基于布里淵光纖振蕩器的可調諧窄帶微波光子濾波器研究

游亞軍，許 鑫，王琳毅，馮劉艷，劉 毅*，耿文平，賀文君

（1. 中北大學 機電工程學院, 山西 太原 030051；2. 中北大學 儀器與電子學院, 山西 太原 030051）

1 引 言

微波光子濾波器（MPF）具有低損耗、大帶寬及抗電磁干擾等優(yōu)勢，逐漸發(fā)展成為高頻寬帶信號控制和處理的關鍵技術[1-4]。隨著高純頻譜微波信號發(fā)生、高靈敏度微波光子傳感以及高分辨率微波光子雷達等前沿技術領域對濾波器頻率選擇性要求的日益提升，窄帶（kHz 甚至亞kHz）可調諧MPF 逐漸成為近年來微波光子技術領域研究的熱點和難點[5-6]。

到目前為止，研究人員已經提出了多種可調諧、窄帶寬MPF[7-8]。例如使用相位調制器和超結構光纖布拉格光柵（SFBG）實現(xiàn)的窄帶、可調MPF，其3-dB 帶寬為143 MHz，可調諧范圍為0.4～6.4 GHz[9]。但在該方案中，SFBG 的反射帶寬和陷波寬度決定了頻率可調范圍和通帶寬度，而且其制作工藝相對繁瑣；2016 年，Zhang 等人[10]使用基于光學注入下分布反饋半導體激光器的四波混頻實現(xiàn)寬帶可調諧MPF，3-dB 帶寬和帶外抑制比分別為61.2 MHz 和25 dB，通過改變光注入參數(shù)，實現(xiàn)12～40 GHz 的頻率調諧范圍；最近報道了一種基于2×2 光纖耦合器的環(huán)型諧振腔的MPF，通過相干探測鏈路實現(xiàn)了40 GHz 調諧范圍，相比于傳統(tǒng)非腔體MPF，其濾波帶寬可低至1.2 MHz[11]。上述研究中，實現(xiàn)窄帶可調諧MPF的結構大多比較復雜，且濾波帶寬也大多集中在MHz 量級，難以滿足帶寬MHz 量級以下濾波帶寬應用需求。

受激布里淵散射（SBS）效應因具有窄線寬、低閾值、高增益等特點，被廣泛用于制作窄帶MPF[12-16]。中國科學院半導體研究所Wang 等人提出一種基于SBS 效應的雙通帶微波光子濾波器，通過SBS 的相位-強度（PM-IM）調制轉換來實現(xiàn)MPF 高頻率選擇性，通過直接調節(jié)微腔激光器的調制頻率來實現(xiàn)高穩(wěn)定性調諧，中心頻率調諧范圍為0～20 GHz，每個通帶的3-dB 帶寬和帶外抑制比分別約為38 MHz 和28.5 dB[17]。電子科技大學Li 等人利用單模光纖和高非線性光纖之間的布里淵頻移差，實現(xiàn)了固定頻率間隔的雙通帶MPF。中心頻率在0～9.644 GHz 范圍內可調諧，其3-dB 帶寬和帶外抑制比分別為57 MHz 和20 dB[18]。電子科技大學zhen 等人，將光載波通過兩個級聯(lián)馬赫-曾德爾調制器（DPMZM）來產生激發(fā)SBS 的雙音泵，MPF 的兩個通帶可以通過調整施加于DPMZM 的RF 信號的頻率來自由設置，調諧范圍為0～9.644 GHz，帶外抑制比和3-dB 帶寬分別為25 dB 和55 MHz[19]。上述方案均是通過直接利用布里淵增益選擇性放大調制信號的方式完成光載微波信號處理，因此MHz 量級SBS 增益譜線寬決定了所構成的MPF 具有同樣處于MHz 量級的濾波帶寬，無法濾出待測信號光精細頻率成分。中國科學院半導體研究所Wen 等人提出一種通過外接光纖環(huán)形諧振器（FRR）實現(xiàn)高Q值（Q=f/f3-dB）MPF 的方法，其調諧范圍為2～16 GHz，3-dB 帶寬最高為（825±125） kHz，最大Q值達到17 778[20]。隨后，該課題組利用布里淵動態(tài)光柵（BDG）提出了一種具有更高Q值的微波光子濾波器，其3-dB 帶寬僅為650 kHz，對應的Q值提升至24 615[21]。由此可見，實現(xiàn)同時兼具寬調諧范圍及kHz 甚至亞kHz 窄帶的MPF 一直是面向未來寬帶無線通信、傳感、高性能雷達及天文探測等領域亟需解決的關鍵問題。

