基于受激布里渊散射的微波光子滤波的研究（可编辑）

基于受激布里渊散射的微波光子滤波的研究（可编辑） 硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 基于受激布里渊散射的微波光子滤波研究学 完成日期: 大连理工大学大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果.尽我所知,除文中已经注明引用内容和致谢的地方外, 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果,也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 并表示了谢意。 若有不实之处,本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目:必垄垒鱼堡鲎壑缒皇塑越.量逸量幽该 作者签名: 日期:?独年工月生日 皇亟缉大连理工大学硕士学位论文 摘 要 滤波器是信号处理中的关键元件,随着通信容量的不断增大,对信号处理的速率和 带宽要求也愈来愈高,这对传统的电滤波器提出了挑战。近年来,随着微波通信与光纤 通信的交叉融合,微波光子技术以其大带宽、低损耗、良好的抗电磁干扰能力等优势, 在微波信号的产生、传输、幅相控制、滤波等领域受到极大关注。尤其是在微波滤波方 面,其灵活的滤波调谐能力和波形重构潜力为微波信号处理提供了有力手段。 本论文在对光纤受激布里渊散射效应研究工作的基础上,对其在微波光子 滤波领域的应用进行深入的理论分析与实验研究。优化设计并建立了以微波相位调制信 号作为斯托克斯光,双边带载波抑制调制本地信号为泵浦光的光纤微波光子滤波器 系统。该微波光子滤波器可实现大范围连续调谐、窄带宽、单带通滤波功能,具有如下 优点: 同一台激光器作为斯托克斯信号和泵浦信号的光载波,可以保证光纤 相位调制微波信号,其两 过程中的频率稳定性,有效抑制频率漂移产生的噪声: 边带具有相位反向相差?特性,经作用和光电探测接收后,可干涉消除滤波带 外的其它杂散信号,获得高的带外抑制比; 基于窄带增益特性,可以实现微 波信号的窄带宽带通滤波功能,同时通过对泵浦信号功率和带宽的控制,可以实现滤波 带宽的调谐。 本论文的主要工作:首先对微波光子学的滤波方法及受激布里渊散射的应用做了简 要介绍。在第二部分中,着重对受激布里渊散射做了理论分析包括具体的物理过程和描 述此过程的耦合波方程,并结合本文提出的滤波过程建立了信号波、泵浦波、声波的理 论模型。在第三部分,介绍了本文中采用的滤波系统,并重点对滤波带宽调谐、噪声源、 载噪比、阈值的影响因素做了详细的理论分析。在最后的实验部分,首先针对泵浦功率、 信号功率对滤波带宽的影响做了初步的测试,结果表明随着泵浦功率的改变,基于 的滤波带宽在变化,而信号光功率对带宽基本上没有影响。其次通过加载 信号的方法,测试了滤波电信号的带宽变化,结果表明在泵浦功率 不太高的情况下滤波电信号带宽与信号带宽基本同步变化。本文 的研究工作为进 一步优化基于受激布里渊散射的微波光子滤波器提供了有益参考。 论文首先对微波光子学的基本概念、微波光子滤波方法、窄带宽微波光子滤波研究 工作进行简要介绍。在第二部分中,首先对光纤中受激布里渊散射的物理过程做了详细 的描述,然后结合本文提出的滤波思想建立了信号波、泵浦波、声波的理论模型,对功 率在光纤中的分布情况、滤波增益谱等进行了理论模拟。在第三部分,介绍了本文中采基于受激布里渊散射的微波光子滤波研究 用的滤波系统,并重点对滤波带宽调谐、噪声源、载噪比等滤波特性进行了详细的理论 分析。 最后建立了光纤微波光子滤波实验系统,对滤波频率响应、带外抑制比、滤波 带宽等进行了理论分析与实验研究。实验上获得了在。范围内的窄带宽、可 调谐带通滤波功能。研究表明增大泵浦信号功率可以获得较高的滤波信号带外抑制比; 通过改变泵浦信号功率实现了滤波带宽在.的调谐,而斯托克斯信号对滤波带 宽基本没有影响;通过对泵浦信号施加展宽调制 信号调制, 输出滤波信号带宽随之线性改变,为微波光子滤波带宽控制提供 了一种有效的方 法。论文研究工作为进一步提高基于光纤的微波光子滤波功能奠 定了良好的基础。 关键词:微波光子滤波;受激布里渊散射;频率调谐;滤波带宽大 连理工大学硕士学位论文 ,,.’ ./ . ’, ,, . ,.. .. ? ..,: ;; .: . . ,. . , . ,.. ....基于受激布里渊散射的微波光子滤波研究 .. 也 . .. : ; ; ??大连理工大学硕士学位论文 目 录 摘;要??。??.?.??.. 绪论 .课题研究背景? .微波光子学滤波方法? .. 基于相移光纤光栅的微波光子学滤波器..基于马赫.曾德干涉结 构的微波光子学滤波器 ..基于的可调滤波器? . 效应及其应用.. 基于的激光器.基于的光载波抑制 .本论文内容及结构安排??。 基于的微波光子滤波基础理论分析? .光纤中的过程?. . 滤波理论模型研究??. .. 耦合波方程??.. ..滤波增益谱..光纤中的功率传输??. ..光纤的优化?.. ..阈值分析??.. .本章小结??. 基于的微波光子滤波特性分析. . 