（光學(xué)工程專(zhuān)業(yè)論文）基于色散光纖的微波光子濾波器研究.pdf

浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 本文重點(diǎn)研究了r o f 系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件一微波光子濾波器，從實(shí)用角度 出發(fā)，分成帶陷濾波器、單通濾波器和多通濾波器分別來(lái)進(jìn)行研究。建立了一 個(gè)基于色散光纖的多波長(zhǎng)微波光子濾波器通用理論模型，對(duì)各種結(jié)構(gòu)的微波光 子濾波器進(jìn)行了數(shù)值模擬，分別研究了光源的波峰間隔、波峰帶寬、波峰失配 以及色散光纖的長(zhǎng)度等參數(shù)對(duì)于濾波器頻率響應(yīng)的不同影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，分別 實(shí)現(xiàn)了雙波長(zhǎng)帶陷濾波器、基于馬赫澤德的連續(xù)可調(diào)諧單通濾波器和基于超結(jié) 構(gòu)光柵的多通濾波器。 通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)基于激光陣列的微波光子濾波器頻率響應(yīng)的旁瓣帶寬和 主峰帶寬之間、一個(gè)大周期內(nèi)旁瓣的個(gè)數(shù)和激光束的個(gè)數(shù)之間存在固定的關(guān)系， 這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于以后濾波器的設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)作用；對(duì)于自由頻程( f s r ) 和波長(zhǎng)聞隔a 的關(guān)系進(jìn)行了研究，推導(dǎo)出了理論公式，實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與理論 曲線符合得很好 利用馬赫澤德干涉儀對(duì)寬譜光源進(jìn)行切割可以實(shí)現(xiàn)單通濾波器。本文在前 人基礎(chǔ)之上，利用光學(xué)可調(diào)延遲線( o v d l ) 實(shí)現(xiàn)了連續(xù)可調(diào)諧的單通微波光 子濾波器，通帶中心頻率可調(diào)范圍在3 4 1 m h z 3 4 1 g h z 之間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn) 通帶得中心頻率和光學(xué)可調(diào)延遲線之間符合良好的線性關(guān)系；此外，還發(fā)現(xiàn)了 通帶具有帶寬展寬現(xiàn)象，在理論上對(duì)此進(jìn)行了解釋。 超結(jié)構(gòu)光柵( s f b g ) 具有反射譜的波峰間隔嚴(yán)格相等的優(yōu)點(diǎn)，在微波光子 濾波器中具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)傳輸矩陣?yán)碚?，?shù)值模擬出了超結(jié)構(gòu)光柵 的反射譜；對(duì)于s f b g 對(duì)寬譜光源( s l e d ) 進(jìn)行切割下的微波光子濾波器的響 應(yīng)做了模擬研究；并制作出了中心波長(zhǎng)在1 5 5 0 r i m ，波長(zhǎng)間隔為l n m 的超結(jié)構(gòu) 光柵。 關(guān)鍵詞：微波光子濾波器，色散介質(zhì)，微波信號(hào)處理，數(shù)值模擬，m a t l a b 編 程 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t t h em i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e r sb a s e d0 1 1d i s p e r s i v ef i b e ra r es t u d i e da f t e rt h e i n t r o d a c t i o no f m i c r o w a v ep h o t o n i c sa n dr a d i o - o v e r - f i b e r0 o f ) s y s t e m s t h e ya r c d i v i d e di n t ot h r e ec l a s s e s 矗砌p o i u to fp r a c t i c a lv i e w t h e ya r eb a n d - n o t c hf i l t e r s s i n g l e - b a n d p a s sf i l t e r sa n dm u l t i - b a n a s sf i l t e r s , r e s p e c t i v e l y at h e o r e t i c a lm o d ei s e s t a b l i s h e df o rt h ef a s tt i m ea b o u tt h em u l t i - w a v e sm i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e r su s i n g d i s p e r s i v em e d i a , a n da p p l i e dt os i m u l a t ea n da n a l y z et h ed i f f e r e n tk i n d so ff i l t e r s 硼艟i n f l u e n c e so fd i f f e r e n tp a r a m e t e r s , s u c ha sw a v e l e n g t hs p a c i n g 3 d bb a n d w i d t h o ft h ep e a k , m i s m a t c ho ft h ep e a k sa n dt h el e n g t ho ft h ef i b e r , o nt h ef i l t e r s r f r e s p o n s ea 托c a r e f u l l ys t u d i e d , a n ds o m ec o l l u s i o ni sa c h i e v e d t h cr e l a t i o n s h i p so f t h eb a a d w i d t ho f s i d e l o b e sa n dm a i np e a k so f t h er e s p o n s e o fm i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e r su s i n gl a s e r sa r r a y , a n dt h en u m b e ro ft h es i d e l o b e s w i t h i nap e r i o da n dt h el a s e r s h a v eb e e nd i $ c o v c r e df o rt h ef i r s tt i m e 鵲f a r 鶴w e k n o w f u r t h e rm o r e , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef s ra n dw a v e l e n g t hs p a c i n gi s s t u d i e d , a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ci nw e l la g r e e m e n tw i t ht h et h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n s 1 1 坼m i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e r su s i n gm a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r ( m z di s p r o v e dt ob eas i n g l eb a n a s sf i l t e rf o rt h et r a n s m i s s i o ns p e c t r u mo f t b em z ic o u l d b ee x p r e s s e da sac o n t i n u o u sf u n c t i o n ac o n t i n u o u st u n a b l es i n g l e - b a n d p a s sf i l t e r s u s i n gc o m p u t e rc o n t r o l l e do p t i c a ld e l a yl i n ei se x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e d , w i t hi t s t u n i n gr a n g e b e l 3 a e e r l3 4 i m h za n d3 4 i g h 五 s u p e r s t r u c t u r e d f i b e r b r a g gg r a t i n g ( s f b g ) i se s p e c i a l l y a t t r a c t i v et o m i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e r s , b e c a u s ei tc o u l dc r e a t eap r e c i s ec o m bo fw e i g h t e d o p t i c 粗p e a k sw h i c h a r ca l lm o d u l a t e db yt h es a m em i c r o w a v es i g n a l t l 鹼r e f l e c t i v e s p e c t r u mo fs f b gh a sb e e na c h i e v e dn u m e r i c a ls i m u l 砒i o i i sa c c o r d i n gt ot h e t r a n s f e rm a t r i xt h e o r y as f b gw i t ht h eo p t i c a lp e a k ss p a c i n go fl n mi sf a b r i c a t e d a n du s e dt or e a l i z ea m u l t i - b a n a s sf i l t e r k e y w o r d s ：m i c r o w a v ep h o t o n i ef i l t e r s , d i s p e r s i v em e d i a , m i c r o w a v es i g n a l p r o c e 囂i n g , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，m a t l a bp r o g r a m m i n g n 一 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第1 章緒論 1 1 微波光子學(xué)的形成、發(fā)展和特點(diǎn) 信息技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了微波通信和光纖通信的迅速發(fā)展。微波通信能夠在 任意方向上發(fā)射、易于構(gòu)建和重構(gòu)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)與移動(dòng)和手提設(shè)備的互聯(lián)； 并且，它的傳輸成本底( 通過(guò)大氣進(jìn)行傳輸) ，采用蜂窩式系統(tǒng)，具備很高的頻 率利用率。但是它面臨以下兩大問(wèn)題： l ：微波傳輸介質(zhì)對(duì)于高頻微波進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸時(shí)具有非常大的損耗； 2 ：大氣中日益增多的電磁輻射對(duì)人體健康和安全帶來(lái)的不利影響受到越來(lái) 越多的關(guān)注。 光纖通信在2 0 世紀(jì)7 0 年代實(shí)現(xiàn)，高速基帶傳輸通過(guò)光纖得以實(shí)現(xiàn)。它的 特點(diǎn)是體積小、重量輕；帶寬大( 大于4 0 t h z ) ，損耗的；可以實(shí)現(xiàn)幾十g h z s 的信號(hào)傳輸，在波長(zhǎng)、頻率，空間上可以實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用；易于多路合成和分解 以及靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；抗電磁干擾、沒(méi)有電磁輻射；光纖通信的主要問(wèn)題就是 移動(dòng)性不夠。 隨著高容量信息技術(shù)需求的高速發(fā)展和微波學(xué)與光學(xué)這兩門(mén)學(xué)科的優(yōu)勢(shì)互 補(bǔ)，形成了一門(mén)新型的交叉學(xué)科一微波光子學(xué)，實(shí)現(xiàn)了微波和光波之間的互 換。微波可以提供低成本可移動(dòng)的無(wú)線連接方式，而光纖則可以提供底損寬帶 連接和抗電磁干擾特性。在光纖中可以實(shí)現(xiàn)射頻波或者更高頻段信號(hào)的無(wú)衰減、 無(wú)信道互擾的帶通傳輸，與傳統(tǒng)的微波傳輸系統(tǒng)相比具有體積小、重量輕、成 本低、損耗小，抗電磁干擾，大帶寬，底色敖、高容量等一系列優(yōu)點(diǎn)。微波信 號(hào)的光處理技術(shù)能夠提供更高的微波頻率，克服電信號(hào)處理中有限的信號(hào)取樣 和控制速度一即所謂的“電子瓶頸”可以實(shí)現(xiàn)高速度信號(hào)處理、寬帶取樣和 并行操作，并且成本相對(duì)較低。 1 2 微波光子學(xué)的研究領(lǐng)域 目前，作為研究微波或毫米波波段的高速光子器件及其在微波光波系統(tǒng)中 的應(yīng)用的一門(mén)新興學(xué)科，微波光子學(xué)在器件和系統(tǒng)方面都有著眾多的研究方向。 典型研究包括基本的微波光波互相作用、微波頻率上的光子器件操作、微波器 一l 一 浙江大學(xué)硬士學(xué)位論文 件的光子控制、高頻傳輸連接等等。下面從微波光子器件和微波光子系統(tǒng)這兩 個(gè)角度介紹目前研究較多的幾個(gè)領(lǐng)域 1 2 1 微波光子器件 1 毫米波產(chǎn)生器 2 光信號(hào)的微波調(diào)制、檢波器件 3 微波光予連接中的半導(dǎo)體光學(xué)放大器 下面以毫米波產(chǎn)生器為例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明。 