針對以上問題，本文提出并實驗證明了一種基于窄線寬單縱模光纖受激布里淵振蕩器的可調諧窄帶MPF。該MPF 的核心信號處理單元是一個由10 m 單模光纖構成的受激布里淵諧振腔。方案中SBS 泵浦光與光載波信號分別由兩個不同的可調諧激光器提供，布里淵增益與光調制信號相互作用后，利用布里淵振蕩器極窄的諧振線寬極大地壓縮了濾波器通帶寬度，通過簡單地改變泵浦光波長，實現(xiàn)濾波器通帶大范圍穩(wěn)定調諧。本方案不僅實現(xiàn)了具有更高Q值的窄帶MPF，而且具有寬可調性、高帶外抑制及結構簡單等優(yōu)勢。實驗結果表明該MPF 在具有超高的頻率選擇性的同時具有較寬的頻率調諧范圍，其濾波帶寬為6.2 kHz，帶外抑制超過20 dB，最大Q值為3.222×106，中心頻率調諧范圍為0～20 GHz。

2 濾波器結構與原理

本文所設計的MPF 窄線寬的實現(xiàn)，是基于單縱模光纖受激布里淵振蕩器的微波光子技術，其基本原理是利用布里淵增益譜與光調制信號進行相互作用，在光纖振蕩腔的作用下形成窄線寬布里淵激光輸出，從而實現(xiàn)窄線寬濾波，通過調節(jié)布里淵增益譜的位置，從而實現(xiàn)濾波器的調諧功能。該MPF 實驗結構如圖1（彩圖見期刊電子版）所示，可調諧窄線寬MPF 原理示意如圖2（彩圖見期刊電子版）所示。激光器（TLS1）發(fā)出的激光作為載波，其中心波長為1 550 nm，對應的中心頻率為?c1。將矢量網絡分析儀（VNA）產生的頻率為?RF的射頻信號，通過相位調制器（PM），對光載波進行雙邊帶（DSB）掃頻調制，如圖2（a）所示。然后，DSB 調制信號通過50∶50 的光耦合器（OC1）進入10 m 長的單模光纖中。

圖1 MPF 的實驗裝置。TLS，可調諧激光器；PC，偏振控制器；PM，相位調制器；OC，光耦合器；SMF，單模光纖；EDFA，摻鉺光纖放大器；Cir，光環(huán)形器；PD，光電探測器；OSA，光譜分析儀；VNA，矢量網絡分析儀Fig. 1 Experimental setup of MPF. TLS, tunable laser; PC,polarization controller; PM, phase modulator; OC,optical coupler; SMF, single-mode fiber; EDFA, erbium-doped fiber amplifier; Cir, optical circulator;PD, photodetector; OSA , spectrum analyzer; VNA,vector network analyzer

