專利名稱：基于啁啾光纖光柵和摻雜有源光纖的微波光子濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微波光子濾波器，適用于光纖微波通信(RoF: Radio on/over Fiber)、微波光子、衛(wèi)星通信以及雷達(dá)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
日新月異的通信技術(shù)和IT技術(shù)，促進(jìn)社會不斷發(fā)展。大容量數(shù)字微波傳 輸系統(tǒng)投入使用后不久，就被大容量長距離光纖通信系統(tǒng)取代。近幾年，伴隨 著電子技術(shù)高速、高頻化的出現(xiàn)，毫米波波段又迎來復(fù)興期，在電磁波波段， 先進(jìn)的光纖通信技術(shù)正發(fā)揮著作用。對人類來說，21世紀(jì)留給人們的最大資產(chǎn) 是電波和光融合的電磁波波段。換言之，現(xiàn)代通信的關(guān)鍵是"光和無線"。
微波在衛(wèi)星通信和陸地移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用日益普遍，而微波濾波器在 通信系統(tǒng)中占有十分重要的地位，是一種關(guān)鍵的射頻器件。
目前微波濾波器的發(fā)展趨勢主要包括階躍阻抗諧振濾波器，具有較好的抑 制諧波性能且加工尺寸?。晃⒉ㄓ性礊V波器，可以不失真地通過所要求的通帶 信號，同時(shí)盡可能大地抑制不需要的阻帶信號，是實(shí)現(xiàn)該頻段低損耗和高性能 微波集成濾波器的重要手段，具有很大的市場潛力；薄膜聲學(xué)體波共振技術(shù)， 在小型化方面占有絕對的優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)體積小于目前基于陶瓷產(chǎn)品10%的產(chǎn)品； 此外，微波、毫米波通信，雷達(dá)、測量儀表等系統(tǒng)和設(shè)備，要求微波器件與電 路達(dá)到更高、更新的水平，超導(dǎo)材料的出現(xiàn)為微波技術(shù)的發(fā)展帶來新的推動力。 隨著移動通信、電子對抗和導(dǎo)航技術(shù)的飛速發(fā)展，對新的微波元器件的需求和 現(xiàn)有器件性能的改善提出了更高的要求。
微波光子技術(shù)將微波學(xué)和光學(xué)融合在一起，成為一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域，通
常稱為Microwave Photonics(簡稱MWP)。光子技術(shù)和微波、毫米波的集成在遠(yuǎn) 程通信的發(fā)展上打開了一個(gè)神奇的、充滿希望的領(lǐng)域。光技術(shù)和電波技術(shù)相融 合，利用光纖具有的低損耗、大容量、無感應(yīng)、重量輕、易于搬運(yùn)等特點(diǎn)，在 傳統(tǒng)的微波技術(shù)中引入光技術(shù)，可組成信息社會的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到個(gè)別技術(shù)不 斷發(fā)展也無法實(shí)現(xiàn)的通信系統(tǒng)高功能化和高度化。最近十年，微波光子學(xué)引起 了世界各國的重視，現(xiàn)在專門的微波光子國際會議每年在北美、歐洲、亞太地 區(qū)輪流召開。
