1 引言

滤波是信号处理的关键环节之一,滤波器性能优劣直接决定后续信号的处理难度。如宽带数字信道化接收机作为唯一实用且满足未来电子战需求的接收机技术^[1],若将其前端模拟带通滤波器的带外抑制比提高30 dB,则后续模数转换器(ADC)的采样位数可降低约5 bit,有效降低了后续数字信号处理(DSP)难度和整机成本。微波滤波器虽带外抑制比高,但受电子瓶颈限制,难以满足毫米波段(30~300 GHz)的应用,而光子辅助微波滤波器(简称“微波光子滤波器”,MPF)却无此限制。此外,微波光子滤波器还具有采样速率高、带宽大、损耗低、重量轻、抗电磁干扰及灵活可重构等固有优势,有望替代微波滤波器。微波光子滤波器分为非相干和相干两类^[2]。其中非相干体制基于时延线结构,采用离散数字化滤波器技术,多个抽头由频谱切割宽谱光源或激光器阵列等方式获得,相邻抽头间时延由调制信号经过不同长度线性色散介质获得,抽头间时延大于光源相干时间,滤波器性能稳定对环境变化不敏感,频谱响应呈多通带;相干体制使用单光源、基于相位调制到强度调制(PM-IM)转换技术实现,本质属于频谱映射,频谱响应呈单通带,即光滤波器向微波滤波器映射,微波滤波器性质完全取决于光滤波器,故研制高性能光滤波器至关重要。常用光滤波器有无源和有源两种,无源光滤波器有微环腔、光纤布拉格光栅(FBG)、相移光纤布拉格光栅(PS-FBG)等,有源光滤波器有受激布里渊散射(SBS)放大器、半导体光放大器(SOA)等。此外,微波光子滤波器频率响应有带通和带陷两类,为叙述方便,本文将带通滤波器带外抑制比和带陷滤波器陷波深度统称带外抑制比。目前限制微波光子滤波器实际应用的一个重要因素是大多数微波光子滤波器带外抑制比低于40 dB,无法满足实际需求,因此迫切需要研制高带外抑制比微波光子滤波器。为此,本文综述了现有的高抑制比微波光子滤波器实现方案并分析了各自的优缺点,结合课题组研究成果,使用载波抑制单边带外腔光注入分布反馈式(DFB)激光器的方式将单通道微波光子滤波器的带外抑制比由原来的20 dB提高至32.3 dB,并探讨了进一步提高带外抑制比的方法。

2 多通带高带外抑制比微波光子滤波器

非相干体制微波光子滤波器根据抽头数目分为有限(FIR)和无限(IIR)两类。

2.1 FIR高带外抑制比微波光子滤波器

提高FIR微波光子滤波器带外抑制比需对有限抽头系数进行切趾处理,即人为控制有限抽头系数使其满足特定窗函数。有限抽头可通过结合多路光载波、单路色散介质或单光载波、多路色散介质结构获得。Leng等^[3-4]基于多路光载波和单路色散介质结构,利用超结构光栅(SFBG)频谱切割宽谱光源获得多抽头,在SFBG内部设计多个FBG(中心反射波长不同),FBG的反射系数使有限抽头系数满足高斯型窗函数,FBG间距离ΔL使抽头间时延大于载波光源的相干时间,分别实现60 dB和40 dB的带外抑制比,实验装置分别如图1(a)和1(b)所示。

图 1. 基于SFBG和高斯窗函数的(a) 24抽头、(b) 18抽头FIR高带外抑制比微波光子滤波器示意图

Fig. 1. Schematic illustrations of high out-of-band suppression ratio FIR MPF using SFBG and Gaussian window function with (a) 24 taps and (b) 18 taps

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图1(a)中带外抑制比更高的原因是使用了一个可调谐光滤波器。理论上高斯型窗函数的带外抑制比为60 dB,但受限于SFBG制造工艺,实际窗函数为非理想高斯型,带外抑制比仅为40 dB,为实现较理想高斯型窗函数需外加可调谐光滤波器来修正有限抽头系数。有线抽头的获取方式除采用频谱切割宽谱光源外,激光器阵列或锁模激光器亦可,但成本高。SFBG的FIR微波光子滤波器结构紧凑但存在光纤色散诱导衰减效应、噪底高(宽谱光源噪声大)和品质因数Q值低(SFBG内部FBG数目少)等缺点。增加SFBG内部FBG数量可提高Q值,但SFBG生产难度增加。即使SFBG生产工艺过关,也会因抽头数过多造成宽谱光源频域覆盖范围变宽,甚至超过光纤线性色散区而导致滤波器性能下降,因此增加SFBG内部FBG数量来提高滤波器Q值不可行。

