游亞軍，許 鑫，王琳毅，馮劉艷，劉 毅*，耿文平，賀文君

（1. 中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 山西 太原 030051；2. 中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)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(shì)，逐漸發(fā)展成為高頻寬帶信號(hào)控制和處理的關(guān)鍵技術(shù)[1-4]。隨著高純頻譜微波信號(hào)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(dá)等前沿技術(shù)領(lǐng)域?qū)V波器頻率選擇性要求的日益提升，窄帶（kHz 甚至亞kHz）可調(diào)諧MPF 逐漸成為近年來(lái)微波光子技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[5-6]。

到目前為止，研究人員已經(jīng)提出了多種可調(diào)諧、窄帶寬MPF[7-8]。例如使用相位調(diào)制器和超結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵（SFBG）實(shí)現(xiàn)的窄帶、可調(diào)MPF，其3-dB 帶寬為143 MHz，可調(diào)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(diào)范圍和通帶寬度，而且其制作工藝相對(duì)繁瑣；2016 年，Zhang 等人[10]使用基于光學(xué)注入下分布反饋半導(dǎo)體激光器的四波混頻實(shí)現(xiàn)寬帶可調(diào)諧MPF，3-dB 帶寬和帶外抑制比分別為61.2 MHz 和25 dB，通過(guò)改變光注入?yún)?shù)，實(shí)現(xiàn)12～40 GHz 的頻率調(diào)諧范圍；最近報(bào)道了一種基于2×2 光纖耦合器的環(huán)型諧振腔的MPF，通過(guò)相干探測(cè)鏈路實(shí)現(xiàn)了40 GHz 調(diào)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(shí)現(xiàn)窄帶可調(diào)諧MPF的結(jié)構(gòu)大多比較復(fù)雜，且濾波帶寬也大多集中在MHz 量級(jí)，難以滿足帶寬MHz 量級(jí)以下濾波帶寬應(yīng)用需求。

受激布里淵散射（SBS）效應(yīng)因具有窄線寬、低閾值、高增益等特點(diǎn)，被廣泛用于制作窄帶MPF[12-16]。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所Wang 等人提出一種基于SBS 效應(yīng)的雙通帶微波光子濾波器，通過(guò)SBS 的相位-強(qiáng)度（PM-IM）調(diào)制轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)MPF 高頻率選擇性，通過(guò)直接調(diào)節(jié)微腔激光器的調(diào)制頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性調(diào)諧，中心頻率調(diào)諧范圍為0～20 GHz，每個(gè)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(xué)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(shí)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(nèi)可調(diào)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(xué)zhen 等人，將光載波通過(guò)兩個(gè)級(jí)聯(lián)馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器（DPMZM）來(lái)產(chǎn)生激發(fā)SBS 的雙音泵，MPF 的兩個(gè)通帶可以通過(guò)調(diào)整施加于DPMZM 的RF 信號(hào)的頻率來(lái)自由設(shè)置，調(diào)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(guò)直接利用布里淵增益選擇性放大調(diào)制信號(hào)的方式完成光載微波信號(hào)處理，因此MHz 量級(jí)SBS 增益譜線寬決定了所構(gòu)成的MPF 具有同樣處于MHz 量級(jí)的濾波帶寬，無(wú)法濾出待測(cè)信號(hào)光精細(xì)頻率成分。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所Wen 等人提出一種通過(guò)外接光纖環(huán)形諧振器（FRR）實(shí)現(xiàn)高Q值（Q=f/f3-dB）MPF 的方法，其調(diào)諧范圍為2～16 GHz，3-dB 帶寬最高為（825±125） kHz，最大Q值達(dá)到17 778[20]。隨后，該課題組利用布里淵動(dòng)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(duì)應(yīng)的Q值提升至24 615[21]。由此可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)同時(shí)兼具寬調(diào)諧范圍及kHz 甚至亞kHz 窄帶的MPF 一直是面向未來(lái)寬帶無(wú)線通信、傳感、高性能雷達(dá)及天文探測(cè)等領(lǐng)域亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出并實(shí)驗(yàn)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(diào)諧窄帶MPF。該MPF 的核心信號(hào)處理單元是一個(gè)由10 m 單模光纖構(gòu)成的受激布里淵諧振腔。方案中SBS 泵浦光與光載波信號(hào)分別由兩個(gè)不同的可調(diào)諧激光器提供，布里淵增益與光調(diào)制信號(hào)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(guò)簡(jiǎn)單地改變泵浦光波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)濾波器通帶大范圍穩(wěn)定調(diào)諧。本方案不僅實(shí)現(xiàn)了具有更高Q值的窄帶MPF，而且具有寬可調(diào)性、高帶外抑制及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該MPF 在具有超高的頻率選擇性的同時(shí)具有較寬的頻率調(diào)諧范圍，其濾波帶寬為6.2 kHz，帶外抑制超過(guò)20 dB，最大Q值為3.222×106，中心頻率調(diào)諧范圍為0～20 GHz。

