微波光子學(xué)濾波器(2)

1、微波光子學(xué)濾波器理論分析姓 名：董永孟 學(xué) 號(hào)：S130431005指導(dǎo)教師：王 巍簡(jiǎn)介 微波光子濾波器是光子信號(hào)處理技術(shù)的重要內(nèi)容。在電域內(nèi)處理信號(hào)受頻帶和采樣頻率的限制，處理速度和精度都受到影響，稱為電子“瓶頸”。微波光子濾波器提供了一種解決傳統(tǒng)“瓶頸”問(wèn)題的新方法。輸入的射頻(RF)信號(hào)通過(guò)調(diào)制器調(diào)制到光信號(hào)上，RF 信號(hào)的處理在光域進(jìn)行，最后通過(guò)光接收器輸出濾波后的微波信號(hào)。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：低損耗、高帶寬、不受電磁干擾、重量輕和支持高采樣頻率，使用波分復(fù)用技術(shù)還提供了空間和波長(zhǎng)并行處理的可行性。J. Capmany, Beatriz Ortega. A tutorial on m

2、icrowave photonic filters J. J. Lighwave Technol., 2006, 24(1): 201229微波光子學(xué)濾波器基本原理 輸入的微波信號(hào)Si(t)轉(zhuǎn)換為光學(xué)系統(tǒng)的輸入光場(chǎng)強(qiáng)度Ei(t)的過(guò)程是非線性的,因?yàn)槭?;同樣,光學(xué)系統(tǒng)的輸出光場(chǎng)強(qiáng)度Eo(t)轉(zhuǎn)化為輸出的微波信號(hào)so(t)的過(guò)程也是非線性的 ，其中代表時(shí)間均值。所以從理論上來(lái)說(shuō),整個(gè)系統(tǒng)的輸入信號(hào)si(t)與輸出信號(hào)so(t)之間在一般情況下并不存在嚴(yán)格的線性關(guān)系，只有在某種特定情況下才滿足線性。FIR濾波器模型IIR濾波器模型信號(hào)流圖表示的FFR濾波器與IIR濾波器理論模型長(zhǎng)度為L(zhǎng)的FIT濾

3、波器的輸入輸出方程表示為：對(duì)上式兩邊取z變換并進(jìn)行排列后,可以得到Z域內(nèi)FIR濾波器的傳輸函數(shù)為:濾波器在頻域內(nèi)的特性可以用頻率響應(yīng)來(lái)表示:與FIR濾波器相同,IIR濾波器的Z域傳遞函數(shù)可以表示為:其頻域系統(tǒng)函數(shù)可表示為：濾波器的性能分析 品質(zhì)因數(shù)的高低與抽頭個(gè)數(shù)有關(guān),如果抽頭數(shù)量N10,則品質(zhì)因數(shù)的變化與抽頭數(shù)量變化成正比, 抽頭個(gè)數(shù)越多,品質(zhì)因數(shù)越高。對(duì)于FIR結(jié)構(gòu),其長(zhǎng)度有限,品質(zhì)因數(shù)的增加依賴于分光束通道數(shù)量的增加,因此每增加一定的抽頭數(shù)量,就要增加一定的光學(xué)器件,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,成本比較高,并不利于實(shí)際的使用。2、可重構(gòu)特性分析 光纖光柵具有獨(dú)特的濾波和反射特性,采用可調(diào)諧的激光器或者

4、激光器陣列作為光源,在光纖光柵的不同波長(zhǎng)處反射,由于不同的反射點(diǎn)具有不同的反射率,因此調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖光柵,既改變了延時(shí)線的長(zhǎng)度,也加載了不同的抽頭系數(shù),實(shí)現(xiàn)了濾波器的可調(diào)諧特性和可重構(gòu)特性。3、可調(diào)諧特性分析 微波光子濾波器的自由頻譜范圍依賴于單位延時(shí),因此改變?yōu)V波器的單位延時(shí),就可以實(shí)現(xiàn)濾波器的可調(diào)諧特性,該性能是微波光子濾波器相比于電濾波器的最大優(yōu)勢(shì)之一,減少了系統(tǒng)的成本并降低了復(fù)雜度,更有利于實(shí)際的應(yīng)用。微波光子學(xué)濾波器其中一個(gè)關(guān)鍵部件是延時(shí)器。進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)諧就是要能實(shí)時(shí)改變自由譜寬萬(wàn)萬(wàn)尺,使得其中一個(gè)通帶(或阻帶)的中心頻率對(duì)準(zhǔn)待處理的微波信號(hào)。而改變自由譜寬FSR就意味著延遲時(shí)間T能