事實(shí)上，由于在微波/毫米波光纖系統(tǒng)中潛在的應(yīng)用價(jià)值，光域上的微波 信號處理技術(shù)己經(jīng)引起了眾多研究者的興趣，成為近年來一個(gè)國際上的研究熱 點(diǎn)。比起傳統(tǒng)的電子微波濾波器，微波光子濾波器有著電磁環(huán)境兼容性好、體 積小、重量輕和工作帶寬較寬等優(yōu)點(diǎn)。光纖光柵具有良好的波長選擇性能和濾 波特性，能以靈巧的方式構(gòu)建微波光子濾波器，因此近年提出了許多基于光纖 光柵的微波光子濾波器結(jié)構(gòu)，如不平衡馬赫曾德干涉儀結(jié)構(gòu)、基于寬帶光源和 光纖光柵陣列的結(jié)構(gòu)、采用超結(jié)構(gòu)光柵和寬帶光源的結(jié)構(gòu)、采用光纖光柵對的 結(jié)構(gòu)、基于可調(diào)諧激光器和光纖光柵的結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制差分延遲線的 可調(diào)濾波結(jié)構(gòu)等，但是存在的主要問題是成本較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可調(diào)諧性較差。
在期刊《光電子*激光》2006年1月出版，第17巻1期中的"基于光纖環(huán) 的可調(diào)諧微波光子濾波器"中，提出了一種微波光子濾波器結(jié)構(gòu)，激光器的輸 出端接調(diào)制器的一個(gè)輸入端，射頻信號發(fā)生器的輸出端接調(diào)制器的另一個(gè)輸入 端；調(diào)制器的輸出端接光纖耦合器的一個(gè)輸入端，光纖耦合器的另一個(gè)輸入端 與光纖環(huán)形器的第一端口相連，光纖環(huán)形器的第二端口與光纖耦合器的一個(gè)輸 出端相連，光纖環(huán)形器第三端口連接N個(gè)串聯(lián)的光纖光柵；光纖耦合器的另一 個(gè)輸出端與光電檢測器的輸入端連接；該結(jié)構(gòu)的微波光子濾波器充分利用光纖
光柵的波長選擇特性，其自由頻程可通過改變輸入光載波的波長而實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)
諧，具有陡峭的帶外衰減，平坦的帶內(nèi)幅頻特性和相位特性；但該結(jié)構(gòu)的濾波
器最大的缺陷在于品質(zhì)因數(shù)比較低，使得濾波器性能差。
總之，微波濾波器在通信系統(tǒng)中占有十分重要的地位，是一種關(guān)鍵的射頻 器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提高微波光子濾波器的品質(zhì)因數(shù)，改善濾波 器性能，提供一種基于啁啾光纖光柵和有源光纖的微波光子濾波器。
本發(fā)明的技術(shù)方案
基于啁啾光纖光柵和摻雜有源光纖的微波光子濾波器，構(gòu)成該濾波器的器件 之間的連接為激光器的輸出端接調(diào)制器的一個(gè)輸入端，射頻信號發(fā)生器的輸出 端接調(diào)制器的另一個(gè)輸入端；調(diào)制器的輸出端接光纖耦合器的一個(gè)輸入端，光纖 耦合器的另一個(gè)輸入端接光纖環(huán)形器的第一端口，光纖環(huán)形器的第二端口與摻雜 有源光纖的一端相連，光纖環(huán)行器的第三端口串聯(lián)N個(gè)啁啾光纖光柵，摻雜有 源光纖的另一端與波分復(fù)用器的輸出端相連，波分復(fù)用器的一個(gè)輸入端接泵浦 源，波分復(fù)用器的另一個(gè)輸入端與光纖耦合器的一個(gè)輸出端相連，光纖耦合器的 另一個(gè)輸出端與光電檢測器的輸入端連接。
摻雜有源光纖為慘鉺、摻鐿、摻鈥、鐿鉺共摻、摻釷、摻鐠或摻釹有源光纖。
光纖耦合器分光比為任意的。
泵浦源的泵浦方式為同向泵浦、后向泵浦或雙向泵浦。
摻雜有源光纖的長度^0.5米。
本發(fā)明的有益效果具體如下
本發(fā)明所述的基于啁啾光纖光柵和摻雜有源光纖的微波光子濾波器，充分
利用啁啾光纖光柵的波長選擇特性，在光纖環(huán)行器與光纖耦合器中加入摻雜有 源光纖，大幅度提高了微波光子濾波器的品質(zhì)因數(shù)，改善了微波光子濾波器的 性能，其自由頻程可通過改變輸入光載波的波長而實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)諧，該高性能的 微波光子濾波器與低噪聲前置放大器、小型制冷機(jī)和電子控制系統(tǒng)可組成濾波 器系統(tǒng)代替現(xiàn)有移動通信基站中由普通金屬濾波器組成的常規(guī)濾波器系統(tǒng)，能 夠較大幅度地提高通話質(zhì)量，增加通話容量，擴(kuò)大基站的覆蓋面積，增強(qiáng)基站 的抗干擾能力，降低手機(jī)發(fā)射功率，具有誘人的發(fā)展前景。


