可重构的矩形微波光子滤波器及滤波方法

技术领域

本发明涉及滤波器技术领域，更为具体地，涉及一种可重构的矩形微波光子滤波器及滤波方法。

背景技术

目前，基于微环的微波光子滤波器在微波光子信号处理系统中具有重要的应用，对微波光子滤波器的性能要求越来越高。现有相关的微波光子滤波器架构主要包括两种，即直接利用带通光滤波器结构对调制到光频的微波频谱滤波，以及利用陷波光滤波器作用于调制到光频的微波频谱滤波，其后对对称于光载波分布的两调制边带再进行拍频解调。

其中，前者为实现光滤波器的低矩形系数和可重构带宽，往往需要多个微环与MZI组合形成复杂的带通光滤波器，各个组件的叠加将引入较大的片上光损耗；而后者要实现带宽的可重构，通常会采用两个带宽不同的陷波微环级联，两陷波峰分别对调制后的两边带作用，并进行拍频解调，微波带宽由两陷波峰带宽差分决定，通过调节两陷波峰的位置实现带宽可调。但是，此方法较大地受限于单个微环陷波峰形状，带宽的调节范围较小，且微波滤波响应矩形系数较差。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种可重构的矩形微波光子滤波器及滤波方法，以解决现有滤波器存在的可调范围小、结构复杂以及矩形系数较差等问题。

本发明提供的可重构的矩形微波光子滤波器，包括：依次连接的连续可调激光源、相位调制器、掺铒光纤放大器、多微环级联芯片和光电探测器；其中，连续可调激光源用于产生光载波信号；相位调制器用于将输入端射频信号调制到光载波信号上，形成调制信号；掺铒光纤放大器用于对调制信号进行放大，并发送至多微环级联芯片进行滤波处理，获取对应的滤波信号；光电探测器用于对滤波信号进行下变频至射频频段并输出。

此外，可选的技术方案是，调制信号包括两个边带，两个边带的幅值相等，相位相差180°；多微环级联芯片用于对两个边带进行过滤处理。

此外，可选的技术方案是，多微环级联芯片由至少两个微环滤波器级联而成；并且，每个微环滤波器的中心波长均可调。

此外，可选的技术方案是，微环滤波器的总数量为2N个，两个边带分别由N个微环滤波器进行滤波处理；其中，N表示正整数。

此外，可选的技术方案是，位于同一边带内的N个微环滤波器的中心波长间距相等。

此外，可选的技术方案是，两个边带上的N个微环滤波器分别在对应的边带上形成形状相同的陷波响应。

此外，可选的技术方案是，两个边带包括左边带和右边带；左边带的中心频率与光载波信号的频率的差值为f

|f

其中，N表示同一边带内的微环滤波器的个数，N取正整数，Δf表示位于同一边带内的N个微环滤波器的中心波长间距。

此外，可选的技术方案是，还包括设置在掺铒光纤放大器和多微环级联芯片之间的偏振控制器、设置在光电探测器与相位调制器之间的矢量网络分析仪，以及设置在多微环级联芯片上的半导体制冷温度控制器；偏振控制器用于对调制信号进行处理，并形成偏振信号并输入多微环级联芯片；矢量网络分析仪用于基于光电探测器输出的射频滤波响应信号，对可重构的矩形微波光子滤波器进行参数校准及信号测试；半导体制冷温度控制器用于对多微环级联芯片进行温度调节，以稳定多微环级联芯片的工作温度。

此外，可选的技术方案是，多微环级联芯片包括氮化硅平台、设置在氮化硅平台上的直波导，以及通过直波导连接的至少两个微环滤波器；其中，氮化硅平台的厚度为200nm，微环滤波器与直波导之间的耦合间距为1.1um，微环滤波器的直径为210um。

根据本发明的另一方面，提供一种可重构的矩形微波光子滤波方法，利用上述的可重构的矩形微波光子滤波器进行滤波；方法包括：通过连续可调激光源发射光载波信号；通过相位调制器将预设输入端射频信号调制到光载波信号上，形成调制信号，并发送至掺铒光纤放大器；通过掺铒光纤放大器对调制信号进行放大，并发送至多微环级联芯片进行滤波处理，获取对应的滤波信号；通过光电探测器对滤波信号进行下变频至射频频段并输出射频滤波响应信号。

利用上述可重构的矩形微波光子滤波器及滤波方法，通过连续可调激光源发射光载波信号之后，可通过相位调制器将预设输入端射频信号调制到光载波信号上，形成调制信号，然后发送至掺铒光纤放大器进行放大，放大后发送至多微环级联芯片进行滤波处理，获取对应的滤波信号，能够通过控制微环级联芯片内的微环滤波器的数量和中心波长，即可实现对滤波器的带宽和中心波长的重构，整体结构简单，带宽可调范围大，矩形系数质量高，性能稳定。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明实施例的可重构的矩形微波光子滤波器的原理图；

