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1、微波光子学滤波器理论分析,姓 名：董永孟 学 号：S130431005指导教师：王 巍,简介 微波光子滤波器是光子信号处理技术的重要内容。在电域内处理信号受频带和采样频率的限制，处理速度和精度都受到影响，称为电子“瓶颈”。微波光子滤波器提供了一种解决传统“瓶颈”问题的新方法。输入的射频(RF)信号通过调制器调制到光信号上，RF 信号的处理在光域进行，最后通过光接收器输出滤波后的微波信号。采用这种方法的优点是：低损耗、高带宽、不受电磁干扰、重量轻和支持高采样频率，使用波分复用技术还提供了空间和波长并行处理的可行性。J.Capmany,Beatriz Ortega.A tutorial on mi
2、crowave photonic filters J.J.Lighwave Technol.,2006,24(1):201229,微波光子学滤波器基本原理,输入的微波信号Si(t)转换为光学系统的输入光场强度Ei(t)的过程是非线性的,因为式;同样,光学系统的输出光场强度Eo(t)转化为输出的微波信号so(t)的过程也是非线性的，其中代表时间均值。所以从理论上来说,整个系统的输入信号si(t)与输出信号so(t)之间在一般情况下并不存在严格的线性关系，只有在某种特定情况下才满足线性。,FIR滤波器模型,IIR滤波器模型,信号流图表示的FFR滤波器与IIR滤波器理论模型,长度为L的FIT滤波器的
3、输入输出方程表示为：对上式两边取z变换并进行排列后,可以得到Z域内FIR滤波器的传输函数为:滤波器在频域内的特性可以用频率响应来表示:,与FIR滤波器相同,IIR滤波器的Z域传递函数可以表示为:其频域系统函数可表示为：,滤波器的性能分析,品质因数的高低与抽头个数有关,如果抽头数量N10,则品质因数的变化与抽头数量变化成正比,抽头个数越多,品质因数越高。对于FIR结构,其长度有限,品质因数的增加依赖于分光束通道数量的增加,因此每增加一定的抽头数量,就要增加一定的光学器件,结构比较复杂,成本比较高,并不利于实际的使用。,2、可重构特性分析 光纤光栅具有独特的滤波和反射特性,采用可调谐的激光器或者激
4、光器阵列作为光源,在光纤光栅的不同波长处反射,由于不同的反射点具有不同的反射率,因此调制信号经过光纤光栅,既改变了延时线的长度,也加载了不同的抽头系数,实现了滤波器的可调谐特性和可重构特性。3、可调谐特性分析 微波光子滤波器的自由频谱范围依赖于单位延时,因此改变滤波器的单位延时,就可以实现滤波器的可调谐特性,该性能是微波光子滤波器相比于电滤波器的最大优势之一,减少了系统的成本并降低了复杂度,更有利于实际的应用。,微波光子学滤波器其中一个关键部件是延时器。进行实时调谐就是要能实时改变自由谱宽万万尺,使得其中一个通带(或阻带)的中心频率对准待处理的微波信号。而改变自由谱宽FSR就意味着延迟时间T能
5、够调节和控制。当延时时间T能连续调节时,滤波器可实现连续调谐。下面对几种典型设计进行分析。,延时T的实现与控制,1、基于可调激光器和FBG阵列的可调谐滤波器,缺点：不能连续调谐,2、基于可调激光器和LCFBG对的连续调谐滤波器,3、基于可调激光器阵列和LCFBG的连续调谐滤波器,4、基于马赫一泽德干涉仪和标准光纤的连续调谐滤波器,负抽头系数的实现,为了得到负抽头系数,要利用反相位调制。实现反相位调制的方法主要有以下几种:基于电光强度调制器的方法，基于交叉增益调制的方法基于交叉强度调制的方法、基于相位调制的方法和基于偏振调制的方法等等。下面举几个例子予以说明,1、基于差分探测的负系数滤波器,缺陷
6、：抽头是通过电子设备实现的，所以滤波性能受到电子设备的性能和有源设备带来额外的噪声影响以及这种结构很难重构，而且，器件价格也比较昂贵。,2、基于SOA交叉增益调制效应的负系数滤波器,SOA的交叉增益调制效应：SOA的XGM效应基于SOA增益饱和效应。由速率方程可知,光信号在被放大的同时将引起SOA中载流子的消耗,因而会出现增益随注入光功率增大而减小的现象,即增益饱和。出现增益饱和现象后,增益将会出现与注入光信号相反的调制作用。（I表示泵浦电流,为电流注入效率,e为电子电量,V为半导体材料有源区的体积,模场限制因子,光在有源区内的群速度,为第i束光的光子密度非受激辐射复合消耗载流子的速率为。）,
7、缺点：这种结构比较复杂，很难实现可重构性能和多抽头结构，在光域里的相位反转受到SOA 转换带宽的限制，另外存在的一个问题就是SOA 对偏振很敏感。,3、基于马赫一泽德调制器的负数抽头的实现,基于双马赫一泽德调制器的负系数滤波器,不同载波波长对应的马赫一泽德调制器的调制曲线,基于单马赫一泽德调制器的负系数滤波器,展望：,微波光子滤波器未来的主要研究重点将是：发展更简洁的技术获得负系数和复系数滤波器；发展更多的技术实现滤波器可调谐；克服具有很小的延迟时间值的相干效应实现与电路集成的目的；研究发展更好的微波光子滤波器的各项器件，现阶段全光滤波器的带宽受到调制器和探测器的带宽限制，其中主要是调制器的带宽限制。,谢谢！,