圖l為基于啁啾光纖光柵和摻雜有源光纖的微波光子濾波器啁啾光纖光柵
個(gè)數(shù)為N的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為基于啁啾光纖光柵和慘雜有源光纖的微波光子濾波器啁啾光纖光柵 個(gè)數(shù)為2的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為基于啁啾光纖光柵和摻雜有源光纖的微波光子濾波器啁啾光纖光柵 個(gè)數(shù)為6的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為基于啁啾光纖光柵和摻雜有源光纖的微波光子濾波器啁啾光纖光柵 個(gè)數(shù)為10的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對基于啁啾光纖光柵和摻雜有源光纖的微波光子濾波器作進(jìn) 一步描述。 實(shí)施例一
如圖2，基于啁啾光纖光柵和摻雜有源光纖的微波光子濾波器，其構(gòu)成的器 件之間的連接-
選擇啁啾光纖光柵的個(gè)數(shù)N為2。
選擇摻雜有源光纖60為摻鉺光纖，長度為1米。 選擇泵浦光80的泵浦方式為同向泵浦。 選擇光纖耦合器40的分光比為50: 50
激光器10的輸出端接調(diào)制器30的一個(gè)輸入端，射頻信號發(fā)生器20的輸出 端接調(diào)制器30的另一個(gè)輸入端；調(diào)制器30的輸出端接分光比為50: 50的光纖 耦合器40的一個(gè)輸入端，光纖耦合器40的另一個(gè)輸入端接光纖環(huán)形器50的第 一端口 1 ，光纖環(huán)形器50的第二端口 2與長度為1米的摻鉺光纖60的一端相連， 光纖環(huán)形器50的第三端口 3串聯(lián)2個(gè)啁啾光纖光柵91， 92，摻鉺光纖60的另 一端與波分復(fù)用器70的輸出端相連，波分復(fù)用器70的一個(gè)輸入端接泵浦源80， 泵浦源80通過波分復(fù)用器70對摻鉺光纖60進(jìn)行同向泵浦產(chǎn)生增益，波分復(fù)用 器70的另一個(gè)輸入端與光纖耦合器40的一個(gè)輸出端相連，光纖耦合器40的另 一個(gè)輸出端與光電檢測器100的輸入端連接。
射頻信號發(fā)生器20發(fā)射的射頻信號與激光器10發(fā)出的光信號在調(diào)制器30 中進(jìn)行調(diào)制，之后調(diào)制器30輸出的光信號射入光纖耦合器40中，泵浦光80同 向泵浦驅(qū)動1米長的摻鉺光纖60產(chǎn)生增益，由于啁啾光纖光柵91， 92具有對 不同波長的反射能力，根據(jù)波長的不同被調(diào)制的光被切割成和光纖光柵91， 92 數(shù)目相同的2束光束，光束的寬度由啁啾光纖光柵91， 92的反射帶寬決定，而 每束切割光因?yàn)榉瓷潼c(diǎn)的不同，到達(dá)光纖環(huán)行器50第三端口 3相鄰之間有一個(gè) 時(shí)間差，這樣就形成了不同光束的延時(shí)差，通過改變激光器10輸入光的波長， 光信號經(jīng)過光纖環(huán)行器50的第三端口 3串聯(lián)的啁啾光纖光柵的路徑是不同的， 因而微波光子濾波器的自由頻程也相應(yīng)的改變，從而實(shí)現(xiàn)有源的高品質(zhì)因數(shù)濾 波和可調(diào)諧性。 實(shí)施例二
如圖3，基于啁啾光纖光柵和摻雜有源光纖的微波光子濾波器，其構(gòu)成的器 件之間的連接-
選擇啁啾光纖光柵的個(gè)數(shù)N為6。 選擇摻雜有源光纖60為摻鐿光纖，長度為4米。 選擇泵浦光80的泵浦方式為后向泵浦。 選擇光纖耦合器40的分光比為30: 70
