與受激布里淵散射結(jié)合的微波光子濾波器

郭麗君，譚中偉

(北京交通大學 光波技術(shù)研究所全光網(wǎng)絡與現(xiàn)代通信網(wǎng)教育部重點實驗室， 北京 100044)

0 引 言

隨著微波通信技術(shù)的發(fā)展，對于微波信號帶寬的需求越來越高。由于電子技術(shù)的限制，傳統(tǒng)微波濾波器工作帶寬受限，無法滿足靈活調(diào)諧和寬頻段工作的應用需求，微波光子濾波器(Microwave Photonic Filter, MPF)可以克服這些缺點[1-3]。受激布里淵散射(Stimulated Brillouin Scattering, SBS)效應由于靈活性強和帶寬較窄的特點，成為了可重構(gòu)MPF的熱門選擇。

為了擴展帶寬,近些年來研究人員提出了一些基于SBS效應的濾波器方案。2016年，Li J Q 等人提出了一種基于兩個獨立泵浦激光器產(chǎn)生雙波長泵浦，得到3 dB帶寬小于30 MHz的濾波器[4];2017年，華中科技大學的張科提出用相位調(diào)制器(Phase Modulator, PM)生成光頻梳擴展帶寬，得到3 dB帶寬為200 MHz的濾波器[5];2018年，龔靜文等人提出用雙驅(qū)動馬赫曾德爾調(diào)制器(Dual-drive Mach-Zehnder Modulator, DDMZM)生成光頻梳擴展帶寬，得到3 dB帶寬為400 MHz的濾波器，但其犧牲了濾波器平頂平坦度，實用性不高[6];2019年，電子科技大學的李政凱提出用單個激光器結(jié)合雙平行馬赫曾德調(diào)制器(Dual-parallel Mach-Zehnder Modulator, DPMZM)產(chǎn)生雙波長泵浦，得到3 dB帶寬小于57 MHz的濾波器[7]。從這些研究中可以看出，基于SBS的MPF要想得到平坦度較好、帶寬較寬的通帶有一些難點。

因此，本文研究了基于SBS的MPF，提出了一種通過輸入幾個頻率不同的正弦信號來調(diào)制泵浦擴展濾波器帶寬的方案，并總結(jié)了通過調(diào)制改變?yōu)V波器帶寬的規(guī)律。

1 設(shè)計方案

在基于SBS效應的MPF中，一般使用PM與SBS相結(jié)合的MPF[8-11]，主要利用SBS效應[12-15]，產(chǎn)生布里淵增益譜或損耗譜，使經(jīng)相位調(diào)制的上或下一階邊帶信號落入其中，從而打破了相位調(diào)制信號的上下一階邊帶幅度相同、相位相反的關(guān)系，最后拍頻就可以得到輸入的射頻信號。此方案中，通過改變泵浦信號來實現(xiàn)擴展濾波器的通帶帶寬，所以重點是對泵浦信號的研究。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于SBS效應的MPF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在上支路中，激光器(Laser Diode, LD)LD1輸出的光經(jīng)過PM得到調(diào)制信號，經(jīng)過光隔離器(Optical Isolator, ISO)和衰減器(Optical Attenuator, OA)得到信號光，正向進入到單模光纖(Single Mode Fiber, SMF)中；在下支路中，LD2輸出的光經(jīng)過DPMZM，調(diào)節(jié)其參數(shù)，使之得到抑制載波的單邊帶信號，再經(jīng)過摻鉺光纖放大器(Erbium-doped Fiber Amplifier, EDFA)放大到足夠的功率后得到泵浦光，通過光環(huán)行器(Optical Circulator, OC)反向進入到SMF中。然后信號光和泵浦光在SMF中相遇，發(fā)生SBS效應，會產(chǎn)生布里淵增益譜(或損耗譜)，使落入其中的信號被放大(或減小)。

圖1 基于SBS效應的MPF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 泵浦信號

產(chǎn)生布里淵泵浦的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。LD作為光源，經(jīng)過偏振控制器(Polarization Controller, PC)進入DPMZM中， RF信號驅(qū)動DPMZM產(chǎn)生載波抑制的單邊帶調(diào)制信號，然后經(jīng)過EDFA放大到足夠的功率后，輸出光即可作為布里淵泵浦信號。PC2的作用是用來控制泵浦的偏振態(tài)，從而使布里淵增益達到最大。