毫米波信號(hào)的光方式產(chǎn)生具有很大的吸引力，因?yàn)楝F(xiàn)存的系統(tǒng)都面臨頻率 帶寬短缺的問(wèn)題。對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰鼇?lái)愈來(lái)愈迫切，目前多種毫米波的光 方式產(chǎn)生方法業(yè)已被論證，毫米波的光方式產(chǎn)生有其特有的優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)的寬 頻域載波信號(hào)范圍和光纖連接的低損傳輸能力。下面介紹一種通過(guò)光鎖相方案 產(chǎn)生微波的方法，如圖1 1 所示。 圖i - i 光鎮(zhèn)相毫米波產(chǎn)生器【2 】 來(lái)自外部光源( 主激光器，m l ) 的光通過(guò)光隔離器以避免不需要的光反饋，被 注入另一個(gè)半導(dǎo)體激光二極管( 從激光器，s l ) ，當(dāng)s l 穩(wěn)定地鎖定在札時(shí)。s l 的受激波長(zhǎng)隨動(dòng)于m l 的波長(zhǎng)，這就是。光注入鎖定”。當(dāng)s l 不能夠穩(wěn)定地鎖定 時(shí)，s l 會(huì)產(chǎn)生自脈動(dòng)和噪聲并在光域內(nèi)引起多個(gè)頻譜峰。當(dāng)s l 沒(méi)有鎖定時(shí)，s l 和i i l 光功率器產(chǎn)生四波混合。特別是在強(qiáng)光入射下的半導(dǎo)體激光器顯示出幾個(gè) 有趣的特性：調(diào)制帶寬增強(qiáng)、線性調(diào)頻( c h i r p ) 噪聲縮減、光雙穩(wěn)態(tài)、非線性改 一2 一 新江大學(xué)碩士學(xué)位論文 善、傳輸容量增強(qiáng)等等 假定兩個(gè)具有不同頻率的激光振蕩器被注入鎖定。當(dāng)這兩個(gè)頻率被外差檢 測(cè)時(shí)，可獲得低相位噪聲的差頻信號(hào)主激光振蕩器鎖定于從振蕩器主激光 振蕩器在單頻率振蕩，從振蕩器在兩個(gè)模式振蕩，它們的差頻落在微波波段 通過(guò)光調(diào)制器的幅度和相位調(diào)制，我們可得到的微波產(chǎn)生器可以產(chǎn)生一系 列的頻率，微波的光方式產(chǎn)生方法使得從中心站到基站發(fā)送微波功率成為可 能。 1 2 。2 微波光子系統(tǒng) 1 光饋信號(hào)無(wú)線和蜂窩式無(wú)線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)； 2 副載波復(fù)用和c a t v 系統(tǒng)； 3 基于不同調(diào)制格式的光纖通信； 4 光控相控陣天線系統(tǒng)； 5 衛(wèi)星光通信系統(tǒng)： 6 t 赫茲波系統(tǒng)； 下面從微波光子學(xué)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域r o f 系統(tǒng)，來(lái)探討微波光子學(xué) 研究意義和前景。 1 3r o f 系統(tǒng) 無(wú)線化和寬帶化是通信業(yè)甚至整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn)，無(wú)線通信可以使得人 們能夠隨時(shí)隨地地跟任何人進(jìn)行通信；而寬帶通信則可以將數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、話(huà) 音、視頻和多媒體應(yīng)用傳送到商業(yè)和家庭，這兩者地結(jié)合無(wú)疑是未來(lái)通信的發(fā) 展方向。 目前第一代和第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率只有幾十k b i t s 到幾 百k b i t s ，時(shí)下被媒體抄得火熱的第三代( 3 g ) 移動(dòng)通信系統(tǒng)的室內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸 速率也只有2 m b i t s ，向室外步行用戶(hù)提供的接入速率更低，只有3 8 4 k b i t s ， 這些都遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到寬帶通信的要求 為了提高無(wú)線通信系統(tǒng)的容量以實(shí)現(xiàn)寬帶通信，必然要提高它的工作頻率。 目前我國(guó)的大多數(shù)業(yè)務(wù)都集中在3 g h z 以下，對(duì)于3 g h z 以上的頻率資源卻利用 - - 3 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 較少，特別是對(duì)于2 4 g h z 和6 0 g h z 頻段這兩個(gè)大氣傳輸高損耗窗口如果能夠 利用這一段窗口通信，不但能夠充分利用現(xiàn)有頻率資源，而且還可以實(shí)現(xiàn)超寬 帶的無(wú)線接入 但是隨著工作頻率的提高，大其中由于吸收和反射引起的損耗也逐漸增大， 特別是在大都市中由于存在很多個(gè)高層建筑，它們對(duì)于電磁波具有很大的反射 和屏蔽作用，使得無(wú)線射頻信號(hào)的傳輸變得困難。而r o f ( r a d i oo v e rf i b e r ) 技術(shù)充分利用了光纖通信大容量、低損耗的特點(diǎn)，很好的解決了這個(gè)問(wèn)題。 1 3 1r o f 基本概念 r o f 技術(shù)就是指利用光纖代替大氣作為傳輸媒質(zhì)來(lái)傳送寬帶射頻信號(hào)的一 種傳輸技術(shù)，是將光寬帶接入網(wǎng)和無(wú)線通信接入網(wǎng)的契合點(diǎn)它的英文名稱(chēng)有 r a d i oo v e r o nf i b e r ，r a d i of i b e r ，f i b e rr a d i o ，r fo v e r o n f i b e r ， o p t i c a l r f 等多種別稱(chēng)。由于直譯的中文還沒(méi)有能夠?qū)Υ诵滦图夹g(shù)的內(nèi)涵表達(dá) 不夠貼切，不能體現(xiàn)出該技術(shù)的特點(diǎn)，因此目前還沒(méi)有很好的中文翻譯。 r o f 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 - 2 所示。r o f 系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的分布式天線結(jié)構(gòu)， 基站( b s ) 通過(guò)光纖與中心站( c s ) 相連接，光纖僅起到傳輸作用，交換、控制和信 號(hào)的再生等都集中在中心站，降低了系統(tǒng)成本，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備共享、動(dòng)態(tài)資源分 配，并且縮短了無(wú)線傳輸部分的距離從而減小了上行發(fā)射功率，提高了頻率使 用效率和系統(tǒng)容量。 圖i - 2r o f 通信系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖和 附加了相位特性的雙邊帶調(diào)制的三維坐標(biāo)頻譜圖【4 】 下行信號(hào)首先在中心節(jié)點(diǎn)處利用光器件和全光技術(shù)對(duì)其進(jìn)行調(diào)制和光電變 換，然后將變換后的光信號(hào)通過(guò)光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)端基站最后在遠(yuǎn)端基站通過(guò)光 一4 一 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 電探測(cè)和解調(diào)得到所要傳送的信號(hào)，并通過(guò)天線發(fā)送光電探測(cè)和解調(diào)后的電 信號(hào)符合諸如g s m 、u m t s 和無(wú)線局域網(wǎng)等無(wú)線應(yīng)用的規(guī)范。 