太赫茲光子濾波器技術的研究

謝鴻志，楊鵬毅

(中國電子科技集團公司第8研究所，安徽淮南 232001)

0 引言

太赫茲(THz)波是指頻率在100 GHz～10 THz范圍的電磁波，它介于毫米波與紅外之間，稱為亞毫米波或者遠紅外光，處于從電子學向光子學的過渡區(qū)。太赫茲波與毫米波相比波長較短，具有更高的空間分辨力和穿透地面的能力，太赫茲技術應用于雷達，可實現(xiàn)對敵方隱蔽武器、地下雷場分布，以及空氣中傳播的有毒生物顆粒或化學氣體的探測，太赫茲技術還可用于危險品和藏匿物品的探測成像。

傳統(tǒng)的電子濾波技術存在工作頻率不高、邊模抑制能力弱、抗電磁干擾能力差等不足，由于這些電子瓶頸的存在限制了其在太赫茲領域的應用;而光子濾波器是將輸入的射頻信號通過調(diào)制器調(diào)制到光信號上，經(jīng)過不同的光程實現(xiàn)延時，借助光學器件實現(xiàn)了濾波的功能。由于濾波過程是在光域內(nèi)實現(xiàn)，相比于電子濾波器，光子濾波器具有工作頻率高、品質因數(shù)高、損耗低、體積小、可重構、可調(diào)諧和抗電磁干擾能力強等優(yōu)點，尤其適用于太赫茲系統(tǒng)、相控陣列天線及其它微波光子系統(tǒng)中。

設計了一種適用于太赫茲波段的新型的基于級聯(lián)調(diào)制器的可調(diào)諧光子濾波器結構，通過Optisystem軟件對其模型進行了仿真驗證，同時與基本光子濾波器模型進行了對比分析。

1 工作原理介紹與分析

光子濾波器的實現(xiàn)與數(shù)字濾波器一樣均需要幾種基本的運算功能單元，主要包括加法器、延時單元和常數(shù)乘法器。所不同的是光子濾波器采用相應的光元件來實現(xiàn)，其中加法器功能可以由光探測器來完成，延時單元功能可以由光纖傳輸或色散介質來完成，常數(shù)乘法器功能由放大器或衰減器完成。傳統(tǒng)光子濾波器的原理，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)光子濾波器工作原理圖

圖1中RF信號χ(t)經(jīng)電光調(diào)制器(EOM)調(diào)制到光載波上，經(jīng)過1×N分光器將1路光分成N路，每路光強受到了可控的調(diào)節(jié)wn(n=0，1，2，…，N－1)，同時每路光實現(xiàn)了不同的延時 kτ(k=0，1，2，…，N －1)，經(jīng)延時后的N束光經(jīng)N×1耦合器耦合變成了1路光，耦合器輸出的1路光經(jīng)光電探測器(PD)探測后輸出RF信號，探測器輸出的RF信號可表示為

比較輸入和輸出，可以得到光子濾波器的傳輸函數(shù)

對應的頻域響應為

由式(3)可知，決定濾波器性能的兩個重要因素是每一路的權重wn和延時kτ。權重wn決定了濾波器的形狀，可用形狀因子(shap_factor)來表征濾波器頻率響應曲線的特性，形狀因子越接近1，表明濾波器的性能越好。延時單元τ決定了自由頻譜范圍FSR，而FSR決定著衡量濾波器特性的主要參數(shù)，在其他條件相同的情況下，Q值越大，則濾波器的性能越好，即f3dB越小，F(xiàn)SR越大，濾波器的性能就越好。傳統(tǒng)的光子濾波器為得到不同的延時通常采用不同長度的光纖實現(xiàn)，許多根不同長度光纖的使用不僅使得整機體積較大，而且增加了成本，也給實際使用帶來了不便;此外，傳統(tǒng)光子濾波器依靠分光器的分光比的不同實現(xiàn)了不同的權重wn，這種方法受限于分光器分光路數(shù)及本身的性能影響。

針對傳統(tǒng)光子濾波器的不足，介紹了一種新型的光子濾波器結構，采用MZ調(diào)制器和光纖光柵，實現(xiàn)了光子濾波器的功能，其原理結構，如圖2所示。

