微波光子濾波技術(shù)概述（二）
1.2、負(fù)抽頭的實(shí)現(xiàn)
非相干的微波光子濾波器一般只能實(shí)現(xiàn)正抽頭，這對于濾波器的應(yīng)用不利。因?yàn)閭鹘y(tǒng)正系數(shù)的全光濾波器只能實(shí)現(xiàn)低通的濾波功能，而且其濾波形狀受到極大的限制，濾波效果往往不太理想，所以負(fù)抽頭對全光濾波器來說一直都是設(shè)計中的熱點(diǎn)問題。這方面的研究在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)展開，但在最近才獲得重大的進(jìn)展。為了解決此限制，目前所采用的主要方法有以下4種：
1)初期的負(fù)抽頭實(shí)現(xiàn)的出發(fā)點(diǎn)基本是以光電結(jié)合的方式進(jìn)行的，稱為差分探測[24]。圖6是其工作原理示意圖。將抽頭分為兩部分，一部分用來實(shí)現(xiàn)正抽頭，一部分用來實(shí)現(xiàn)負(fù)抽頭。這兩部分光信號分別被輸入到兩個光探測器中，然后在兩個光探測器上將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，最后在電域中執(zhí)行電信號相減運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)兩路信號在相位上相差π，所以可以分別得到正負(fù)抽頭。這種實(shí)現(xiàn)方法缺陷很明顯，負(fù)抽頭是通過電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)的，所以濾波性能受到電子設(shè)備的性能和有源設(shè)備帶來額外的噪聲影響以及這種結(jié)構(gòu)很難重構(gòu)，而且，器件價格也比較昂貴。
2)利用半導(dǎo)體光放大器(SOA)的非線性來實(shí)現(xiàn)負(fù)抽頭。這種方法利用了SOA交叉增益調(diào)制和交叉相位調(diào)制波長轉(zhuǎn)換的非線性現(xiàn)象獲得了π相位變換[25，26]。圖7顯示了其交叉增益調(diào)制的實(shí)現(xiàn)原理圖。被調(diào)制的光信號l1通過分路器分為兩路，其中一路和由另外一個激光器發(fā)出的光l2同時經(jīng)過SOA，由于SOA隨著光強(qiáng)度增加而增益飽和，所以波長l1的光信號強(qiáng)度反過來調(diào)制SOA的增益，注入的波長為l2光信號又會被調(diào)制后的增益所調(diào)制，這樣l2得到了l1上π相位反轉(zhuǎn)后的強(qiáng)度變化信號，因此實(shí)現(xiàn)了負(fù)系數(shù)。這種結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)性能和多抽頭結(jié)構(gòu)，在光域里的相位反轉(zhuǎn)受到SOA轉(zhuǎn)換帶寬的限制，另外存在的一個問題就是SOA對偏振很敏感。
3)基于利用光柵分割寬帶光源加多個可調(diào)光的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)負(fù)抽頭。這種結(jié)構(gòu)通過利用光柵組切割寬帶光源，使其在一定波長出現(xiàn)光功率的凹槽，再加上多個可調(diào)激光器使其出現(xiàn)光功率的峰值，合成的光源經(jīng)過延遲線，實(shí)現(xiàn)負(fù)抽頭。圖8給出了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)原理圖，這個結(jié)構(gòu)是由可調(diào)諧激光器和摻鉺光纖放大器(EDFA)組成的光源，兩個光源發(fā)出的光信號通過耦合器合并后經(jīng)過電光調(diào)制器被射頻信號所調(diào)制，再通過一定長度的光纖后被光波分析儀(LCA)所接受。這樣兩個抽頭的射頻濾波器就形成了。圖8里嵌入的圖是由光譜分析儀(OSA)探測得到的輸入進(jìn)電光調(diào)制器的光功率相對于EDFA光功率的比值圖，可以看到在光柵反射波長那里有個凹槽，這樣直接在光域就提供了相位反轉(zhuǎn)，也就是說實(shí)現(xiàn)了負(fù)抽頭。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是不受寬帶的限制、濾波器可以重構(gòu)、偏振不敏感。缺陷是在低頻總是存在直流信號，由于受到光源數(shù)量的限制，很難實(shí)現(xiàn)多抽頭。
4)利用電光調(diào)制器的傳輸函數(shù)正負(fù)斜率線性部分實(shí)現(xiàn)反相位調(diào)制來實(shí)現(xiàn)負(fù)抽頭[27，28]。這種方法里有兩種方式可實(shí)現(xiàn)負(fù)抽頭，第一種方式為一個波長兩個偏置點(diǎn)，如圖9[27]所示為固定波長下輸出光功率隨著電壓變化的曲線。從圖中可以看出，將兩個調(diào)制器的偏置點(diǎn)分別設(shè)在Vbias1和Vbias2，然后通過這兩個調(diào)制器使用相同的RF信號去調(diào)制光信號，因?yàn)閮蓚€偏置點(diǎn)都是線性偏置點(diǎn)，而且相位相差π，這樣從調(diào)制器出來后，兩路的RF信號就有了π的相位差，也就相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了負(fù)抽頭的設(shè)計。第二種方式為兩個波長一個偏置點(diǎn)[28]，如圖10所示，如果將偏置點(diǎn)電壓設(shè)在Vbias，則兩個波長所載的RF信號能夠?qū)崿F(xiàn)π相位差。
另外對于可重構(gòu)性的問題，由于傳輸函數(shù)的幅度響應(yīng)形狀只決定于系數(shù)，為了實(shí)現(xiàn)重構(gòu)，就要改變?yōu)V波器的形狀系數(shù)[3，6，29]。實(shí)踐中，可以通過調(diào)整光源的功率，或者通過控制抽頭光路中光波的衰減或者增益，等方法來改變形狀系數(shù)[30，31]。
2、結(jié)論與展望
綜上所述，微波光子濾波器的可調(diào)諧性的實(shí)現(xiàn)，使用直接改變光程的方法雖然簡單，但是調(diào)諧的過程比較復(fù)雜，需要特殊器件的引入，而使用可調(diào)諧的色散器件方法，調(diào)諧速度會受器件的影響，速度往往不太理想。相對于前兩種方法，使用波長可調(diào)諧光源結(jié)合色散介質(zhì)雖然結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜但是它是一種比較理想的實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的方法。對于濾波器負(fù)抽頭的實(shí)現(xiàn)，利用電光調(diào)制器的傳輸函數(shù)斜率線性部分來實(shí)現(xiàn)負(fù)抽頭相對于其他方法是最新也是最好的方法，對于研究和發(fā)展微波光子濾波器具有重要的參考意義。
綜合來看，微波光子濾波器的主要研究重點(diǎn)將是：發(fā)展更簡潔的技術(shù)獲得負(fù)系數(shù)和復(fù)系數(shù)濾波器；發(fā)展更多的技術(shù)實(shí)現(xiàn)濾波器可調(diào)諧；克服具有很小的延遲時間值的相干效應(yīng)實(shí)現(xiàn)與電路集成的目的；研究發(fā)展更好的微波光子濾波器的各項(xiàng)器件，現(xiàn)階段全光濾波器的帶寬受到調(diào)制器和探測器的帶寬限制，其中主要是調(diào)制器的帶寬限制。
雖然現(xiàn)階段全光可調(diào)諧濾波器仍然停留在實(shí)驗(yàn)研究階段?？梢灶A(yù)見這個技術(shù)具有巨大的應(yīng)用前景，對以后的濾波技術(shù)將產(chǎn)生巨大的影響。
作者：劉崇正、陳建國、周濤
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項(xiàng)目成果
