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基于半导体光放大器的微波光子学滤波器

徐恩明  
【摘要】: 利用光子设备实现灵活的微波和毫米波信号处理器是微波光子学的一个重要研究内容,最近引起了人们的广泛兴趣。因为这种光子信息处理方法具有很多优点,例如,具有很高的时间带宽积、可以消除电子采样瓶颈、具有高隔离度、抗电磁干扰、无高速信号的光电和电光转换等。它在超宽带无线移动通信、相控雷达、微波毫米波传感、微波毫米波信号处理等多个领域具有潜在的应用前景。同时它主要借助现有的光纤技术和光器件,与光纤传输系统有很好的兼容性,是现在研究的一个热点。半导体光放大器在信号处理中有非常广泛的应用,同样,半导体光放大器在微波光子学滤波器中表现出了许多独特的优点,用半导体光放大器实现了其它器件无法实现的微波滤波器的性能。本文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,对基于导体光放大器的微波光子学滤波器进行了理论和实验研究,取得了一些创新性的成果,具体的研究内容和成果可以概括为以下几点: (1)总结并分析了微波光子学负系数滤波器和有源高Q滤波器,平通带陷波滤波器的各种结构、实现原理、条件及应用范围。利用半导体光放大器的放大自发辐射谱的交叉增益调制效应,失谐的光学滤波器可以从泵浦光调制的放大自发辐射谱中提取转换光信号,从而在光域内实现了平通带陷波滤波器。 (2)总结并分析了微波光子学高Q滤波器的实现原理与条件。有源滤波器是获得高Q滤波器的有效而简单的方法,利用半导体光放大器和光学滤波器实现了Q值为193的普通高Q滤波器。通过改善基于半导体光放大器的有源环的结构,利用半导体光放大器的放大自发辐射的交叉增益效应实现了新型高Q滤波器,其Q值为543,抑制比超过40 dB且工作比较稳定,并分析了其工作原理。 (3)分析并阐述了微波光子学级联滤波器的实现原理与条件。实现了普通高Q滤波器的级联,获得了Q值为386,抑制比约为15 dB的滤波器。为进一步提高Q值,实验研究了新型高Q滤波器的级联,获得了Q值为1268,抑制比为30 dB的滤波器响应。实验研究分析了两有源高Q滤波器的级联,利用半导体光放大器的自发辐射谱的交叉增益调制效应,通过在其中一个有源高Q滤波器中引入波长转换,避免了两环中的调制光信号之间的干涉,获得了比较稳定的滤波器频率响应。通过设计两滤波器的自由谱范围,级联后的自由谱范围是两滤波器自由谱范围的最小公倍数,使级联后的滤波器的自由谱范围大幅度地增加,由于两环的3 dB带宽有削减的作用,最终使级联后的Q值大幅度地增加。实验结果表明Q值达到了3338,抑制比超过40 dB。 (4)综合利用半导体光放大器既可以实现负系数和高Q滤波器的特性,实现了平通带陷波和通带可以自由切换的微波光子学滤波器。通过调节半导体光放大器的偏置电流和光学滤波器的失谐程度,同时实现了平通带陷波和高Q滤波器频率响应。最后,我们利用半导体光放大器的宽谱特性和阵列波导光栅实现了两路、三路和四路的横向滤波器。


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