2 濾波器結(jié)構(gòu)與原理

本文所設(shè)計(jì)的MPF 窄線寬的實(shí)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(shù)，其基本原理是利用布里淵增益譜與光調(diào)制信號(hào)進(jìn)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(shí)現(xiàn)窄線寬濾波，通過(guò)調(diào)節(jié)布里淵增益譜的位置，從而實(shí)現(xiàn)濾波器的調(diào)諧功能。該MPF 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖1（彩圖見(jiàn)期刊電子版）所示，可調(diào)諧窄線寬MPF 原理示意如圖2（彩圖見(jiàn)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(zhǎng)為1 550 nm，對(duì)應(yīng)的中心頻率為?c1。將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）產(chǎn)生的頻率為?RF的射頻信號(hào)，通過(guò)相位調(diào)制器（PM），對(duì)光載波進(jìn)行雙邊帶（DSB）掃頻調(diào)制，如圖2（a）所示。然后，DSB 調(diào)制信號(hào)通過(guò)50∶50 的光耦合器（OC1）進(jìn)入10 m 長(zhǎng)的單模光纖中。

圖1 MPF 的實(shí)驗(yàn)裝置。TLS，可調(diào)諧激光器；PC，偏振控制器；PM，相位調(diào)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(cè)器；OSA，光譜分析儀；VNA，矢量網(wǎng)絡(luò)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(diào)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(jīng)摻鉺光纖放大器（EDFA）功率放大后通過(guò)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(dòng)等環(huán)境因素對(duì)SBS 頻移量的影響，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將激發(fā)SBS 的單模光纖置于恒溫控制系統(tǒng)中，同時(shí)將整個(gè)濾波裝置置于光學(xué)氣浮平臺(tái)上，從而保證了實(shí)驗(yàn)中布里淵頻移量為一固定值[22-24]。在本實(shí)驗(yàn)中，?B約為10.737 GHz。通過(guò)調(diào)諧TLS2激光器的波長(zhǎng)來(lái)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(hào)，實(shí)現(xiàn)MPF 的可調(diào)諧功能，如圖2（b）所示。在光調(diào)制信號(hào)和SBS 增益譜相互作用過(guò)程中，光調(diào)制信號(hào)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(hào)通過(guò)Cir 的端口3 進(jìn)入環(huán)形腔1（R1）中進(jìn)行多光束干涉作用。最后，輸出光通過(guò)10∶90 耦合器（OC2），其中10%的輸出光通過(guò)光電探測(cè)器（PD）和光譜分析儀（OSA）進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)PD 光電轉(zhuǎn)換后的信號(hào)輸入VNA 測(cè)量幅頻響應(yīng)，用于表征分析所提出窄帶可調(diào)諧MPF 的濾波性能。剩余90%的光逆時(shí)針注入R1諧振腔中繼續(xù)諧振。

