高Q值微波光子学滤波器的理论和实验研究

【摘要】：微波光子学滤波器和基于电器件的传统微波滤波器相比,具有工作带宽高、抗电磁干扰、损耗与频率无关、设计零活性好、与光纤传输系统兼容等优点。增加滤波器的Q值是一个重要的研究方向。滤波器的Q值越高,说明其传输特性曲线在峰值处越陡峭,选频特性越好。在国家重大基础研究973项目和教育部新世纪优秀人才计划支持下,我们开展了可调谐的高Q值微波光子学滤波器的理论和实验研究,取得了一些创新性的研究成果,总结为： (1)分析了高Q值微波光子学滤波器的实现原理。无限冲激响应(ⅡR)滤波器与有限冲激响应(FIR)滤波器相比,是实现高Q值的首选。微波光子学ⅡR滤波器采用反馈回路,利用光载波在反馈回路上往返行进使微波信号往返振荡,相当于对微波构成一个谐振腔。模拟结果表明,提高Q值要求：信号在谐振腔内损耗尽可能小；探测器探测到的信号路数(抽头数)应尽可能多。(2)构建了一个基于SOA的延时环的ⅡR微波光子学滤波器,测得并模拟了SOA泵浦电流、输入功率、光滤波器带宽等对Q值的影响规律,找到了限制Q值的内在原因,即有源器件上的自发辐射(ASE)噪声对有用信号的不断覆盖,造成了微波信号信噪比的降低,从而降低了探测器探测到的信号路数。 (3)在原有方案上进行改进,利用SOA的交叉增益调制效应将微波信号反向调制到ASE上,滤出其中一个频率成分作为转换信号,利用转换信号在环内的振荡来实现ⅡR滤波。采用这个方法,将难以规避的ASE利用起来,大大提高了单极ⅡR滤波器的Q值,实验测得的最高值达到500左右,高于同期国际上单级ⅡR滤波器的最高Q值(300左右)。 (4)将两个ⅡR滤波器的光学部分级联,利用“游标尺”技术,将两个滤波器的透过峰错开,使整个滤波器的FSR和Q值成倍提高。但对于级联后的滤波器,不采取特别的技术,经过不同光学路径的光束之间存在光学干涉,这将破坏滤波器的稳定性和电学传输函数的线性。本论文利用SOA的XGM效应,提出了两个能有效排除光学干涉的级联方案。一个是将两个基于EDFA的有源延时环通过SOA级联,理论计算和实验测定表明该方案得到了一个级联的电学响应。另一个是将两个基于SOA的有源延时环通过EDFA级联,理论计算和实验测定表明该方案得到的电学响应为一个级联响应和一个弱的直通响应相减的结果。分析表明,增加两个单环滤波器的环路增益,将增加级联后滤波器的Q值和阻带抑制比；减小两个环的环长差,将增加级联后滤波器的Q值,但阻带抑制比会减小；直通分量的存在使阻带起伏减小。实验得到的级联滤波器的最高Q值为1860,抑制比为25dB。到达了课题的指标要求,并领先于同期的国际水平(全光结构的滤波器Q值约1000,抑制比约25 dB,不能调谐)。通过在延时环内放置可调延时线,这两套方案都实现了调谐,实验结果和分析表明,为了实现准连续的调谐或减小调谐步进量,两个延时环的环长应接近。