MPF微波光子学滤波器详解ppt课件.pptx

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1、微波光子学滤波器(MPF) 综述,第1章 MPF的分类及其性能参数第2章 高Q、负系数、高阶MPF典型方案分析,第3章 基于SOA级联窄带滤波器的有源环实现IIR滤波器的方案 分析,前言,微波光子学是研究微波和光信号相互作用的交叉领域，应用于宽带无线接入网、传感网络、雷达、卫星通信、测量仪表和战争系统。 微波光子系统主要功能有利用光子技术产生、处理、控制、分配微波和毫米波信号。近年来主要的研究方向有微波和毫米波信号的光子发生，微波和毫米波信号光子处理，光控相位阵列天线，光载无线系统以及光子模数转换。 本人主要研究高性能微波光子滤波器实现技术。,引言,为什么要用MPF取代传统射频滤波器呢？,对模

2、数转换分辨率要求很高只能实现特定频段微波信号的滤波功能,直接在光域处理，再转换为电信号后下变频,MPF VS 传统射频滤波器,在传统射频电路中，由射频信号源或天线接收得到射频信号，注入到信号处理的射频电路，即经下变频到基带信号后通过模数转换，由数字滤波器滤除杂波得到所需的射频信号。这个系统的主要的瓶颈是对模数转换分辨率要求很高。该方法所实现的滤波器的最大弊端在于所设计的信号处理电路只能实现特定频段微波信号的滤波功能,一旦微波信号的频率发生变化,就必须重新设计新的信号处理电路。同时,在电域内处理信号时,带宽和采样频率将会受限,且高频电路容易引起电磁干扰,增大损耗。 而在光域上用光子滤波器实现起来

3、较简单。射频信号调制到光信号上，利用基于光纤或集成光子器件的光子滤波器直接在光域处理，再转换为电信号后下变频。并将完成滤波后的微波信号输出,以实现特定微波频段内的信号滤波功能。,MPF的优势,与传统射频电路相比，在光域处理射频或微波信号具有许多独特的优点：尺寸小，质量轻，带宽宽（高时间带宽积），结构简单，损耗低(光延迟线的损耗非常低)，消除电子瓶颈，抗电磁干扰(EMI)，动态范围大，重构速度快，可调性好等。 用传统的微带或波导射频技术很难获得可重构的带通滤波器。还可以可以使用WDM技术来实现空间和波长并行传输，因此微波光子学技术可以广泛的应用于光纤无线传输系统中。,第1章 MPF的分类及其性能

4、参数第2章 高Q、负系数、高阶MPF典型方案分析,第3章 基于 SOA 级联窄带滤波器的有源环实现 IIR 滤波器的方案 分析,前言,微波光子滤波器（MPF,Microwave Photonic Filter),也称光子微波滤波器,是在全光域上实现微波信号处理的典型技术之一。它借助现有的微波光子技术及相应的光学器件搭建光学系统,允许特定频率微波信号通过的同时,抑制其它频率的微波信号,进而实现微波信号的滤波处理。,MPF的概念,MPF的分类,按滤波器抽头系数的多少,采用的光源的个数,按滤波器的抽头系数,负抽头,有限脉冲响应(FIR)滤波器,无限脉冲响应(IIR)滤波器,正抽头,复抽头,单光源微波

5、光子滤波器,多光源微波光子滤波器,主要提升微波光子学滤波器的什么性能参数呢？,微波光子滤波器研究重点是实现不同传输响应函数，例如带通、陷波、横向周期等。还注重可调谐、可重构、Q值等特性，以及单源、多源等结构的研究。 其主要目标是得到较大自由谱范围(FSR)和主旁瓣比(MSSR)，窄半峰全宽(FWHM)或3-dB带宽，高Q值。 如图，横向滤波器的时延单元T的频率表示1/T 即为FSR，不相邻信道的滤波抑制特性用MSSR表示，滤波谐振的谱选择性由FWHM或3-dB带宽给出，滤波器的选择特性由Q值表示，Q=FSR/FWHM。Q值取决于抽样数，即抽头数N。若 N10，则QN，对于窗函数滤波器，修正为Q

