CN107367880B - 基于双平行马赫曾德调制器的微波光子滤波器 - Google Patents

基于双平行马赫曾德调制器的微波光子滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双平行马赫曾德调制器的微波光子滤波器，包括：一双平行马赫曾德调制器，包括：两个平行的马赫曾德调制器，位于两个支路臂上；一相位调制器，位于主臂上，用来控制两个支路臂之间的相位差；一三通道直流电压源，包括三个直流电压输出端，用以产生直流电压，并分别控制两个平行的马赫曾德调制器和相位调制器的偏置电压；一光放大器，将双平行马赫曾德调制器输出的激光放大；一可调谐光带通滤波器，其带宽和中心可调谐，对光放大器输出的激光进行滤波；以及一光电探测器，将可调谐光带通滤波器滤波后输出的光信号转换成微波信号并输出。可实现在低通和带通之间的灵活切换，结构简单，并且带宽和中心波长可在宽带内连续调谐。

Description

基于双平行马赫曾德调制器的微波光子滤波器
技术领域
本公开属于微波光子学技术领域，涉及一种基于双平行马赫曾德调制器的微波光子滤波器。
背景技术
近年来微波光子滤波器由于具有低损耗、高带宽、抗电磁干扰等优点，同时又具备可调谐及可重构等灵活的操作特性，因而能取代传统的电滤波器，在光载无线、微波信号产生以及高频微波信号处理等诸多领域有巨大的优势。
微波光子滤波器按照调制光载波的相位、强度、幅度和偏振的调制类型可分为：相位调制型微波光子滤波器、强度调制型微波光子滤波器、幅度调制型微波光子滤波器和偏振调制型微波光子滤波器；根据滤波性能的不同，微波光子滤波器分为可调谐、可重构、可变系数以及高Q值等，随着微波光子滤波器的应用领域越来越广泛，提高其应用的灵活性、可切换性以及滤波性能具有重大意义。
针对提高微波光子滤波器的可调谐、可切换性能，有研究提出一种基于受激布里渊散射的可切换可调谐微波光子滤波器，滤波器响应可在窄带带通和陷波滤波器之间切换，滤波器中心可调谐；但是该方法具有如下局限：滤波器的响应是窄带的，带宽取决于受激布里渊散射效应的带宽，仅为32MHz，仅适用于需要滤出或滤除单个波长的情形。另外也有研究提出一种基于两抽头延迟线结构的可调谐微波光子滤波器，该滤波器响应的自由光谱范围可调谐，其中心波长可快速切换；不过该方法存在如下局限：一是滤波器响应为多通道的梳状滤波器，无法适用于需要低通或者带通滤波器的情形；二是滤波器中心波长的切换时变化值是固定的，为自由光谱范围的一半，灵活性有限。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种基于双平行马赫曾德调制器的微波光子滤波器，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种基于双平行马赫曾德调制器的微波光子滤波器，包括：一双平行马赫曾德调制器，包括：两个平行的马赫曾德调制器，位于两个支路臂上；一相位调制器，位于主臂上，用来控制两个支路臂之间的相位差；一三通道直流电压源，包括三个直流电压输出端，用以产生直流电压，并分别控制两个平行的马赫曾德调制器和相位调制器的偏置电压；一光放大器，将双平行马赫曾德调制器输出的激光放大；一可调谐光带通滤波器，其带宽和中心可调谐，对光放大器输出的激光进行滤波；以及一光电探测器，将可调谐光带通滤波器滤波后输出的光信号转换成微波信号并输出。
在本公开的一些实施例中，双平行马赫曾德调制器包括：一光输入端，用以输入激光；两个射频输入端，用以输入调制激光的微波信号；三个偏置电压输入端，与三通道直流电压源的三个直流电压输出端一一对应相连；以及光输出端，用以输出激光。
在本公开的一些实施例中，两个射频输入端分别位于双平行马赫曾德调制器的两个支路臂上的两个平行的马赫曾德调制器上，并且其中一个射频输入端有微波信号的输入。
在本公开的一些实施例中，三通道直流电压源产生的三路直流电压分别对应输入到三个偏置电压输入端，对应三个控制电压，分别独立控制两个平行的马赫曾德调制器和相位调制器的偏置电压；有微波信号输入的马赫曾德调制器在其中一控制电压的调节下呈现载波抑制状态，形成载波抑制光信号；与有微波信号输入的马赫曾德调制器平行的其中另一马赫曾德调制器的光载波的功率大小由另一控制电压调节。
在本公开的一些实施例中，载波抑制光信号和光载波之间的相位差由三个控制电压中的其余一控制电压调节，实现低通和带通之间的切换。