圖2 可調(diào)諧窄帶MPF 原理示意圖。（a）雙邊帶掃頻調(diào)制光信號(hào)光譜；（b）SBS 光譜；（c）利用SBS 放大DSB 調(diào)制信號(hào)上邊帶；（d）環(huán)形腔R1 的FSR 響應(yīng)；（e）MPF濾波通帶響應(yīng)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(jié)構(gòu)中的R1由環(huán)形器、兩個(gè)耦合器、偏振控制器與10 m 長(zhǎng)的單模光纖組成（圖1 中綠色區(qū)域）。R1構(gòu)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(jī)制，斯托克斯光在諧振腔中經(jīng)多次放大后獲得的光譜明顯窄于介質(zhì)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(huì)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(guò)R1內(nèi)的偏振控制器來(lái)調(diào)節(jié)環(huán)形腔內(nèi)泵浦光和斯托克斯光的偏振方向，從而提升SBS 耦合效率。經(jīng)過(guò)布里淵振蕩器諧振的輸出光輸入光電探測(cè)器（PD）進(jìn)行拍頻檢測(cè)[25]。

MPF 的中心頻率可表示為：

從公式（1）可以看出，通過(guò)調(diào)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(zhì)中的聲速，n為光纖中有效折射率，λ為泵浦光波長(zhǎng)。fB在當(dāng)泵浦光波長(zhǎng)為1 550 nm時(shí)，激勵(lì)的布里淵頻移量為10.737 GHz。

圖3 （a）通過(guò)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(yīng)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(zhǎng)，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(zhǎng)L確定的FSR 不應(yīng)小于布里淵增益譜的線寬。當(dāng)有效FSR 超過(guò)布里淵增益線寬且增益大于損耗時(shí)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖4（彩圖見(jiàn)期刊電子版）對(duì)比了布里淵增益和布里淵光纖振蕩器輸出光的頻率響應(yīng)?？梢杂^察到在不構(gòu)成光纖振蕩器的結(jié)構(gòu)中光纖的布里淵增益3-dB 線寬約為9.926 MHz，而構(gòu)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(guò)對(duì)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(dá)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(duì)比Fig. 4 Comparison of Brillouin gain and output light spectra of Brillouin fiber oscillator

在測(cè)量基于布里淵光線振蕩器的MPF 濾波響應(yīng)之前，分別對(duì)TLS 泵浦光譜、布里淵振蕩器輸出光譜及經(jīng)過(guò)耦合器OC3 的合路輸出光譜進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖5（彩圖見(jiàn)期刊電子版）所示。首先設(shè)置TLS2 泵浦光的波長(zhǎng)設(shè)置為1 550.00 nm，其光譜如圖中黑線所示。設(shè)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(lán)線所示，波長(zhǎng)為1550.08 nm，因此，泵浦光和SBS 通帶之間的波長(zhǎng)差約為0.08 nm，對(duì)應(yīng)于頻域中的10 GHz 布里淵頻移量。經(jīng)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(zhǎng)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(jīng)過(guò)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(diào)諧性。圖6（彩圖見(jiàn)期刊電子版）中展示了當(dāng)EDFA 輸出泵浦光功率為29 dBm，波長(zhǎng)在1 550.232 0至1 550.392 0 nm范圍內(nèi)變化時(shí)，MPF 的中心頻率響應(yīng)。從圖中可以看出，通過(guò)改變SBS 泵浦光波長(zhǎng)，MPF 濾波通帶在2～20 GHz 頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定可調(diào)，帶外抑制最高超過(guò)25 dB。值得注意的是，根據(jù)布里淵頻移量公式可知，當(dāng)激光器波長(zhǎng) λ改變0.1 pm 時(shí)，布里淵頻移量會(huì)相應(yīng)改變600 Hz。而本方案中泵浦波長(zhǎng)每調(diào)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(zhǎng)改變引起的布里淵頻移量變化對(duì)通帶的調(diào)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(yīng)比主通帶的幅度響應(yīng)低近30 dB，因此基本不影響本文設(shè)計(jì)的微波光子濾波器的整體濾波性能。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于SBS泵浦光和調(diào)制光信號(hào)來(lái)自兩個(gè)不同激光器，因此只需改變SBS 泵浦光的波長(zhǎng)即可實(shí)現(xiàn)MPF 的寬范圍調(diào)諧。