6、N。,影响MPF的主要性能参数,微波光子学滤波器有着独有的优势，但是要想将它应用在实际当中，还必须克服一系列潜在的限制，主要表现为以下几个方面：1自由频谱范围(FSR) 滤波器的自由频谱范围(FSR)就是传输函数响应的频谱周期，是由滤波器延迟线模块所产生的延迟时间T来决定的，FSR的可以表示为： FSR=1/T FSR和延迟线产生的延迟时间T呈反比，其大小决定了滤波器选择频谱的中心频率，也就是射频信号所能通过的中心频率。滤波器的延迟线可以利用各种不同的色散器件构成，如单模光纤，光纤布拉格光栅，光纤环等。,2品质因数(Q 值) 在微波光子学滤波器中，Q值会影响到滤波器通带对射频信号频谱的选择性。

7、 Q值的大小影响到滤波器选择性的好坏。,3主旁瓣抑制比(MSR) 表示了滤波器主瓣对边带的抑制程度，其大小决定了对边带的抑制程度，也反映了滤波器对边带噪声抑制性能的好坏。,4. 3dB 带宽(W3dB) 滤波器的 3dB 带宽是滤波器响应功率值下降3dB时的频谱宽度，其反应了滤波器所能通过的信号频率范围。,抽头数和抽头系数 MPF的抽头数也就是滤波器的采样点数，这是由滤波器的载波信号源和滤波器的结构决定的，抽头数的多少会影响到滤波器的主旁瓣抑制比(MSR)。滤波器的抽头系数分为正系数，负系数和复系数，系数的符号直接影响滤波器的通带特性，正系数的一般只能实现基带附近的低通滤波，而具有负系数或复系

8、数的滤波器能够实现带通滤波或陷波滤波。,除了上述因素外，影响滤波器性能的参数还有其它很多因素，如滤波器的抽头权重，结构中的损耗特性等。,(1) 可重构性： 可重构性是指可以任意改变滤波器抽头个数以及抽头间的相互关系,进而实现滤波器频谱形状的变化。无源的结构是没有这种特性的，现在一般通过使用光放大器、调制器、光纤光栅和激光阵列等来克服这一限制。即便如此，如何设计和构造所需要特殊的滤波器也是一个大的挑战。 (2) 可调谐性： 可调谐性是指MPF中心波长的位置可以通过改变光器件控制参数等方式而改变。实际上就是实现采样周期T的可调，现有方案中主要使用光纤延时线、高色散光纤和光纤布拉格光栅来解决，而在后

9、两种方案中，可调光源的使用十分必要。,MPF的主要研究方向,（3）负抽头的滤波器实现 要得到工作稳定的MPF,目前大多数的MPF研究都集中在非相干MPF。但是光源工作在非相干状态下的MPF在PD上响应时只能是光强度的叠加,由于光强只能为正值,对应于各个抽头的权重,只能取正值。 为了能够得到完全意义上的带通滤波器响应,需要在滤波器中引入负抽头。 为了实现负抽头,目前提出的方法有采用差分探测,混合光电方法,利用光电调制器的方向调制特性,或者采用光学器件中的自相位调制,受激布里渊散射,受激拉曼散射等非线性效应。,（5）克服光源的相干性 因为工作在相干状态下的MPF受环境的影响较大,现在提出的MPF方

10、案大部分是基于非相干MPF。但是相干性差的光源实际的使用范围受限。为了克服光源相干性对于MPF的影响,有报道中提出了釆用布拉格声光频移器来构建MPF,很好的实现了刹用相干光源搭建MPF。,（6）克服滤波器频率响应曲线的周期性特性 通过不同FSR的滤波器的级联或者采用非均勾的时延是增大MPF的FSR的常用方法。,从技术层面上考虑，微波光子学滤波器主要需要关注的是其可调谐性、负系数与高Q 值的实现这三个方面。可调谐保证了其灵活性，负系数则是为了实现高通和带通滤波器，而 Q 值是体现微波光子学滤波器频率选择性的一项重要指标。,可调谐性,负系数,高Q值,第1章 MPF的分类和性能指标第3章 基于 SO