圖2 基于DPMZM的泵浦產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

2.1 分析SBS在Optisystem中仿真的問題

首先，按照理論計算來分析此過程：兩個LD的頻率都設(shè)置為1 550 nm即約193.414 48 THz，上支路中，輸入到PM中的RF信號為頻率為3 GHz的正弦信號，則PM輸出的調(diào)制信號的上下一階邊帶分別為193.417 48和193.411 48 THz，且幅度相同相位相反；下支路中，輸入的RF信號選取中心信號頻率為14 GHz、間隔為20 MHz的3個正弦信號，其幅度都設(shè)置為1 V。通過調(diào)節(jié)DPMZM的參數(shù)，使之輸出中心頻率為193.428 48 THz、間隔為20 MHz的3個正弦信號的抑制載波的上一階單邊帶信號，然后被EDFA放大到足夠的功率后，作為泵浦光。然后經(jīng)OC進入SMF中，對每個正弦信號進行SBS效應，進而合成較寬的布里淵增益譜。因為這里布里淵頻移量設(shè)置成11 GHz，所以理論上產(chǎn)生的布里淵增益譜的中心頻率應該為193.417 48 THz，上支路產(chǎn)生的上一階邊帶信號正好落入該增益區(qū)，實現(xiàn)此邊帶的放大，從而打破了相位調(diào)制信號的幅度相同相位相反的關(guān)系，實現(xiàn)了從相位調(diào)制到強度調(diào)制的轉(zhuǎn)化。最后這兩支路的信號一起進入PD中，拍頻產(chǎn)生濾波信號。

用仿真軟件Optisystem驗證上述理論。搭建上述系統(tǒng)圖，設(shè)置如上所說的參數(shù)。得到濾波器的頻率響應圖及局部放大圖如圖3所示。

圖3 濾波器的頻響特性

由右上角的局部放大圖可知，增益譜的中心頻率在193.403 5 THz附近，并且只有一個泵浦信號產(chǎn)生增益譜。反推得到這個泵浦信號中心頻率為193.414 5 THz附近，與設(shè)置的輸入LD的頻率幾乎相等，與理論不符。接下來，通過幾次改變泵浦支路輸入的正弦信號的頻率和個數(shù)觀察到，增益譜的中心頻率仍在193.403 5 THz附近，且只有一個泵浦信號。但是，當改變LD的頻率時，觀察到增益譜的中心頻率卻隨著LD頻率的改變而變化，并且改變的量也相同。

接下來，在Optisystem中將泵浦支路輸出的信號后面接一個Matlab組件，把泵浦信號的數(shù)據(jù)導入到Matlab中進行分析。觀察Matlab中的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)Optisystem中默認發(fā)生SBS效應時的泵浦信號是LD發(fā)出的光信號，相當于貼了個標簽。然后，SBS泵浦支路輸入的RF信號仍然是選用最初的3個正弦信號，通過在Matlab中進行相應信道設(shè)置的操作，與Optisystem進行聯(lián)合仿真，得到泵浦支路輸出的3個信號的中心頻率分別為193.428 46、193.428 48和193.428 50 THz，得到的濾波器頻率響應圖及局部放大圖如圖4所示。

圖4 濾波器的頻響特性

由圖4(a)可知，相位調(diào)制信號的上一階邊帶信號正好落入布里淵增益區(qū)，并且被相應地放大。由圖4(b)可知，這是3個泵浦信號產(chǎn)生的增益區(qū)，與理論相同。

2.2 仿真結(jié)果及分析

接下來改變泵浦支路的LD頻率，觀察布里淵增益譜的中心頻率f，如圖5所示。

圖5 布里淵增益譜的中心頻率

由圖可知，布里淵增益譜的中心頻率發(fā)生了改變。得出結(jié)論：通過改變泵浦支路的LD頻率，從而改變了布里淵增益譜的中心頻率，即改變了濾波器的中心頻率。

這個系統(tǒng)可以通過獨立控制每個正弦信號的幅度來對泵浦頻譜進行微調(diào)，從而優(yōu)化濾波器的頻率響應波形。為了優(yōu)化圖4的波形，對3個正弦信號的幅度進行微調(diào)。由圖4可知，3條泵浦對應的增益譜的功率：第2條>第1條>第3條，所以可以返回去調(diào)節(jié)泵浦支路輸入的3個正弦信號的幅度，使得其幅度大?。旱?條<第1條<第3條，然后再仿真觀察增益譜的波形平坦度，以此類推，最后得到較為平坦的波形。同理，處理頻率間隔仍為20 MHz，正弦信號的個數(shù)N分別為3、5和7時，觀察優(yōu)化后的相應濾波器布里淵增益譜，如圖6所示。