为提高Q值,2010年Chan等^[5]基于单光载波和多路色散介质结构,利用Sagnac环和光放大器形成无限抽头,但因移频器频移量和环外波长受限于元件带宽,实际形成有限抽头(频率互不相同),抽头系数呈Kaiser型,滤波器Q值为80,带外抑制比为70 dB,实验装置如图2所示,其中输入信号为射频(RF)信号。

相比SFBG结构,Sagnac环结构抽头数目更多,滤波器Q值更高;此外因抽头间频率不同,所以采用窄线宽(150 kHz)、低噪声光源代替宽谱光源来提高系统信噪比和滤波器带外抑制比。基于SFBG和Sagnac环结构的FIR滤波器都存在光纤或环路一定长度时滤波器无法调谐的通病,故当多个光载波波长确定后,只能通过改变色散介质长度实现调谐。

为实现快速重构、高Q值、高带外抑制比可编程FIR滤波器,2012年Supradeepa等^[6]使用两个锁模激光器的四波混频(FWM)效应增加抽头数目的方法来提高滤波器Q值;采用光滤波器对抽头系数高斯切趾来提高滤波带外抑制比;利用梳齿频率间隔控制实现滤波器快速调谐。实验获得带外抑制比大于60 dB、40 ns快速调谐和带宽可重构FIR滤波器,实验装置如图3所示。

图 2. 利用Sagnac环和Kaiser型窗函数实现高带外抑制比的有限抽头微波光子滤波器示意图

Fig. 2. Schematic illustration of the high out-of-band suppression ratio FIR MPF using Sagnac loop and Kaiser window function

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图 3. (a)利用高斯切趾宽带光梳实现高带外抑制比的有限抽头微波光子滤波器示意图;(b)级联四波混频过程描述

Fig. 3. (a) Schematic illustration of the high out-of-band suppression ratio FIR MPF using the Gaussian apodized broadband combs; (b) depiction of the cascaded FWM process

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2.2 IIR高带外抑制比带通微波光子滤波器

对IIR滤波器,切趾方式不可行,需研制一种高阶滤波器来提高带外抑制比。最初想通过级联一阶IIR滤波器来实现高阶滤波,但实际不可行,因为级联IIR滤波器的传输函数并不直接等于单个IIR滤波器传输函数的乘积,因此电信号端到端的线性关系不能保证。此外,级联结构存在干涉效应,即存在两个或多个信号虽经过不同路径但同时到达光电探测器(PD)的情况,因此级联系统对外界环境变化十分敏感,稳定性差,且不能通过使用窄线宽光源来消除干涉效应。2007年Chan等^[7]利用Sagnac环和FBG组实现了带外抑制比为50 dB、Q值为100的三阶IIR滤波,该滤波器的实验装置如图4所示。

该三阶滤波器无限个抽头之间不相干,但每个抽头内部由顺时针和逆时针两种成分构成,它们相干但不受外界环境影响,这是因为外界环境变化对顺时针和逆时针传输成分的影响相同。但当环路长度和FBG选定后,抽头间延时确定,滤波器无法调谐。

为实现灵活重构且消除抽头内部干涉效应,Chan^[8-9]利用不同的级联结构获得了超过60 dB的高阶IIR滤波器,实验装置如图5所示。

图 4. 基于抽头内部组成成分的干涉效应的三阶无限抽头滤波器示意图

Fig. 4. Schematic illustrations of the 3rd IIR MPF based on the interference effect between the compositions of the tap

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图 5. 4种级联结构的高阶滤波器示意图

Fig. 5. Four schematic illustrations of cascade configurations of high order IIR MPF

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3 单通带高带外抑制比微波光子滤波器

非相干技术微波光子滤波器频谱响应呈多通带特性,为实现单通带,可采用相干技术。单通带微波光子滤波器提高带外抑制比的方法有相减(电域、光域)法和频谱映射两种。

3.1 基于相减方式获得高带外抑制比单通带微波光子滤波器

基于相减方式提高带外抑制比的原理如下:两个中心波长增益略有不同而其他特征几乎相同的单通带滤波器在电域或光域相减,从而获得高带外抑制比。2002年Chan等^[10]利用电域相减方式获得40 dB带外抑制比;2011年Yu等^[11]基于法布里-珀罗半导体放大器(FP-SOA),利用光域相减方式获得34.3 dB带外抑制比,实验装置如图6所示。