在本公开的一些实施例中，微波光子滤波器处于低通状态，对应的带宽为L，其中：载波抑制光信号和光载波之间的相位差为零；可调谐光带通滤波器的通带中心与光载波的波长重合；且可调谐光带通滤波器的带宽为2L。
在本公开的一些实施例中，微波光子滤波器处于带通状态，对应的中心为S，带宽为2Δ，其中：载波抑制光信号和光载波之间的相位差为90°；可调谐光带通滤波器的通带中心与光载波的波长相差Δ；且可调谐光带通滤波器的带宽为2S。
在本公开的一些实施例中，微波光子滤波器对应的带宽L满足：取决于双平行马赫曾德调制器和光电探测器二者中带宽较低的那一个。
在本公开的一些实施例中，微波光子滤波器对应的带宽2Δ满足：取决于双平行马赫曾德调制器和光电探测器中间带宽较低的那一个。
在本公开的一些实施例中，微波光子滤波器还包括：一激光器，用以产生激光，输入光输入端；以及一微波源，用以产生微波源，输入射频输入端。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的基于双平行马赫曾德调制器的微波光子滤波器，具有以下有益效果：
通过利用双平行马赫曾德调制器可在强度调制和相位调制这两个工作状态中切换的特点，结合一个可调谐光带通滤波器，仅需要调控双平行马赫曾德调制器的偏置电压，便可以实现该微波光子滤波器在低通滤波器和带通滤波器之间的灵活切换，结构简单，并且带宽和中心波长可在宽带内连续调谐，同时兼具高带宽、低损耗、抗电磁干扰能力强的优点。
附图说明
图1为根据本公开实施例基于双平行马赫曾德调制器的微波光子滤波器的结构示意图。
图2为根据本公开实施例双平行马赫曾德调制器的结构示意图。
图3A-图3F为根据本公开实施例图1所示基于双平行马赫曾德调制器的微波光子滤波器的响应切换和调谐过程示意图。
图3A为根据本公开实施例调节控制电压V3使载波抑制信号和光载波之间的相位差为0，进行强度调制对应的示意图。
图3B为根据本公开实施例调节可调谐光带通滤波器的通带中心与光载波波长重合，调节可调谐光带通滤波器的带宽为2L对应的光谱示意图。
图3C为根据本公开实施例经过图3A与图3B所示的调节后得到的带宽为L的低通滤波器的响应示意图。
图3D为根据本公开实施例调节控制电压V3使载波抑制信号和光载波之间的相位差为90°，进行相位调制对应的示意图。
图3E为根据本公开实施例调节可调谐光带通滤波器的通带中心与光载波波长相差Δ，调节可调谐光带通滤波器的带宽为2S对应的光谱示意图。
图3F为根据本公开实施例经过图3D与图3E所示的调节后得到的中心为S，带宽为2Δ的带通滤波器的响应示意图。
【符号说明】
100-激光器； 200-微波源；
300-三通道直流电压源； 400-双平行马赫曾德调制器；
500-光放大器； 600-可调谐光带通滤波器；
700-光电探测器；
1，2，3-偏置电压输入端； 1’，2’，3’-直流电压输出端；
V1，V2，V3-第一，第二，第三控制电压；
RF1，RF2-第一、第二射频输入端。
具体实施方式
本公开提供了一种基于双平行马赫曾德调制器的微波光子滤波器，通过利用双平行马赫曾德调制器可在强度调制和相位调制这两个工作状态中切换的特点，结合一个可调谐光带通滤波器，仅需要调控双平行马赫曾德调制器的偏置电压，便可以实现该微波光子滤波器在低通和带通之间的切换、可调谐，结构简单，同时兼具高带宽、低损耗、抗电磁干扰能力强的优点。
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。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种基于双平行马赫曾德调制器的微波光子滤波器。
图1为根据本公开实施例基于双平行马赫曾德调制器的微波光子滤波器的结构示意图。图2为根据本公开实施例双平行马赫曾德调制器的结构示意图。结合图1和图2所示，本公开基于双平行马赫曾德调制器的微波光子滤波器，包括：一激光器100，用以产生激光；一微波源200，用以产生微波源；一三通道直流电压源300，用以产生直流电压，包括三个直流电压输出端1’，2’，3’；一双平行马赫曾德调制器400，将微波信号调制到光信号上，包括：光输入端，射频输入端，三个偏置电压输入端1、2、3以及光输出端；其中，在该双平行马赫曾德调制器400的光输入端输入激光器100产生的激光，在射频输入端输入微波源200产生的微波；偏置电压输入端1、2、3对应与三通道直流电压源300的直流电压输出端1’，2’，3’相连；光输出端，输出双平行马赫曾德调制器400产生的激光；一光放大器500，将双平行马赫曾德调制器400输出的激光放大；一可调谐光带通滤波器600，对光放大器500输出的激光进行滤波；以及一光电探测器700，将可调谐光带通滤波器600输出的光信号转换成微波信号并输出。