微波光子滤波结构及其原理?. .基于泵浦功率变化的滤波带宽窄带调谐?. .基于泵浦光频谱变化的滤波带宽调谐??. ..基于泵浦光直接调制的滤波带宽调谐. ..基于泵浦光外调制的滤波带宽调谐?. .滤波噪声分析. .带外抑制分析. .本章小结?. 滤波实验系统及测试结果分析??基于受激布里渊散射的微波光 子滤波研究 . 基于的滤波实验系统?一 .滤波频率响应。 ..布里渊频移量测试?.. ..滤波频率响应测试?一 .功率对滤波带宽的影响??. .. 泵浦光功率引起的滤波带宽窄带化.. ..信号功率和频率对滤波带宽的影响.. .带外抑制与噪声分析优化?. .滤波信号起振时的泵浦功率预测?. .. 滤波信号起振泵浦功率计算。 ..滤波信号起振泵浦功率测试。 .滤波带宽展宽. .本章小结??. 结 论?.. 参考文献攻读硕士学位期间发表学术论文情况.. 致 谢.. 大连理工大学学位论文版权使用授权 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf ??..大连理工大学硕士学位论文 绪论 .课题研究背景 滤波器是微波信号处理的重要功能单元,在雷达、无线通信以及移动通信等领域都 具有重要应用价值。但是传统电滤波器在滤波频率调谐、带宽改变等方面存在较大的局 限性,尤其是随着通信容量的不断增大,对信号处理的速率和带宽要求也愈来愈高,对 传统电滤波器提出了更大的挑战。虽然研究者通过微机电开关等手段对电子 滤波器进行了改进,使其即具有可重构特性也不需要过于庞大的滤波器组,但是这些器 件的制作依然比较昂贵【卜。 微波光子学 ,是由光纤通信与微波通信交叉融合而产 生的新兴技术,其基本思想是将微波信号通过调制器调制到光载波上利用光纤传输的低 损耗、大带宽、抗电磁干扰、可调谐、可重构的优势进一步改善信号处理的质量。同时, 大部分微波光子器件已经商用化,这就为微波光子学信号处理系统的研究提供了有利条 件。作为信号处理系统的关键组成部分,基于微波光子学的滤波系统旨在提高滤波器的 整体性能并扩大它的应用范围。微波光子学滤波器 的 原理和结构可大致描述如下:由信号源或者是由天线接收到的信号是需要滤波 处理的原始信号,通过电光调制器将其调制到光载波上,再用光学滤波手段光纤光栅 旧】、腔【】等直接在光域进行滤波,最后再由探测器完成光电转换,这样就完成了 电信号在光域的滤波。然而在具体的应用系统中,如宽带无线接入网、相控阵天线、智 能交通等系统等【,需要范围连续可调、高分辨率的,因此可调谐、可重构的 成为了研究者需要解决的下一实际应用问题。基于受激布里渊散射的微波光子滤波研究 .微波光子学滤波方法 .. 基于相移光纤光栅的微波光子学滤波器 光纤光栅是一种光学元件,具有滤波特性,有较多报道基于光纤光栅的微波光子滤 波技术。采用相移光纤光栅.能够实现单通带、频率在范围内可调谐 的滤波系统】,在这里本文对其进行简要介绍。 啦 先籍 图.基于.的滤波系统结构图 .. 基于?的滤波系统结构如图.所示,该方法主要是利用相移光纤光栅作为 实现相位调制到强度调制的转换媒介。基于这种方法构成了一个在反射带内的超窄带反 射滤波器。在此滤波系统结构中,可调激光器发出一束角频率蛾可调的连续波 激光,这束光首先经过一个偏振控制器在进入相位调制器中。在这里 的作用是使激光和的偏振态匹配,以保证系统的偏振相关损耗降到最低。 如果相位调制器的调制信号不经过任何特殊处理直接被输入到光电探测器中, 除了直流电外是探测不到任何信号的。这主要是由于边带与载波之间的干涉作用所造成 的。然而,如果相位调制信号的两边带间和载波之间的强度或者是相位关系被改变了, 相位调制信号就可以被转变成强度调制信号,同时这种相位调制与强度调制之间的转换 作用就基本等同于一个带通滤波器。对于普通的光纤布拉格光栅来说,如果 在中引入相移,在反射带内就会产生一个带有相位跳跃的锯齿形的陷波区域。正 是由于这个陷波区域的形成,当经相位调制的光波被输入到?中时,会对落在其 反射带内的相位调制信号的上边带或者下边带的幅度和相位进行改变,经过这个过程后 原来因反相而干涉相消的载波和边带现在不再满足干涉相消的条件,因此在端就能大连理工大学硕士学位论文 够探测到微波信号,从而通过相位调制到强度调制的转变而实现单通带滤波作用。系统 的频率调谐可以通过改变激光器的波长来实现。图.为此滤波系统测试的频率响应, 每个滤波信号的带宽为左右。 。 一 ? 口 , 口 吕. ? 乏 曷 . 图.基于.的滤波频率响应 ..在此方法中,主要是应用.反射带内的相位跳跃区域使得相位 调制信号的双 边带和载波干涉最后使得能够探测到微波信号。 ..基于马赫一曾德干涉结构的微波光子学滤波器 对于可调谐、可重构微波光子学滤波器的实现,利用马赫.曾德干 涉结构划 分光谱从而实现滤波也是比较常用的方法】。根据调研情况,对近 年来典型的研究状 况做一简单的概述。 图.所示结构为 等人提出的基于结构的频率调谐范围可高达 的微波光子学滤波器。图中所示光源能够产生宽带的光信号而且其功率分布谱是 可调节的,此光信号由激光器端口出射后,被射频信号经由调制器所调制。基于受激布里渊散射的微波光子滤波研究 图.基于结构的微波光子学滤波器. 