可調諧激光器（TLS2）發(fā)出的激光作為激發(fā)SBS 的泵浦光，其中心頻率為?c2。泵浦光經摻鉺光纖放大器（EDFA）功率放大后通過光環(huán)行器（Cir）注入10 m 單模光纖激發(fā)SBS。布里淵增益譜的中心頻率和3-dB 線寬分別為?c2-?B和Δ?B，其中?B為布里淵頻移量。為了消除溫度振動等環(huán)境因素對SBS 頻移量的影響，實驗過程中將激發(fā)SBS 的單模光纖置于恒溫控制系統(tǒng)中，同時將整個濾波裝置置于光學氣浮平臺上，從而保證了實驗中布里淵頻移量為一固定值[22-24]。在本實驗中，?B約為10.737 GHz。通過調諧TLS2激光器的波長來改變泵浦光頻率?c2，改變SBS 增益譜中心頻率的位置，從而濾出所需頻帶信號，實現(xiàn)MPF 的可調諧功能，如圖2（b）所示。在光調制信號和SBS 增益譜相互作用過程中，光調制信號上邊帶位于布里淵增益譜中的部分被SBS 增益選擇性放大，如圖2（c）所示。混合光信號通過Cir 的端口3 進入環(huán)形腔1（R1）中進行多光束干涉作用。最后，輸出光通過10∶90 耦合器（OC2），其中10%的輸出光通過光電探測器（PD）和光譜分析儀（OSA）進行檢測，經過PD 光電轉換后的信號輸入VNA 測量幅頻響應，用于表征分析所提出窄帶可調諧MPF 的濾波性能。剩余90%的光逆時針注入R1諧振腔中繼續(xù)諧振。

圖2 可調諧窄帶MPF 原理示意圖。（a）雙邊帶掃頻調制光信號光譜；（b）SBS 光譜；（c）利用SBS 放大DSB 調制信號上邊帶；（d）環(huán)形腔R1 的FSR 響應；（e）MPF濾波通帶響應Fig. 2 Illustration of tunable narrowband MPF principle.(a) Optical spectra of double sideband swept frequency modulated signal. (b) Optical spectra of SBS. (c) Amplification of the upper sideband of a DSB modulated signal using SBS gain. (d) FSR response of single-ring cavity R1. (e) Response of MPF

微波光子濾波器結構中的R1由環(huán)形器、兩個耦合器、偏振控制器與10 m 長的單模光纖組成（圖1 中綠色區(qū)域）。R1構成布里淵光纖諧振腔中表現(xiàn)出周期性共振，如圖2（d）所示。窄帶布里淵增益用于布里淵振蕩器的天然選頻與提供線寬壓縮機制，斯托克斯光在諧振腔中經多次放大后獲得的光譜明顯窄于介質增益線寬以及泵浦線寬，如圖2（e）所示。由于SBS 源于泵浦光和斯托克斯光的相互作用，其耦合效率會受到光束偏振態(tài)的影響，因此為了獲得最大布里淵增益，通過R1內的偏振控制器來調節(jié)環(huán)形腔內泵浦光和斯托克斯光的偏振方向，從而提升SBS 耦合效率。經過布里淵振蕩器諧振的輸出光輸入光電探測器（PD）進行拍頻檢測[25]。

MPF 的中心頻率可表示為：

從公式（1）可以看出，通過調諧頻率?c2就可以改變MPF 的中心頻率?pass。

圖3 給出了基于布里淵光纖振蕩器的MPF獲得單通窄帶的原理。其中Δ?B為SBS 布里淵增益線寬，布里淵頻移公式定義為fB=2nva/λ，其中，va是介質中的聲速，n為光纖中有效折射率，λ為泵浦光波長。fB在當泵浦光波長為1 550 nm時，激勵的布里淵頻移量為10.737 GHz。

圖3 （a）通過FSR 抑制邊模原理示意圖；（b）基于布里淵光纖振蕩器的MPF 頻率響應示意圖Fig. 3 (a) Schematic diagram of side mode suppression by FSR. (b)The response of MPF based on Brillouin fiber oscillator

其中，環(huán)形諧振腔R1的有效FSR 表示為：

式中L是R1的腔長，n=1.468，是光纖有效折射率。因此，R1的FSR 為18.6 MHz。為了避免MPF的多通帶，由腔長L確定的FSR 不應小于布里淵增益譜的線寬。當有效FSR 超過布里淵增益線寬且增益大于損耗時，激光模式僅在滿足R1諧振條件的頻率下振蕩。因此，具有超窄諧振線寬的布里淵振蕩器可以輕易地獲得高Q值或窄帶寬單通帶MPF。