下面来具体介绍本实施例基于双平行马赫曾德调制器的微波光子滤波器。
本实施例中，双平行马赫曾德调制器400的结构如图2所示，两个支路臂平行布置两个马赫曾德调制器，分别为第一马赫曾德调制器和第二马赫曾德调制器，主臂上是一相位调制器，用来控制两个支路臂之间的相位差。一共有三个控制电压V1、V2和V3，对应该双平行马赫曾德调制器400的三个偏置电压输入端1、2、3输入的电压大小；这三个控制电压中，第一控制电压V1控制第一马赫曾德调制器的偏置点；第二控制电压V2控制第二马赫曾德调制器的偏置点；第三控制电压V3控制相位调制器的偏置点；并且这三个控制电压实现独立控制。
本实施例中，双平行马赫曾德调制器400有一个光输入端，一个光输出端，两个射频输入端；其中，光输入端和光输出端均位于图2所示的主臂上；两个射频输入端分别对应两个支路臂上的马赫曾德调制器，如图2中RF1和RF2所示。
激光器100产生的激光从光输入端进入主臂，然后分别沿着两个支路臂的支路分别进入第一马赫曾德调制器和第二马赫曾德调制器，然后在其中一个马赫曾德调制器上加载微波源200产生的微波信号进行调制，并加载偏置电压，形成载波抑制信号；另一个马赫曾德调制器上不加载微波信号，为光载波，并加载另一偏置电压调控其光载波功率；然后两个支路的信号合并进入主臂，在相位调制器的控制电压V3的作用下，控制载波抑制光信号和光载波之间的相位差，然后在光输出端将两个支路产生的载波抑制光信号光载波合路输出。
本实施例以在第一马赫曾德调制器的第一射频输入端RF1输入微波信号为例，在另一个射频输入端不输入微波信号，即对应第二马赫曾德调制器的第二射频输入端RF2不输入微波信号。且双平行马赫曾德调制器400一臂上的第一马赫曾德调制器受第一控制电压V1控制，处于载波抑制状态；经过另一臂上的第二马赫曾德调制器的光信号不被调制，但是其光载波功率大小受第二控制电压V2控制；载波抑制光信号和光载波之间的相位差由第三控制电压V3控制。
下面来具体介绍利用本实施例基于双平行马赫曾德调制器的微波光子滤波器，通过调控双平行马赫曾德调制器的偏置电压，实现该微波光子滤波器在低通和带通之间的切换、可调谐的过程。
图3A-图3F为根据本公开实施例图1所示基于双平行马赫曾德调制器的微波光子滤波器的响应切换和调谐过程示意图。
图3A为根据本公开实施例调节控制电压V3使载波抑制信号和光载波之间的相位差为0，进行强度调制对应的示意图。图3B为根据本公开实施例调节可调谐光带通滤波器的通带中心与光载波波长重合，调节可调谐光带通滤波器的带宽为2L对应的光谱示意图。图3C为根据本公开实施例经过图3A与图3B所示的调节后得到的带宽为L的低通滤波器的响应示意图。图3D为根据本公开实施例调节控制电压V3使载波抑制信号和光载波之间的相位差为90°，进行相位调制对应的示意图。图3E为根据本公开实施例调节可调谐光带通滤波器的通带中心与光载波波长相差Δ，调节可调谐光带通滤波器的带宽为2S对应的光谱示意图。图3F为根据本公开实施例经过图3D与图3E所示的调节后得到的中心为S，带宽为2Δ的带通滤波器的响应示意图。
结合图3A-图3C来看，调节第三控制电压V3使载波抑制信号和光载波之间的相位差为0，如图3A所示，那么对双平行马赫曾德调制器相当于进行强度调制，然后调节可调谐光带通滤波器600的通带中心与光载波波长重合，调节可调谐光带通滤波器600的带宽为2L，如图3B所示，此时，该微波光子滤波器的响应为如图3C所示的带宽为L的低通滤波器。其中，带宽L满足：取决于双平行马赫曾德调制器和光电探测器二者中带宽较低的那一个；常见双平行马赫曾德调制器和探测器的带宽为40GHz，对应L的取值范围为0～40GHz；如果双平行马赫曾德调制器的带宽为20GHz，光电探测器的带宽为40GHz，那么微波光子滤波器的响应带宽L的取值范围为0～20GHz。