對(duì)于上行信號(hào)傳輸而言，首先將天線接收到的信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換或者相應(yīng) 的頻率下變換，然后經(jīng)光纖傳輸?shù)街行墓?jié)點(diǎn)后，通過(guò)光電檢測(cè)或頻率下變換得 到所需要的上行信號(hào) 1 3 2r o f 的特點(diǎn) r o f 系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)大容量、低成本的射頻信號(hào)有線傳輸和超寬帶無(wú)線接入。 這是因?yàn)?，一方面無(wú)線工作頻率的提高，使得損耗加大。傳輸距離減小，各個(gè) 蜂窩覆蓋的面積也減小，所以需要更多的基站以提供足夠的覆蓋面積。從安裝和 維護(hù)成本的角度考慮，我們希望實(shí)現(xiàn)基站的簡(jiǎn)化與集中化控制，對(duì)不同速率、不 同格式的數(shù)據(jù)透明傳輸和易于網(wǎng)絡(luò)升級(jí)，而r o f 正好具有這一特點(diǎn)。它將昂貴 復(fù)雜的設(shè)備都集中在中心節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的調(diào)制和交換。而基站則非常簡(jiǎn)單， 只是進(jìn)行信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換這樣多個(gè)遠(yuǎn)端基站共享這些設(shè)備，大大降低了系統(tǒng) 的功耗和成本。 另一方面，蜂窩覆蓋面積的減小也為組網(wǎng)帶來(lái)了靈活性。同時(shí)也減少了移 動(dòng)環(huán)境的復(fù)雜性小范圍的移動(dòng)環(huán)境比較簡(jiǎn)單，多徑衰落的影響以及多徑引起的 碼間干擾可以大大減少 還有，光纖作為傳輸媒質(zhì)具有低損耗、高帶寬和不受電磁干擾的特性。但 由于光纖中傳輸?shù)氖菍拵д{(diào)制的射頻信號(hào)。這使得r o f 系統(tǒng)較之傳統(tǒng)的s d h 光 纖傳輸系統(tǒng)又具有了一些新的特點(diǎn) 1 3 3 r o f 的應(yīng)用 1 蜂窩網(wǎng)絡(luò) r o f 用于分布式2 g 和3 g 蜂窩通信，用來(lái)擴(kuò)大室內(nèi)和大城市區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的容量 一5 一 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 和覆蓋范圍。例如機(jī)場(chǎng)、辦公大樓、地鐵、地下停車(chē)場(chǎng)和商業(yè)區(qū)等可以傳輸 個(gè)人數(shù)據(jù)蜂窩網(wǎng)信息的r o f 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在日本實(shí)現(xiàn)并進(jìn)入了實(shí)用化階段。 2 在室內(nèi)無(wú)線局域網(wǎng)中的應(yīng)用室內(nèi)無(wú)線局域網(wǎng)用于計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備之間 的高速數(shù)字傳輸與有線相比較，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有靈活且傳輸速率高的特點(diǎn)。目前 使用的無(wú)線局域網(wǎng)的頻段為2 4 g h z ，數(shù)據(jù)速率近l l m b i t s ，也有可能達(dá)到 4 5 m b i t s ，而將來(lái)的無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)則要求數(shù)據(jù)速率達(dá)到l o o m b i t s 以上，因 此需要更高的帶寬。將工作載頻提高到6 0 g h z 有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，雖然損耗較 高，但是對(duì)于近距離傳輸并不重要，而且可以在較小的干擾條件下實(shí)現(xiàn)頻率復(fù) 用在澳大利亞，6 0 6 h z 的超寬帶實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功，數(shù)據(jù)速率約 1 0 0 m b i t s 。 3 衛(wèi)星通信 r o f 技術(shù)可以用于把遠(yuǎn)端的天線基站安排在衛(wèi)星地面站附近合適的位置， 用于衛(wèi)星地面接收站和中心控制室之間的射頻信號(hào)傳輸。 4 視頻分布式系統(tǒng) 應(yīng)用r o f 技術(shù)的視頻分布系統(tǒng)不但傳輸電視節(jié)日，而且反饋觀眾信息分 配給這一應(yīng)用的頻段在4 0 g h z ，其蜂窩的最大尺寸是5 k m 。同時(shí)為了擴(kuò)大覆蓋面 積，需要使用中繼站。 5 智能交通通信和控制 在歐洲。6 3 6 4 g a z 和7 6 7 7 g h z 的頻段已經(jīng)分配給r o f 應(yīng)用。其目標(biāo)是 在主干道實(shí)現(xiàn)連續(xù)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋以便實(shí)現(xiàn)智能交通系統(tǒng)。智能交通系統(tǒng) 能夠提供交通信息，如電子導(dǎo)航、電子信息、路況信息以及娛樂(lè)( 多媒體) 服務(wù)等。 若將此系統(tǒng)擴(kuò)展到定位系統(tǒng)可以比6 p s 更快捷和準(zhǔn)確。 綜上所述，r o f 系統(tǒng)在未來(lái)寬帶無(wú)線通信、智能交通等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng) 用前景對(duì)r o f 系統(tǒng)的研究涉及到光纖通信和無(wú)線通信，也涉及到光電子技術(shù)、 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)和微波光予學(xué)等多個(gè)學(xué)科，是一個(gè)交叉性很強(qiáng)的新興研究。未 來(lái)r o f 技術(shù)的研究重點(diǎn)包括寬帶光一射頻混合集成器件與模塊、集成小型化基站 技術(shù)、基于微波光予學(xué)的毫米波產(chǎn)生、混頻、變頻等技術(shù)、r o f 傳輸技術(shù)、g b i t s 超寬帶無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)與r o f 的融合、光網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的融合等多個(gè)方面， 研究屬于第四代移動(dòng)通信技術(shù)研究范疇。