11、A 级联窄带滤波器的有源环实现 IIR 滤波器的方案 分析,第2章 高Q、负系数、高阶MPF典型方案分析,前言,高Q滤波器实现,由Q值的定义可以看出，实现高Q即是要同时得到大的FSR和窄的3dB带宽。目前高Q的方案主要分为FIR、IIR以及级联结构的高Q实现。 对于单个FIR滤波器来说，FSR=1/T，而对于非相干的滤波器，T不可能无限制的减小，即FSR的大小是受到限制的。 一般通过提高FIR滤波器的分路数量，来减小其3dB带宽，从而达到实现高Q的目的。,目前已经报道了利用AWG对宽带光源进行谱分割实现40分路的FIR滤波器的方案，经频谱分割后，得到频率间隔相同的一系列波长的光载波，然后利用标

12、准单模光纤做延时线。设相邻两个载波的波长间隔为，光纤长度为L，色散参量为D，则相邻两载波信号之间的延迟时间为 T = LD,FIR滤波器实现高Q,图 基于 AWG 的 FIR 方案,如果在AWG之间引入开关阵列和衰减器阵列，就可以实现频率间隔以及分路加权系数的可调，从而实现延时T的调谐和滤波器的重构。,与FIR的单向结构不同，IIR滤波器需要引入递归，一般采用反射腔和环腔结构来实现。调制后的信号光经过反馈腔，一部分在腔内不断的反馈实现延时，一部分输出到探测器端，不同分路之间的延时由信号光在反馈腔行进一周需要的时间决定。目前已报道的利用单个FBG的环腔结构来实现高Q值IIR滤波器的方案，能实现Q

13、值为200的滤波器。 如图 ，这种结构利用了光纤光栅的两个面进行反射，延时为光在环腔中行进一周时间的两倍。,IIR滤波器实现高Q,图 基于单个 FBG 环腔结构的 IIR 方案,IIR和FIR级联实现高Q,(a)级联前,(b)级联后,用级联的方式来实现高Q滤波器，其思路是使用两个经过精心挑选的滤波器，一个具有很强的频率选择性和很窄的3dB带宽，其传递函数设为H(f)1 ,而另外一个滤波器则有很大的FSR，其传递函数设为H(f)2。这样经过级联这两个滤波器，得到一个传递函数为H(f)=H(f)1H(f)2的滤波器，这个滤波器同时具有很窄的3dB带宽和很大的FSR，即能实现很高的Q值。,图 IIR

14、 和 FIR 级联实现高Q滤波器,负系数滤波器的实现,非相干的MPF在探测器端是信号功率的叠加，一般只能实现正的加权系数，这样滤波器的波形局限在低通，为了实现高通和带通的滤波器，需要引入负系数。 为了得到负的加权系数，可以利用反相位调制。,如图，利用了SOA的交叉增益调制效应来实现一个2路的FIR负系数滤波器，可调谐激光器输出波长为1 ，DFB激光器输出波长为2 ，由于SOA的交叉增益调制效应，下路信号光1上携带的微波信号转移到探测光载波2上，且与1上的信号相位相反。载波1上的信号获得正的加权系数，载波2上的信号获得负的加权系数，它们可以由激光器的输出功率来调节。,基于 SOA 交叉增益调制效

15、应实现负系数的方案,图 基于 SOA 交叉增益调制效应实现负系数的方案,为获得多路负系数信号，可以将光滤波器输出的光束经耦合器分束。 这种方案的缺点在于需要引入SOA这样一个非线性源。,图 1-10 MZM 的调制曲线,MZM的调制曲线如图所示。利用两个MZM分别对两组载波进行调制，其中一个调制器工作在线性正斜率区，由它调制的得到的信号对应正的加权系数。另一个工作在线性负斜率区，由它调制得到的信号对应负的加权系数。,利用MZM实现负系数的方案,利用两个 MZM 来实现负系数 便于扩展得到多路信号，不过需要利用大量的可调谐激光器，增加了成本。,图 基于两个MZM实现负系数的方案,利用单个 MZM