被调至的信号随后输入到非线性色散元件之中,这样引入色散的元件就可以被看成 是一个相位滤波器。它的传输特性可以描述为: . %缈缈四’ 其中,?是光载波的角频率。经过第一级泰勒展开后可以得到色散元件所引起的光 信号的群时延为: . 国:鱼孕盟:晓甄.昙试. 其中,;和?为一阶色散和色散斜率。被色散后的光载波进入结构,的干 涉作用将光谱分割并得到连续的正弦波形的滤波元素。它的传播特性可以描述为: 七, 一牡等 其中,?国等,?为结构中上下两臂的时延差。最后,的两个输出端 口分别连接到平衡光电探测器的两个输入端口上,最后将探测到的信号进行差 频就得出了最后的滤波信号。 经过色散元件和的作用,滤波信号的中心频率可以近似表述成: , ,川 ‘? 一’ 羽 万矽皑 由此式可以看出,滤波信号的调谐完全取决于的结构和色散元件的色散性质。 系统的带宽可以表述成:大连理工大学硕士学位论文 鲈一.砌.磐 . ‰ 从上式可以看出,滤波信号的带宽取决于光源的带宽砌和色散元件的色散特性。 ..基于的可调滤波器 受激布里渊散射 是光纤中重要的非线性 效应之一,具有窄带宽、低泵浦阈值等优异特性,随着研究的深逐渐应用到了微 波光子滤波技术当中。 年, 等人提出了基于的单通带可调滤波 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,此方案应用双 边带载波抑制信号作为泵浦波,相位调制信号作为波呻“。利用光纤中的效应 进行窄带滤波,通过改变泵浦波的调制频率届实现滤波频率调谐。 图.基于的可调单通带微波光子滤波实验图..基于受激布里渊散射的微波光子滤波研究 / 呻 \ 嘲 谰砷 口毒醣 髯措咖鞠图.基于的滤波系统频谱原理图 .. 基于的滤波系统结构如图.所示,滤波频谱原理图如图.所示。信号频 率.屉,泵浦频率矗,布里渊频移店的关系分成三种情况,不同情况产生的滤波结果也 不同。如图所示 或偷枷靠: 此时,探测不到任何信号,因为信号经相位调制后上下两边带相 位相反, 反向的边带与载波在产生干涉作用从而相互抵消。 : 此时,下边带的信号严重衰减而上边带的信号放大,载波、上边 带、下边带在 中相互作用产生射频信号。 厮怕: 此时,上边带信号衰减下边带信号被放大,载波、上边带、下边带 在中相互 作用产生高频射频信号。大连理工大学硕士学位论文 ? 渤 锵 一冀囊.; 螂 神 髓 ? 舶 篁警,岂?楚再‘ ’ ’ ,‘, .、 图.基于的可调单通带滤波系统频率响应测试图 ... ? . 通过矢网仪扫描获得了的滤波频谱如图.所示,滤波带宽为, 带外抑 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 为,并且在调谐时滤波波形稳定。 年 等人在以前工作的基础上又提出了基于的带通与陷波功 能可切换的滤波器到,滤波的主要原理还是基于效应,但是通过 调节双驱动的马赫 曾德调制器的偏置电压就可以完成带通与陷波功能的切换。系统 结构如图.所示,试 验中带通与陷波的滤波频率响应如图.所示 图.基于的带通与陷波功能可切换的滤波系统结构图 ..基于受激布里渊散射的微波光子滤波研究 图.可切换、可调谐的滤波器的滤波频率响应带通陷波 ... ; . . 效应及其应用 作为一种非常重要的非线性作用具有选择性放大、低泵浦阈值、 窄带宽等特性。 正是由于其自身的这些优点,使得在很多领域都有着广泛的应用,例如光纤激光器、 微波信号的全光产生,光载波抑制等,下面将对的应用做出简要的介绍。 .. 基于的激光器 一般来说,的一阶光是最强的也是研究者关注的研究热点,当发 生于具有反射功能的结构中时,高阶光也将会被激励,这时的效应虽然复 杂,但正是由于这种特点却能组成激光器等器件。大连理工大学硕士学位论文 有研究者对谐振腔中的效应做过深入的研究,基于在谐振腔体中的反射 已有利用光纤光栅结构设计出的窄带激光裂咐,其系统组成如图.所示。从图中可 以看出,光纤两端刻蚀了光栅,由于光栅的反射作用整个结构就相当于一个腔,当 有光束从一端入射时,一旦这束光的功率达到了的阈值功率就会产生反向的具有一 定频移量的光,光在另一端被光栅反射,随着光强的增大他又将变 为泵浦光产生更高级的光,同时光纤光栅结构使得耦合波方程的 边界条件更加复 杂。但是在光栅反射结构中的效应也有自发、受激和饱和三个状态】,经研究表 明,激光器的最佳输入泵浦功率应保持在临近饱和区附近。经理论计算,这种激光器的 转换效率可达到%。 ??一 ????????? ..卜??一 图.基于效应的激光器系统结构 .. 考虑到激光器的稳定性,光纤科材料可以选为保偏光纤,同时为了保证激光器的输 出的光波是单模的由光栅构成的结构的自由光谱范围应比效应的固有带宽要大 一些。光栅设计不同也会产生不一样的出射波,以对称结构的光栅腔为例,如果想 产生一阶波频率处的激光,光栅一阶波的反射率设计成在到之间, 对于其他高阶波则选择让他们在光栅之间反射而不会透射出去,对于其他频率处的激光 器的设计也是同理。 ..基于的光载波抑制 光载波抑制就是将光载波幅度减小到最低,其主要应用于相干光通信中的载波抑制 信号的产生;信号处理中的频率转换等【’】。在一些光纤链路中,利用光载波抑制能够很 好的解决地调制深度引起的高插入损耗的问题。 