微波光子滤波技术

微波光子技术^[1]是伴随着半导体激光器、集成光学、光纤波导光学和微波单片集成电路的发展而产生的一种新兴技术，是微波和光子技术结合的产物，它在射频(RF)信号的产生、传输和处理等方面具有潜在的应用前景。由于射频信号的光滤波技术具有可实现宽带可调谐滤波的功能，因而能够克服电子瓶颈、滤除强干扰信号等优势。现阶段国内外实验成功且已经取得很大进展的微波光子滤波器Q值可以达到983^[2]，带宽可以低到只有0.32MHz^[3]，边模抑制比可以高于40dB^[4]，调谐范围可以从34.1MHz调谐到34.1GHz^[5]。由此可见全光可调谐滤波器等技术在通信等诸多领域具有重要的潜在应用价值。现在已通过在系统中引入全光滤波技术，突破了电子瓶颈的限制，滤除了混频器中的噪声^[3]，有望提高接受机的性能。

影响和限制光子滤波器性能的因素很多，比如线形度和动态范围、源的相干性、极化特性、正系数、FSR、噪声、可重构性和可调谐性.现在，微波光子滤波器的关键问题在于可调谐和负抽头的实现，因此本文着重以横向滤波器为例讨论可调谐和负抽头这两个方面的问题。

1、基本原理

图1为使用单光源获得N个抽头的微波光子横向滤波器^[3，6]原理图。利用多光源来实现的原理也大致相同。光载波exp{j[w+f(t)]}(w为载波频率，f(t)为相位)被射频信号SRF(t)所调制，调制后的信号经过耦合器分为N路，利用色散机制对1，2，…N路信号提供T，2T，…NT的时间延迟后，经过N路抽头而获不同时间延迟的信号由输出端的耦合器合并后得到最终的输出。探测器之前的光信号可表示为

式中am为第m个抽头的权重。由式(1)可以得到在微波光子滤波器的输出端探测到的光电流为

式中R为探测器的响应度，符号〈〉代表对时间取平均。借助于互相干函数运算，(2)式中对时间求平均的项(记作Gmn)有

式中Dn为光源线宽，它是光源相干时间tcoh的倒数。(2)式的第一项为非相干项对光电流的贡献，第二项为相干部分的贡献。如果要滤波器工作在非相干条件下，只需光源的相干时间tcoh远远小于基本延迟时间差T，此时(即非相干条件下)光电流的表达式为

于是，从(4)式中可以得到滤波器的冲击响应为：

对(5)式作傅里叶变换，最终可以得到传输函数电频率响应的表达式为

从(6)式可以看出，滤波器的性能由滤波器级数N(实现Q值和带宽的改变)、加权系数am(实现重构，滤波器的形状系数的改变，通过使用衰减器可以容易实现)以及延迟时间T(实现中心频率和FSR改变)决定。

1.1、可调谐性的实现

实现可调谐的重要思路之一为：通过改变滤波器的结构参数或者外界所施加的物理参数的方法改变延迟时间，从而使滤波器的中心频率变化或自由光谱范围变化，进而实现可调谐。

目前，改变延迟时间的技术主要有：

1)直接改变光程来改变延迟时间，现阶段主要有两种方法：(a)使用控制传输路径的开关(延迟线开关)^[7，8]方法，通过使用空间光开关的方法来为光信号选择不同的路径，使之获得不同的基本传输延迟。图2所示为一个开关色散矩阵的延迟单元示意图，由于光信号通过不同的色散介质的时间不同，可以通过选择光开关来选择色散介质的方法控制延迟时间，这样就达到了可调谐的功能。目前这种方法实验调谐范围最高可以从8.07GHz调谐到9.22GHz；(b)使用可调谐光纤延迟线的方法，利用可调谐光纤延迟线直接改变光信号传输路径的长度，这样提供了不同的传输延迟，可以持续调谐。D.Chen等^[9]通过调谐可调谐光纤延迟线120mm，其中心频率的改变量便可以覆盖微波器的自由频程约7.1MHz。现在商用的可调谐光纤线可调精度达到3μm(约为15fs)，可调范围168mm，可以满足滤波器可调谐的需求。

该技术实现方法比较简单，实现的调谐过程简便，但该技术的调谐功能往往需要引入特殊的器件，这样使系统的复杂度提高，器件的要求以及成本相应也就提高了。

2)波长可调谐光源结合光色散介质，如标准的光纤、高色散光纤———通常为色散补偿光纤、光纤光栅或者线性啁啾布拉格光栅等^[4，10~19]。

其实现方式有：

(a)利用一个或多个波长可调谐光源，典型结构如图3所示，滤波器采用可调谐激光阵列。由于啁啾光纤光栅(FBG)对于不同波长的光载波具有不同的反射点，不同波长的光载波经历的路程不同，导致各光载波在光纤中的延时也就改变了，从而实现可调谐。使用可调谐激光器可以进行快速方便的调谐，同时使用多波长的可调谐光源，通过控制各光信号的权重便可以得到较高的抑止比，抑比可以超过20dB^[10]。由于引入啁啾光纤光栅或者激光器阵列，所以系统制作的复杂度和成本均会增加。使用这种方法其调谐范围可以达到150MHz；