【word】 一阶无限抽头响应微波光子滤波器的品质因数分析

【word】 一阶无限抽头响应微波光子滤波器的品质因数分析 一阶无限抽头响应微波光子滤波器的品质 因数分析 第40卷第7期 Vo1.40NO.7 红外与激光工程 InfraredandLaserEngineering 2011年7月 Ju1.2011 阶无限抽头响应微波光子滤波器的品质因数分析 祁春慧1,2,裴丽.一,宁提纲1,2,李晶--,安丽靖1,2,高嵩1,2 (1.北京交通大学光波技术研究所,北京100044; 2.北京交通大学全光网与现代通信网教育部重点实验室,北京100044) 摘要:随着人们对宽带无线通信带宽需求的不断增加,微波光子学器件的研究成为热点之一,近几 年,光学器件的发展非常迅速,基于此的微波光子滤波器的应用和研究也逐步成熟起来.在深入研究 微波光子滤波器性能理论的基础上,提出了一阶无限抽头响应的微波光子滤波器(IIRMPF)模型,利用 自动控制原理动态结构图的变换知识进行理论推导,得出当反馈回 路中加权系数和增益系数的乘积 为l时,一阶URMPF可以得到最大的品质因数(Q值),并通过建立基 于光纤布拉格光栅(FBG)和有源 光纤的IIRMPF结构进行验证.结果表明,该结构与理论推导相吻合, 最后实验制作了反射率分别为 99.5%和50%的FBG,得到了Q值为804的微波光子滤波器响应. 关键词:微波光子滤波器;无限抽头响应;光纤布拉格光栅;品质因数 中图分类号:TN713.1文献标志码:A文章编 号:1007—2276(2011)07—13l4—04 Analysisofqualityfactorforone-orderinfiniteimpulseresponse microwavephotonicfilter QiChunhui一,PeiLi一,NingTigang-一,LiJing一,AnLijing一,GaoSong, (1.InstituteofLightwaveTechnology,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China;2.KeyLaboratoryforM1Optical NetworkandAdvancedTelecommunicationNetwork,MinistryofEducation,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China) Abstract:Withtheneedsforthewidebandwirelessconununication,researchesonmicrowavephotonic devicesbecomeoneofthehotspots.Recently,theopticaldevicesaredevelopingfast.Theapplication andstudyofmicrowavephotonicfilter(MPF)basedontheopticaldevicesarematuringgradually.Inthis paper,one—orderinfiniteimpulseresponsemicrowavephotonicfilter(IIRMPF)modelwasproposedbased onthedeepresearchoftheMPFperformancetheory.Whentheproductofweightingcoefficientandgain coefficientinthefeedbackloopequalsto1,thebiggestqualityfactorcouldbeobtainedintheIIRMPF basedonthetransforminformationofautomationcontroltheorydynamicstructurediagram.Then,an IIRMPFstructurebasedonthefiberBragggrating(FBG)andactivefiberwasbuilttoverifythe conclusion.Theresultmatchesthetheoryverywel1.Atlast.theFBGwithreflectivityof99.5%and50% isgotrespectivelybyexperimentandahighavalueof804isrealized. Keywords:microwavephotonicfilter;infiniteimpulseresponse;fiberBragggrating;qualityfactor 收藕日期:2010-11—12;修订日期:2010—12—03 基金项目:国家自然科学基金(60771008,60837002);北京市自然科学 基金(4082024);留学回国人员基金(教外司留[2OO8]89O号) 教育部博士点基金(200800040002);中央高校基金科研业务费专项 基金(2009YJS010) 作者简介:祁春慧(1983-),女,博士生,主要从事ROF系统及其关键器 件的研究.Email:qch830503@126.corn 导师简介:裴丽(1970一),女,教授,博士生导师,主要从事光纤通信以 及ROF等方面的研究.Email:lipei@bjtu.edu.cn 第7期祁春慧等:一阶无限抽头响应微波光子滤波器的品质因数分析 0引言 微波光子滤波器(MPF)是典型的微波光子学的 实用系统——光纤无线电(ROF)系统中的关键器件 之一,其结合了微波和光纤的关键技术,实现了传统 微波滤波器的功能,并且具有低插入损耗,抗电磁干 扰性,高带宽,灵活的可调谐性和可重构性等优点. 近几年,相关的研究者对MPF的不同性能进行了改 善],如实现连续可调谐特性,灵活的可重构特性, 带通特性以及高品质因数(Q值)等.对于MPF来 说,关键的指标之一是高Q值,而实现此目标的方 法是增加滤波器的抽头数量,目前,国内外提出了很 多提高滤波器的Q值的技术,如利用级联的相移布 拉格光纤光栅(PS-FBG)怛,超宽带连续谱光源和色 散光纤嘲,相位调制器和马赫曾德尔调制器的级联, 可调电光调制器或电致吸收外部调制器『5以及有源 光纤和光纤光栅对等. MPF根据其抽头的数量可以分为有限抽头响应 (FIRMPF)和无限抽头响应(IIRMPF)两种.