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基于少模光纤布拉格光栅的微波光子滤波器

2023-01-21 01:12:27

基于少模光纤布拉格光栅的微波光子滤波器

  技术领域

  本发明属于微波光子学领域,具体涉及一种基于少模光纤布拉格光栅的微波光子滤波器。

  背景技术

  随着通信技术及实时音频、视频等通讯方式的不断发展,信道带宽要求不断提高,载波频率已经从微波演变到了毫米波。信号频率的增加使得链路传输损耗增大,限制了信号的传输距离。微波光子学结合微波系统与光学系统,将毫米波段的信号调制到光信号上,在光域中处理微波信号,具有损耗低、抗电磁干扰能力强等优势。

  在微波光子学的信号处理子系统中,微波光子滤波器是关键技术之一,在雷达和毫米波通信等领域中,得到了广泛的研究和应用。微波光子滤波器克服了传统电子滤波器的操作不灵活、存在电子瓶颈与频率相关损耗等缺点,具有低损耗、低成本、带宽大、体积小、抑制电磁干扰等优点。

  微波光子滤波器分为相干和非相干两类。其中,光学相干滤波器相位敏感,有较大的相干噪声,受环境影响比较大,在实际应用中受到很大的限制。另外,随着光纤质量不断提高,基于光纤延迟线的非相干微波光子滤波器成为研究的重点。光纤结构的非相干微波光子滤波器通常采用高色散光纤或布拉格光纤光栅,基于多个光学波长光源的激光阵列或多波长激光器来实现滤波器的多个抽头,系统体积大、复杂度和成本都很高;利用切割宽带光源的方法实现基于多个光学波长光源的微波光子滤波器的多个抽头,系统稳定性低、信噪比低。少模光纤可同时传输不同模式,可以大大提高光纤通信系统的传输容量,不仅具有多模光纤的低非线性的特点,还具有单模光纤的低损耗传输的特点。另外,光纤光栅具有体积小、插入损耗低、成本低、可进行模式转换等优点。在微波光子滤波器结构中,在单波长下引入模式维度,利用少模光纤布拉格光栅激发不同模式,形成光纤延迟线,简化了系统结构的同时降低了系统成本。因此,在雷达及无线通信领域中,基于少模光纤布拉格光栅的微波光子滤波器具有很大的发展前景。

  发明内容

  本发明旨在针对基于波分复用技术的微波光子滤波器时,应用激光阵列或多波长激光器带来的系统结构复杂、体积大、成本高的问题,引入模式维度,提出基于少模光纤布拉格光栅的微波光子滤波器,具有稳定性高、结构简单、成本低、分辨率高等优点。

  为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:

  基于少模光纤布拉格光栅的微波光子滤波器,其系统结构图如图1所示,由激光器1、电光调制器2、少模光纤布拉格光栅延迟线模块3、少模光纤环形器4、光子灯笼5、合束器6、光电探测器7及矢量网络分析仪8组成;其中,所述激光器1的输出端口与电光调制器2的一个输入端口相连接,矢量网络分析仪8的输出端口与电光调制器2的另一个输入端口相连接;电光调制器2的输出端口连接少模光纤环形器4的第一端口41;少模光纤环形器4的第二端口42连接少模光纤布拉格光栅延迟线模块3的输入端口,少模光纤环形器4的第三端口43连接光子灯笼5的尾纤输入端口;光子灯笼5的输出端口连接合束器6的输入端口;合束器6的输出端口与光电探测器7的输入端口相连接;光电探测器7的输出端口最终和矢量网络分析仪8的输入端口相连。