未來(lái)基于光纖和無(wú)線融合的r o f 技術(shù) 一6 一 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 的廣泛應(yīng)用將使得無(wú)處不再的寬帶無(wú)線接入網(wǎng)最終得到實(shí)現(xiàn) 5 1 4 本論文的主要研究意義 微波信號(hào)的光處理是微波光子學(xué)的重要應(yīng)用方向，它能提供更高的微波頻 率，克服電信號(hào)處理電路中有限精度的信號(hào)取樣( 傳統(tǒng)電信號(hào)處理方式能夠提 供的最大取樣頻率僅為幾個(gè)g h z ，而采用光處理技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大于l o o g h z 的取 樣頻率) 和控制速度，實(shí)現(xiàn)寬帶取樣和并行處理，相對(duì)成本低。其主要的研究 方向有光控a d 轉(zhuǎn)換器( 脈沖激光器結(jié)合光電導(dǎo)體獲得取樣微波信號(hào)) 和可調(diào) 協(xié)的微波光子濾波器目前實(shí)現(xiàn)光控a d 轉(zhuǎn)換器的方法很多，仍然處于研究階 段；利用光延時(shí)實(shí)現(xiàn)微波濾波是實(shí)現(xiàn)高頻信號(hào)處理的有效技術(shù)，已經(jīng)成為眾多 研究機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)之一。 圖l - 3 微波光子濾波器和傳統(tǒng)電子濾波器的對(duì)t 七1 7 1 圖1 3 是傳統(tǒng)電子濾波器和微波光子濾波器的邏輯框圖，從中可以看出， 相比于傳統(tǒng)濾波器，微波光子濾波器先把r f 信號(hào)通過(guò)調(diào)制器加載在光信號(hào)上， 然后通過(guò)后續(xù)的光學(xué)處理器直接在光域上進(jìn)行處理，最后通過(guò)光學(xué)接收器恢復(fù) 出原先的r f 信號(hào) 表面上看起來(lái)它比電子濾波器元器件要多，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，但是必須指出利 用光學(xué)方法處理微波信號(hào)，可以克服傳統(tǒng)的電子濾波器的固有瓶頸，即采樣頻 率最高只能達(dá)到1 g h z 左右，而光子信號(hào)處理則可以達(dá)到i o o g h z ，提高將近1 0 0 倍，比起傳統(tǒng)的電子濾波器，微波光子濾波器具有電磁環(huán)境兼容性、體積小、 一1 一 浙江大學(xué)頸士學(xué)位論文 重量輕和較寬的工作帶寬等一系列有點(diǎn)，而且微波光子濾波器更容易實(shí)現(xiàn)可調(diào) 和可重掏，這在r o f 系統(tǒng)中將會(huì)有很大的應(yīng)用前景 1 5 本論文主要內(nèi)容 第1 章緒論 從介紹微波光子學(xué)開(kāi)始，引出r o f 系統(tǒng)，最后引入本論文的研究課題 微波光子濾波器。 第2 章原理 詳細(xì)闡述微波光子濾波器的基本原理，包括各種結(jié)構(gòu)下的具體實(shí)現(xiàn)。然后 以時(shí)間為線索重點(diǎn)介紹了微波光子濾波器的研究狀況，主要包括多波長(zhǎng)和環(huán)狀 濾波器。 第3 章理論研究 應(yīng)用理論模型，對(duì)各種結(jié)構(gòu)( 陷波，單通，多通濾波器) 進(jìn)行模擬，并提 出優(yōu)化方案，提出理論預(yù)期結(jié)果，并闡述應(yīng)用。 第4 章實(shí)驗(yàn)研究 詳細(xì)闡述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、經(jīng)過(guò)、結(jié)果和對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析討論。闡述實(shí)驗(yàn)心 得和經(jīng)驗(yàn)。 第5 章總結(jié)和展望 扼要總結(jié)了全文，提出了有待繼續(xù)進(jìn)一步改進(jìn)和需要解決的問(wèn)題。對(duì)以后 的工作提出建議；并對(duì)微波光子濾波器以后的發(fā)展情況進(jìn)行了展望。 一8 一 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章微波光子濾波器的基本原理、 應(yīng)用和研究狀況 2 1 微波光子濾波器的基本概念 微波光子濾波器是一種光子器件，它用來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的微波濾波器來(lái)對(duì)微波 信號(hào)進(jìn)行光域上的處理正如在緒論中所提到的，它具有一系列的優(yōu)勢(shì)，比如 抗電磁干擾、低損耗、寬帶寬、易于實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧和可重構(gòu)等等。下圖是微波光 子濾波器的通用邏輯構(gòu)架，它有助于我們對(duì)一些微波光子濾波器基本概念的理 解。 正如圖2 1 的上半部分所示，通過(guò)調(diào)制器，輸入的r f 信號(hào)對(duì)單個(gè)連續(xù)光 源( 或連續(xù)光源陣列) 進(jìn)行直接或者外在調(diào)制，這樣輸入的r f 信號(hào)( f ) 加載 在光載波上面，復(fù)合信號(hào)之后被送入后續(xù)的光學(xué)系統(tǒng)，在那里信號(hào)將受到時(shí)域 抽樣、幅度重構(gòu)等一系列作用，最后通過(guò)各種光接收機(jī)得到輸出的r f 信號(hào) ( ，) 圖2 l 微波光子濾波器通用參考裝置【7 】 圖2 1 的下半部分的黑盒子顯示了我們所需要實(shí)現(xiàn)的微波光子濾波器功 一9 一 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 能實(shí)際上，我們希望能夠通過(guò)時(shí)域上的沖激響應(yīng) ( f ) 或者頻域上的頻率響應(yīng) 函數(shù)日( q ) 在輸入和輸出的r f 信號(hào)之間建立一種線性關(guān)系但是在實(shí)際上， 這種線性關(guān)系只有在特殊的條件下才能成立，這一點(diǎn)在后面的敘述中會(huì)提到。 在這里，我們唯一能夠保證線性關(guān)系的是輸入和輸出光載波的電場(chǎng)分量孟，( 口) 和蠢。( 口) ，這是由于麥克斯韋方程的線性性質(zhì)決定的。 ( 珊) = 茸( 國(guó)) 玩( 國(guó)) ( 2 1 ) 其中吃( 國(guó)) 為光電場(chǎng)傳遞函數(shù)。從輸入r f 信號(hào)到輸入光電場(chǎng)的轉(zhuǎn)變是非 線性的，這是因?yàn)楣? ，) z 以( ，) ，同理，輸出光電場(chǎng)到輸出r f 信號(hào)的轉(zhuǎn)交也是 非線性的，屯( f ) ( k ( 叫2 ) ，這里( ) 表示總體均值。這兩個(gè)非線性算子連同 式( 2 1 ) 提到的線性算子并一定使得母( f ) 和矗( f ) 之間能夠建立線性關(guān)系，在后面- 的敘述中將會(huì)闡述在實(shí)際運(yùn)作中，在何種情況下可以建立線性關(guān)系。 