载波的滤除的形式有很多,例如:利用陷波滤波器衰减光载波;调节电光调制器的 偏置点使其工作在功率最低点;利用基于干涉结构的调制器进行载波抑制。 效应中的衰减效应也是对光载波进行抑制的一种有效手段,这种方法是使光载波落 在效应的衰减谱内,这样就可以有效的调控光载波的幅值了另外此种方法与光的发 射机制和调制形式无关。验证上述理论的实验装置如图.所示,该系统主要分成三大部基于受激布里渊散射的微波光子滤波研究 分:发送端、载波幅度控制器和基于外插探测的频谱分析部分。发送端采用外部调制 的分布式反馈激光器来发送信号。 发射端 接收靖 图. 基于的光载波抑制实验装置图 .. 载波幅度控制器的原理与利用产生信号的原则是相同的,只不过此处 增益主要是由光载波作为泵浦而产生的,因此光载波就会被衰减。在此种方法中,由于 光载波的功率比边带要大得多,因此光载波就被锁定在了衰减谱内,在这个过 程中也不会出现其他载波抑制技术中波长匹配的问题,因为这个过程相当于自我调谐的 过程。产生的光越多就说明光载波被衰减的程度越大,可以通过控制激光器的功 率输出来决定光载波的衰减程度。同时,边带信号并不会衰减,这是由于与光载波相比 边带信号的功率水平是非常低的以至于不足以激励起作用。此系统载波抑制的最大 值为,载波抑制后的光谱图如图.所示。在此,需要注意的是,光纤的长度需要 设计者加以仔细考虑,首先光纤长度的增加引入的损耗和色散也会随之增加;另外,伴 的单模光 随长度的增加也会出现增益饱和现象。因此在实验中研究者折中选用了 纤。在载波幅度控制器的输出端口,连接的是外插探测装置以便 载波抑制后信号的探测。大连理工大学硕士学位论文 : : . 波 载 边带 : 、 ???一 : 卞 』? 一 、 ../。 焉 ,一 , 、.. 。\ ???? ?? 幅度每格表示如西 频率每格表示? 图.基于效应的载波抑制光谱图 .. .本论文内容及结构安排 第一章:绪论部分。第一章首先对基于微波光子学的几种典型方法做了简要介绍, 并将这几种方法与本文中的基于效应的滤波方法相比较。其次,针对本文中的 效应在信号处理中的几种主要应用作了概述。 第二章:主要介绍了效应的原理,包括:.光纤中的物理过程。. 滤波过程的数学建模。.阈值影响因素分析。其中重点介绍了本文中建立理论模型的方 法,并运用此模型对光纤中的功率分布、滤波增益谱以及泵浦光与滤波光信号之间的关 系进行了模拟,与第四章中的实验内容相呼应。 第三章:重点讨论了基于效应的滤波理论。开始介绍了本论文中的滤波系统。 其次讨论了滤波带宽的调谐方法:.增大泵浦功率能够使滤波带宽窄带化。.泵浦频谱 变化能够引起滤波带宽展宽。最后,对滤波信号中存在的边带噪声源进行了分析,同时 对滤波系统的带外抑制做了理论上的推导并结合实际情况将边带噪声考虑进 去,综合讨论提高的具体方法。 第四章:实验部分。首先测试了滤波系统.的频率响应,并观测到边带 噪声。其次,改变泵浦光功率使得泵浦带宽能够在内调谐,但是系统 随之劣化。然后,针对劣化问题通过提高泵浦光功率的方法提高了系统 值。接下来通过加载信号的方法改变泵浦光的频谱宽度,实验证明了在泵 浦光功率合适的情况下滤波带宽是与信号带宽变化同步的。基于受激布里渊散射的微波光子滤波研究 基于的微波光子滤波基础理论分析 人们于年第一次观测到了光纤中的现象,自此以后对其进行的广泛而深入 的研究为非线性光学的应用做出了理论铺垫.。与受激拉曼散射相类似,在频域 产生了一系列非线性过程,从而一个相对于泵浦波蓝移频率下移的斯托克斯 光被激发出来。这个频移量的多少取决于媒介本身的特性。然而,由于参与的是声 频声子,而参与受激拉曼散射的是光频声子,二者呈现出显著的不.】.: .单模光纤中,在相对于泵浦波传输方向的前向和后向都会出现由受激拉曼散射激 发出的波,而只会在后向有传输波。 .受激拉曼散射的频移量约比的频移量大三个量级。 .的阈值会受泵浦波谱宽影响。 . 光纤中的过程 如图.所示,在入射光功率较高的情况下,泵浦波通过电致伸缩效应产生声波。 声波在光纤中传输引起折射率的变化形成布拉格衍射光栅,同时该光栅以声速..移动, 因此衍射光形成多普勒频移即产生光。 图.光纤中的受激布里渊散射过程 ..由于这三者必须遵守能量和动量的守恒,因此他们的关系为: . 日一魄大连理工大学硕士学位论文 . 一唧一 其中,泵浦波的频率为啤,经布拉格光栅反射的光的频率为鸭,占为声 波频率,泵浦波的波矢为酢,光的波矢为,一为声波波矢。声波的频率和波 矢满足以下色散关系: . % 。 / 其中,为波与泵浦波的夹角。三个波的波矢关系如图.所示,若假设 唧?,则可以得到: . ?/ 图.声波、泵浦波、波波矢关系图 。. , 由此即可推出.式。同时, .也表明波的频移随着散射角的变 化而变化,当口万时有最大值,在时其值为零。由此可得,波在后向有最 大值,在前向为零,因此在单模光纤中受激布里渊散射只有后向的波。由 ,/砧可得: . %,%/ 在上式中,泵浦波长处的折射率为。其中.,砧,,。./, 则%.。尽管.式说明了在单模光纤中光仅在后向产生,但往往 在实验上也能观测到少量的前向光,这是由于光纤中的自发效应造成的。 . 滤波理论模型研究 总体来说,的理论模型可以归结为两大类:基于受激布里渊散射的微波光子滤波研究 .由.’