一种基于少模光子晶体光纤模式复用的可调谐微波光子滤波器的制作方法

1.本发明属于微波光子领域，具体涉及基于具有等模式群时延差特性的少模光子晶体光纤延迟线的可调谐微波光子滤波器。


背景技术：

2.微波光子滤波器(microwave photonic filter，mpf)是采用光学处理技术处理微波信号的关键器件。与传统射频域滤波器相比，微波光子滤波器集成了微波和光学信号处理技术的优点，具有高带宽、低损耗、抗电磁干扰、易重构、可调谐等特点，大大缩短了信号的处理时间，有效的提高了通信系统的时效性，有效地解决了传统射频技术遇到的“瓶颈”问题。
3.现有的基于光纤延迟线的微波光子滤波器结构根据光源的数量分为两类：单光源微波光子滤波器和多光源微波光子滤波器。
4.多光源微波光子滤波器是以激光器阵列作为光源。由于系统带宽和通带波纹是根据激光器所控制的抽头权重和波长间隔动态配置的，这种滤波器架构体积冗杂庞大，制造成本高，不利于实际应用。单光源微波光子滤波器是以一台激光器作为光源。与多光源微波光子滤波器相比，单光源微波光子滤波器有许多优势：实现多抽头仅需要一台激光器，易与现有通信系统融合；通过简单的相移即可实现负系数的微波光子滤波器特征；系统的可调谐、可重构特性更容易实现。但是，整个系统对环境变化极为敏感，例如温度变化、机械振动等，以及单模光纤延迟线长度误差的存在，容易导致输入信号相对相位的抖动。在交织过程中，产生相位抖动的光信号会引起耦合器耦合比和输出瞬时功率的变化，形成干扰噪声，影响单光源微波光子滤波器的性能。
5.因此，需要解决现有微波光子滤波器存在的不足，优化体积架构，提高滤波器的抗干扰能力，提升滤波器的性能。


技术实现要素：

6.本发明目的是利用少模光子晶体光纤的正交模式复用和群时延特性实现延迟线的功能，提供一种基于少模光子晶体光纤模式复用的可调谐微波光子滤波器结构；提升滤波器结构自由调谐的灵活度；优化传统多光源微波光子滤波器冗杂庞大的体积结构，降低器件制造成本；解决传统单光源微波光子滤波器中存在的光相位噪声干扰的问题。
7.本发明的技术方案：
8.基于少模光子晶体光纤模式复用的微波光子滤波器，其结构框图如图1所示，包括光源(1)、调制器(2)、模式复用器(3)、具有等模式群时延差特性的少模光子晶体光纤(4)及光电探测器(5)；其中光源(1)与调制器(2)的光输入端口(21)相连，调制器(2)的光输出端口(22)与模式复用器(3)的输入端口连接，模式复用器(3)的输出端口与具有等模式群时延差特性的少模光子晶体光纤(4)的输入端连接，具有等模式群时延差特性的少模光子晶体
光纤(4)的输出端与光电探测器(5)的光输入端口连接。调制器(2)的射频输入端口(23)为微波光子滤波器的接入端口，用于输入射频信号，光电探测器(5)的射频输出端口为微波光子滤波器的输出端口，用于输出射频信号。
9.所述的光源(1)为窄线宽连续可调谐光源(激光器)，可以任意改变输出光源的中心波长，也可以是宽带光源。
10.所述的调制器(2)为射频信号与光信号的转换装置。可以是电光强度调制器，也可以是电光相位调制器，或者是其他将射频信号调制到光信号上的装置。
11.所述的模式复用器(3)支持单模光纤中的基模耦合到具有等模式群时延差特性的少模光子晶体光纤的n个模式组，为单模光纤中的光信号耦合进入具有等模式群时延差特性的少模光子晶体光纤的装置，模式复用器中模式组的激发保持相互独立，可以全部激发少模光子晶体光纤中的n个模式组，也可以选择其中少于n个模式组进行激发。
12.所述的具有等模式群时延差特性的少模光子晶体光纤(4)具有空间分集特性，支持n个空间正交的模式组传输，每个空间模式组具有不同的群时延，且相邻模式组的模式群时延差相同。具有等模式群时延差特性的少模光子晶体光纤(4)在给定波长范围内，模式群时延是线性变化的，具有可调谐性；并且相邻的模式群时延差在给定中心波长处总保持等间隔分布。少模光纤容易制造，光纤的纤芯折射率分布是业界传统的抛物线型折射率分布，并且通过开槽的方法制作的气孔位置可以精确控制。
