一种可重构的集成微波光子带通滤波器的制作方法

专利检索2022-05-10  244


本发明属于微波光子信号处理领域,更具体地,涉及一种可重构的集成微波光子带通滤波器。

背景技术

微波光子滤波器是指采用光学方法和光学元件在微波频段实现滤波功能的器件。微波光子滤波器和传统微波滤波器最大不同在于微波光子滤波器是在光域对信号进行处理,这样做的优势在于光学元件有着巨大的带宽优势,可以直接对高频信号进行滤波,同时微波光学滤波器有着良好的可调谐性和可重构性,可根据实际需要调整滤波器的中心波长和滤波效果,并且光域处理微波信号还有着损耗低、抗电磁干扰等特点,因此微波光子滤波器有着巨大的技术优势。

目前,基于分立器件的微波光子滤波器发展的已经比较成熟,但是分立器件有着大体积、高功耗、低稳定性的劣势,在实用性方面有着较为明显的限制,所以当下主要研究的方向是基于集成器件的微波光子滤波器。现有技术中部分基于集成器件的微波光子滤波器,存在滤波区域抖动并且插入损耗高的问题;部分基于集成器件的微波光子滤波器为了解决滤波区域抖动而实现通带平坦的问题,通常将微环的耦合系数进行对称设计,但是这种对称设计通常对带宽调谐有很大的限制作用。现有技术中,对于基于集成器件的微波光子滤波器在窄带宽、高抑制比和高灵活性方面仍然有不足,难以适应多种应用途径中不同的滤波性能需要。



技术实现要素:

针对现有技术的缺陷和改进需求,本发明提供了一种可重构的集成微波光子带通滤波器,其目的是在高射频带外抑制比的基础上实现窄带滤波,并实现微波光信号在较宽范围的带宽重构及中心频率的灵活调谐。

为实现上述目的,本发明提供了一种可重构的集成微波光子带通滤波器,包括:

半导体激光器,用于输出连续光载波信号;

光学分束器,用于将连续光载波信号分成两路光束;

微波光信号产生模块,用于产生微波调制信号,并将其与光学分束器输出的一路光束进行调制,产生微波光信号;

集成多级级联二阶微环滤波器,将产生的微波光信号进行带宽重构,抑制比和中心频率调谐;

光学耦合器,用于将经过集成多级级联二阶微环滤波器处理后的微波光信号和光学分束器输出的另一路光束合束;

微波电信号接收模块,用于将合束后的微波光信号转换成微波电信号并接收微波信号。

进一步地,所述集成多级级联二阶微环滤波器,包括:级联的多个二阶微环单元,每个所述二阶微环单元的输入和前一个二阶微环单元的输出通过波导相连。

进一步地,所述二阶微环单元包括:

耦合区,至少一个为可调耦合区,用于控制二阶微环单元的带宽和抑制比;

至少两个微环,与可调耦合区共同构成谐振腔,对输入光的频率进行选择;

光学相移器,分别位于微环和可调耦合区上,分别用于控制每个微环的谐振波长和调控可调耦合区的耦合系数。

进一步地,所述可调耦合区包括:两个弯曲耦合波导臂和位于两个弯曲耦合波导臂上的等长波导。

进一步地,所述光学相移器是加热电极、PN结、光力。

进一步地,所述集成多级级联二阶微环滤波器的材料为:硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化硅、二氧化硅或有机聚合物。

进一步地,所述集成多级级联二阶微环滤波器为条波导、脊波导、狭缝波导或表面等离子体波导。

进一步地,所述微波光信号产生模块,包括:

射频信号接收天线,用于输出不同微波频率的射频微波信号作为调制信号;

电光调制器,用于将光学分束器输出的一路光束和射频信号接收天线输出的调制信号进行实现调制,产生微波光信号。

进一步地,所述微波电信号接收模块,包括:

光电探测器,用于将合束后的微波光信号转换成微波电信号;

射频信号发射天线,用于接收微波信号。

进一步地,还包括:

第一偏振控制器,用于控制光学分束器输出的一路光束的偏振方向和电光调制器的偏振方向保持一致;

第二偏振控制器,用于控制光学分束器输出的另一路光束的偏振方向和经集成多级级联二阶微环滤波器处理后的微波光信号偏振方向一致。

总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案,能够取得以下有益效果:

(1)本发明提供的可重构的集成微波光子带通滤波器,通过设置的集成多级级联二阶微环滤波器,能够在高射频带外抑制比的基础上实现窄带滤波,并实现微波光信号在较宽范围的带宽重构及中心频率的灵活调谐。

(2)本发明提供的可重构的集成微波光子带通滤波器,通过采用多级级联的二阶微环单元,在性能上同时兼有串联微环和耦合谐振光波导(CROW)的优势,串联结构能够有效减小微环的带宽,实现窄带滤波的效果,提升器件带宽调节范围;基于CROW结构能够降低滤波区域抖动,实现平坦通带的效果,并且相比于传统的直接串联微环的方式,有更低的插入损耗;同时,采用多级级联的二阶微环单元能够有效提升光学滤波器的抑制比,进而实现高抑制比的微波光子滤波器。

(3)本发明提供的可重构的集成微波光子带通滤波器,每个耦合区采用了光学移相器,实现了耦合区的可调节设计,通过控制耦合区的耦合系数实现不同的耦合状态,这种耦合系数不对称的设计可以实现更窄带宽的滤波,提升微波光子滤波器的带宽调谐范围;每个微环上都采用了光学移相器的设计,能够单独对每个微环的谐振波长进行调谐,进一步提升了微波光子滤波器的带宽重构范围。

(4)本发明提供的可重构的集成微波光子带通滤波器,每个二阶微环单元都可以进行单独的调谐和测试,可以通过测试端口对每一个单元进行单独调谐,同时监测多个单元的滤波形状,便于得到理想的效果;另外,相对于现有的高阶级联微环在耦合区间距有着苛刻的工艺精度要求,本发明中的二阶微环单元在制作上的容差更大,降低了对工艺的要求。

(5)采用不同的波导材料或波导结构能够减小集成多级级联二阶微环滤波器波导的传输损耗。

总而言之,本发明提供的可重构的集成微波光子带通滤波器能够实现在高射频带外抑制比的基础上获得窄带宽以及带宽可重构、中心频率可调谐的效果;有着很高的灵活性,能够满足不同场景、不同业务下的频段资源应用需求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种可重构的集成微波光子带通滤波器的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的集成多级级联二阶微环滤波器示意图。

图3为本发明实施例提供的二阶微环单元结构示意图。

图4为本发明实施例提供的集成微波光子带通滤波器带宽重构仿真结果图。

图5为本发明实施例提供的集成微波光子带通滤波器中心频率调谐仿真结果图。

在所有附图中,相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构,其中:

11-半导体激光器,12-光学分束器,13-第一偏振控制器,14-第二偏振控制器,15-电光调制器,16-射频信号接收天线,17-集成多级级联二阶微环滤波器,18-光学耦合器,19-射频信号发射天线,20-光电探测器,21-二阶微环单元,22-耦合光栅,211-第一微环,212-第二微环,213-第一可调耦合区,214-第二可调耦合区,215-第三可调耦合区,216-光学相移器,217-弯曲耦合波导臂,219-等长波导。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明实施方式的描述中,需要说明的是,术语“上”、“下”等指示的方位关系为基于附图所示的方位关系,或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中,本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

如图1所示,为本发明的可重构的集成微波光子带通滤波器的结构示意图,包括半导体激光器11、光学分束器12、第一偏振控制器13、第二偏振控制器14、电光调制器15、光学耦合器18、光电探测器20、射频信号接收天线16、射频信号发射天线19以及集成多级级联二阶微环滤波器17。