等人建立的非振动模式本地噪声源模型口引。 .由..等人建立的分布、振动模式本地噪声源模型。 第一种模型将的产生归结于发生在介质末端的自发布里渊散射,也就是说在介 质末端的本地源激发了场。第二种模型则认为是被一个空间分布的振动的 源所激发。虽然两种模型的引起边带噪声的原因不同,但是通过实验验证二者依然能够 很好地吻合。但是每一种模型的优势又不同,第一种模型可以从宏观上很好的描述 增益谱和损耗谱、光在光纤中的分布情况、以及泵浦阈值的预测。而第二种模型 可以更真实的呈现噪声源的分布式振动特点,从而可以更好地描述的噪声特性,例 如在非线性介质中的布里渊线宽抖动等。因此,本文结合两种模型的特点并结合滤波过 程,采用第一种模型模拟激滤波过程中布泵浦波和滤波信号的功 率变化,采用第二种模 型分析滤波信号的带宽特性等。 .. 耦合波方程 声波、波、泵浦波的相互作用可以通过三个经典的耦合波方程很 好的描述出 来一口‘.,但是,在实际当中一般假设声波在光纤介质中损耗较 大,因此三个耦合波方程可 以写做:象 一,。/。一 叫【.石。 鲁一.丑/厅 式中,为介质折射率,日为线宽,口为光纤损耗系数,。是 增益系数峰值,?蚝一邯%,屹为频移后的频率,咋为泵浦光频率。 增益系数可以用来表述波的形成: 汜 岛矗器 . 厶 。:罕笪 占???。一 式中,为光纤密度。设泵浦光入射端光纤位置标定为,光注入端光 纤 位置标定为,则.和.可以简化为: . 等口吐大连理工大学硕士学位论文 . /口一碑 其中,波光强为,。,泵浦波光强为,,。而功率形式的耦合波方程 往往能够 更直观的描述过程,再结合实际滤波过程,以上两式改写为: . 堕:一旦片僻 ‘ 比 锄~ . 华:一粤昂一碑 比够‘ 其中,为经信号调制后的光功率,挈譬为泵浦波为。时的增益 ,叱‰ 系数峰值,‰以一。为经泵浦信号石调制后的泵浦光波长。 考虑到激发光的源的不同,因此.与.式与纯光域的过 程不完全相同,具体原理将在后续详细说明。 由于以上方程组并无解析解,所以为了获得其解析表达式一般可以采用两类简化算 法。第一类,忽略泵浦光的损耗;第二类,认为光纤的传输损耗为零口。由于 第二类简化方法应用的比较普遍,在这里对其进行简要分析。在口时,光强形式的 解析解在.引.中给出,转化成功率形式后表述如下: . 。一耳哪而而际/瓦/丽而雨而 ‘. 斥【昂。一片。】×瓦丽污面砭曩鲁衾苦而 虽然显式的解析解比较直观明了,但当光纤长度较长时超过光纤引起的损 耗将不可忽略。年,.等人也给出了在单模光纤中的耦合方程的数值解法 口?,但由于并未考虑光纤损耗,所以该算法比较适合短距离光纤约情况,但对 于长距离光纤该算法耗时长且精度不高。如果希望以较高的精度求解.和., 则既需要考虑泵浦损耗又需要考虑光纤引起的损耗,那就需要利用数值解来计算。在数 学上,解这样的常微分方程组并不难,只需要利用龙格库塔法在 有限点内计算求解即可, 但是龙格库塔法同时需要处的边界条件,即需要已知层和昂的值。而在实际 情况中,在边界处只有泵浦光功率昂和处的光功率为已知,无法采 用常规算法求解方程组。为了求解出耦合波方程组,设定处的光功率已知 为最,,设定一个初值范围,给定一个循环步长,然后就可以利用龙格库塔法求解出基于受激布里渊散射的微波光子滤波研究 相应的处的注入光功率,再把这个功率值与已知的注入光功率只 相比较,如果比较结果在一定误差范围内则说明,为与已知的层三和昂相对 应的,否则继续对。迭代,直到比较结果满足要求。在。的迭代过程中, 一旦得到了满足要求的值,经龙格库塔法求解的微分方程组的数值解也随之得出。这样 通过此种方法就能以任意的精度求解出任何泵浦光功率对应的反射的光功率。 求解流程图见图.。 图. 滤波过程流程图.. ..滤波增益谱 .和.式可以得到单模光纤的滤 利用本文中的模型,利用.、 波增益谱,如图.所示。其中用到的计算参数如下:光纤衰减系数 为./,大连理工大学硕士学位论文 ,光纤长度为.,泵浦功率分别取、和 口/如. ,昂取‖。图.验证了布里渊增益谱的洛伦兹线型,同时我们可以 得出,在注 入光功率斥保持不变时,布里渊增益随泵浦波功率增长而增长, 直到达到 增益饱和。 可 吕 丁 。 岙 ~ 撕屯 、’, 图.滤波信号的增益谱 ....光纤中的功率传输 . .由于在实验中不可能监测到任意光纤长度处的功率分布,而上 述模型可能够更直 观的表示出滤出的光波、泵浦光功率在光纤中的分布情况。计算条件如下:输入泵浦光 功率为,踟/如.,耳,单模光纤长度为.。图.表示 滤波信号功率与光纤长度的关系。从图中可以看出,效应基本发生在光纤长度的前 %。图.表示泵浦光功率在光纤中的分布情况。从图中可得,由于长度的增加泵浦 光渐渐消耗,但它并不会全部转化为信号光而是逐渐达到一个稳定值。基于受激布里渊散射的微波光子滤波研究 ,?正/ 图. 滤波信号的功率分布情况 ..,?正 / 图.泵浦光在光纤中的功率分布情况..图.描述了泵浦光与滤波信号在处的功率关系,从图中可以看出的阈值 大概在.左右。当超过这个值时,滤波信号功率快速增长。在泵浦功率为时, 有.%的能量转移给了滤波信号,在时,有.%的能量发生转移。由图.大连理工大学硕士学位论文 可以看出,当泵浦功率值超过时,光纤末端的泵浦功率值不再随着泵浦功率增大而 增大而是基本保持不变,这时就说明达到了饱和状态。 