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基于相移光纤布拉格光栅的带阻到带通微波光子滤波器

摘要：

本文提出并实验验证了一种采用相移光纤光栅(PS-FBG)和双驱动马赫-曾德尔调制器(DD-MZM)的带阻-带通微波光子滤波器(MPF)。PS-FBG在反射波段有一个超窄的缺口。采用DD-MZM通过控制偏置电压产生相位调制或准单边带光信号。通过对PS-FBG应用相位调制或QSSB信号来抑制一个边带，实现了带通或带阻MPF。通过控制施加在DD-MZM上的偏置电压，可以实现从带阻到带通的连续调谐，反之亦然。频率调谐可以简单地通过调整光载波的波长来完成，本文还对所提出的MPF进行了实验评估。从带阻连续调谐到带通滤波器，带阻抑制高达60分贝，频率调谐范围可调谐到10 GHz。

索引项目：带通滤波器、带阻滤波器、微波声振滤波器、相移光纤布拉格光栅。

1引言

近几年来，人们广泛研究了微波光子滤波器（MPF），它具有带宽宽、可调性大等优点。在众多的滤波功能中，带阻滤波和带通滤波是两大主要功能，在通信系统和作战系统中得到广泛应用。通常MPF一旦实现，就只能执行一项功能。然而对于某些应用，需要将MPF从带阻调谐到带通，反之亦然。许多实现带阻-带通滤波器的方法被提了出来。例如，通过在马赫-森德模型（MZM）的最大传输点和最小传输点之间切换操作来实现带阻-带通滤波器。带阻-带通滤波器也可以使用2times;1 MZM和有源滤波器实现。

光纤布拉格光栅（FBG）对使用了两种波长。将一个波长调谐到与FBGS的中心波长相同的位置，有源FBG对作为法布里-珀罗谐振器，产生多个抽头，从而实现一个具有窄通带的多抽头延迟线滤波器。另一个波长与FBGS的中心波长不同，因此实现了一个全通滤波器。由于多抽头延迟线滤波器和全通滤波器的相位响应之间存在pi;相移，因此两个滤波器对应于陷波滤波器的频率响应组合。当然，如果第二个波长被关闭，滤波器就是一个简单的带通滤波器。带阻-带通滤波器也可以使用两个光学可调谐带通滤波器来实现相位调制-强度调制（PM-IM）转换，其中一个滤波器在一个循环回路中，以形成一个无限脉冲响应（IIR）带通滤波器，另一个在回路外，不循环，以形成一个全通滤波器根据IIR带通和全通滤波器之间的相位差，可以实现陷波或带通滤波器。MPF的主要限制是，滤波器只能从带阻切换到带通，反之亦然，但不能用可调陷波深度或带增益连续调谐。此外，MPF是延迟线滤波器，显示周期性光谱响应。由于两个相邻抽头之间的相对长时间延迟差，自由光谱范围（FSR）较小，这可能限制了宽带应用的滤波器。为了避免周期性光谱响应，演示了基于相位调制器和基于高双折射FBG的Fabry–Perot滤波器的带阻到带通MPF。由于基于FBG的法布里-珀罗滤波器中的PM-IM转换被连接为一个传输或反射滤波器，因此实现了一个带通或陷波的MPF。同样，只有在传输或反射中连接基于FBG的Fabry–Perot滤波器，才能切换滤波器的光谱响应。此外，滤波器的频率不可调，为了实现频率可调带阻到带通MPF，使用了基于受激布里渊散射（SBS）的光学滤波器和双驱动马赫-森德调制器（DD-MZM）。利用SBS损耗谱和增益谱分别对DD-MZM输出的微波调制信号进行抑制和放大，实现了带通滤波器和带阻滤波器。通过调整SBS泵浦源的波长，可以对频率进行调整。由于涉及到SBS工艺，滤波器的设计非常复杂，需要一个大功率的泵浦源和一根长光纤。此外，MPF有两个停止带或通带。为了避免有两个阻带或通带，使用了带宽相对较窄的光电探测器（PD）来消除较高的频带。显然，一个带宽较窄的PD会限制频率可调过滤器的范围。

本文提出了一种简单的实现方法利用相移光纤实现带阻到带通MPF布拉格光栅（PS-FBG）和DD-MZM，只有一个阻带或通带。使用DD-MZM生成相位调制或准单边带（QSSB）信号，通过控制DD-MZM的偏压实现。这个PS-FBG在反射带上有一个超窄的缺口。通过利用PS-FBG的陷波抑制相位调制或QSSB信号、带通或达到停止过滤器。MPF可以从阻带调谐通过改变施加的偏压来实现通带，反之亦然。DD-MZM改变两者之间的功率比，边带和相位关系。频率调谐可以只需调整光载波的频率即可。MPF只有一个阻带或通带，从而实现更宽的频率可调。此外，使用PS-FBG而不是基于SBS的滤波器使滤波器大大简化。连续调整MPF带阻到带通，带阻抑制高达60分贝频率可调范围大到10 GHz。