圖2 改進的光子濾波器原理圖

圖2中，首先采用電信號驅動相位調(diào)制器或MZ調(diào)制器調(diào)制光信號，已調(diào)制的光信號作為輸入信號送給下一級MZ調(diào)制器，第二級調(diào)制器由網(wǎng)絡分析儀輸出的射頻信號RF控制，經(jīng)級聯(lián)調(diào)制后輸出的光信號通過光隔離器進行隔離，因MZ調(diào)制器對反射光比較敏感，使用隔離器目的在于減小光反射。隔離器輸出的光信號經(jīng)分光器分成a、b兩路，a路光信號輸入給環(huán)形器的1端口，由環(huán)形器的特性可知，若1端口輸入，則2端口輸出，2端口的光信號送給了啁啾光纖光柵陣列，該啁啾光纖光柵陣列由n個不同選擇性的光柵組成。由于光纖光柵具有選擇性，反射特定的光作為了環(huán)形器的2端口的輸入，而透射的光經(jīng)其他光柵后實現(xiàn)反射，這樣經(jīng)過光柵陣列后實現(xiàn)了不同的路徑，從而得到了不同的延時。由環(huán)形器的特性知，2端口輸入，則3端口輸出，3端口的輸出信號經(jīng)摻餌光纖和980 nm的泵浦激勵放大后實現(xiàn)了不同的權重wn，與b路光經(jīng)光耦合器偶合成一路光送給了探測器，探測器最終輸出RF射頻信號。

3 仿真與分析

在上述兩種光子濾波器原理介紹的基礎上，采用Optisystem軟件對傳統(tǒng)的光子濾波器和本文介紹的光子濾波器分別進行了仿真對比分析，仿真模型如圖3、圖4所示。

仿真試驗中，采用激光器光源頻率為f=193.4 THz，取摻鉺光纖放大器EDFA的最大輸出功率分別為(25、20、15、10)dBm。得到的眼圖如圖5 所示。

圖3 傳統(tǒng)光子濾波器仿真模型

圖4 改進后的光子濾波器仿真模型

圖5 EDFA最大輸出光功率與濾波器輸出信號眼圖仿真

眼圖曲線越細表明濾波器的性能越好，從圖5的眼圖可以看出，無論是傳統(tǒng)的光子濾波器還是改進的光子濾波器，隨著EDFA放大器輸出光功率的增加，眼圖線條越來越細，說明信號輸出越來越好。傳統(tǒng)光子濾波器和改進的光子濾波器的仿真Q值，見表1。

由表1仿真結果可知，摻鉺光纖放大器的最大輸出功率和光子濾波器的品質因數(shù)Q值直接關聯(lián)。當摻鉺光纖放大器的最大輸出功率從25 dBm開始逐漸遞減，濾波器的Q值逐漸增加，當遞減到15 dBm時，Q值會達到一個最大數(shù)值約為207.2，而后當EDFA的最大輸出功率繼續(xù)遞減，Q值大幅度減小到約43.5。對比傳統(tǒng)光子濾波器，在相同的參數(shù)設置下，改進后的光子濾波器Q值數(shù)據(jù)范圍(43～207)明顯比傳統(tǒng)濾波器的Q值數(shù)據(jù)范圍(11～85)提高很多，最大Q值也從85提高到207，表明所研究的光子濾波器比傳統(tǒng)的光子濾波器具有更好的濾波特性。

4 結語

在研究傳統(tǒng)光子濾波器的基礎上介紹了一種改進的光子濾波器結構，通過Optisystem仿真軟件設計了傳統(tǒng)光子濾波器和改進的光子濾波器的仿真模型，通過仿真發(fā)現(xiàn)濾波器的品質因數(shù)(Q值)和摻鉺光纖放大器的最大輸出功率有關，通過調(diào)整EDFA，使其正好達到飽和狀態(tài)的臨界點，此時光子濾波器的Q值達到了最大。通過仿真證實了所提出的太赫茲光子濾波器具有可行性，比傳統(tǒng)的光子濾波器具有更好的性能，太赫茲波段相關技術的研究已經(jīng)成為軍事、民用領域的研究熱點，所介紹的太赫茲光子濾波器的仿真模型，為下一步的研制工作奠定了理論基礎，對光纖延遲線、光載無線通信等領域的研究也具有借鑒意義。

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