一种基于光谱切割的微波光子滤波器和光电振荡器
技术领域
本发明属于光通信和微波光子领域，特别涉及一种基于光谱切割的微波光子滤波器和光电振荡器。
背景技术
微波光子学是将微波与光结合，把光学技术应用于微波系统中，利用光学系统特有的低损耗，大带宽的巨大优势进行微波信号的传输和处理。与传统的全电学处理方法相比，微波光子技术突破了传统微波系统传输带宽较小和处理速度较低等方面的瓶颈，拥有小尺寸、大带宽、低损耗、不受电磁干扰及频率响应平坦等优点，可以完成传统微波系统中较复杂甚至是难以实现的微波信号处理和高速传输等。
光电振荡器是利用微波光子学技术产生微波信号的一种方法，通过利用光纤链路的低相位噪声和低损耗特性，将系统中的噪声在光域或电域进行选频，并不断反馈放大，最终振荡产生微波信号。这种方法可以避开较为复杂的半导体工艺，设备简单，并具有频谱纯净、相位噪声低、可调谐范围大等优势。
传统的光电振荡器通常采用窄带带通电滤波器来选择期望的振荡频率，但也正是由于电滤波器难以达到高Q值(高中心频率、低带宽)，光电振荡器的性能会受到限制。微波光子滤波器利用微波信号调制光载波，并在光域内进行处理，再用探测器还原为微波信号。整个系统的响应相当于对原信号滤波。如果将微波光子滤波器技术应用于光电振荡器，对其调谐性能和噪声控制将会有很大的提升。
和电域的有限冲击响应滤波器类比，微波光子滤波器可以利用多路载波作为抽头，将微波信号经过电光调制器调制上去，通过改变每路载波的强度或者相位提供抽头系数，再在每路载波之间引入延时，最后通过光电探测器输出，实现滤波功能。实现多路载波有多种方法，比如直接使用多个光源或者多波长激光器，但这会大大增加系统的成本和复杂度。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于光谱切割的微波光子滤波器和光电振荡器。本发明利用梳状滤波器对宽带光源进行切割，得到多路载波，构造了抽头系数相同的多抽头的微波光子滤波器，并在此基础上加入反馈和放大构造了光电振荡器。
本发明采用的技术方案为：光源为宽带光源，经过梳状滤波器切割之后，进入强度调制器进行调制，经过色散介质之后进入光电探测器拍频还原为电信号，放大之后反馈回强度调制器。整个系统的开环响应是抽头系数相同的多抽头有限冲击响应滤波器，抽头之间的延时由切割的间隔和光纤长度决定，其作用是为光电振荡器选频。系统中的噪声可以看作由多个频率的正弦波叠加组成，这些噪声经过不断循环选频、放大、反馈，最终形成稳定的振荡。
进一步地，所述梳状滤波器为马赫-增德尔干涉仪。
进一步地，所述马赫-增德尔干涉仪由3dB耦合器、单模光纤、可调光延迟线构成。
进一步地，所述色散介质为单模光纤。
本发明的有益效果是：利用梳状滤波器对宽带光源进行切割，得到多路载波，构造了抽头系数相同的多抽头的微波光子滤波器，并以此为基础设计光电振荡器。该系统在具备光电振荡器优势的同时还有结构简单、易于实现并具有调谐性的优点，在光通信和微波光子等领域得到重要的应用。
附图说明
图1为本发明所采用的微波光子滤波器的原理图。
图2为本发明中梳状滤波器的传输谱。
图3为本发明中微波光子滤波器的原理。
图4为本发明中负抽头系数微波光子滤波器的频谱仿真。
图5为本发明所公开的光电振荡器的原理图。
图6、图7为光电振荡器输出仿真。
具体实施方式
所述微波光子滤波器原理如图1所示。宽带光源输出的光载波经过梳状滤波器切割，形成多路载波，和微波信号一起进入强度调制器进行强度调制，强度调制信号再经过一定长度的单模光纤之后，由于每个光载波之间存在波长差，将会因为光纤色散引入延时，最后通过光电探测器还原为微波信号。
所用的梳状滤波器为马赫-增德尔干涉仪，由3dB耦合器、可调光延迟线和单模光纤组成，根据波导耦合模理论，3dB耦合器的传输函数可以表示为：
其中，Ein1和Ein2分别表示3dB耦合器的两个输入，由于这里采用的是1×2的耦合器，所以Ein2＝0；Eout1和Eout2是3dB耦合器的两个输出；Ψ1是偶合角，在3dB耦合器中cosΨ1＝(1/2)-1
由于上下两臂存在臂长差，会对信号的相位产生不同的改变，经过上下两臂的传输后：
Ein3和Ein4分别表示经过两臂传输后耦合进第二个3dB耦合器的两路光信号，φ1和φ2是两臂传输的相位改变量。
第二个3dB耦合器的传输函数和上式类似，不同的是，这里是两个输入一个输出，可以表示为：
由以上三式可以推导出：
其中ΔL表示上下臂臂长差，Neff是有效折射率。可以看出由此组成的马赫-增德尔干涉仪传输谱具有余弦函数的形状，可以作为梳状滤波器，对宽带光源进行切割滤波，产生波长间隔相同的多组光载波，其波长间隔为：
可以通过改变可调光延迟线的长度来改变上下臂臂长差，进而改变切割的间隔。
图2为本发明中梳状滤波器的传输谱。
图3说明了本发明中产生滤波器的原理。这是典型的有限冲击响应滤波器的结构框图，输入信号通过N个抽头分为N路，每路有各自的抽头系数，抽头之间有固定的延时量，最终通过加法器合路后输出。根据抽头数、抽头系数和延时量不同，可以得到不同的滤波器响应。在本发明中，不考虑宽带光源自身强度起伏的情况下，得到抽头的系数相同，而延时量通过光纤的色散引入。
图4为微波光子滤波器的频率响应的仿真，为典型的全光低通滤波器。
本发明中所公布的光电振荡器原理如图5所示。将图1所示的微波光子滤波器的微波输出经过放大后反馈回相位调制器，就构成了光电振荡器。光电振荡器不需要微波输入，而是将系统中的噪声通过微波光子滤波器选频后放大反馈，形成振荡，微波光子滤波器通带和环路振荡模式匹配时能够形成振荡。
实施例
图6和图7给出了本发明所公开的光电振荡器的两组输出仿真。由于所用的微波光子滤波频率响应为周期响应，所以光电振荡器为多模输出。通过改变宽带光源切割的间隔来改变微波光子滤波器的频率响应，进而改变光电振荡器的输出频率，切割的间隔可以通过改变光可调延迟线的长度来实现。仿真中得到的信号存在高阶分量，实际情况下可以通过加入低通滤波器或者限制放大器的带宽来抑制高阶分量，从而得到单模振荡。