圖6 泵浦光波長(zhǎng)在1 550.232 nm 至1 550.392 nm 之間調(diào)諧時(shí)MPF 的頻率響應(yīng)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(diào)諧濾波效果，進(jìn)一步對(duì)濾波器通帶寬度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。圖7（a）（彩圖見(jiàn)期刊電子版）為MPF 中心頻率調(diào)諧響應(yīng)對(duì)比圖。設(shè)置EDFA 輸出功率為24 dBm，泵浦光初始波長(zhǎng)為1 550.214 nm。從測(cè)試結(jié)果可看出，當(dāng)泵浦光的波長(zhǎng)在1 550.214 nm 至1 550.392 nm 之間變化時(shí)，濾波器通帶可以在48 MHz～19.98 GHz 范圍內(nèi)穩(wěn)定調(diào)諧。且在該頻率調(diào)諧范圍內(nèi)，具有穩(wěn)定的帶外抑制比，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單通帶濾波效果。圖7（b）（彩圖見(jiàn)期刊電子版）是通帶中心頻率為19.98 GHz 時(shí)30 MHz跨度展寬圖，結(jié)果表明MPF 的3-dB 帶寬最窄時(shí)僅為6.2 kHz。與文獻(xiàn)[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(shí)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(guò)20 dB，這是由于本方案中SBS 增益譜寬度為9.9 MHz，通過(guò)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(shí)現(xiàn)單通帶濾波。在19.98 GHz 下，MPF 最大Q值為3.222×106，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道MPF 研究的最高Q值。

圖7 當(dāng)泵浦光的波長(zhǎng)在1 550.214 nm 至1 550.392 nm 之間變化時(shí)，MPF 的頻率響應(yīng)。（a）20 GHz 跨度內(nèi)的總體對(duì)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(jiàn)期刊電子版）給出了0～20 GHz 調(diào)諧范圍內(nèi)MPF 的3-dB 帶寬和帶外抑制比變化規(guī)律。結(jié)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(diào)諧范圍內(nèi)的波動(dòng)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(guān)，導(dǎo)致這種波動(dòng)的原因可能源于光纖布里淵諧振腔內(nèi)偏振控制器調(diào)節(jié)泵浦光和斯托克斯光的偏振匹配時(shí)產(chǎn)生的誤差。綜上所述，本文提出的MPF 具有相對(duì)較寬的穩(wěn)定調(diào)諧范圍，并且具有kHz 量級(jí)的濾波帶寬，對(duì)于實(shí)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(jié) 論

本文提出了一種基于SBS 光纖振蕩器的可調(diào)諧窄帶MPF，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。不同于直接利用布里淵增益完成光載微波信號(hào)處理，本文將布里淵振蕩器引入到微波光子濾波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，利用布里淵斯托克斯在腔內(nèi)多次放大后明顯的光譜壓縮特性，實(shí)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(gè)不同的可調(diào)諧激光器分別作為受激布里淵散射泵浦光與光載波信號(hào)，通過(guò)簡(jiǎn)單改變SBS 泵浦光的波長(zhǎng)即可實(shí)現(xiàn)MPF 穩(wěn)定調(diào)諧功能。該MPF 同時(shí)具有寬可調(diào)諧、窄帶寬、高帶外抑制和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(nèi)連續(xù)調(diào)諧，并且擁有超過(guò)20 dB 的穩(wěn)定帶外抑制比，最高Q值為3.222×106。