之一,?正 / 图.泵浦和滤波信号的关系.. ? 正 / 图.泵浦光功率和末端的剩余功率关系 .. 基于受激布里渊散射的微波光子滤波研究 ..光纤的优化 光纤种类的优化 由公式.和.可见,光纤中由效应产生的滤波信号主要取决于三 点,岛,彳酊和损耗。和矿主要决定了的的强度,与的次方成正比 越大如越小非线性效应越强。图.分析了几种不同光纤的非线性 作用,从左到右分 别为色散位移光纤,非零色散位移光纤,普通单模光纤一 的泵浦光与滤波信号光的功率关系图。随着他们的爿甜值逐渐增 大,其非线性效应也在 逐渐减小。因此,为了获得较好的非线性作用,在选择光纤时应选 取如值小,大的 光纤。在和的色散系数分别为./?,/?, 这些色散量都需要用特殊手段补偿。 ; 薯 正 屏 图.不同光纤中泵浦与信号光的关系 ..光纤长度的优化 在选择光纤长度时,首先要考虑的强度,然后也要考虑光纤长度引入的损耗。 有效长度定义如下:大连理工大学硕士学位论文 . 三。:一广出:?出:三二生一 ” 旬 口 昂旬 当趋近于无穷大时,趋近于,表明了并不是光纤越长非线性作用的效长 度也越长。图.表示滤波功率随光纤长度的变化规律,考虑到色散补偿及非线性作用 强度,图中选用的光纤为光纤。从图中可以看出,滤波信号功率在以后变化 不明显,渐渐达到了一个稳定值。因此,在实验中选择的光纤既能 蒋飞线性 效应最大化,又能避免光纤过长造成的对信号光的衰减。在实验系统设计之前,可以利 用本文模型针对所需种类的光纤进行模拟,以便能够更好的进行实验。 /\山,一。一。正图.滤波光功率随长度的变化.. ..阈值分析 自年以来,关于的理论计算模型逐渐被分析和优化删,但这些都可以一 起描述为: . %/% 在本文的模型中,可以通过数值求解从而较直观的得到阈值功率,在此处利用式 .来定性的分析影响阈值的因素。结合.和.式,当仅考虑光纤中 的效应时,影响阈值的因素主要有:光纤种类非线性系数、损耗等,光纤有效基于受激布里渊散射的微波光子滤波研究 长度,有效截面积。在利用光纤中的效应时,总是希望阈值功率足够低以减小泵浦 光的负担。通过分析,降低阈值可以通过多种方法来实现如:减小光纤有效截面积,增 大非线性系数和等。由于本文是将效应应用于滤波系统当中,因 此也需要考 虑信号光功率对阈值功率的影响。利用本文模型,计算了当信号光功率不同时,. 长的单模光纤中滤波信号与泵浦光的功率关系,如图.所示。图中一为 无输入信号光的情况,认为在光纤末端注入的光是自发为恒定时所 产生的光。由图中可以看出,信号光功率变大时,起振所需的功率在逐渐减小。信号光 每增加,阈值功率减小约。由于信号光来自于接收到的射频信号而其功率值 不可预测,这可能会造成滤波系统阈值功率的改变。利用本文所述模型能够根据信号光 的情况是可以预测系统阈值功率的。 ,?正 / 图.不同信号水平对应的功率关系.. .本章小结 本章对效应做了理论分析,滤波系统建模的过程做了详细介绍。首先对光纤 中的效应及其原理做了简单的描述。而后基于效应及滤波过程建立了描述系 统的模型,并应用该模型分析了各个因素对滤波系统的影响。大连理工大学硕士学位论文 基于的微波光子滤波特性分析 在第二章光纤理论分析的基础上,我们针对其在微波光子滤波中的应用进行建 模和分析,为微波光子滤波器结构设计与实验研究提供依据。 . 微波光子滤波结构及其原理 由于的窄线宽、低阈值功率的特性使其能够应用于微波光子学滤波系统中,其构 成的滤波系统见图.。激光被 :它分为两路,以此保证上下两路都具有频率 为的光载波。在实际情况中,由两台激光器分别产生两束光也是可行的,但为了保证 二者的频率稳定性就必须附加额外的频率锁定系统.这将使滤波系统变得更加复杂.?.。 第一路信道是将信号经相位调制器调制到光载波上作为注入的光。当没 有效应时,由于相位调制器的两个调制边带反相,在光电探测器探测端两边 带与载波拍频后产生干涉效应从而使探测不到任何信号。当有效应时,除滤波带 宽以外的边带信号因为反相而得到有效地抑制。 图.中的第二信道则是由强度调制器/产生的双边带载波抑制信号。这里载波 被抑制的原因是它会消耗绝大部分泵浦光,因此削弱了边带的效应。双边带载波抑 制信号通过环形器,沿着与信号光相反的方向进入到光纤中。 其中,‰和~分别代表介质折射率,声波速度,调制后的泵浦光波长。 线宽主要由介质的材料和结构所决定。在频移.,处,每个泵浦边带都会 引起相应的增益谱和衰减谱。图. 表示相位调制的两个边带既不落在 增益范围内,也不落在 衰减范围内的情况,即席,?席名或 所示,当 矗,?五一厶,此时由于边带反相探测不到任何信号。如图. 南二一厶时,下边带被衰减上边带被增益,因此在端,三者作用后发生干涉产生 相应的信号。如图. 所示,当矗,石?时,下边带被增益上边带被衰减,同 样可以在端检测到滤波信号。因此,该滤波系统在频率冬五矗和‰弄一厶处 都有通带信号产生,且它们之间的频率间隔为凡约为。选用响应带宽小于 的光电探测器作为接收装置滤除瓜弄?处的信号,就可以将其视为一个单带 通滤波器。可以看出,基于此滤波系统,只要改变泵浦调制频率,尸就可以获得相应的调 谐功能。基于受激布里渊散射的微波光子滤波研究 ? 厶 图. 