半导体激光器11输出连续光载波信号,输入光学分束器12后分成两路光束,一路光束用于加载调制信号,另一路光束用于恢复载波信号。用于加载调制信号的那路光束通过第一偏振控制器13,将控制其偏振方向和电光调制器15的偏振方向保持一致,便于提高调制效率;之后输入到电光调制器15,射频信号接收天线16输出不同微波频率的射频微波信号作为调制信号到电光调制器15,电光调制器15将接收到的加载调制信号和调制信号进行实现调制,产生微波光信号,实现微波电信号到微波光信号的转换;经电光调制器15调制后的微波光子信号通过光纤进行传输,经集成多级级联二阶微环滤波器17上的耦合光栅22输入到集成多级级联二阶微环滤波器17,集成多级级联二阶微环滤波器用于实现对滤波器带宽重构、抑制比和中心频率的调谐。用于恢复载波信号的那路光束通过第二偏振控制器14后,光束的偏振方向和经集成多级级联二阶微环滤波器17处理后的微波光信号偏振方向一致,之后通过光纤或者集成片上光波导传输至光学耦合器18内和经过集成多级级联二阶微环滤波器17处理后的微波光信号进行合束,从而为光电探测器的拍频提供载波信号;合束后的微波光信号输出至光电探测器20,光电探测器20用于将接收到的合束微波光信号转换成微波电信号,完成光电转换,最后转后的微波电信号由射频信号发射天线19接收微波信号。在其它实施例中,射频信号接收天线和电光调制器可以是其它能够产生微波调制信号,并将其与光学分束器输出的一路光束进行调制产生微波光信号的微波光信号产生模块;光电探测器和射频信号发射天线可以是其它能够将合束后的微波光信号转换成微波电信号并接收微波信号的微波电信号接收模块。

如图2所示,集成多级级联二阶微环滤波器17,包括N个级联的二阶微环单元,其中,N为正整数。每个级联的二阶微环为一个单元,每个单元的输入和前一个单元的输出通过波导直接相连,通过多个二阶微环单元21的共同作用提升光学滤波器的效果。

耦合光栅22,位于第一个二阶微环单元的输入端和最后一个二阶微环单元的输出端,用于将从电光调制器15输出的微波光子信号耦合进第一个二阶微环单元中的输入波导中;并将最后一个二阶微环单元中输出的信号耦合进光学耦合器18中。在其它实施例中,也可以在二阶微环单元除了输入输出的其它端口设置耦合光栅,以便对每个二阶微环单元进行单独的测试。

二阶微环单元21,是集成多级级联二阶微环滤波器的组成单元,每个单元可以进行单独的控制和测试,而最终光学滤波器件的效果由各个单元的滤波效果叠加决定。

如图3所示,本实施例中的二阶微环单元21包括:两个微环、三个耦合区以及位于微环和耦合区上的光学相移器216,其中,耦合区为可调耦合区。在其它实施例中,微环的数量可以是两个或两个以上的其它数量,多个微环的结构可以相同或不相同;耦合区的结构也可以相同或不相同,可调耦合区的个数可以是一个或者其它数量。

两个微环,即第一微环211、第二微环212,分别位于三个可调耦合区之间,两个微环经过可调耦合区的连接共同构成谐振腔,对输入光的频率进行选择,实现光学滤波的功能。

三个可调耦合区,即第一可调耦合区213、第二可调耦合区214和第三可调耦合区215,用于控制每一级二阶微环单元的带宽和抑制比。

可调耦合区包括:两个弯曲耦合波导臂217和位于两个弯曲耦合波导臂上的等长波导219。

位于可调耦合区上的光学相移器设置在上下两个弯曲耦合波导臂217上,用于控制耦合区上下两臂的相位差,从而调控每个可调耦合区的耦合系数。位于微环上的光学相移器,用于控制每个微环的谐振波长来改变谐振峰与光载波之间的频率差,实现滤波中心频率可调,进而控制每一级二阶微环的谐振波长对准,将每一级二阶微环的效果叠加,从而实现高抑制比窄带宽的微波光子滤波器。其中,本实施例中的光学相移器可以是加热电极、PN结、光力等用于调控相位的器件。需要说明的是,图3中,仅显示了部分光学相移器的位置。

通过调节微环和耦合区的光学移相器来调节微波光子滤波器的带宽、中心频率等参量。具体步骤如下,从电光调制器15输出的加载了不同微波频率的微波光信号经由耦合光栅输入到集成多级级联二阶微环滤波器17中,经过级联的第一个二阶微环单元的输入波导,进入第一可调耦合区,调控上下两个弯曲耦合波导臂上的光学相移器来改变上下两臂的相位差,由于经由上下两个弯曲耦合波导臂的光由于存在相位差,在进入第一微环时发生干涉,通过控制该相位差,就能控制输入第一微环光信号的强度,调控第一可调耦合区的耦合系数,进入第一微环之后,通过调控第一微环上的光学相移器来控制第一微环的谐振波长;进入第一微环的光信号在传输到第二可调耦合区后通过相同的原理被再次耦合到第二微环中,同样控制输入第二微环耦合光信号强度的大小,调控第二可调耦合区的耦合系数,通过调控第二微环上的光学相移器来控制第二微环的谐振波长;光束在第二微环中传输到第三可调耦合区后,通过调控第三可调耦合区的耦合系数调控第一个二阶微环的输出光信号强度大小,完成一个单元的信号处理,然后经由输出波导输出到下个单元的输入波导,进行后续的光学滤波,在经过多个单元的光学滤波之后,光信号被输出到耦合光栅中,进入光纤和另一路的光载波进行合束,输入光电探测器进行拍频得到电信号。