16、 的反相位调制实现负系数 基于单个 MZM 的反相位调制也有报道。对不同的载波波长，MZM的调制曲线错开一定距离。 在同一个偏置电压下，如在Vbias=0.6V处，对1550nm的载波，工作点处在负斜率区，而对1300nm的载波，工作点处在正斜率区。这样，对波长1550nm附近的载波，调制得到的信号对应负的加权系数，对波长1300nm附近的载波，调制得到的信号对应正的加权系数。基于此原理，利用单个调制器就可以同时得到正加权系数和负加权系数。,图 不同载波波长对应的 MZM 的调制曲线,如图 ，为了产生相同的延迟时间T，两组载波应分别进行延时，因为它们处在不同的光通信窗口，对应的光纤色散参量不同

17、，光纤3在1550nm 处色散参量为零，用它来补偿两组光波之间的群速度的差值，以保证第N路信号与第N1路信号之间的延迟时刚好为T。,图 1-13 基于单个MZM实现负系数的方案,高阶滤波器的实现,一般讨论的IIR滤波器都有唯一的单极点，即为一阶滤波器。一阶IIR滤波器受到传递函数的限制，在实验中很难得到很高的Q值和滤波抑制比。 利用级联的办法在一定条件下能实现IIR和FIR滤波器的级联，从而大大的改善其Q值特性，然而IIR和IIR滤波器的级联却无法实现，从理想情况分析，如果能实现多个同样IIR滤波器传递函数的相乘，必然能改善滤波器的滤波特性，提高其Q值和滤波抑制比。高阶MPF的研究思路正是由此

18、出发，利用光学器件构造一个类似于IIR和IIR级联的传递函数，能对滤波器的滤波特性进行有效改善。,高阶滤波器的实现是目前微波光子学领域的一大难点，相关的方案报道很少，在2007 年以后才有了一定进展，已经报道的利用 FBG和有源环结构实现的三阶IIR滤波器方案能得到Q值约为100，而滤波抑制比高达50dB的结果，其方案原理如图a。 而最近由同一课题组报道的利用两个光耦合器的有源环腔实现z结构三阶IIR滤波器的方案能实现60dB的滤波抑制比，如图b。,图 a 利用FBG和有源环实现的三阶IIR滤波器方案,图 b 利用两个耦合器有源环腔实现的三阶IIR滤波器方案,第1章 MPF的分类及其性能指标第

19、2章 高Q、负系数、高阶MPF典型方案分析,第3章 基于 SOA 级联窄带滤波器的有源环实现 IIR 滤波器的方案 分析,前言,图 基于SOA级联窄带滤波器的有源环实现IIR滤波器的方案,实验方案,如上图，微波信号通过外调制器调制在光载波上，被调制的信号经过耦合器一部分直接输出，另外一部分进入环路实现延时，延时后的信号总有一部分继续在环内再延时，而另外一部分输出到探测器端，这样就实现了多路信号输出，在完全理想的情况下，可以实现无限分路的输出，即实现了IIR滤波器。 SOA在环路中起光放大器的作用，以补偿环路的损耗，SOA的工作状态对滤波器的Q值的大小有决定性的影响。SOA会引入放大自发辐射（A

20、mplified Spontaneous Emission, ASE）噪声，窄带的光滤波器能有效的抑制噪声功率。同时在特定情况下，SOA内部会发生交叉增益调制，光载波上的信号被反相调制到ASE上，正是利用了这一现象，通过调节SOA的工作状态以及光滤波器的滤波波长，来改变微波滤波器的滤波性能。,SOA工作在饱和状态下，环路中信号光持续的注入SOA，当功率相对较小的ASE光也注入到SOA中时，在SOA内部发生交叉增益调制，这样，信号光上的信号就被反相位调制到了ASE光上，实现了反向波长转换。,SOA 的交叉增益调制效应 由SOA的速率方程可知，SOA在放大光信号的同时会引起内部载流子的消耗，因而会