对于 FIRMPF,提高其Q值只能采用增加抽头数量的方 法,导致成本提高,系统复杂性增加[7-111;而对于 IIRMPF,由于其构成包含有反馈环节,因此可以在 不增加系统成本的情况下实现大量抽头的高Q值 响应.目前,已经提出了很多 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 来实现高Q值的 MPF,如ZhuKun和OuHaiyan等报道了一种Q值 为95的带通微波光子滤波器;1997年,悉尼大学 的DBHunter和RAMinasian领导团队提出了两 种典型的一阶IIRMPF结构,一种是利用耦合器和 有源设备构成环形腔来实现滤波,而另一种是利 用FBG对和有源光纤构成F—P腔实现滤波,两种 方案均实现了Q值为200的滤波器响应. 文中深入研究了一阶IIRMPF的理论模型,利 用自动控制原理分析得到了最大Q值的条件,建立 了基于FBG以及有源光纤的结构,制作了性能优良 的FBG,得到了较高的Q值. 1IIRMPF的理论模型 理论上,MPF是一种模拟滤波器,分析MPF的 理论均采用数字滤波器的方法,对于一个数字滤波 器来说,其Q值依赖于滤波器的抽头数量,如果抽 头数量越多,则其Q值越大,这条理论对于MPF同 样适用.MPF的品质因数可以表示为: Q=FSRIAf3~(1) 式中:血为滤波器频率响应的3dB带宽;FSR=I/T, =r=2nL/c,T为延时线的周期,决定了整个滤波器 的自由频谱范围(FSR),n为光纤的折射率,L为光纤 延时线的长度,c为真空中的光速. 数字滤波器的阶数越低,其滤波器响应越稳定, 因此,一阶IIRMPF成为近几年来研究的热点之一. 图l为典型的IIRMPF结构图,图中,a为第一个抽 头的系数,b为反馈回路中的权系数,g为回路中总 的增益,为不同抽头之间的延时.利用自动控制 图1一阶IIRMPF的模型结构图 Fig.1StructurediagramofIIRMPFmodel 原理的动态结构图的等效变换知识司以得到模型的 传输函数为: (z)=—(2) 1-bgz 其中,z=dwr.变换到频域为: (w)=一(3) e—bg 滤波器的幅度为: IH(w)l=————(4) V1-2bgcoswT+b.g’ ~coswT=l,即或w=时,得到的最大幅值为: 1日(w)l=a/ll一gf(5) 将幅值下降到最大幅值的一半时的带宽定义为 3dB带宽,相对应的频率为,则: In(ws)I1I(w)I一=南(6) w. 争arcc.s(7) 得到的3dB带宽为: 1wl=手arcc.s(8) 1316红外与激光工程第40卷 根据Q值的计算公式可以得到: FSR ‘‘‘‘.’’2bg 分析公式(9)可以看到,当分母为0时,得到最 大的Q值,即: arccos=0(10) =l(11) 因此可以得到,在一阶无限抽头响应MPF的反 馈回路中,当加权系数以及增益乘积为1时,可以得 到最大的Q值. 2基于FBG的一阶IIRMPF 基于以上模型,笔者给出了典型的基于FBG的 ?PF,该结构的滤波器是基于一对FBG以及增益 光纤,其结构如图2所示.其中,FBG1的反射率充 当了反馈回路的加权系数,增益光纤使得信号在反 馈回路中放大循环构成大量的抽头,FBG2的反射 率设置为1,保证了信号能全部反馈到回路中进行 加权和增益.具体的过程如下:调制信号进入到 FBG对中,FBGl与FBG2的中心频率相同,信号通 过FBG1后,一部分的光反射形成一个抽头,另一部 分光通过增益光纤进行放大并被FBG2反射到回路 中再次放大,其中一部分透过FBGl形成第二个抽 头,同时另一部分反射回光纤继续进行相同的过程, 这样,信号就在FBG对中不断地进行放大和抽头, 最后得到一个高Q值的滤波器响应. Gain fiber 图2典型的基于FBG的IIRMPF结构图 Fig.2TypicalstructurediagramofIIRMPFbasedonFBG 根据此结构,抽象出了其等效的动态结构,如图 3所示.利用自动控制原理的等效变换知识得到了 其传输函数为: 日(w):(12) e一RIR2g 图3图2所不结构图的传输函数信号流图 Fig.3SignalflowingchartofthetransferfunctionofFig.2 设FBG1,FBG2的反射率分别为Rl=0.2,R2=1, 光纤的长度为20cm,当增益光纤产生的增益g从2 增加到7时,其频率响应如图4所示.可以看到,当 增益为5时,可以得到一个非常尖锐的深度约为50dB 的滤波器响应,此时其Q值是最大的,而增大或者减 小增益,其Q值均下降,而且滤波器的深度也减小 了.这可以通过所建立的模型进行解释,根据公式(1I) 可以得到当反馈回路中加权系数与增益的乘积为l 时,滤波器可以得到最大的Q值,而该结构中,FBG1 的反射率为0.2,因此当增益为5时意味着RR2g=l, 即在此条件下,滤波器满足最大Q值的条件.同样 地,如果设置增益光纤的增益和FBG2的参数为g=5, .=1,改变FBG1的反射率尺.从0.1增加到0.5,其 频率响应如图5所示.同理可以看到:当反射率为0.2 时,其频率响应最尖锐,Q值最大. 图4增益对IIRMPF的幅度影响图 Fig.4InfluenceofthegainOiltheamplitudel~sponseofIIRMPF 0l..-i 娶如.