13.微波光子滤波器输出的信号是由光电探测器(5)的射频信号输出端口输出的。少模光子晶体光纤末端接入一个光电探测器(5)中，n个模式组所携带的光信号在光电探测器5内实现耦合。光电探测器(5)将探测到的光信号转化为射频信号输出。
14.微波光子滤波器为n抽头fir滤波器，使用具有等模式群时延差特性的少模光子晶体光纤(4)作为光纤延迟线。滤波器的抽头数n由具有等模式群时延差特性的少模光子晶体光纤的n个空间正交模式组确定，通过控制少模光纤中激发的模式组数量可以调整滤波器的抽头数。滤波器的n个抽头的幅值由模式复用器耦合到n个模式组的光功率决定，通过控制不同模式组的光功率可以实现正系数微波光子滤波器，也可以实现负系数微波光子滤波器。少模光纤中的各个模式相互正交，每个模式携带的光信号在各自的维度中传输，不受其他模式的干扰，不会引起光相位噪声的干扰。
15.微波光子滤波器的滤波响应与少模光子晶体光纤的模式群时延及光源的光谱形状相关。具有等模式群时延差特性的少模光子晶体光纤的长度与模式群时延差共同决定了滤波响应的自由频谱范围(fsr)。当少模光子晶体光纤的长度或者模式群时延变化时，微波光子滤波器的滤波响应发生变化。光源的光谱形状不同时，微波光子滤波器的滤波响应也会发生变化。
16.微波光子滤波器的滤波响应可调谐，其调谐特性由可调谐光激光器与具有等模式群时延差特性的少模光子晶体光纤的模式群时延差特性共同实现。通过调谐窄线宽可调谐激光器的工作波长，在少模光子晶体光纤中传输光信号的模式群时延相应的改变，从而改变微波光子滤波器滤波响应的自由频谱范围，实现滤波响应的可调谐性。
17.微波光子滤波器的滤波响应可重构，其重构特性由宽带光源的光谱响应决定。通过调节宽带光源的光谱响应实现滤波器滤波响应的可重构。微波光子滤波器的频率响应与所用光源的光谱有关，通过光滤波器件或者光谱整形设备对宽带光源的光谱进行调节，可
以实现微波光子滤波器滤波响应的可重构。
18.为了避免光的干扰，所述的微波光子滤波器需要工作在非相干状态下，需要保持少模光纤的长度大于光源的相干长度，或者选用的光源为非相干光源。
19.本发明工作原理如下：
20.光源(1)生成中心波长为λ0光载波信号，由光输入端口(21)注入调制器(2)。中心频率为ω
rf
的射频信号由调制器(2)的射频输入端口(23)注入。调制器(2)的输出端口(22)输出已调光信号。已调光信号经过模式复用器(3)注入具有等模式群时延差特性的少模光子晶体光纤(4)。光信号在具有等模式群时延差特性的少模光子晶体光纤(4)的末端注入到光电探测器(5)的光输入端口，射频输出端口输出射频信号。
21.与上述装置所对应的，本发明还提供一种具有等模式群时延差特性的少模光子晶体光纤的设计方法，具有等模式群时延差特性的少模光子晶体光纤为渐变折射率光纤晶体光纤。光纤的结构参数设置为：光纤的纤芯半径为r1，空气孔半径为r2，包层半径为r3，空气孔距离纤芯外沿的距离w，纤芯折射率的最大值为n
cl
，相对折射率差为δ，包层折射率为n
co
。光纤纤芯介质为掺杂二氧化锗的二氧化硅，光纤包层介质为纯二氧化硅，支持模式组g1、g2、g3
…
gn并行传输。设计方法包括以下步骤：
22.第一，根据制备条件，选取光纤纤芯介质中二氧化锗的掺杂浓度的取值，进一步地确定在确定波长处纤芯折射率最大值n
co
、包层折射率n
cl
；
23.第二，在确定波长范围下，根据所设计的模式组数量确定归一化频率v，进一步地确定纤芯半径r1、包层半径为r3。为了降低光纤的非线性效应，归一化频率v应为取值范围内的最大值；
24.第三，根据得到的纤芯折射率最大值、包层折射率、纤芯半径以及包层半径在comsol中仿真得到不同模式组的有效折射率n