2 操作原理

图1 MPF示意图。TLS，可调谐激光源；DD-MZM，双驱动马赫-森德调制器；OC，光学环行器；PS-FBG，相移光纤布拉格光栅；PD，光电探测器；PC，偏振控制器；VNA，矢量网络分析仪。

图1显示了MPF的示意图。一种频率可调的可调谐激光器的光纤载波源（tls）通过偏振控制器（PC）发送到DD-MZM。调整PC使光学载波的偏振方向与DD-MZM的主轴对齐，以最小化偏振相关损耗。DD-MZM具有双微波输入端口，连接到90°微波混合耦合器（HC）的两个输出端口。微波信号ve cos（2pi;f e t）的振幅电压为Ve，频率为fe，通过HC发送到DD-MZM。光载波通过DD-MZM处的输入微波信号进行调制。然后，在DD-MZM输出端的微波调制信号通过光学环行器（OC）被PS-FBG发送和反射，并在PD处被检测到。在小信号调制的假设下，光信号在DD-MZM输出端的电场可以表示为

图二 由偏置电压控制的静态相位DC对DD-MZM的影响与两个边带的合并幅度关系

其中 Ein是进入DD-MZM的光学载波的振幅, J0 , Jminus;1 , J1是第一类零阶和一阶贝塞尔函数。m = pi;Ve / (2Vpi; ,e ) 是调制指数， ϕD C = pi;VDC /Vpi;，,DC是偏置电压VDC产生的静态相位 Vpi; ,e , Vpi; ,DC电压是DD-MZM在微波频率和直流频率下的半波电压。从(1)可以看出，两个一阶边带的振幅和相位可以由直流电压控制。图2是单位圆，它显示了由直流偏置电压产生的静态相位与组合磁极之间的关系，用Jminus;21 (m) J12 (m)给出了两个边带的氮化度，它是一个常数，归一化为1。通过控制偏置电压，可以实现相位调制或QSSB调制。例如，当 ϕDC调整为 0, pi;/2, pi; ,3pi;/2分别实现了4种不同的调制，分别对应于等宽相位调制调制(EPM)、载波调制(USB C)的上边带、抑制载波调制(DSB CS)的双边带和载波调制(SSB C)的下边带。ϕD C isin; (0,pi;/2)或ϕD C isin; (3pi;/2, 2pi;)在第一和第四象限，ϕD C isin; (pi;/2,pi;) 或ϕD C isin; (pi;, 3pi;/2）在第二和第三象限，在DD-MZM输出端的微波调制信号通过OC馈送给PS-FBG。该PS-FBG是通过引入一个相移，一般来说，一个均匀的光纤光栅，产生一个超窄的缺口与中心频率fN在反射光谱。这里采用了PS-FBG作为反射滤波器，反射信号的电场是

其中r(f)和theta;(f)是归一化功率谱，并且PS-FBG的相位响应如下：

式中h(f)是PS-FBG的传递函数，由

式中，i=1，2表示由相移ϕPS分离的PS-FBG的两个子光栅，Li是对应的子光栅长度，*表示复共轭，gamma;2 = kappa;2 minus; sigma;circ;2，k是定义为k=2pi;f n/（2c）的“ac”耦合系数，n是折射率变化， sigma;circ;是“dc”自耦合系数。定义为sigma;circ; = ne f f 2pi;(f minus; fD )/c， ne f f 是有效折射率，c是真空中的光速，f是入射光波的频率，fD是与子FBG的布拉格波长相对应的频率。

从PS-FBG反射的光信号被发送到进行光电转换的地方。这个恢复的微波信号由

其中

ac(·) 表示输出电信号的AC项，rho;是pd的响应度。注意Jminus;1 = minus;J1，只适用于微波信号。

可以看出，微波电流在PD的输出由两个术语组成，振幅和两项之间的相位关系取决于偏差。施加在DD-MZM上的电压。事实上，这种关系直接由微波调制信号，如图3（a）和（b）所示，其中还显示了PS-FBG的反射光谱。假设PS-FBG的幅度谱顶部为平面和反射带中的相位响应是线性的，微波调制信号的两个边带在反射带和相位关系通过

如图3（a）所示，实施带阻MPF。应该在象限i中有一个值，如图2所示，并且下边带的振幅小于上边带，称为QSSB调制。从图3（a）可以看出，如果没有使用PS-FBG部分过滤出光谱组分 f C f e在上边带中，使振幅与下边带的振幅相同 f C - f e。由于两个边带的异相性，两个谱分量将被完全消除，并产生具有无限陷波深度的带阻带滤波器。由于可以通过调整偏压来控制抵消，因此可以调整抑制比，这比在没有产生QSSB调制的情况下报告的方法提供了更好的灵活性。

实施带通MPF，如图3（b）所示，ϕDC应该为零，并且DD-MZM的运行等于一种具有两个边带调制信号的相位调制器振幅相同，但相位差为pi;。如果PS不使用FBG，光载波与一个边带将完全取消光之间的跳动在载波和另一个边带中。但是，如果使用PS-FBG，