结合图3D-图3F来看，调节第三控制电压V3使载波抑制信号和光载波之间的相位差为90°，如图3D所示，那么对双平行马赫曾德调制器相当于进行相位调制，然后调节可调谐光带通滤波器600的通带中心与光载波波长相差Δ，调节可调谐光带通滤波器600的带宽为2S，如图3E所示，此时，该微波光子滤波器的响应为如图3F所示的中心为S，带宽为2Δ的带通滤波器；其中，带宽2Δ满足：取决于双平行马赫曾德调制器和光电探测器二者中带宽较低的那一个，常见双平行马赫曾德调制器和探测器的带宽为40GHz，对应2Δ的取值范围为0～40GHz；其他情形与上一段落中描述的情形类似，这里不作赘述。
需要说明的是，上面列举了如何通过调节偏置电压控制两个支路臂上的马赫曾德调制器之间的相位差实现微波光子滤波器在低通和带通之间的切换、可调谐的过程，以上描述的带宽为L的低通滤波器、带宽为2Δ的带通滤波器的具体频率根据市场上马赫曾德调制器的频率范围以及实际应用的条件进行设定，这里不做限定。目前市场上常见的马赫曾德调制器能够调节实现的频率范围介于0～40GHz之间，但本公开不局限于此。
综上所述，本公开提供了一种基于双平行马赫曾德调制器的微波光子滤波器，通过利用双平行马赫曾德调制器可在强度调制和相位调制这两个工作状态中切换的特点，结合一个可调谐光带通滤波器，仅需要调控双平行马赫曾德调制器的偏置电压，便可以实现该微波光子滤波器在低通和带通之间的切换、可调谐，结构简单，同时兼具高带宽、低损耗、抗电磁干扰能力强的优点。
需要强调的是，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。再者，单词“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。需注意，说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于双平行马赫曾德调制器的微波光子滤波器，包括：
一双平行马赫曾德调制器，包括：两个平行的马赫曾德调制器，位于两个支路臂上；一相位调制器，位于主臂上，用来控制两个支路臂之间的相位差；
一三通道直流电压源，包括三个直流电压输出端，用以产生直流电压，并分别控制所述两个平行的马赫曾德调制器和所述相位调制器的偏置电压；
一光放大器，将所述双平行马赫曾德调制器输出的激光放大；
一可调谐光带通滤波器，其带宽和中心可调谐，对所述光放大器输出的激光进行滤波；以及
一光电探测器，将所述可调谐光带通滤波器滤波后输出的光信号转换成微波信号并输出；
其中，所述双平行马赫曾德调制器包括：
一光输入端，用以输入激光；
两个射频输入端，用以输入调制激光的微波信号；
三个偏置电压输入端，与所述三通道直流电压源的三个直流电压输出端一一对应相连；以及
光输出端，用以输出激光；
其中，所述两个射频输入端分别位于所述双平行马赫曾德调制器的两个支路臂上的两个平行的马赫曾德调制器上，并且其中一个射频输入端有所述微波信号的输入；
所述三通道直流电压源产生的三路直流电压分别对应输入到所述三个偏置电压输入端，对应三个控制电压，分别独立控制所述两个平行的马赫曾德调制器和所述相位调制器的偏置电压；
所述有微波信号输入的马赫曾德调制器在其中一控制电压的调节下呈现载波抑制状态，形成载波抑制光信号；
与所述有微波信号输入的马赫曾德调制器平行的其中另一马赫曾德调制器的光载波的功率大小由另一控制电压调节；
所述载波抑制光信号和光载波之间的相位差由所述三个控制电压中的其余一控制电压调节，实现低通和带通之间的切换。
2.根据权利要求1所述的微波光子滤波器，所述微波光子滤波器处于低通状态，对应的带宽为L，其中：
所述载波抑制光信号和光载波之间的相位差为零；
所述可调谐光带通滤波器的通带中心与所述光载波的波长重合；
且所述可调谐光带通滤波器的带宽为2L。
3.根据权利要求1所述的微波光子滤波器，所述微波光子滤波器处于带通状态，对应的中心为S，带宽为2Δ，其中：
所述载波抑制光信号和光载波之间的相位差为90°；
所述可调谐光带通滤波器的通带中心与所述光载波的波长相差Δ；
且所述可调谐光带通滤波器的带宽为2S。
4.根据权利要求2所述的微波光子滤波器，其中，所述微波光子滤波器对应的带宽L满足：取决于双平行马赫曾德调制器和光电探测器二者中带宽较低的那一个。
5.根据权利要求3所述的微波光子滤波器，其中，所述微波光子滤波器对应的带宽2Δ满足：取决于双平行马赫曾德调制器和光电探测器中间带宽较低的那一个。
6.根据权利要求1至5任一项所述的微波光子滤波器，还包括：
一激光器，用以产生激光，输入所述光输入端；以及
一微波源，用以产生微波源，输入所述射频输入端。
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