圖6 頻率間隔為20 MHz，N分別為3、5和7時，濾波器的布里淵增益譜

圖7所示為正弦信號個數(shù)分別為3、5和7，頻率間隔為30 MHz時的濾波器布里淵增益譜。

圖7 頻率間隔為30 MHz，N分別為3、5和7時，濾波器的布里淵增益譜

圖8所示為正弦信號的個數(shù)分別為3、5和7，頻率間隔為15 MHz時的濾波器布里淵增益譜。

圖8 頻率間隔為15 MHz，N分別為3、5和7時，濾波器的布里淵增益譜

由圖6、7和8可知，在輸入的正弦信號頻率間隔相同的情況下，隨著正弦信號個數(shù)N的增加，對應的布里淵增益譜的線寬也逐漸增加，并且輸出功率也越來越低。由圖 6、7和8對比可知，在輸入的正弦信號個數(shù)相同的情況下，隨著正弦信號頻率間隔的增加，對應的布里淵增益譜的線寬也逐漸增加，并且輸出的功率也越來越低。由圖7可知，在頻率間隔為30 MHz的情況下，布里淵增益譜的頂部變得很不平坦，有尖峰，并且隨著正弦信號個數(shù)的增加，尖峰也越來越多，而且與正弦信號的個數(shù)相同。這是因為，布里淵增益譜的自然線寬仿真時設(shè)置為30 MHz，每個泵浦產(chǎn)生的增益譜疊加為最后的整個增益譜。所以，濾波器的通帶要想較為平坦，就要疊加的增益譜比較平坦，那么正弦信號的頻率間隔要小于布里淵增益譜的自然線寬，即30 MHz。在此結(jié)論下，接下來研究當正弦信號的頻率間隔分別為15和20 MHz時，濾波器通帶的形狀，可以用形狀因子S表示，如表1所示。

表1 不同正弦信號個數(shù)時布里淵增益譜帶寬

由表可知，除去輸入的正弦信號的頻率間隔為20 MHz，個數(shù)為7時的形狀因子。在輸入的正弦信號的頻率間隔相同時，隨著正弦信號個數(shù)的增加，形狀因子S越來越小，越來越接近1；在輸入的正弦信號的個數(shù)相同時，隨著頻率間隔的增加，形狀因子S越來越小，越來越接近1。由圖6(c)可知，頻率間隔為20 MHz，正弦信號個數(shù)為7時，此時的布里淵增益譜有較高的旁瓣，所以其形狀因子S反而增大了，偏離了1，與上述結(jié)論不同。所以頻率間隔為15 MHz、正弦信號個數(shù)為7時獲得了最接近1的形狀因子S。

總之，通過改變泵浦支路輸入的正弦信號的個數(shù)N和頻率間隔，可以改變布里淵增益譜的線寬，從而改變?yōu)V波器的通帶帶寬和形狀，即可實現(xiàn)濾波器帶寬的可重構(gòu)性。

接下來，將泵浦支路輸入的正弦信號設(shè)置為幅度為1 V、間隔為15 MHz，且此支路的激光器的功率設(shè)置為30 dBm，觀察濾波器的輸出功率與光纖長度的關(guān)系如圖9所示。

圖9 濾波器輸出功率與光纖長度的關(guān)系

由圖可知，光纖長度在1～11 km范圍內(nèi)，輸入正弦信號的個數(shù)N分別為3(三角線)、5(圓點線)和7(方塊線)時，隨著光纖長度的增加，濾波器的輸出功率先逐漸增加，然后再降低，拐點在5～7 km間。在光纖長度相同的情況下，N越大，濾波器的輸出功率就越高。在光纖長度為5 km、N為3時，濾波器的輸出功率最高。

3 結(jié)束語

本文主要研究了基于SBS效應的MPF。通過仿真軟件Optisystem與Matlab聯(lián)合仿真，可以得到如下結(jié)論：通過改變泵浦支路的LD頻率，可以實現(xiàn)濾波器中心頻率的可調(diào)諧性；通過改變泵浦支路輸入正弦信號的個數(shù)和頻率間隔，可以實現(xiàn)濾波器帶寬的可重構(gòu)性。得到了3 dB帶寬為80 MHz、形狀因子為1.38的較平坦的基于SBS的可重構(gòu)MPF。分析了在泵浦支路輸入的正弦信號的頻率間隔(或個數(shù))相同的情況下，隨著正弦信號個數(shù)(或頻率間隔)的增加，形狀因子越來越小，越來越接近1；光纖長度在1～11 km范圍內(nèi)，隨著光纖長度的增加，濾波器的輸出功率先逐漸增加，然后再降低，拐點在5～7 km間；在光纖長度相同的情況下，泵浦支路輸入的正弦信號個數(shù)越多，濾波器的輸出功率就越高。