假設(shè)在滿(mǎn)足線性的條件下，整個(gè)系統(tǒng)可以表達(dá)如下： 毛( ，) = a a ( ，- ，r ) = ( f ) = 丑( 小 ( f ) y ( 2 2 ) 7 j i i ( f ) = 妒( ，一玎) - = z j l ( 胛) 艿( 卜，r ) 根據(jù)在沖擊響應(yīng)離散序列中的抽樣數(shù)目n ，微波光子濾波器可以分為兩種： 1 當(dāng)n 一時(shí)，為無(wú)限沖擊響應(yīng)( i i r ，i n f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) 濾 波器 2 當(dāng)n i ； 對(duì)于高通濾波器和帶陷濾波器，s h a p e f a c t o r r ) ， 則濾波器工作在相干區(qū)域，r ( 0 一，) r ) * e “礦，因此公式( 2 7 ) 可以寫(xiě)為； ( ，) = 孵d 砟f 只( ，一，r ) + 孵q 置( ，一，丁) t ( f s r ) x p 肌，1 p ( 2 9 ) 前一項(xiàng)表示一系列受到權(quán)重調(diào)制和延時(shí)的r f 輸入信號(hào)，后一項(xiàng)是干涉項(xiàng)， 它對(duì)于光相位敏感。在這種情況下，盡管就總體而言，對(duì)于某一輸出抽頭的系 數(shù)可以為負(fù)數(shù)，但是，由于加上了一個(gè)干涉項(xiàng)，濾波器將會(huì)對(duì)于環(huán)境的變化十 分敏感，因此相干s s m p f 非常難以穩(wěn)定，在實(shí)際中的應(yīng)用也不廣泛 2 1 2 多光源微波光子濾波器( m s m p f ) 在m s m p f 中，連續(xù)波光源陣列輸出的光信號(hào)在進(jìn)行疊加之后受到輸入r f 信號(hào)毋( ，) 的調(diào)制光源陣列可以通過(guò)互相獨(dú)立的激光器陣列、f - p 干涉儀或者 利用周期光學(xué)濾波器對(duì)于一個(gè)寬譜光源( 例如l e d ，s l e d 等) 進(jìn)行切割來(lái)實(shí) 現(xiàn)。不管采用何種方式，它們?cè)谑艿絩 f 信號(hào)調(diào)制之前的電場(chǎng)分稚可以用下式 來(lái)表示： e ( ，) ：窆叫砌e ( ，) = 扛叫訓(xùn)，) ) f 2 1 0 ) 其中，坼，一( r ) 分別代表光源陣列中第r 各分量的光強(qiáng)，中心頻率和相 位振動(dòng)。每一個(gè)光載波分別作為一個(gè)個(gè)抽頭經(jīng)歷一定的延時(shí)，通常情況下是利 用光纖或者是線性啁啾光纖光柵( l c f b g ) 色散延遲器件使得相鄰波長(zhǎng)的光 載波的群延時(shí)之差為t 。如果m s m p f 是利用多個(gè)互相獨(dú)立的激光器，那么最 簡(jiǎn)單的控制方法就是分別控制各個(gè)激光器的輸出功率；個(gè)是利用光譜切割技術(shù)， 那么各個(gè)波長(zhǎng)分量必須在受到r f 信號(hào)調(diào)制之前分別進(jìn)行波長(zhǎng)解復(fù)用、衰減( 或 者放大) 和復(fù)用。 圖2 5 ( a ) 和( b ) 分別顯示了前面討論的兩種m s m p f 的實(shí)現(xiàn)方式。 一1 6 一 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 - 5 ( a ) 基于激光陣列的f i rm s m p f ：( ”基于對(duì)寬譜光源切割的f i rm s m p f 在這種方式下的輸出電場(chǎng)表達(dá)式為： v - ! e o ( t ) = e a r s ( t - r t ) e j ( * ( - e r ) “ o w ” ( 2 1 1 ) o ” ( 2 1 1 ) 那么從光電探測(cè)器的輸出電流為： 一1 7 一 浙扛大學(xué)碩士學(xué)位論文 l o ) = 颯( 1 e o l 2 ) = 吼。- i | q l 焉( t - r t ) + 9 l 篁篁二i i z i 百攻兩咋一- ，。爿+ 坼礦( 。兀 o 川h p 一) 】) ( 2 1 2 ) 1 2 ) + 9 l i 丐z 丑( ，一，r ) 墨( f 一5 r ) 一咋一- p + 坼f ( p 幾”t ”) ( 2 = 孵吶i ( f - ，r ) 由于不同光源的輸出相位的波動(dòng)可以看作是不相關(guān)的，上面表達(dá)式中的第 二個(gè)加法因子可以看作零。因此，輸入和輸出r f 信號(hào)之間存在線性關(guān)系。 2 2 微波光子濾波器的應(yīng)用 正在逐漸興起的寬帶無(wú)線接入網(wǎng)和從通用移動(dòng)電信系統(tǒng)( u m t s ：u n i v e r s a l m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 生成的固定蜂窩電話(huà)接入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，以及無(wú)線 局域網(wǎng)( w l a n ：w h e l e 豁l o c a la t w d n e t w o r k s ) 、w i m a x 、l m d s ( l o c a lm u l t i p o i n t d i s t r i b u t i o n i 礎(chǔ)等都需要通過(guò)減小覆蓋頑來(lái)提升帶寬。而r o f 系統(tǒng)則可以很 好得解決上述問(wèn)題，正如圖2 - 6 所示，微波信號(hào)從中心站通過(guò)光纖鏈路向各 m 蜘( r e m o t ea n t e n n au n i t ) 傳輸分布。 圖2 - 6 ( a ) r o f 接入網(wǎng)；( b ) 微波光子濾波器在r o f 系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用 r o f 技術(shù)使得各種成本很高得微波信號(hào)處理器件都集中在中心站( 在圖 2 - 6 中即為h e a d e n d ，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器) ，r a u 只需要進(jìn)行最簡(jiǎn)單的光電轉(zhuǎn)換和放大 一1 8 一 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 功能，降低了總體成本微波信號(hào)處理的集中化實(shí)現(xiàn)了設(shè)備共享、動(dòng)態(tài)服務(wù)分 配，并使得系統(tǒng)操作和維護(hù)變得更加簡(jiǎn)單。在沒(méi)有微波光子濾波器的情況下， 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器( h e a d e n d ) 需要對(duì)r f 信號(hào)進(jìn)行下變頻( d o w n - c o n v e r s i o n ) ，模數(shù) 轉(zhuǎn)換( a d c ) ，和d s p 對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行處理，有了微波光子濾波器，可以免去 下變頻這一過(guò)程，這可以大大降低對(duì)于a d c 和d s p 處理的要求。 微波光子濾波器按照應(yīng)用角度，可以分為帶陷濾波器和帶通濾波器兩類(lèi)。 前者我們可以用來(lái)濾除光纖鏈路中不需要的噪聲，這個(gè)在無(wú)線大氣通信中有著 特別重要的應(yīng)用，因?yàn)樵诟骰鞠蛑行恼景l(fā)送信號(hào)過(guò)程中，大氣波動(dòng)和高層建 筑物等因素會(huì)引入許多噪聲。而后者則可以用來(lái)由大范圍頻率組成的r f 信號(hào) 中篩選出所需要的頻段。