  优选地,所述激光器1产生连续单波长光波,光波的波长为1550.51nm。

  优选地,所述矢量网络分析仪8产生扫频信号,通过电缆将扫频信号输入到所述电光调制器2中。

  优选地,所述少模光纤布拉格光栅延迟线3由N个少模光纤布拉格光栅级联而成,激发N个模式,且能量相等。

  优选地,所述少模光纤环形器4可传输的模式数量大于等于所述少模光纤布拉格光栅延迟线模块3激发模式的数量。

  优选地,所述光子灯笼5作为模式解复用器,可支持N个模式分离。

  优选地,所述合束器6为N:1的等分合束器。

  优选地,所述矢量网络分析仪8测量所述滤波器的频率响应。

  本发明的工作原理如下:

  激光器发射连续单波长激光,光波的模式为基模,波长为λ。光波传输至电光调制器时,射频信号通过电光转换加载到光载波上。调制后的光载波信号经过少模光纤环形器,输入到少模光纤布拉格光栅延迟线模块中,用光学方法实现信号延时。

  少模光纤布拉格光栅延迟线模块是微波光子滤波器的关键部分,由N个少模光纤布拉格光栅(FBG)级联而成,分别为FBG1、FBG2、FBG3、...、FBGN。少模光纤布拉格光栅能够将纤芯中传播的前向传输模式,转化成反向传输模式,两个纤芯模式之间进行模式耦合,即在特定波长下反射特定模式。光纤布拉格光栅的耦合模方程为:

  

  式(1)中,Ak,Aj分别为模式k和模式j的慢变振幅;分别为模式k和模式j的自耦合系数;为模式k和模式j的互耦合系数,βk,βj分别为模式k和模式j的传播常数;Λ为光栅周期。

  少模光纤布拉格光栅在满足相位匹配条件,及时,才能进行模式耦合,又因为光纤中模式的传播常数neff为模式的有效折射率。则可知在周期为Λ的光栅中,有效折射率为neff,k,neff,j的模式相互耦合时,对应的谐振波长为:

  λ=(neff,k+neff,j)Λ(2)

  由式(2)可知,在λ波长下,不同周期的少模光纤布拉格光栅能够激发并反射不同的纤芯模式。基于此,可利用特定周期的少模光纤布拉格光栅,进行特定模式转换。

  少模光纤环形器将经过调制器调制后的基模信号,输入到少模光纤布拉格光栅延迟线模块中。基模经过FBG1后转化并反射模式1,未经转化的基模经过FBG2后转化并反射模式2,未经转化的基模经过FBG3后转化并反射模式3。以此类推,基模经过少模光纤布拉格光栅延迟线模块后,反射模式1、模式2、模式、...、模式N。通过改变光栅参数,使得反射的N个模式功率相等。

  少模光纤布拉格光栅延迟线模块中,FBG1、FBG2、FBG3、...、FBGN到少模光纤环形器第二端口42,即少模光纤布拉格光栅延迟线模块首端的光纤长度分别为l1、l2、l3、...、lN。由于色散作用,不同模式传播路径不同,使得不同模式经过一段少模光纤后会产生不同时延,即少模光纤存在模式差分群时延。模式1、模式2、模式3、...、模式N的单位长度群时延分别为τ1、τ2、τ3、...、τN。基模信号经过N个布拉格光栅后转化成N个能量相等的模式,并反射回少模光纤布拉格光栅延迟线模块的首端。N个模式经过延迟线后的延迟表示如下:

  

  其中,t2-t1=t3-t2=…=tN-tN-1=Δτ。则形成了延时差为Δτ的少模光纤布拉格光栅延迟线。

  光载波信号经过少模光纤布拉格光栅延迟线模块后,反射回少模光纤环形器中。光信号经过少模光纤环形器输入到光子灯笼,光子灯笼将N个模式分离,形成N路抽头。然后,光信号输入到合束器,将各支路加权形成传输函数。合束后的光信号入射到光电探测器中,将光信号转化成电信号,得到带通微波光子滤波器,进而连接矢量网络分析仪进行信号检测,测量滤波器的频谱图,分析滤波效果。

  与现有技术相比,本发明的优点如下:

  本发明所涉及的基于少模光纤布拉格光栅的微波光子滤波器,少模光纤布拉格光栅延迟线模块是该滤波器的核心部分。采用模分复用技术,在单一信号波长下将模式维度作为复用信道,将少模光纤布拉格光栅级联激发模式,同时,通过控制各个光栅之间的距离使不同模式之间产生等差时延,可以实现多抽头、高频率、带宽大、低损耗、高稳定性的滤波器。克服了传统微波光子滤波器利用波分复用技术需要多波长光源及激光器阵列的成本高的缺点,极大地提高了系统的集成度并降低了系统成本。

  附图说明

  图1:本发明所述的基于少模光纤布拉格光栅的微波光子滤波器结构示意图;

  图2:本发明具体实施方式中少模光纤四个模式的有效折射率随波长变化的曲线图;

  图3:本发明具体实施方式中少模光纤布拉格光栅延迟线模块中四个布拉格光栅的反射谱曲线图。图(a)表示FBG1的反射谱曲线图;图(b)表示FBG2的反射谱曲线图;图(c)表示FBG3的反射谱曲线图;图(d)表示FBG4的反射谱曲线图;

  图4:本发明具体实施方式中微波光子滤波器的频率响应曲线图;

  图中:

  1、激光器 2、电光调制器 3、少模光纤布拉格光栅延迟线模块

  4、少模光纤环形器 5、光子灯笼 6、合束器

  7、光电探测器 8、矢量网络分析仪。

  具体实施方式

  下面结合附图对本发明的具体实例方式进行详细说明。

  本发明建立了基于少模光纤布拉格光栅的微波光子滤波器,其结构框图如图1所示,包括由激光器1、电光调制器2、少模光纤布拉格光栅延迟线模块3、少模光纤环形器4、光子灯笼5、合束器6、光电探测器7、矢量网络分析仪8组成;激光器1的输出端口与电光调制器2的一个输入端口相连接,矢量网络分析仪8的输出端口与电光调制器2的另一个输入端口相连接;电光调制器2的输出端口连接少模光纤环形器4的第一端口41;少模光纤环形器4的第二端口42连接少模光纤布拉格光栅延迟线模块3的输入端口,少模光纤环形器4的第三端口43连接光子灯笼5的尾纤输入端口;光子灯笼5的输出端口连接合束器6的输入端口;合束器6的输出端口与光电探测器7的输入端口相连接;光电探测器7的输出端口最终和矢量网络分析仪8的输入端口连接。

  在本公开实例中,所述激光器1为窄线宽激光器,输出波长为1550.51nm的单波长光波,输出光波为基模。选择激光器的线宽小,光源相干长度短,微波光子滤波器工作在非相干域内,性能随环境因素和偏振的影响比较小。所述矢量网络分析仪8产生扫频信号,信号通过电缆线连接所述电光调制器2,加载到光载波上。光载波信号经过所述少模光纤环形器4后,通过所述少模光纤环形器4的第二端口42输入到所述少模光纤布拉格光栅延迟线模块3。

  所述少模光纤布拉格光栅延迟线模块3所用少模光纤为大时延四模阶跃光纤,纤芯直径为18.5μm,纤芯折射率为1.44979,包层直径为125μm,包层折射率为1.44402,可支持LP01、LP11、LP02、LP21四个模式的同时传输。其中,在波长为1550.51nm处时,LP01模式传播1m的时间为4.829ns,LP01模式与LP11模式之间的差分模式群时延为6.003ps/m,LP01模式与LP02模式之间的差分模式群时延为10.13ps/m,LP01模式与LP21模式之间的差分模式群时延为11.68ps/m。经过计算可知,在波长为1550.51nm处,所述少模光纤中LP01模式的有效折射率为1.4488,LP11模式的有效折射率为1.4474,LP21模式的有效折射率为1.4456,LP02模式的有效折射率为1.4451。