3 實驗結果與討論

圖4（彩圖見期刊電子版）對比了布里淵增益和布里淵光纖振蕩器輸出光的頻率響應。可以觀察到在不構成光纖振蕩器的結構中光纖的布里淵增益3-dB 線寬約為9.926 MHz，而構建布里淵振蕩器后斯托克斯光在諧振器中多次放大后將獲得明顯窄于光纖布里淵增益線寬的光輸出，其3-dB 帶寬壓窄到6.5 kHz，并且通過對比可以明顯觀察到布里淵光纖振蕩器具有良好的邊模抑制作用，邊模抑制比達到26 dB。

圖4 布里淵增益和布里淵光纖振蕩器輸出光頻譜對比Fig. 4 Comparison of Brillouin gain and output light spectra of Brillouin fiber oscillator

在測量基于布里淵光線振蕩器的MPF 濾波響應之前，分別對TLS 泵浦光譜、布里淵振蕩器輸出光譜及經過耦合器OC3 的合路輸出光譜進行了測試，測試結果對比如圖5（彩圖見期刊電子版）所示。首先設置TLS2 泵浦光的波長設置為1 550.00 nm，其光譜如圖中黑線所示。設置EDFA 輸出功率為29 dBm，布里淵光線振蕩器輸出光譜如圖中藍線所示，波長為1550.08 nm，因此，泵浦光和SBS 通帶之間的波長差約為0.08 nm，對應于頻域中的10 GHz 布里淵頻移量。經耦合器OC3 的合路輸出光譜如圖中紅線所示，表現(xiàn)為雙波長光譜，其中一束為TLS1 輸出的光載波，另一束為布里淵光纖振蕩器輸出光。

圖5 TLS 泵浦光譜、布里淵振蕩器輸出光譜及經過耦合器OC3 的合路輸出光譜Fig. 5 TLS pump spectrum, Brillouin laser output spectrum and combined output spectrum through coupler OC3

為了表征本方案提出的微波光子濾波器的調諧性。圖6（彩圖見期刊電子版）中展示了當EDFA 輸出泵浦光功率為29 dBm，波長在1 550.232 0至1 550.392 0 nm范圍內變化時，MPF 的中心頻率響應。從圖中可以看出，通過改變SBS 泵浦光波長，MPF 濾波通帶在2～20 GHz 頻率范圍內穩(wěn)定可調，帶外抑制最高超過25 dB。值得注意的是，根據布里淵頻移量公式可知，當激光器波長 λ改變0.1 pm 時，布里淵頻移量會相應改變600 Hz。而本方案中泵浦波長每調諧0.1 pm，濾波器通帶中心頻率頻移量為12.5 MHz。因此，泵浦波長改變引起的布里淵頻移量變化對通帶的調諧影響基本可以忽略。從圖中可以看出，濾波器除了主濾波通帶之外，還存在幅度較低的次通帶，這是由于單模光纖中的瑞利散射引發(fā)的自感受激布里淵散射造成的濾波作用[18]。但是，由于該次通帶的幅度響應比主通帶的幅度響應低近30 dB，因此基本不影響本文設計的微波光子濾波器的整體濾波性能。上述實驗結果表明，由于SBS泵浦光和調制光信號來自兩個不同激光器，因此只需改變SBS 泵浦光的波長即可實現(xiàn)MPF 的寬范圍調諧。

圖6 泵浦光波長在1 550.232 nm 至1 550.392 nm 之間調諧時MPF 的頻率響應Fig. 6 The frequency response of MPF when the wavelength of the pump light is tuned from 1 550.232 nm to 1 550.392 nm.