激光器10的輸出端接調(diào)制器30的一個(gè)輸入端，射頻信號發(fā)生器20的輸出 端接調(diào)制器30的另一個(gè)輸入端；調(diào)制器30的輸出端接分光比為30: 70的光纖 耦合器40的一個(gè)輸入端，光纖耦合器40的另一個(gè)輸入端接光纖環(huán)形器50的第 一端口 1，光纖環(huán)形器50的第二端口2與波分復(fù)用器70的輸出端相連，光纖環(huán) 形器50的第三端口 3串聯(lián)6個(gè)啁啾光纖光柵91， 92，……，96，波分復(fù)用器 70的一個(gè)輸入端與4米長的摻鐿光纖60的一端相連，波分復(fù)用器70的另一個(gè) 輸入端接泵浦源80，泵浦源80通過波分復(fù)用器70對摻鐿光纖60進(jìn)行反向泵浦 產(chǎn)生增益，摻鐿光纖60的另一端與光纖耦合器40的一個(gè)輸出端相連，光纖耦 合器40的另一個(gè)輸出端與光電檢測器100的輸入端連接。
如圖4，基于啁啾光纖光柵和摻雜有源光纖的微波光子濾波器，其構(gòu)成的器
件之間的連接
選擇啁啾光纖光柵的個(gè)數(shù)N為10。 選擇摻雜有源光纖60為摻鈦光纖，長度為10米。 選擇泵浦光80的泵浦方式為雙向泵浦。 選擇光纖耦合器40的分光比為50: 50
激光器10的輸出端接調(diào)制器30的一個(gè)輸入端，射頻信號發(fā)生器20的輸出
端接調(diào)制器30的另一個(gè)輸入端；調(diào)制器30的輸出端接分光比為50: 50的光纖 耦合器40的一個(gè)輸入端，光纖耦合器40的另一個(gè)輸入端接光纖環(huán)形器50的第 一端口 1，光纖環(huán)形器50的第二端口2與波分復(fù)用器70的輸出端相連，光纖環(huán) 形器50的第三端口3串聯(lián)10個(gè)啁啾光纖光柵91， 92，……，910，波分復(fù)用器 70的一個(gè)輸入端與10米長的摻釹光纖60的一端相連，波分復(fù)用器70的另一個(gè) 輸入端接泵浦源80，摻釹光纖60的另一端與波分復(fù)用器71的輸出端相連，波 分復(fù)用器71的一個(gè)輸入端接泵浦源81，波分復(fù)用器71的另一個(gè)輸入端與光纖 耦合器40的一個(gè)輸出端相連，泵浦源80通過波分復(fù)用器70，泵浦源81通過波 分復(fù)用器71同時(shí)對摻釹光纖60進(jìn)行雙向泵浦產(chǎn)生增益，光纖耦合器40的另一 個(gè)輸出端與光電檢測器100的輸入端連接。 實(shí)施例四
如圖l，基于啁啾光纖光柵和摻雜有源光纖的微波光子濾波器，其構(gòu)成的器 件之間的連接
激光器10的輸出端接調(diào)制器30的一個(gè)輸入端，射頻信號發(fā)生器20的輸出 端接調(diào)制器30的另一個(gè)輸入端；調(diào)制器30的輸出端接光纖耦合器40的一個(gè)輸 入端，光纖耦合器40的另一個(gè)輸入端接光纖環(huán)形器50的第一端口 1，光纖環(huán)形 器50的第二端口 2與摻雜有源光纖60的一端相連，光纖環(huán)形器50的第三端口 3串聯(lián)N個(gè)啁啾光纖光柵91， 92，……，9N，摻雜有源光纖60的另一端與波 分復(fù)用器70的輸出端相連，波分復(fù)用器70的一個(gè)輸入端接泵浦源80，泵浦源 80通過波分復(fù)用器70對摻雜有源光纖60進(jìn)行同向泵浦產(chǎn)生增益，波分復(fù)用器 70的另一個(gè)輸入端與光纖耦合器40的一個(gè)輸出端相連，光纖耦合器40的另一 個(gè)輸出端與光電檢測器100的輸入端連接。
摻雜有源光纖60為摻鉺、摻鐿、摻鈥、鐿鉺共摻、摻釷、摻鐠或摻釹有源
光纖。
光纖耦合器40分光比為任意的。
泵浦源80的泵浦方式為同向泵浦、后向泵浦或雙向泵浦。