eff
。各模式组的有效折射率影响各模式组的群延时。利用群延时公式求出各模式组的群延时；
25.第四，通过调整空气孔半径r2、空气孔距离纤芯外沿的距离w确定相邻模式组的群延时等间隔分布。
26.本发明的优点和有益效果：
27.本发明提供了一种紧凑、易实施的微波光子滤波器结构。利用具有等模式群时延差特性的少模光子晶体光纤作为光纤延迟线，单一信号在不同的模式维度中实现并行传输。利用模式色散效应产生的时延差，实现多抽头、高频率的微波光子滤波器。具有等模式群时延差特性的少模光子晶体光纤的模式正交性保持了各模式独立传输的特性，使存在于传统单光源微波光子滤波器中的光相位噪声干扰问题得到解决。优化了庞大冗杂的传统多光源微波光子滤波器结构，降低了器件生产成本，提升了器件使用的灵活度。
附图说明
28.图1是本发明所述的基于少模光子晶体光纤模式复用的微波光子滤波器结构示意图。
29.图2是一种模式复用器的结构图。
30.图3是一种具有等模式群时延差特性的少模光子晶体光纤横截面示意图。
31.图4是一种具有等模式群时延差特性的少模光子晶体光纤纤芯折射率分布示意
图。
32.图5是模式组g1、g2、g3和g4在不同波长下有效折射率分布图。
33.图6是模式组g1、g2、g3和g4在不同波长下群时延分布图。
34.图7是模式组g2、g3和g4在不同波长下相对于模式组g1的归一化差分群时延分布图。
35.图8是本发明具体实施方式中微波光子滤波器在0～20ghz范围内的频率响应曲线图。
36.图9是本发明具体实施方式中微波光子滤波器在2～8ghz范围内的频率响应曲线图。
37.图10是本发明具体实施方式中微波光子滤波器在7～13ghz范围内的频率响应曲线图。
38.图11是本发明具体实施方式中微波光子滤波器在12～18ghz范围内的频率响应曲线图。
39.图中：
40.1、激光器；2、电光调制器；3、模式复用器；4、少模光子晶体光纤；5、光电探测器。
具体实施方式
41.实施例1：
42.为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实例方式进行详细说明。
43.本发明建立了基于少模光子晶体光纤模式复用的微波光子滤波器，其结构如图1所示，包括光源(1)、调制器(2)、模式复用器(3)、具有等模式群时延差特性的少模光子晶体光纤(4)及光电探测器(5)；其中光源(1)与调制器(2)的光输入端口(21)相连，电光调制器(2)的光输出端口(22)与模式复用器(3)的输入端口连接，模式复用器(3)的输出端口与具有等模式群时延差特性的少模光子晶体光纤(4)的输入端连接，具有等模式群时延差特性的少模光子晶体光纤(4)的输出端与光电探测器(5)的光输入端口连接。调制器(2)的射频输入端口(23)为微波光子滤波器的输入端口，用于输入待滤波的射频信号，光电探测器(5)的输出端口为微波光子滤波器的输出端口，用于输出射频信号。
44.作为一种优选的实施方式，本实施例的光源(1)采用窄线宽连续可调谐激光器。
45.作为一种优选的实施方式，本实施例的调制器(2)采用马赫
‑
曾德尔强度调制器。
46.作为一种优选的实施方式，本实施例的模式复用器(3)，如图2所示，主要由耦合器(a)和光子灯笼(b)组成。所述耦合器输入端口(a1)为光输入端口。所述光子灯笼(b)输出端口(b5)为光信号输出端口。所述耦合器第一输出端口(a2)与光子灯笼(b)的第一输入端口(b1)连接，耦合器第二输出端口(a3)与光子灯笼(b)的第二输入端口(b2)连接，耦合器第三输出端口(a4)与光子灯笼(b)的第三输入端口(b3)连接，耦合器第四输出端口(a5)与光子灯笼(b)的第四输入端口(b4)连接。
47.作为一种优选的实施方式，本实施例的具有等模式群时延差特性的少模光子晶体光纤横截面结构如图3所示，设计步骤为：