缺口频率处的光谱成分f C f e不会被取消，因此产生带通滤波器。

带阻滤波器或带通滤波器的频率调谐可以只需调整光载波的波长即可完成。因此，一个带阻到带通MPF，具有两个可调陷波器可以实现深度和可调频率。

图3 显示MPF作为（a）带阻或（b）带通滤波器工作的原理

图4 测量了PS-FBG1的幅度和相位响应。插图提供以单边带调制技术测量的缺口波长为中心的光谱的放大视图

3 实验

根据图1中的配置进行实验。在实验中，我们使用两个具有不同缺口宽度和不同回流带宽的PS-FBG（PS-FBG1和PS-FBG2）来演示两个具有不同阻带或通带宽度和不同可调谐范围的MPF。首先，使用PS-FBG1。来自tls（yokogama aq2200）的光学载波通过PC发送到dd-mzm（fujitsu，10 GHz，Vpi;，E=5 V）。光学载波的波长设置为大于ps-fbg1槽口的中心波长的波长，并且上边带落在槽口中，如图3所示。图4给出了用光学矢量分析仪（luna，ovae-4000）测量的PS-FBG1的幅度和相位响应。缺口的波长是1550。588nm，反射波段约39GHz。线性相位响应区的宽度约为20GHz，相对于陷波波长而言，这是不完全对称的。微波可调谐范围约为6.1千兆赫，是线性相位响应右部分12.2千兆赫的一半。图4中的插图。利用单边带调制技术，将频率扫描微波信号调制到光载波上，产生单边带光信号，对以缺口波长为中心的光谱进行放大。通过扫描缺口光谱范围内的单边带，以缺口为中心的PS-FBG光谱以超高分辨率测量[15]。陷波带宽约为180兆赫，抑制比为18分贝。

图5 当使用PS-FBG1时，MPF的测量频率响应。当MPF作为（a）带阻滤波器和（b）带通滤波器工作时的光谱响应

来自VNA（安捷伦E8364A）的微波信号通过HC（ARRA 9428X）施加到DD-MZM，HC的两个输出端口连接到DD-MZM的两个射频输入端口。请注意，偏压tee用于将直流电压与其中一个微波信号组合以提供偏压。向DD-MZM的两个输入端口中的每个端口发送的微波信号的功率为6 dBm。计算出调制指数约为0.20，保证了小信号调制。微波调制信号被发送到PS-FBG1，并通过OC反射到PD（新焦点，25GHz）。恢复后的微波信号由增益为10分贝的微波放大器放大，并送回VNA测量光谱响应。来自直流电源（kikusui，0.001伏）的偏压被调谐以控制两个边带的振幅和相位。

首先演示了MPF作为带阻滤波器的工作原理。调整偏压，使两个电压的振幅边带满足图3（a）所示的关系。这个来自VNA的微波信号的频率从0至10GHz，用于测量MPF的频率响应，并对来自TLS的光载波波长进行调谐。从1550.596到1550.640 nm，调谐阶跃为0.004 nm。（或等于0.5GHz）以评估频率可调性。频率响应如图5（a）所示，其中具有超高抑制比（gt;55 dB）的缺口如图所示整个频率调谐范围。拒绝率很高，高于PS-FBG1（18分贝）。这是因为调优通过调整偏压来调整两个边带之间的功率比电压使两个拍信号在PD输出。

图6 使用PS-FBG1时，MPF的阻带和通带宽度为3-dB。

然后，演示了MPF作为带通滤波器的工作原理。通过将ϕDC设置为零，实现EPM，其中两个边带具有相同的振幅和pi;相位差。通过将调制信号应用于PS-FBG1，如图3（b）所示，通过PS-FBG1的陷波消除上边带，并将相位调制信号转换为单边带强度调制信号。整个操作COR对带通滤波器作出响应。再次，频率可调性是通过调整光载波的波长来实现的，MPF的频率响应如图5（b）所示。

请注意，在调谐过程中，由于PS-FBG1在反射带两边附近的非线性相位响应，两个边带之间的相位关系可能并不总是保持不变，这可能导致作为带阻MPF工作时的拒绝比较差，作为带通MPF工作时的通带增益较低。因此，为了保持均匀的抑制比或通带增益，可调谐范围被控制在PS-FBG1相位响应的线性区域内。对于PS-FBG1，与线性相位响应相对应的频率范围约为20ghz，并且与陷波波长不对称。实验中使用了12.2GHz的截面，实现了6.1GHz左右的频率可调范围。

测量了MPF作为带阻和带通滤波器工作时的陷波器和通带的带宽。图6显示了调谐MPF时的带宽。由于PS-FBG1的缺口宽度为180兆赫，缺口宽度和通带宽度约为180兆赫，由于PS-FBG1的非理想线性相位响应，两个边带不能完全相消，因此存在一些变化。

图7 当MPF作为带阻滤波器工作时拒绝比率的调谐。插图显示了带阻滤波器的抑制比与偏置电压相对于偏置电压的变化之间的关系，以达到最大的抑制比

作为带阻滤波器的MPF工作的抑制比也可以

资料编号：[3331]