厂—————————_]回 喜.j 罾0厂—————————三 一 00.511.52 FrequencylGHz 图5反射率对IIRMPF的幅度影响图 Fig,5InfluenceofthereflectivityontheamplituderesponseofIIRMPF 第7期祁春慧等:一阶无限抽头响应微波光子滤波器的品质因数分析1317 在建立的模型中,FBG2的反射率设置为l,但实 际中是很难达到的,在实验中,利用周期为l07511111 的均匀掩模板在氢载光敏光纤上制作了反射率为 99.5%和50%的FBG,FBG的长度为25rfllTl,其透射 谱如图6所示. Wavelength/nm 图6利用周期为l075nm的均匀掩模板制作的FBG1和 FBG2透射谱 Fig.6TransmissionspectrumoftheFBG1andFBG2byusing auniformphasemaskwithaperiodofl075nm 参考文献: 【1】 [2】 【3】 [4] [5] 利用制作的FBG,计算得到了在R=50%,R=[61 99.5%,g=2的条件下的Q值为804,其频率响应如 图7所示. Frequency/GHz 图7利用制作的FBG得到的IIRMPF响应图 Fig.7ResponsediagramofIIRMPFwiththeexperimentalFBG 3结论 文中给出了一阶IIRMPF的模型,并利用自动控 制原理信号流图的知识推导得到了一阶IIRMPF的 最大Q值条件,即当反馈回路中的加权系数和增益 的乘积为l时,滤波器可以得到最大的Q值.在此 基础上,给出了典型的基于FBG的一阶IIRMPF模 型,并验证了所给模型的正确性,最后实验制作了反 射率为99.5%和50%的FBG,并得到了Q值为804 的MPF响应.相信随着光纤器件的不断发展?,高 品质因数的MPF会更加地完善和实用化. 【7】 [8] 【9】 [1Ol 【11] 【l2] [13】 QiChunhui,PeiLi,NingTigang,eta1.Flatanalyzingofthe microwavephotonicfilter[J1_InfraredandLaserEngineering, 2011,40(5):910-914.(inChinese) SaguesM,GarciaOlcinaR,LoayssaA,eta1.Multi-tap complex—coefficientincoherentmicrowavephotonicfilters basedonopticalsingle—sidebandmodulationandnarrowband opticalfiltering[J].OptExpress,2008,16(1):295—303. LeeJH,ChangY?M,LeeSB,eta1.Spectrumslicing—based, high-Q,photonicmicrowavefilterusingthecombinationof incoherentcontinuous..wavesupercontinuumanddispersion-? profiledfiber[C]//OFC/NFOEC,2008,paperOThH4. CapmanyJ,MoraJ,OrtegaB,eta1.High—Qmicrowave photonicfilterwithatunedmodulator[J].OptLett,2005,30 (17):2299-2301. OuHaiyan,ZhuK,HuY,eta1.Tunableandreconfigurable multi—tapmicrowavephotonicfilterwithnegativecoefficients basedonasinglelaserdiode[C]//AOE,2008,paperSaJ4. HunterDB,MinasianRA.HighQmicrowaveopticalfilters usinganactivefiberBragggratingpairstructure[c]//Optical FiberCommunication.OFC97.1997:340—341. HunterDB.MinasianRA.Microwaveopticalfiltersbased onafiberBragggratinginaloopstmcture[C]//ProcMWP 96.1996:273—276. CapmanyJ,PastorD,OrtegaB,eta1.Experimental demonstrationoftunabilityandtransferfunction reconfigurationinfibre—opticmicrowavefilterscomposedof linearlychirpedfibregratingfedbylaserarray【J】. ElectronicsLetters,1998,34(23):2262-2264. WilnerK,DenHeuvelAPV.Fiber-opticdelaylinesfor microwavesignalprocessing[J].IEEETransMicrowTheory 抽,1976,64(5):805-807. ZhangW,YuG,WilliamsJAR.Tapmultiplexedfiber grating-basedopticaltransversalfilter[J].ElectronLett, 2000,36(20):1708-1710. VidalB,PoloV,CorralJL,eta1.Cost—effectivephotonic microwavefilteremployingtapreusing【C]//ProcMWP03, 2003:267-270. ZhuKun,OuHaiyan,HuYing,eta1.Tunablesingle—bandpass microwavephotonicfilterswithhighQfactororfiat—topshape basedoncascadedopticals~uctures[C]//AOE,2008:1-3. PeiLi,ZhaoRuifeng,NingTigang,eta1.Keytechnologies forside—grindingopticalfiberwithlong—lengthandhigh— precisionandtheirapplications[J].InfraredandLaser Engineering,2010,39(1):86—90.(inChinese) g?p/日j=一qg《