图2为根据本发明另一实施例的可重构的矩形微波光子滤波器的原理图；

图3为根据本发明实施例的微环滤波器中心频率与加热功率的关系图；

图4为根据本发明实施例的光谱与微波频谱示意图；

图5为根据本发明实施例的可重构的矩形微波光子滤波方法的流程图。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

为详细描述本发明的可重构的矩形微波光子滤波器及滤波方法，以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

图1示出了根据本发明实施例的可重构的矩形微波光子滤波器的示意原理框图。

如图1所示，本发明实施例的可重构的矩形微波光子滤波器，包括依次连接的连续可调激光源、相位调制器、掺铒光纤放大器、多微环级联芯片和光电探测器；其中，连续可调激光源用于产生光载波信号；相位调制器用于将输入端射频信号调制到光载波信号上，形成调制信号；掺铒光纤放大器用于对调制信号进行放大，并发送至多微环级联芯片进行滤波处理，获取对应的滤波信号；光电探测器用于对滤波信号进行下变频至射频频段并输出射频滤波响应信号，能够基于多微环级联芯片实现中心频率连续可调，以及良好的矩形系数。

其中，经相位调制器输出的调制信号(a)包括两个边带，两个边带的幅值相等，相位相差180°，两个边带可包括左边带和右边带；然后，通过掺铒光纤放大器对调制信号(a)进行放大处理，并输出放大信号(b)，然后，再通过多微环级联芯片对放大后的两个边带进行过滤处理，并输出滤波信号(c)，该滤波信号最后通过光电探测器进行下变频至射频频段并输出射频滤波响应信号(d)。

具体地，多微环级联芯片由至少两个微环滤波器级联而成；并且，每个微环滤波器的中心波长均可调，作为具体示例微环滤波器的总数量可设置为2N个，两个边带分别由N个微环滤波器进行滤波处理；其中，N表示正整数，即左边带通过N个微环滤波器进行滤波处理，右边带也通过N个微环滤波器进行滤波处理。

进一步地，位于同一边带内的N个微环滤波器的中心波长间距相等，可使得两个边带上的N个微环滤波器分别在对应的边带上形成形状相同的陷波响应，在通过多微环级联芯片进行拍频解调时，经过微环滤波器陷波谱作用的部分信息被阻隔，而与其对称的另一边带对应位置频谱没有受到影响，因此该部分频谱信息得到保留，而没有经过陷波谱作用的对称的部分，在拍频解调时完全相消，相当于将光陷波翻转为微波上的带通滤波响应。

需要说明的是，在本发明的一个具体实施方式中，可通过热调电极来调节各个微环滤波器的陷波中心波长，将多个陷波峰拼合，即可得到矩形系数较低的带通滤波响应，通过控制各边带内陷波的数量和中心波长位置，即可分别实现该滤波器(可重构的矩形微波光子滤波器，下同)带宽和中心波长的可重构。

此外，由于微环滤波器进行滤波时会引入额外的相位，导致两边带固有相位关系被破坏，拍频响应带外抑制比变差，该结构使用热电极调谐保证左右两边带内各有相同数量的陷波峰。

在满足位于同一边带内的N个微环滤波器的中心波长间距相等时，左右两边带上的N个微环滤波器的响应可以构成两个形状完全相同的陷波响应，假设左边带的中心频率与光载波信号的频率的差值为f

|f

其中，N表示同一边带内的微环滤波器的个数，N取正整数，Δf表示位于同一边带内的N个微环滤波器的中心波长间距。

最后，采用光电探测器对多微环级联芯片输出的信号下变频到射频频段，作为系统的射频输出。在上述前提下，双边带信号在两边带分别拍频解调作用时，输出的射频响应相当于左右两边带的差取绝对值，相当于由两边带上作用的两个光陷波滤波器响应翻转并拼合在一起。而在满足上述对微环滤波器中心波长要求的前提之下，级联的2N个微环滤波器的陷波响应恰好能够翻转并拼合组成一个完整的射频滤波响应信号(如图(d)所示)。这个射频滤波响应信号的中心波长由上述的f