调节两个微环上的光学相移器,控制两个微环的谐振波长使其一致或接近,实现光学带通滤波的效果;调节可调耦合区上的光学相移器,调整到合适的耦合系数,得到需要的带宽,即当需要大带宽和高平坦度的滤波器时,就将每一级的二阶微环单元的耦合系数调整到对称,即第一可调耦合区和第三可调耦合区的耦合系数相同,再将每一级的二阶微环单元的谐振调节到波长相同或波长可以稍微有所不同;当需要窄带宽时,就将每一级的二阶微环单元的耦合系数调整到不对称,即第一可调耦合区和第三可调耦合区耦合系数不同,保证所有二阶微环的带宽和抑制比叠加后的滤波效果是想要的结果,再将每一级的二阶微环单元的谐振调节到相同波长,使得二阶微环的滤波效果形成叠加,进一步提升微波光子滤波器的带宽重构范围和射频带外抑制比。采用的二阶微环单元能保持通带平坦和低插入损耗,并且每一级二阶微环单元可以进行单独的调控,在制作上,降低了对微环间距的工艺精度要求,在测试上,更方便进行调谐和对准。

集成多级二阶级联微环光学滤波器,能通过调节各微环上的相移器,同时改变所有微环的谐振波长,从而移动了全通滤波器的相位中心频率。

本实施例中的光学相移器为加热电极,通过调节各个加热电极的偏压大小实现对微环中心波长和耦合区耦合系数的调谐,从而实现对滤波器带宽、抑制比及中心频率的调谐。

如图4所示,为本发明实施例带宽重构的仿真结果,本实施例中对中心频率为9GHz附近处的信号进行选择,滤除远离中心频率的信号:当需要的信号带宽较小时,可以将微波光子滤波器调节到窄带宽状态,滤除不必要的信号;当需要的信号带宽较大时,可以将微波光子滤波器调节到大带宽状态,将需要的信号完全选出。同时,还可以看出,在窄带宽状态和大带宽状态下,信号的最高点和最低点相差能达到60dB以上,说明本实施例中的可重构的集成微波光子带通滤波器能够有效选择需要的信号,对不需要的信号有较强的抑制效果,即在整个带宽重构范围内都有很高的抑制比。即本发明的装置能够对微波光子滤波器的带宽进行大范围的重构,同时具有较高的抑制比。

如图5所示,本实施例中选择中心频率在6GHz、18GHz、32GHz处进行信号的选择滤波,通过在微环上的加热电极上加不同偏压使微环波导的有效折射率变化,进而改变微环的谐振波长,使谐振峰与光载波之间的频率差改变,从而实现滤波中心频率可调。从图中可以看出,在不同的中心频率处,不论是低频还是高频,带外抑制比都能够达到60dB以上,都能够实现同样的带宽重构效果和高抑制比,说明本发明具有良好的中心频率调谐性。

本发明的集成多级级联二阶微环滤波器可以采用但不局限于以下材料体系:硅、有机聚合物、氮化硅、氮氧化硅、氧化硅或二氧化硅等。

本发明的集成多级级联二阶微环滤波器可以采用但不局限于以下波导结构:条波导、脊波导、狭缝波导或表面等离子体波导等。

采用不同的波导材料或波导结构能够减小集成多级级联二阶微环滤波器波导的传输损耗,进而减小其带宽调节范围的下限,实现窄带滤波。

所述的微波光子滤波器,其结构中的激光器、电光调制器、光学滤波器件、光电探测器、光学分束器、耦合器等器件,都可以在片上进行集成,链路中的光纤也可以使用集成光波导代替,实现片上集成的微波光子滤波器。

本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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