电域相减非全光系统存在电子瓶颈。光域相减中光载波须严格处于两相邻FP-SOA分立增益谱中间,否则频率响应呈双通带。其原因是FP-SOA增益谱结合了法布里-珀罗(F-P)标准具和SOA的特点,增益谱分立(驻波条件)而其包络满足SOA增益谱曲线,即相邻分立增益峰峰值略有差别。为提高光域相减的灵活性和带外抑制比,2016年Fan等^[12]在原有方案基础上增加一路光载波,两路各自形成单通带滤波器,精细调节可调谐半导体激光器(TLS1和TLS2)的波长使其分别位于FP-SOA特定分立增益谱的±1阶边带位置,最终获得的两单通带微波光子滤波器在中心频点处相加,其他频率处相减,从而获得76.3 dB的带外抑制比且实现4~16 GHz调谐范围,如图7所示。

图 6. 基于相减方式的高带外抑制比单通带微波光子滤波器示意图。(a)电域内相减;(b)光域内相减

Fig. 6. Schematic illustrations of high out-of-band suppression ratio single bandpass MPF using subtractive in (a) electric and (b) optical domains

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图 7. 改进版光域相减实现高带外抑制比的单通带微波光子滤波器示意图

Fig. 7. Schematic illustration of high out-of-band suppression ratio single bandpass MPF using modified subtraction in optical domain

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3.2 基于频谱映射方式的高带外抑制比单通带微波光子滤波器

频谱映射机制的关键是高带外抑制比光滤波器。2015年Ge等^[13]利用无源光滤波器(利奥光滤波器)、2017年李培轩^[14]利用有源光滤波[受激布里渊散射(SBS)增益谱]基于频谱映射机制分别实现60 dB和80 dB(目前的世界纪录)带外抑制比的单通带微波光子滤波器,实验装置如图8所示。

图8(a)中带外抑制比高的原因是利用SOA偏振推拉效应实现了理想单边带调制。图8(b)中带外抑制比高的原因有两个。1) 链路噪声小。因为偏振调制器输出的光载波与±1阶边带偏振态垂直,只有落入SBS增益谱范围内的边带信号才能被放大,且边带信号的偏振态被纠正至与光载波平行(SBS增益谱具有偏振推拉效应)并差拍出信号,而其他未被放大的边带其偏振态和光载波垂直差拍不出任何信号,因此系统噪底较低。2) 增益较大。系统采用SBS级联抽运方式,能有效补偿链路插入损耗,并且通过精确控制SBS增益谱大小来精细调整被放大边带的偏振态。

图 8. 基于不同光滤波器频谱映射机制实现高带外抑制比的单通带微波光子滤波器示意图。(a)无源利奥光滤波器;(b)有源SBS增益谱光滤波器

Fig. 8. Schematic illustration of high out-of-band suppression ratio single bandpass MPF using (a) passive Lyot optical filter and (b) active optical SBS gain spectrum filter based on spectrum mapping approaches

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4 高带外抑制比带陷微波光子滤波器

除带通滤波器外,特殊场合也需要带陷滤波器,其实现方式主要有3类,如图9所示^[15]。图9(a)为传统频谱映射方式,利用单边带(SSB)和双边带(DSB)光带陷滤波器实现,陷波深度最小,即(d)中蓝色实线;图9(b)和(c)基于桥T思想。桥T思想是指利用增益(gain)或者损耗(loss)方式使DSB(±1阶边带的幅度和相位都不等)调制在特殊频点处,两边带幅度相等、相位相反,从而形成带陷滤波器。其中图9(b)基于桥T损耗思想,利用DSB和SBS损耗谱实现,陷波深度居中,即(d)中红色虚线;图9(c)基于桥T增益思想,利用DSB和SBS增益谱实现,陷波深度最深,即(d)中黑色虚线。

实验结果符合理论值^[16],DSB-gain方式的陷波深度最大,DSB-loss方式次之,SSB-loss方式最小,基于桥T思想的陷波深度都大于60 dB。为提高灵活性,2015年Han等^[17]利用PS-FBG和单个双驱动马赫-曾德尔调制器(DDMZM,用于调节其直流偏置电压)实现了滤波器频率响应在带通和带陷间的开关切换,其中陷波深度大于55 dB(桥T思想),如图10所示。

图 9. 带陷微波光子滤波器3种方案及其理论陷波深度

Fig. 9. Three schemes of notch MPF and theory of notch depth

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图 10. (a)带通带陷开关切换的微波光子滤波器示意图;(b)带陷滤波器的频谱响应;(c)带通滤波器的频谱响应