并且，無(wú)論是帶陷濾波器還是帶通濾波器，它們的中 心頻率可以從幾十兆赫茲到幾十個(gè)吉赫茲之間這么大的范圍內(nèi)自由變動(dòng)，這個(gè) 在傳統(tǒng)電子微波濾波器中是很難做到的 2 3 國(guó)內(nèi)外的研究狀況 微波光子濾波器的研究首先興起于國(guó)外，早在1 9 7 6 年，w i l t e r 和v a nd e r h e u v e l 就提出了把光纖作為色散介質(zhì)應(yīng)用在微波信號(hào)處理中 8 。他們是世界 上最早認(rèn)識(shí)到光纖延時(shí)線的低損耗和低色散的特性在微波信號(hào)處理中的獨(dú)特的 應(yīng)用一年之后，o h l h a b e r 和w i l n e r 報(bào)道了利用三根時(shí)延光纖實(shí)現(xiàn)的光學(xué)橫 向?yàn)V波器。時(shí)隔不久，光學(xué)頻率濾波器也被c h a n g 等人證明可行 9 ，他們用 1 5 根光纖作為1 5 個(gè)時(shí)延( 間隔5 2 n s ) ，在1 9 3 i 蛀1 z 附近形成了一個(gè)帶通濾波器。 自此開(kāi)始，各種抽樣元件和色散機(jī)制都被加深研究用來(lái)研制新的光子濾波器。 其中工作最具有開(kāi)創(chuàng)性的是斯坦福大學(xué)的g o o d m a n ，s h a w 等人 1 2 1 3 ，但是 他們?cè)O(shè)計(jì)的濾波器都依賴(lài)于利用多根光纖來(lái)達(dá)到不同時(shí)延的目的。新型光學(xué)元 件光纖光柵的引入，開(kāi)啟了研究可調(diào)和可重構(gòu)微波光子濾波器的新時(shí)代 1 4 1 9 9 9 年，d b h u n t e r 和凡a m i n a s i a n 提出了如下圖所示的濾波器結(jié)構(gòu)。 一1 9 一 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 - 7 利用e d f 有源腔和兩個(gè)l c f b g 的微波光子濾波器結(jié)構(gòu)， 插圖部分顯示了可調(diào)的帶通頻率響應(yīng)【1 5 】 兩個(gè)反射率分剮為5 0 和1 0 0 的啁啾布拉格光柵和其間的一段有源光纖 組成一個(gè)諧振腔，當(dāng)受調(diào)制的光傳播到腔里面的時(shí)候，其中的諧振頻率就在腔 內(nèi)來(lái)回振蕩，如果改變光載波的頻率，那么在光柵上的反射點(diǎn)將發(fā)生變化，從 而形成了不同的時(shí)延，這樣就構(gòu)成了一個(gè)可調(diào)的濾波器。 由于光纖光環(huán)形器延時(shí)線的集成度很高，z h a n g 等人在2 0 0 1 年提出了集成 了光纖光柵陣列的光環(huán)形器，以達(dá)到最大的陷波深度和自由頻程( f s r ) 的可調(diào) 的目的。他提出的結(jié)構(gòu)如圖2 - 8 所示，由于光纖光柵對(duì)于波長(zhǎng)的選擇性，當(dāng)在 光纖環(huán)中的光載波波長(zhǎng)發(fā)生變化時(shí)，它們經(jīng)過(guò)的光程也發(fā)生改變，由此可以調(diào) 節(jié)f s r 。 圖2 - 8 利用光柵陣列的f i r 可調(diào)r f 濾波器結(jié)構(gòu) 1 6 】 一2 0 一 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 3 1 基于陣列光源的濾波器 有一類(lèi)h s h p f 是基于激光器陣列作為它的光源的，這樣做的好處是可以快 速而獨(dú)立的重構(gòu)和調(diào)節(jié)濾波器，但是這種方法的最大缺點(diǎn)就是成本太高這個(gè) 方法最初是由j m o r a 提出來(lái)的，具體結(jié)構(gòu)和響應(yīng)結(jié)果如下圖所示： 圖2 - 9 基于激光陣列的微波光子濾波器結(jié)構(gòu)【1 7 】 瓠祥礙 酬 覯卿呵l 黼l i 圖2 - l o 基于激光陣列的微波光子濾波器的頻率響應(yīng)【l7 1 它是由n 個(gè)激光器組成的陣列作為光源部分，這些激光器的輸出波長(zhǎng)和輸 出功率都可以分別獨(dú)立調(diào)制。由于激光器的中心波長(zhǎng)可調(diào)，這就使得相鄰信道 的時(shí)間間隔t 可調(diào)，成就了橫向可調(diào)i c f 濾波器；并且由于各個(gè)激光器的輸出功 率可以快速而獨(dú)立地調(diào)節(jié)，系統(tǒng)沖擊相應(yīng)窗口可以很容易地實(shí)現(xiàn)，這樣濾波器 的傳遞函數(shù)就可以以高速度重構(gòu)。 一2 l 一 蔫可u善曩疆置并氣 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 這種技術(shù)的一個(gè)不足就是濾波器的可調(diào)性是建立在多波長(zhǎng)激光器的輸出波 長(zhǎng)可調(diào)的基礎(chǔ)上的，而這種光源常常很貴一種相對(duì)便宜的方法就是建立在色 散可變的基礎(chǔ)之上，比如利用可調(diào)啁啾光纖光柵。 2 3 2 基于光源切片的濾波器 此類(lèi)濾波器的最大好處就是成本低，并且相干時(shí)間很短( 這個(gè)對(duì)于濾波器 的濾波特性的優(yōu)化很重要) ，因此關(guān)于此類(lèi)濾波器的文章有很多。各種各樣的光 譜切片技術(shù)在此領(lǐng)域中都有應(yīng)用，而光纖光柵( f b 6 ) 的應(yīng)用更加使得濾波器具 有靈活性。 一種簡(jiǎn)單而直接的方法就是利用兩種不同的f b g 以級(jí)聯(lián)形式被刻在耦合器 的一個(gè)臂上在這種結(jié)構(gòu)中，f b 6 是被用來(lái)作為抽樣元件，并且相鄰s a m p l e 之 間的時(shí)間間隔由f b g 之間的物理間隔所決定這種方法可以拓展到利用多個(gè)級(jí) 聯(lián)的f b 6 ，并且f b g 互相之間的問(wèn)隔要相等。通過(guò)切趾術(shù)，濾波器的m $ s r 可以 降低到- 1 8 d b 參考文章【1 8 就是應(yīng)用了這種方法，原理圖如下： e b eg t 盯刪 p f 嗍盼讎，( 餅蔓z ) 圖2 - 1 l 用f b g 序列對(duì)寬譜光源進(jìn)行切割，并利用光學(xué)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)可調(diào)的u m t s 濾波器結(jié) 構(gòu)和調(diào)節(jié)后頻率響應(yīng)結(jié)果【1 8 】 一2 2 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 如上圖所示，f l y ；陣列切割寬帶光源的光譜，同時(shí)，它在被切割的光譜線 之間引入了一個(gè)固定的延時(shí)。一個(gè)4 0 h m 帶寬，中心波長(zhǎng)為1 5 5 0 n m 的s l e d ，被 射頻信號(hào)調(diào)制，并且被n 個(gè)光柵陣列采樣和旋加了不同的權(quán)重。最后，傳播到 由標(biāo)準(zhǔn)光柵組成的可以重構(gòu)的色散路由鏈，不同的波長(zhǎng)經(jīng)歷的不同的時(shí)延。通 過(guò)改變路由設(shè)置，時(shí)延可以改變，因此可以實(shí)現(xiàn)了可調(diào)濾波。 