，其特征在于，所用的光纤耦合器(40)分光比为任意的。

4.根据权利要求4所述的基于啁啾光纤光栅和有源光纤的微波光子滤波器，其特征在于，所用的泵浦源(80)的泵浦方式为同向泵浦、后向泵浦或双向泵浦。

5.根据权利要求1所述的基于啁啾光纤光栅和有源光纤的微波光子滤波器，其特征在于，掺杂有源光纤(60)的长度≥0.5米。

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