滤波系统结构 ..嗡”丰一扎 ”,“ ,一 口幸如 氏飞 ; 伞矗 妒 图. 滤波系统频谱图 .. .基于泵浦功率变化的滤波带宽窄带调谐 滤波器的性能差异主要体现在它是否能保证稳定的滤波频谱,因此泵浦光对滤波带 宽的影响必须要加以分析。因此本文将结合第二章中的第二个模型进行分析。 在第二种模型中认为是由空间分布式带有抖动的源所产生的。此时滤波过程可 由以下方程描述。“一: . 孕兰堡:业癣一晦 一 . 警卫坠一糯砷嗥大连理工大学硕士学位论文 . ’ 。。 。 警害即盗盈廓耳厂 昆 西 式中耳,,咋,咋分别代表泵浦、信号光场强和频率,唧砟为声波波 数,以学是介质的电致伸缩耦合常数,其中占为介质的介电常数,为 噪声源它描述了激励起声波的热运动。式.和.主要描述了在电致吸收效应 下光波的耦合,式.主要描述了自噪声源/引起的介质密度的变化和声 波的热激励过程。在非饱和且忽略光纤损耗的情况下,方程组.一.有解析 解: %?刁 严警,矗一毗砒缸碘,聊四. 》肛舻雨卿砒一,刖 虽然上式为解析解但是依然比较复杂,因此认为注入的信号光为 零以简化后续模 型。此时在处仅由效应产生的光的场强表达式为朝: 弓力黟捌舻确卿砒炉桫剥, 在式中,%为光频率,五为在处修正过的零阶贝塞尔函数。卿阿以 分别定 义为: . ?。 ‘ /’“ ,旦陬 . 经傅里叶变换后,定义辐射的空间密度为: . ?动曼产乓,?《动“基于受激布里渊散射的微波光子滤波研究 、 ., ?‘驯 ,锄 冲石孚譬;弓芝 国/国,等 一? 式中,为普朗克常量,万为每个声波模式中的平均声子数。在低泵浦的条 四埘 悱掣。矗高国‘【/‘ 此时描述的是自发布里渊散射的频谱特点,其具有洛伦兹线型,此时的滤波带宽为声 子寿命的倒数约为。在高泵浦的条件下,式.可以改写成: 、。 /】 ? 国万 刀吐带 此时的是的频谱特点,具有高斯线型,此时的滤波带宽为: , . 【二竿 根据式.、.和.可以得出:滤波带宽与,光纤有效长度、非 线性系数,泵浦光强度有关。这些因素主要可以归结为:光纤的材料、长度特性和泵浦 光的强度特性。当光纤材料、长度已经给定时,随着泵浦功率的增长或光纤有效长度的 增加,滤波带宽理论上可以减小到零。但是在实际的实验过程中,滤波带宽将会达到一 个左右的极限值。根据以上原理,滤波带宽随着泵浦功率的增加而逐渐窄带化, 因此在一定范围内可以通过改变泵浦功率值来改变波带宽。 以上模型分析了在忽略注入信号光的情况下布里渊散射从自发状态到受激状态的 频谱变化,为微波光子学滤波模型的完善和优化提供了重要的理论基础。虽然在实际的 滤波系统中信号光是不可忽略的,但是我们仅用此模型来分析频谱的变化,在实验章节 中会证明在一定条件下滤波带宽与信号光功率无关。 .基于泵浦光频谱变化的滤波带宽调谐 近年来,泵浦波的频谱展宽引起的光谱的变化多被用于光信号处理技术 中,包括延时技术和滤波技术等。在光控群时延系统中,效应的应用也被称作“慢 .大连理工大学硕士学位论文 光效应”。随着研究的深入,基于的可重构光学滤波器也逐渐取得成果,已有报道称 能够实现滤波带宽为的光学滤波系统卜盯。目前来说,利用泵浦波展宽技术实现微 波频率的宽带滤波还未见详细报道,但可重构的微波光子学滤波器一直是研究者关注的 热点问题。基于现有的国内外研究成果,依据对激光器的调制情况泵浦波的展宽技术大 致可分为直调和外调两种。基于这两种技术原理就可以在本文的滤波系统中实现量 级的带宽调谐。 .. 基于泵浦光直接调制的滤波带宽调谐 直接调制激光器的驱动电流可以直接改变泵浦光的频谱特性,而不需要外部附加电 光调制器,但是此时信号光并不需要频谱展宽,因此泵浦光与信号光需要不同的激光器 分别发出。此时,经过作用后的信号光场强‰川魄与原信号光场强巨”。%的 关系为引: . 巨咖以%邑/ 当泵浦光经过调制频谱展宽后,滤波增益系数修正为: 九 毗,掣赫% 如果泵浦光的线宽比儿大得多,滤波增益系数可以近似成: . %‘%%厶 其中‘咋为泵浦光展宽后的功率谱密度。从.式可以看出,由于%以在 光纤和滤波频率固定后为不变的量,滤波带宽主要取决与泵浦光的谱宽变化。泵浦光的 频谱展宽主要通过控制泵浦激光器的驱动电流来实现。驱动电流的调制过程可由下式描 述‘删: 删?易??? . 其中,和分别代表调制项?‘的幅度和周期,?代表调制过程中调制带 宽、均方根幅值%的随机部分。因此,改变泵浦光的带宽可以通过改变调制幅度来实 现,带宽改变量达到量级。此时任意波形发生器仅工作在百/状态咖。基于受激布里渊散射的微波光子滤波研究 虽然用直接调制法可以通过改变调制幅度实现泵浦光的频谱展宽并不需要量级 的任意波形发生器,但是由于滤波增益与泵浦功率呈指数关系要保证平坦的滤波频谱就 必须精准的控制泵浦光的频谱。此外,由于信号光和泵浦光的载 波是由不同激光器产生 的,二者引入的相位噪声和频率也需要加以控制。以上因素都增加了系统设计过程中的 复杂性。 ..基于泵浦光外调制的滤波带宽调谐 与直接调制相比,通过外部调制器直接对泵浦光进行频谱展宽可以更精确的控制泵 浦光的频谱。同时泵浦光与信号光的载波也是由同一激光器产生,避免了噪声和复杂的 频率锁定。 在外调制系统中,可以通过设计调制数据的模式在量级改变滤波器的调制带宽。 在微波通信系统中,???