為了分析本方案的窄帶可調諧濾波效果，進一步對濾波器通帶寬度進行了實驗測試。圖7（a）（彩圖見期刊電子版）為MPF 中心頻率調諧響應對比圖。設置EDFA 輸出功率為24 dBm，泵浦光初始波長為1 550.214 nm。從測試結果可看出，當泵浦光的波長在1 550.214 nm 至1 550.392 nm 之間變化時，濾波器通帶可以在48 MHz～19.98 GHz 范圍內穩(wěn)定調諧。且在該頻率調諧范圍內，具有穩(wěn)定的帶外抑制比，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的單通帶濾波效果。圖7（b）（彩圖見期刊電子版）是通帶中心頻率為19.98 GHz 時30 MHz跨度展寬圖，結果表明MPF 的3-dB 帶寬最窄時僅為6.2 kHz。與文獻[20] 中約900 kHz 的帶寬相比，本方案提出的MPF 具有更高的頻率選擇性。同時從圖中可以觀察到基于布里淵光纖振蕩器的MPF 帶外抑制比超過20 dB，這是由于本方案中SBS 增益譜寬度為9.9 MHz，通過式（2）得出R1的FSR 為18.6 MHz，諧振腔的FSR 大于布里淵增益譜的線寬，因此較好地抑制了除通帶以外的噪聲，保證MPF 在0～20 GHz 可以實現(xiàn)單通帶濾波。在19.98 GHz 下，MPF 最大Q值為3.222×106，實驗結果為現(xiàn)有文獻報道MPF 研究的最高Q值。

圖7 當泵浦光的波長在1 550.214 nm 至1 550.392 nm 之間變化時，MPF 的頻率響應。（a）20 GHz 跨度內的總體對比圖；（b）30 MHz 跨度展寬圖Fig. 7 Frequency response of MPF when the wavelength of the pump light varies from 1 550.214 nm to 1 550.392 nm. (a) Overall comparison diagram in 20 GHz span，(b) expanded diagram with 30 MHz span

為了表征所提方案濾波性能的穩(wěn)定性，圖8（彩圖見期刊電子版）給出了0～20 GHz 調諧范圍內MPF 的3-dB 帶寬和帶外抑制比變化規(guī)律。結果表明，MPF 的3-dB 帶寬Δfpass基本穩(wěn)定，約為6.2～7.5 kHz，并且具有近20 dB 的穩(wěn)定帶外抑制比，在調諧范圍內的波動小于2.2 dB。由于SBS 耦合效率與泵浦光和斯托克斯光的偏振方向密切相關，導致這種波動的原因可能源于光纖布里淵諧振腔內偏振控制器調節(jié)泵浦光和斯托克斯光的偏振匹配時產生的誤差。綜上所述，本文提出的MPF 具有相對較寬的穩(wěn)定調諧范圍，并且具有kHz 量級的濾波帶寬，對于實現(xiàn)千赫茲帶寬高抑制比單通帶濾波具有巨大潛力。

圖8 不同中心頻率下的3 dB 帶寬和邊模抑制比Fig. 8 3-dB bandwidth and side mode suppression ratio at different center frequencies

4 結 論

本文提出了一種基于SBS 光纖振蕩器的可調諧窄帶MPF，并進行了實驗驗證。不同于直接利用布里淵增益完成光載微波信號處理，本文將布里淵振蕩器引入到微波光子濾波結構設計中，利用布里淵斯托克斯在腔內多次放大后明顯的光譜壓縮特性，實現(xiàn)了MPF 的窄帶濾波，并且具有較高的帶外抑制比。采用兩個不同的可調諧激光器分別作為受激布里淵散射泵浦光與光載波信號，通過簡單改變SBS 泵浦光的波長即可實現(xiàn)MPF 穩(wěn)定調諧功能。該MPF 同時具有寬可調諧、窄帶寬、高帶外抑制和結構簡單等優(yōu)勢。實驗結果表明，本文提出的單通帶MPF 最小通帶帶寬僅為6.2 kHz，濾波通帶能夠在0-20 GHz 范圍內連續(xù)調諧，并且擁有超過20 dB 的穩(wěn)定帶外抑制比，最高Q值為3.222×106。