Fig. 10. (a) Schematic illustration of on-off between bandpass and notch MPFs; (b) spectral respons of the notch MPF; (c) spectral response of bandpass MPF

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5 外腔光注入DFB激光器高带外抑制比单通带微波光子滤波器

DFB激光器具有波长选择和放大特性,2015年本课题组利用强度调制的双边带外腔光注入DFB激光器,实现单通带微波光子滤波^[18],但受直流偏置电压漂移和DFB腔内FWM影响,带外抑制比仅20 dB。改进装置结构,将光载波经过50∶50分束器分成上下支路:上支路用相位调制器(PM)和光滤波器来实现抑制载波的单边带调制(CS-SSB),即光滤波器(OF)将光载波和+1阶边带滤除,只剩-1阶边带注入DFB激光器并被放大;下支路光载波直接传输至PD,并和上支路被放大的-1阶边带差拍形成单通带微波光子滤波器,实验系统装置如图11(a)所示^[19]。调节TLS(主激光器)波长使得主从激光器失谐频率在-38~39 GHz间变化,从而获得不同中心频率(9~39 GHz)的单通带微波光子滤波器,如图11(b)可知:1) 当失谐频率在-1~8 GHz时存在一段混沌区域[图11(b)红色实线圈所示],原因是此时光载波没有被光滤波器完全滤除;2) 正负失谐时频谱响应对称,滤波器频谱响应均匀;3) 当失谐频率为14.3 GHz时,滤波器的带外抑制比为32.3 dB。

相比强度调制的双边带外腔光注入方案,该方案不受直流偏置漂移和FWM效应影响,因此带外抑制比更高、频谱响应曲线更对称。原因如下:1) FWM效应产生的频率共轭项也有频率选择和放大特性,滤波器带外抑制比等于DFB增益峰减去频率共轭项增益峰,所以消除FWM可提高带外抑制比;2) 光载波和+1阶边带被滤除后,注入DFB的光子数减少,其增益谱线型所受的影响减小,从而使滤波器频谱响应更接近DFB增益谱,左右对称。以前的方案由于强注入,注入光子影响DFB增益谱使得滤波器频谱响应左右不对称。该注入方案结构简单,实验操作容易,调谐范围大(理论上无限),且其带外抑制比还能进一步提高。文献[ 20]指出:DFB工作电流越大,其增益峰越高,从而滤波器带外抑制比越高;腔长越长,3 dB谱宽越窄即滤波器形状因子更好,Q值更高。实验时为保护PD并未将DFB工作电流调到最大,但可观察到滤波器带外抑制比随DFB工作电流的增加而提高的现象。文献[ 21]指出DFB腔长越长,增益峰越高;DFB输出腔面反射率越高,增益峰越高。因此,加大DFB工作电流并优选DFB(长腔、高反射率输出腔镜面)可进一步提高滤波器带外抑制比和Q值。

图 11. 基于载波抑制的单边带外腔光注入DFB激光器的单通带微波光子滤波器。(a)系统图;(b)在不同失谐频率下的光谱响应

Fig. 11. (a) Schematic illustration of a single bandpass MPF based on carrier-suppressed single sideband injected DFB laser and (b) spectral responses under different detuning frequencies

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6 结论

提高微波光子滤波器带外抑制比是其面向实际应用的重要工作之一。经多年研究,基于光纤时延线的多通带微波光子滤波器(FIR、IIR)可通过切趾有限抽头、构建高阶滤波器来提高带外抑制比。由于带外抑制比和抽头数目、抽头系数有直接关系,为获得高带外抑制比,需要众多抽头且须控制抽头系数,实际操作困难,调谐困难且无法光集成。而单通带和带陷微波光子滤波器多采用电域或光域相减、高带外抑制比光滤波器频谱映射和桥T思想提高带外抑制比,调谐相对容易,结构相对简单,符合光集成的发展趋势。此外,相比无源光滤波器,基于有源光滤波器的单通带微波光子滤波器具有频率选择和放大特性,可补偿链路损耗,避免使用光放大器,因此基于有源光滤波器频谱映射的单通带高带外抑制比微波光子滤波器是未来光集成技术重要的发展方向,且目前微波光子滤波器带外抑制比的世界纪录也由有源腔(SBS效应)获得。相比布里渊效应,基于DFB有源腔的微波光子滤波器结构更加简单,调谐范围非常大(理论上无限),可通过增加工作电流、优选激光器(腔长和输出腔镜反射率)参数、腔内集成光栅等方式压窄增益谱谱宽来提高增益谱峰值,因此基于DFB的高带外抑制比微波光子滤波器同样值得期待。