5、夠調(diào)節(jié)和控制。當(dāng)延時(shí)時(shí)間T能連續(xù)調(diào)節(jié)時(shí),濾波器可實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)諧。下面對(duì)幾種典型設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。延時(shí)T的實(shí)現(xiàn)與控制1、基于可調(diào)激光器和FBG陣列的可調(diào)諧濾波器缺點(diǎn)：不能連續(xù)調(diào)諧2、基于可調(diào)激光器和LCFBG對(duì)的連續(xù)調(diào)諧濾波器3、基于可調(diào)激光器陣列和LCFBG的連續(xù)調(diào)諧濾波器4、基于馬赫一澤德干涉儀和標(biāo)準(zhǔn)光纖的連續(xù)調(diào)諧濾波器負(fù)抽頭系數(shù)的實(shí)現(xiàn)為了得到負(fù)抽頭系數(shù),要利用反相位調(diào)制。實(shí)現(xiàn)反相位調(diào)制的方法主要有以下幾種:基于電光強(qiáng)度調(diào)制器的方法，基于交叉增益調(diào)制的方法基于交叉強(qiáng)度調(diào)制的方法、基于相位調(diào)制的方法和基于偏振調(diào)制的方法等等。下面舉幾個(gè)例子予以說(shuō)明1、基于差分探測(cè)的負(fù)系數(shù)濾波器缺陷缺陷：抽頭是通過(guò)電子

6、設(shè)備實(shí)現(xiàn)的，所以濾波性能受到電子設(shè)備的性能和有源設(shè)備帶來(lái)額外的噪聲影響以及這種結(jié)構(gòu)很難重構(gòu)，而且，器件價(jià)格也比較昂貴。2、基于SOA交叉增益調(diào)制效應(yīng)的負(fù)系數(shù)濾波器SOA的交叉增益調(diào)制效應(yīng)：SOA的XGM效應(yīng)基于SOA增益飽和效應(yīng)。由速率方程可知,光信號(hào)在被放大的同時(shí)將引起SOA中載流子的消耗,因而會(huì)出現(xiàn)增益隨注入光功率增大而減小的現(xiàn)象,即增益飽和。出現(xiàn)增益飽和現(xiàn)象后,增益將會(huì)出現(xiàn)與注入光信號(hào)相反的調(diào)制作用。（I表示泵浦電流, 為電流注入效率,e為電子電量,V為半導(dǎo)體材料有源區(qū)的體積, 模場(chǎng)限制因子, 光在有源區(qū)內(nèi)的群速度, 為第i束光的光子密度非受激輻射復(fù)合消耗載流子的速率為 。）缺點(diǎn)缺點(diǎn)：這種結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)性能和多抽頭結(jié)構(gòu)，在光域里的相位反轉(zhuǎn)受到SOA 轉(zhuǎn)換帶寬的限制，另外存在的一個(gè)問(wèn)題就是SOA 對(duì)偏振很敏感。3、基于馬赫一澤德調(diào)制器的負(fù)數(shù)抽頭的實(shí)現(xiàn)基于雙馬赫一澤德調(diào)制器的負(fù)系數(shù)濾波器不同載波波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的馬赫一澤德調(diào)制器的調(diào)制曲線基于單馬赫一澤德調(diào)制器的負(fù)系數(shù)濾波器展望： 微波光子濾波器未來(lái)的主要研究重點(diǎn)將是：發(fā)展更簡(jiǎn)潔的技術(shù)獲得負(fù)系數(shù)和復(fù)系數(shù)濾波器；發(fā)展更