參考文獻(xiàn) 1 6 1 7 提出了更加復(fù)雜的基于f b g 的連續(xù)可調(diào)的濾波器，也有 基于卜p 干涉議、采樣光柵、和a w g 的濾波器，在此不再一一贅述。 微波光子濾波器在國(guó)內(nèi)研究得比較少，池灝教授設(shè)計(jì)了兩種基于光纖環(huán)和 啁啾光柵( c f b 光柵) 的無(wú)源可調(diào)諧微波光予濾波器的結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)的濾 波器可以通過(guò)改變輸入光波長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波器自由頻程( f s r ) 的調(diào)諧，其所需的 f s r 可以通過(guò)光纖環(huán)中c f b s 的寫(xiě)入位置來(lái)控制研究表明，兩種濾波器的結(jié)構(gòu) 是有效和可行的，在微波和毫米波光纖系統(tǒng)中有著潛在的應(yīng)用價(jià)值 2 5 具體 結(jié)構(gòu)如下： 瓣 塒脯洲囂黜淵瑙 地曩卅毗 圖2 一1 2 ( a ) 可調(diào)諧i i r 濾波器結(jié)構(gòu)；( b ) 實(shí)驗(yàn)所得可調(diào)諧i i r 濾波器的頻響 圖2 一1 3 ( a ) 可調(diào)諧陷波濾波器結(jié)構(gòu)：( b ) 實(shí)驗(yàn)所得可調(diào)諧陷波濾波器頻響 一2 3 一 廣，mc卜川”u0。l船 。葉-q一葉啼q 1 崎仰知 苫暮&謄夸量善 l垂羹o暑 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第3 章基于色散光纖的微波光子濾波器的理論研究 3 1 基于色散光纖的微波光子濾波器理論模型 圖3 1 虛線框部分為多波長(zhǎng)微波光子濾波器的邏輯結(jié)構(gòu)。通過(guò)驅(qū)動(dòng)電光調(diào) 制器( e o m ) ，輸入的r f 信號(hào)對(duì)多波長(zhǎng)光源進(jìn)行振幅調(diào)制。調(diào)制有信號(hào)的光載 波經(jīng)過(guò)色散介質(zhì)( 單模光纖或線性啁啾光纖光柵) ，不同波長(zhǎng)的光載波會(huì)產(chǎn)生不 同的時(shí)延，疊加之后被光電轉(zhuǎn)換器探測(cè)得到r f 信號(hào)的輸出輸入不同頻率的 r f 信號(hào)經(jīng)過(guò)該結(jié)構(gòu)會(huì)得到不同程度的響應(yīng)，因此該結(jié)構(gòu)起到了微波濾波器的作 用。 r f 信號(hào)輸入r f 信號(hào)輸出 圈3 一l 多波長(zhǎng)微坡光子濾波器的通用邏輯構(gòu)架 整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)可以用如下的公式來(lái)表示1 2 3 1 ： h 。( n ) - - p ( 國(guó)江瑪日細(xì)) 日劬+ q ) + 腳：h ( c o ) 一q ) 如 ( 3 1 ) 其中s ( 奶刊e ( 國(guó)) 1 2 表示光源的頻譜密度，m ( i = l ，2 ) 表示f l qr f 信號(hào)驅(qū)動(dòng) 的電光調(diào)制器對(duì)于光載波進(jìn)行振幅調(diào)制的調(diào)制系數(shù)，對(duì)于雙邊帶調(diào)制( d s b ) ， 啊= 鴨；腳，對(duì)于單邊帶調(diào)制( s s b ) ，- - m ( 鴨- - - 0 ) ( 下邊帶調(diào)制) 或者 鴨= 研( 啊= o ) ( 上邊帶調(diào)制) 。日( 功爿h ( c o ) l p 州。) 表示色散介質(zhì)的傳輸函數(shù) 在一般情況下，可以忽略色散介質(zhì)的損耗( 特別是在光纖系統(tǒng)中) ，也就是可以 令1 日( 功 1 對(duì)于相位項(xiàng)妒( 珊) 進(jìn)行以中心頻率為= 2 朋，矗的泰勒展開(kāi)，可 以得到如下式子( 忽略其他高次項(xiàng)) ： 聲( 緲) = ( ) + r ( ) ( 國(guó)一) + 三，上( 國(guó)一) 2 + ；1z 三( 緲一嘞) ( 3 2 ) 其中f ( ) 是色散介質(zhì)對(duì)于頻率為的光載波的時(shí)延，和z 分別是長(zhǎng)度 一2 4 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 為l 的光纖的色散和色散斜率結(jié)合( 3 1 ) 式和( 3 2 ) 式，并利用條件i h ( ( o ) i = - 1 ， 可以推導(dǎo)出微波光子濾波器的傳輸函數(shù)如下； z k ( q ) ：碼噌一和脅；，4 疆+ ；j t d 甄( q ) + 鴨叩一0 一；，上矗+ ；z 工d 】2 ( q ) ( 3 3 ) 其中， 只( q ) ：p p 卜一坦9 岫d h 蚋卜j 啦。巾知( f ：l ，2 ) ( 3 4 ) 下面就根據(jù)上面總結(jié)的理論模型，分別對(duì)于多波長(zhǎng)微波光子濾波器，基于 馬赫澤德干涉儀的微波光子濾波器和基于s f b g 的微波光子濾波器進(jìn)行數(shù)值模 擬，為后面的實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)和優(yōu)化方案。 3 2 基于激光陣列的微波光子濾波器數(shù)值模擬 無(wú)論是利用激光陣列、馬赫一澤德干涉儀、f - - p 干涉儀還是利用超結(jié)構(gòu)光 柵來(lái)獲取光載波，它們的最終目的就是獲取一系列具有相同波長(zhǎng)( 或者頻率) 問(wèn)隔的光信號(hào)。因此對(duì)于雙激光束構(gòu)成的微波光子濾波器的研究對(duì)其他形式的 微波光子濾波器具有參考價(jià)值。下面著重研究不同參數(shù)對(duì)于由雙激光束和色散 光纖實(shí)現(xiàn)的帶陷濾波器頻率響應(yīng)特性的影響。 3 2 1 雙激光光束微波光予濾波器 假設(shè)每一束激光的頻譜分布成高斯形，則雙激光束的頻譜分布可以表示如 下： s ( ) ；擊去c _ ( 爿+ 雋去警) | c ，國(guó) 其中昂是光的總功率，勛是一個(gè)常量，它與3 d b 帶寬渤婦具有如下關(guān)系： ( 3 6 ) 假設(shè)q = 1 2 1 5 3 t h z ，呸；1 2 1 6 9 t h z ( 分別對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)1 5 5 1 r i m ，1 5 4 9 n m ) ， 帶寬為艦= o 2 8 t h z 在模擬計(jì)算中，采用長(zhǎng)度l = 5 0 k m 的單模光纖( s m f - - 2 s ) 作為色散介質(zhì)， 在中心頻率= 1 2 1 6 1 t h z ( 對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為1 5 5 0 h m ) 附近，相應(yīng)的色散參數(shù)分別 2 5 箍 = 勛 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 為聲= - 2 0 3 p s 2 o n ，z = o 0 6 2 5 p s 3 枷 把( 3 5 ) 式代入( 3 - 3 ) 、( 3 4 ) 式，通過(guò)數(shù)值模擬得到不同參數(shù)對(duì)于該帶陷濾波 器性能的影響圖3 2 分別比較了兩種單邊帶調(diào)制和單雙邊帶調(diào)制下的系統(tǒng)響 應(yīng)，其中s s b l 、s