调制技术是比较普遍的调制 方式之一,因此本文中选择将调制模式加载到泵浦光的调置信号上。这就意味着在 和/之间的二进制相位调制被加载到了泵浦光的调置信号上。经调制后的光的功 率谱完全取决于调制数据模式的特性,因此定义一个值作为相邻比特逻辑状态或 的翻转概率。例如,完全随机模式对应于/,像?这样的固定模式对应着 。被调制翻转概率为的电场的归一化自相关函数表述如下: ?一一胛, ?’ ,? 玎 其中,为调制数据模式的比特率,为整数。通过对.式的傅里叶变换,归一化 的功率谱的表达式为: 厂否丽一 × ???/ 从式.中可以看出,只要改变和的值就可以得出不同的泵浦光功率波形。当比 特率确定时,需要调整的值使得波形的顶部为平坦状态即类似于方波,在探测端才能 获得平坦度较好的滤波信号。当取/或/时,泵浦光具有平顶波形模式,当泵 浦光的带宽比自身固有的带宽大得多时,滤波频谱的带宽将按照泵浦光带宽的变化 而变化啼“。这种特性使得滤波带宽的调谐变得简单易行,只要通过改变泵浦光的调制带大连理工大学硕士学位论文 宽就可以控制滤波带宽。 综上所述,无论是直调方法还是外调方法都能够调节泵浦光的带 宽从而实现滤波带 宽的调谐,但是各自也有优点和受限之处,具体选取哪一种方法还要取决于用户的需求 和具体的实验条件。在本文中,更注重系统的噪声控制和频率稳定性,因此更倾向于选 取外调的方法来进行研究。 .滤波噪声分析 在上世纪七十年代初期,人们认为效应仅仅是由于导模声波产生的一:但是在八 十年代,许多的实验结果证明了频谱“多峰值”的存在。甚至能够在单模光纤中观 测到四个峰值随。在应用效应进行滤波时,也会出现边带噪声,下面将会对滤波边 带的产生做出简要分析。 光纤中的效应主要是通过激励起声波而产生的.,但是由于不同光纤中锗的掺杂 浓度不同,除了会改变光学折射率之外也会改变声波的折射率使声速降低。随着锗的掺 杂程度的不同,声波折射率的变化大于光学折射率的变化,这就导致了此时的波导更有 利于声波的传播。因此单模光纤作为声波的波导通常能够支持许多种声波模式,声波模 式的存在产生了额外的声光作用,削弱了在光纤波导中的布拉格条件,同时也会产生新 的被散射的光波也就是通常在实验中观测到的滤波边带噪声。 在光纤中大致归纳为两种声波模式:切向和纵向声波模式。见图.,切向声波模 式大致有弯曲模式、径向模式、和扭转模式三种。虽然它们也会产生声光作用,但只会 在前向小于的频率范围产生散射光波,同时前向光波的强度也很弱。因此,横向声 波模式引起的非线性作用将不会影响滤波系统的性能。图.三种横向声波模式 ..基于受激布里渊散射的微波光子滤波研究 在年,等人首先对光纤中的纵向声波模式做出了分析畸。他们假设波导为 一种弱导纤维包层无限厚,在此种波导中除了导模声波。.之外也会存在其他的 相速度介于芯层和包层之间的声波模式。这些声波模式并非理想化的导模,因为他们会 有部分能量向轴向泄漏,他们也被称为泄露模式,如图.所示。图.纵向声波模式示意图百 .. 泄露模式的声波不但会引起滤波频谱的改变,他们的材料损耗也 达到了不可忽略的 情况。因此在滤波过程中有必要对泄露模式进行简要的分析。近 年来,由于研究者对 效应的重视,对泄露模式的研究也逐渐深入。有研究者已经对任 意波导结构中的泄露 模式做出了详细的推导和分析嘟,在考虑到纵向声波模式的同时 也加入了切向声波模式 的影响,可以对滤波增益系数进行了修正: 露/ 上 \ / 。一霹/ 一。;六渺 . 其中,,定义为: . 。:/ / 处的有效声光作用横截面积定义为: 其中为该声波模式对应的有效声速。 四 砰二一大连理工大学硕士学位论文 ?二二,, ?’ 一磊‰ 二% 除了锗的掺杂浓度外,波导结构和折射率的变化曲线也会影响光纤中的声波传输。 这就导致不同光纤对应的滤波频谱边带噪声的不同.腩?.。在滤波系统中除了要明确边带噪 声的来源和特点外,更重要的是寻找到抑制边带噪声的有效途径。 改变锗的掺杂浓度 对于锗的掺杂浓度,由于要满足系统的色散补偿或增大非线性作用的需求,往往选 用非线性度较高的特种光纤或?,因此通过改变锗的掺杂浓度去抑制边带噪 声可能会牺牲系统的主要滤波优势。 改变芯层直径 等人求解了圆柱形波导中的声波方程,发现当可以与泵浦光波长相比拟时 ‖“砷,沿光纤轴向的纵向声波模式会出现不同种类的泄露模式的声波。当增大时 如,这些模式就会被削弱。这就说明具有较大的光纤更能抑制滤波频谱中的 边带噪声。 改变泵浦功率 有实验证明,,当泵浦光的功率在阈值以下时,峰值和边带将会同时随着泵浦 光功率的增长而增长;当泵浦光功率超过阈值时,峰值将会继续增长而边带功率 将会逐渐衰减。这为抑制滤波系统的边带噪声提供了参考,在本文所示的滤波系统中, 虽然在未达阈值时依然可以观测到滤波信号,但此时的边带噪声已经达到了可以 和滤波信号峰值可比拟的水平,大大削弱了滤波系统的性能。若要实现边滤波带噪声抑 制,可以通过增加泵浦功率使滤波信号随过程的发生而快速增长,边带噪声信号此 时增长的速度远低于滤波信号,这样就可以有效地实现边带噪声的抑制。 .带外抑制分析 带外抑制能够反映出载波与噪声信号之间的关系,是衡量滤波信号质量的 重要标准。在图.所示的滤波系统中,经调制后的光信号可以表述如下删: ,矽班一以砌‖眦而? ‘?’ 以四‖姒如’‘