  所述少模光纤布拉格光栅延迟线模块3包括FBG1、FBG2、FBG3、FBG4四个少模光纤布拉格光栅。激光器产生波长为1550.51nm的基模信号,信号经过调制器调制后,由少模光纤环形器输入到FBG1,FBG1的光栅周期为535.10nm,LP01模式转化成LP01模式,转化效率为25%;未经转化的LP01模式输入到FBG2,光栅周期为535.36nm,FBG2将LP01模式转化成LP11模式,转化效率为33.3%;未经转化的LP01模式经过FBG3,光栅周期为535.79nm,FBG3将LP01模式转化成LP02模式,转化效率为50%;未经转化的LP01模式经过FBG4,光栅周期为535.69nm,FBG4将LP01模式转化成LP21模式,转化效率为100%。不同的模式转化效率可通过控制光栅的互耦合系数及光栅长度来实现。LP01模式经过四个少模光纤布拉格光栅后转化成能量相等的LP01、LP11、LP02、LP21四个模式,并反射回少模光纤环形器中。其中,FBG1与所述少模光纤布拉格光栅延迟线模块3首端的距离为1m,转化后的LP01模式反射到所述少模光纤环形器4的第二端口42的时间为9.658ns;FBG1与FBG2之间的距离为10.285cm,转化后的LP11模式到达第二端口42的时间为10.658ns;FBG2与FBG3之间的距离为10.297cm,转化后的LP02模式到达第二端口42的时间为11.658ns;FBG3与FBG4之间的距离为10.322cm,转化后的LP21模式到达第二端口42的时间为12.658ns。则相邻模式之间的时延差均为1ns,形成了一个时延为1ns的少模光纤布拉格光栅延迟线。

  四个模式经过所述少模光纤布拉格光栅延迟线模块3反射后,输入到所述少模光纤环形器4中,再经过所述少模光纤环形器4的第三端口43输入到所述光子灯笼5进行模式分离。其中,光子灯笼可支持LP01、LP11、LP02、LP21这四个模式的分离。经光子灯笼分离出的四个模式作为微波光子滤波器的四个抽头,输入到4:1的等分合束器进行加权形成传输函数。合束后的光信号入射到光电探测器中,将光信号转化成电信号,得到微波光子滤波器,进而连接矢量网络分析仪进行信号检测,测量滤波器的频谱图,分析滤波效果。

  图2为少模光纤中LP01模式、LP11模式、LP02模式、LP21模式的有效折射率随波长的变化曲线,从图中可以看出不同模式的有效折射率不同,则在单波长下,可通过改变少模光纤布拉格光栅的周期实现不同模式的转化。图3为少模光纤布拉格光栅延迟线模块中FBG1、FBG2、FBG3、FBG4的反射谱。FBG1的光栅互耦合系数为800m-1,周期为535.10nm,长度为1283个周期,可实现LP01模式转化,转化效率为25%;FBG2的光栅互耦合系数为800m-1,周期为535.36nm,长度为1537个周期,可实现LP11模式转化,转化效率为33.3%;FBG3的光栅互耦合系数为800m-1,周期为535.79nm,长度为2056个周期,可实现LP02模式转化,转化效率为50%;FBG4的光栅互耦合系数为1600m-1,周期为535.69nm,长度为5000个周期,可实现LP21模式转化,转化效率为100%。少模光纤布拉格光栅的模式转化效率可通过改变光栅的互耦合系数和光栅长度来控制。这样反射回的四个模式能量均等,时延成等差分布,构成了少模光纤布拉格光栅延迟线。四个模式作为微波光子滤波器的四个抽头,且抽头系数相等。图4为本发明实例的微波光子滤波器的频率响应,可以看出该滤波器实现了带通滤波。

  对本发明所述的基于少模光纤的微波光子滤波器进行了详细的介绍,以上的介绍主要是为了用于对本发明的方法及其核心思想进一步的理解;同时,对于本领域的一般技术人员,根据本发明的思想,再具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制,在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下,对其进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

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