48.第一，根据制备条件，选取光纤纤芯介质中二氧化锗的掺杂浓度的取值为0.0085，
进一步地确定在1550nm处纤芯折射率最大值n
co
＝1.4564、包层折射率n
cl
＝1.444；
49.第二，在确定波长范围下，根据所设计的模式组数量确定归一化频率v取值范围为5.6～6.6，进一步地确定纤芯半径r1＝12.5μm、包层半径为r3＝62.5μm。为了降低光纤的非线性效应，归一化频率v应为取值范围内的最大值6.6；
50.第三，根据得到的纤芯折射率最大值、包层折射率、纤芯半径以及包层半径在comsol中仿真得到不同模式组的有效折射率n
eff
。各模式组的有效折射率影响各模式组的群延时。利用群延时公式求出各模式组的群延时；
51.第四，通过调整空气孔半径r2＝3.8μm、空气孔距离纤芯外沿的距离w＝1.9μm确定相邻模式组的群延时等间隔分布。
52.确定少模光子晶体光纤的结构参数为：纤芯半径为r1＝12.5μm，空气孔半径为r2＝3.8μm，包层半径为r3＝62.5μm，空气孔距离纤芯外沿的距离w＝1.9μm。图4是所述的少模光子晶体光纤纤芯折射率分布示意图。中心波长为1550nm时，纤芯折射率的最大值为n
cl
＝1.4564，相对折射率差为δ＝0.0085，包层折射率为n
co
＝1.444。支持模式lp01、lp11、lp21、lp02、lp31以及lp12并行传输。
53.本实施例的具有等模式群时延差特性的少模光子晶体光纤模式有效折射率分布图如图5所示，模式lp01、lp11、lp21、lp02、lp31以及lp12在中心波长1500nm处的有效折射率分别为：1.4540、1.4516、1.4490、1.4490、1.4465、1.4465。由于lp21和lp02、lp31和lp12具有相同的有效折射率，将模式简并为四个模式组g1、g2、g3以及g4表示。模式组g1中含有lp01模式，模式组g2中含有lp11模式，模式组g3中含有lp21和lp02模式，模式组g4中含有lp31和lp12模式。
54.本实施例的具有等模式群时延差特性的少模光子晶体光纤在波长1530～1630nm范围内，群延时分布曲线如图6所示。模式组g1、g2、g3以及g4的在中心波长1550nm处的群延时分别为：4.9175ns/m、4.9179ns/m、4.9183ns/m、4.9187ns/m。图7是模式组g2、g3和g4在不同波长下相对于模式组g1的归一化群时延差分布图。
55.本实施例的具有等模式群时延差特性的少模光子晶体光纤长度为500m。为了保证微波光子滤波器在非相干条件下工作，所述的少模光子晶体光纤长度应远远大于激光器的相干长度。
56.模式组g1、g2、g3、g4并行传输的光信号在少模光子晶体光纤(4)的输出端注入光电探测器(5)，经光电转换，由射频输出端口输出射频信号。
57.图8是本发明具体实施方式中微波光子滤波器在0～20ghz范围内的频率响应曲线图。在0～20ghz的频率响应范围内，出现了在5ghz、10ghz、15ghz位置的三个滤波通带，通带的中心频率随激光器1的中心波长在1530～1630nm范围内的变化实现连续可调。图9是本发明具体实施方式中微波光子滤波器在2～8ghz范围内的频率响应曲线图。通带的中心频率随激光器1的中心波长在1530～1630nm范围内的变化实现4.60～5.13ghz连续可调。图10是本发明具体实施方式中微波光子滤波器在7～13ghz范围内的频率响应曲线图。通带的中心频率随激光器1的中心波长在1530～1630nm范围内的变化实现9.20～10.27ghz连续可调。图11是本发明具体实施方式中微波光子滤波器在12～18ghz范围内的频率响应曲线图。通带的中心频率随激光器1的中心波长在1530～1630nm范围内的变化实现13.80～15.40ghz连续可调。