摻雜有源光纖60的長度》0.5米。 實(shí)施例二，實(shí)施例三，實(shí)施例四中的微波光子濾波器的實(shí)現(xiàn)原理思想與實(shí) 施例一中相同，只是啁啾光纖光柵的數(shù)量不同使得切割的光束數(shù)量不同，以及 選擇的摻雜有源光纖種類和泵浦方式有所不同。目前啁啾光纖光柵的個(gè)數(shù)可以 做到80個(gè)，但隨著光纖光柵制作工藝以及所用的光器件不斷發(fā)展，啁啾光纖光 柵的個(gè)數(shù)會逐漸增多，從而使得微波光子濾波器的調(diào)諧范圍逐漸增大。
本發(fā)明所使用器件均由市場選購。
權(quán)利要求
1. 基于啁啾光纖光柵和摻雜有源光纖的微波光子濾波器，構(gòu)成該濾波器的器件之間的連接為激光器(10)的輸出端接調(diào)制器(30)的一個(gè)輸入端，射頻信號發(fā)生器(20)的輸出端接調(diào)制器(30)的另一個(gè)輸入端；調(diào)制器(30)的輸出端接光纖耦合器(40)的一個(gè)輸入端，光纖耦合器(40)的另一個(gè)輸入端與光纖環(huán)形器(50)的第一端口(1)相連，光纖環(huán)形器(50)的第二端口(2)與光纖耦合器(40)的一個(gè)輸出端相連，光纖環(huán)形器(50)第三端口(3)連接N個(gè)串聯(lián)的光纖光柵(91～9N)；光纖耦合器(40)的另一個(gè)輸出端與光電檢測器(100)的輸入端連接；其特征在于，光纖環(huán)形器(50)的第二端口(2)與摻雜有源光纖(60)的一端相連，摻雜有源光纖(60)的另一端與波分復(fù)用器(70)輸出端相連；波分復(fù)用器(70)一個(gè)輸入端與泵浦源(80)相連，波分復(fù)用器(70)另一個(gè)輸入端與光纖耦合器(40)的另一個(gè)輸出端相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于啁啾光纖光柵和有源光纖的微波光子濾波器， 其特征在于，摻雜有源光纖(60)為摻鉺、摻鐿、摻鈥、鐿鉺共摻、摻釷、摻 鐠或摻釹有源光纖。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于啁啾光纖光柵和有源光纖的微波光子濾波器， 其特征在于，所用的光纖耦合器(40)分光比為任意的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于啁啾光纖光柵和有源光纖的微波光子濾波器， 其特征在于，所用的泵浦源(80)的泵浦方式為同向泵浦、后向泵浦或雙向泵 浦。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于啁啾光纖光柵和有源光纖的微波光子濾波器， 其特征在于，摻雜有源光纖(60)的長度》0.5米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于啁啾和摻雜有源光纖的微波光子濾波器，其構(gòu)成器件的連接激光器(10)輸出端及射頻信號發(fā)生器(20)輸出端分別接調(diào)制器(30)兩個(gè)輸入端；調(diào)制器輸出端接光纖耦合器(40)的一個(gè)輸入端，光纖耦合器另一個(gè)輸入端接光纖環(huán)形器(50)第一端口，光纖環(huán)形器第二端口接摻雜有源光纖(60)的一端，摻雜有源光纖另一端接波分復(fù)用器(70)輸出端；光纖環(huán)形器的第三端口與N個(gè)光纖光柵串接。波分復(fù)用器一個(gè)輸入端接泵浦源(80)，另一個(gè)輸入端與光纖耦合器的一個(gè)輸出端相連。光纖耦合器另一個(gè)輸出端接光電檢測器(100)輸入端。該濾波器品質(zhì)因數(shù)高、成本低。用于光纖微波通信、微波光子、衛(wèi)星通信及雷達(dá)等領(lǐng)域。
文檔編號G02B6/34GK101393304SQ20081022629
公開日2009年3月25日 申請日期2008年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月12日
發(fā)明者劉俊杰, 卓安生, 吳樹強(qiáng), 祁春慧, 麗 裴, 趙瑞峰, 蘭 郭, 乂 阮 申請人:北京交通大學(xué)