在本发明的另一具体实施方式中，可重构的矩形微波光子滤波器还包括偏振控制器、矢量网络分析仪以及半导体制冷温度控制器。

具体地，图2示出了根据本发明另一实施例的可重构的矩形微波光子滤波器的示意原理。

如图2所示，其中，偏振控制器设置在掺铒光纤放大器和多微环级联芯片之间的，矢量网络分析仪设置在光电探测器与相位调制器之间，半导体制冷温度控制器设置在多微环级联芯片上。其中，偏振控制器用于对调制信号进行处理，并形成偏振信号并输入多微环级联芯片；矢量网络分析仪用于基于光电探测器输出的射频滤波响应信号，对可重构的矩形微波光子滤波器进行参数校准及信号测试；半导体制冷温度控制器用于对多微环级联芯片进行温度调节，以稳定多微环级联芯片的工作温度，确保系统能够稳定工作。

作为具体示例，上述多微环级联芯片可包括氮化硅平台、设置在氮化硅平台上的直波导，以及通过直波导连接的至少两个微环滤波器；其中，氮化硅平台的厚度可设置为200nm，微环滤波器与直波导之间的耦合间距可设置为1.1um，微环滤波器的直径可设置为210um。

在具体应用过程中，可通过多微环级联芯片的监控端口获取该滤波器热调谐中心波长与调谐功率之间的关系，图3示出了根据本发明实施例的微环滤波器中心频率与加热功率的关系图，如图3所示，各微环滤波器的陷波峰中心波长随外加电功率线性增加。在实际使用时，该系统可能需要多路电压同时进行热调谐，各通道之间会存在一定热串扰，因此需仔细调节设置各路电压，例如，可引入TEC控制器，确保系统工作稳定。

作为具体示例，基于200nm氮化硅平台的6微环滤波器联芯片，即所用多微环级联芯片为6通道，每个微环滤波器的直径均为210um，微环滤波器与直波导的耦合间距均为1.1um，对应每个微环滤波器的FSR为260GHz，带宽约为1.08GHz。光从多微环级联芯片的IN端口输入，连续经过6个微环滤波器的陷波滤波作用，从OUT端口输出，输出光的光谱等效于6个微环滤波器的陷波峰拼合而成。部分光从滤波端输出，可由监控端口探测研究每个通道微环滤波器的特性，包括调谐效率、中心波长位置等。

此外，每个微环滤波器上均设置有氮化钛热调电极，用于调节陷波峰中心波长。设置合适的热调电压，将6个微环滤波器的陷波中心波长分开，同时将可调激光源的波长设置于1552.28nm左右。调节各个热调电极，使激光源波长左右各分布3个陷波峰，以保证微环滤波器引入的额外相位恰好抵消。左右两组陷波峰分别拼合并对相位调制的两边带滤波，拍频解调后翻转并合为单个微波带通滤波峰。该过程对应的光谱与微波频谱示意如图4所示。

具体地，图4中的左图反应了激光源的频率与拼合的陷波峰光谱的位置关系，可见激光源左右两侧各分布3个拼合的陷波峰，对应的右图整体微波滤波响应为单个完整且较平坦的通带。其中，可以通过改变热调电极的电压和TEC控制器的温度，调节该微波滤波峰的中心频率和带宽。

需要说明的是，当增加级联的微环滤波器的数量时，该可重构的矩形微波光子滤波器的带宽区段会相应增加，同时保证中心频率连续可调与良好的矩形系数，具体的设置数据可结合应用场景及需求进行灵活调整。

与上述可重构的矩形微波光子滤波器相对应，本发明还提供一种可重构的矩形微波光子滤波方法，利用上述的可重构的矩形微波光子滤波器进行滤波。

具体地，图5示出了根据本发明可重构的矩形微波光子滤波方法的流程图，如图5所示，该方法包括：

S100：通过连续可调激光源发射光载波信号；

S200：通过相位调制器将预设输入端射频信号调制到光载波信号上，形成调制信号，并发送至掺铒光纤放大器；

S300：通过掺铒光纤放大器对调制信号进行放大，并发送至多微环级联芯片进行滤波处理，获取对应的滤波信号；

S400：通过光电探测器对滤波信号进行下变频至射频频段并输出射频滤波响应信号。

需要说明的是，上述可重构的矩形微波光子滤波方法的实施例可参考可重构的矩形微波光子滤波器实施例中的描述，此处不再一一赘述。

利用上述本发明的可重构的矩形微波光子滤波器及滤波方法，能够通过连续可调激光源发射光载波信号，并通过相位调制器将预设输入端射频信号调制到光载波信号上，形成调制信号，然后发送至掺铒光纤放大器进行放大，放大后发送至多微环级联芯片进行滤波处理，获取对应的滤波信号，能够通过控制微环级联芯片内的微环滤波器的数量和中心波长，可实现对滤波器的带宽和中心波长的重构，整体结构简单，带宽可调范围大，矩形系数优异，性能稳定可靠。

如上参照附图以示例的方式描述根据本发明的可重构的矩形微波光子滤波器及滤波方法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的可重构的矩形微波光子滤波器及滤波方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。