21、出现增益随着注入光功率增大而减小的现象，即增益饱和。出现增益饱和现象后，增益将会出现与注入光信号相反的调制作用，若此时有另一束功率较小的连续探测光注入SOA，那么呈反向调制的增益就会对探测光进行调制，从而使探测光能够探测到SOA增益随信号的变化。由于探测波长携带上了信号光的调制信息，即实现了调制信息在波长之间的转换，即波长转换。 利用SOA的交叉增益调制实现的反向波长转换。,极点和零点对MPF的影响,图 极点对滤波特性的影响,可以看出，极点的位置对滤波器FSR的大小没有影响，但是能改变其3dB 带宽，从而影响其Q值。当极点Zp在不断的趋近1的过程中，滤波特性得到明显的改善，Q值不断提高。,高Q

22、滤波器的模拟,极点决定波峰是否尖锐,取Zp=0.99 ，通过改变k来实现对零点位置的改变。当k0.5时，零点在负实轴上，当k0.5，零点在正实轴上。分别取k0.5和k0.5的情况进行模拟比较。,图 零点对滤波特性的影响,可以看出，当k0.5时，k的变化对于滤波器的特性影响很小，只在-20dB以下的波谷处有细微变化，而对波峰基本无影响，即此时零点对Q值的影响可以忽略。,当极点趋近于单位圆时，在波峰处零点的作用不明显。,根据上述分析可知，极点的位置对滤波波形起决定性作用，它主要决定了滤波器的波峰是否尖锐，而零点的位置对滤波波形起辅助作用，当极点趋近于单位圆时，在波峰处零点的作用不明显。,总结,输入

23、条件对 MPF的影响,图 入环功率对极点位置的影响,图 入环功率对滤波器Q值的影响,入环功率越小时，极点位置越趋近于1，也就是说，更小的入环功率有利于 SOA 在自增益饱和中稳定在更理想的增益G上。,电流 I 增大对于极点的趋近程度有饱和的趋势，但是由于在无限趋近于1的时候，Q 值对极点位置的变化极为敏感，因此，反映在Q值上，有着Q值随SOA电流I的增加成近似线性增加的趋势。,图 SOA 电流对极点位置的影响,图 SOA 电流对滤波器Q值的影响,减小Pin会导致在探测器端信噪比的劣化，使探测器探测到的有效路数变小，而使滤波器的Q值变小。因此无限制的减小Pin并不能使得滤波器的Q值得到无限制的提

24、升，存在一个入环的最佳功率。同样，在不断增大SOA电流的过程中，会导致SOA的增益G的增大，在一定临界条件下，G的增大对噪声的提升幅度要大于对信号的提升，一样会存在一个最佳的注入电流，使得滤波器的有效分路数最大，滤波器的Q值最高。,图 考虑噪声后入环功率对有效路数的影响,图 考虑噪声后SOA电流对有效路数的影响,可以看出，当随着入环功率的减小以及SOA注入电流的增加，在开始阶段对滤波器的性能有所改善，但是当这种变化到达一定程度后，继续的减小入环功率以及增大SOA电流，反而会使滤波器的有效分路数降低。 也就是说，存在着一个最佳的入环功率以及SOA电流，使得滤波器的有效分路数最大，Q 值最高。,总

25、结,负系数滤波器的模拟,在实现高Q的MPF时，窄带滤波器的中心波长是对准信号光载波波长的，而在负系数的实现中，使得滤波器有一定的失谐量。 这样，对于ASE来说，在滤波器中心波长上的衰减不变，依然为1 ，而对于信号光载波来说，滤波器的失谐导致信号光载波功率有了更大的衰减，设为3。,图 滤波器不失谐实现的正系数微波光子学滤波器,图 滤波器失谐实现的负系数微波光子学滤波器,图 不同失谐条件下的滤波波形(a) 3=0.11 (b)3=0.011,滤波器阶数的提高不仅仅对其3dB带宽产生影响，对整个滤波的波形都有改善。,图 滤波器阶数对 Q 值的影响,图 滤波器阶数对滤波波形的影响,高阶滤波器的模拟,结束语,通过之前一个多月对MPF的学习与研究，已经掌握了滤波器性能参数,了解了许多设计滤波器所需的基本光学器件，但是究其原理，还需要以后更深入的学习。 我目前正在对许多不同类型的MPF进行归类总结，结合当前实验室的可用器件，试图找到能有所改进的MPF的方案，并进行针对性实验和理论的分析研究。,THANK YOU!,