基于光纤环的可调谐微波光子滤波器

由于在微波/毫米波光纤系统中潜在的应用价值，光域上的微波信号处理技术引起了众多研究者的兴趣。比起传统的电子微波滤波器，微波光子滤波器有着电磁环境兼容性、体积小、重量轻和较宽的工作带宽等。鉴于光纤光栅（FBG）能以灵巧的方式构建微波光子滤波器，近年提出了许多基于FBG的微波光子滤波器结构，如不平衡马赫-泽德（MZ）结构、基于宽带光源和FBG阵列的结构、采用超结构光栅和宽带光源的结构、采用FBG对的结构、基于可调谐激光器和FBG的结构以及应用计算机控制差分延迟线的可调滤波结构等^[1～3]。

本文设计了2种新颖的滤波结构—可调谐IIR滤波器和可调谐陷波滤波器，它们都基于光纤环和啁啾光纤光栅（FBGs），其自由频程（FSR）可通过改变输入光载波的波长而实现连续调谐。

1、原理和结构

基于耦合器和光纤环的IIR微波光子滤波器已有报道。在这种结构的滤波器中，如果加入一段掺铒光纤在光纤环中（当然还需泵浦光源），可实现有源的高Q值滤波器^[4]。然而，由于环中的光纤长是固定的，这种IIR结构的滤波器难以实现调谐。图1给出了我们设计的可调谐IIR滤波器结构。如图所示，网络分析仪输出的射频信号驱动MZ电光调制器，将来自可调激光器的光信号调制，然后调制器输出的光信号射入3dB耦合器，耦合器的1个输入端和输出端通过光纤连接构成光纤环。为实现可调谐，在光纤环中置入一3端口环形器，在环形器的另一端连上已串接好若干个不同工作波长光栅的光纤。这样，由于FBG对特定波长的反射能力，通过改变输入光的波长，光信号在光纤环中走的距离是不一样的，因而滤波器的FSR也相应的改变。该IIR滤波器的频响（采用3dB耦合器）可表示为

式中：f是射频信号的频率；n是光纤的有效折射率；L是对应某一输入光波长的环长；c为真空中的光速。图2给出了理论计算得出的该IIR滤波器的频响，曲线a、b分别对应于耦合器的分光比是50∶50和45∶55的情形。

图3给出了我们提出的可调谐陷波滤波器结构。它不同于IIR结构，光纤环是通过连接耦合器的2个输出端构建的。在以前的采用FBG作为抽头器件的工作中，要实现二抽头的陷波滤波器，往往需要1对FBG^[5]，而在本结构中，只需1个FBG就可实现。为了实现可调谐，可将一串FBG放置在光纤环上。作为对以前工作的改进，这里使用CFBGs，即可实现连续的调谐^[6]。从调制器输出的强度调制信号光输入3dB耦合器，从耦合器输出2个强度相同的光信号，分别在光纤环中相反方向传输，经对应波长的CF-BGs后反射，这样耦合器的另一个输入端输出的是两束经不同时延的光信号，就可实现陷波滤波。由于采用的是CFBGs，这个陷波滤波器的FSR就可实现连续可调。2个抽头的光程差由相应的CFBGs在光纤环中的位置和输入光波长决定，该陷波滤波器的频响为

其中，L是2个抽头的路程差。该结构的主要缺点是；由于有1/2的光信号返回到原光信号的入射端，因而存在3dB的光损耗；同时，为了避免光反射进可调谐激光器，还需在光路中放置隔离器。图2的曲线c给出了理论计算得出的该陷波滤波器的频响。

2、实验结果

在光纤环中串接2个CFBGs，它们的中心波长分别是1547.2nm和1548.5nm。CFBGs是通过扫描法用25mm的相位掩模板在经载H处理的普通单模光纤上制作而成。2个CFBGs的中心反射率都高于99%。图4给出了IIR滤波器频响的实验结果，其中曲线a对应CFBG1，曲线b对应CFBG2，FSR分别等于62MHz和48MHz，对应2个抽头光纤距离差为3.22m和4.17m。实验所观察的频率范围是2.4～2.6GHz，所获得的滤波器的抑制比大于6.5dB，而根据理论计算该值只有510dB。这是由于耦合器的分光比不是严格的310dB，导致了较大的抑制比，正如图2曲线b所示。这也表明，为了获得较好的抑制比，耦合器的最佳耦合比并非310dB。理论分析表明，耦合器的分光比在45∶55左右可获得最大的抑制比，将若干个这样的IIR滤波器串接，可获得较高的抑制比。可调谐陷波滤波器的实验结果如图5所示。结果表明，滤波器的FSR可以通过改变输入光波长而实现调谐，滤波器抑制比大于20dB。

实验结果表明，2种滤波器结构是有效和可行的。实际上，可以根据需求设计包含多个CFBGs的滤波器，这样可以实现更大范围的调谐，同时滤波器的FSR可通过控制CFBGs在光纤环上的位置来精确控制。滤波器连续调谐的范围主要受CFBGs长度的限制，若采用更长的CFBGs，可实现具有大范围连续调谐能力的滤波器。

3、结论

设计了2种新颖的基于光纤环和CFBGs的可调谐微波光子滤波器，滤波器的FSR可通过改变输入光的波长实现连续调谐。这2种滤波器结构都比较简单且易于实现，所需的滤波器FSR可通过精确控制CFBGs在光纤环上的位置来设计，通过使用低色散的CFBGs，由双边带调制和色散效应引起的射频功率恶化可以得到有效的抑制^[7，8]。

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作者：池灏，章献民，沈林放