基于布里渊光纤振荡器的可调谐窄带微波光子滤波器研究

游亚军，许 鑫，王琳毅，冯刘艳，刘 毅*，耿文平，贺文君

（1. 中北大学 机电工程学院, 山西 太原 030051；2. 中北大学 仪器与电子学院, 山西 太原 030051）

1 引 言

微波光子滤波器（MPF）具有低损耗、大带宽及抗电磁干扰等优势，逐渐发展成为高频宽带信号控制和处理的关键技术[1-4]。随着高纯频谱微波信号发生、高灵敏度微波光子传感以及高分辨率微波光子雷达等前沿技术领域对滤波器频率选择性要求的日益提升，窄带（kHz 甚至亚kHz）可调谐MPF 逐渐成为近年来微波光子技术领域研究的热点和难点[5-6]。

到目前为止，研究人员已经提出了多种可调谐、窄带宽MPF[7-8]。例如使用相位调制器和超结构光纤布拉格光栅（SFBG）实现的窄带、可调MPF，其3-dB 带宽为143 MHz，可调谐范围为0.4～6.4 GHz[9]。但在该方案中，SFBG 的反射带宽和陷波宽度决定了频率可调范围和通带宽度，而且其制作工艺相对繁琐；2016 年，Zhang 等人[10]使用基于光学注入下分布反馈半导体激光器的四波混频实现宽带可调谐MPF，3-dB 带宽和带外抑制比分别为61.2 MHz 和25 dB，通过改变光注入参数，实现12～40 GHz 的频率调谐范围；最近报道了一种基于2×2 光纤耦合器的环型谐振腔的MPF，通过相干探测链路实现了40 GHz 调谐范围，相比于传统非腔体MPF，其滤波带宽可低至1.2 MHz[11]。上述研究中，实现窄带可调谐MPF的结构大多比较复杂，且滤波带宽也大多集中在MHz 量级，难以满足带宽MHz 量级以下滤波带宽应用需求。

受激布里渊散射（SBS）效应因具有窄线宽、低阈值、高增益等特点，被广泛用于制作窄带MPF[12-16]。中国科学院半导体研究所Wang 等人提出一种基于SBS 效应的双通带微波光子滤波器，通过SBS 的相位-强度（PM-IM）调制转换来实现MPF 高频率选择性，通过直接调节微腔激光器的调制频率来实现高稳定性调谐，中心频率调谐范围为0～20 GHz，每个通带的3-dB 带宽和带外抑制比分别约为38 MHz 和28.5 dB[17]。电子科技大学Li 等人利用单模光纤和高非线性光纤之间的布里渊频移差，实现了固定频率间隔的双通带MPF。中心频率在0～9.644 GHz 范围内可调谐，其3-dB 带宽和带外抑制比分别为57 MHz 和20 dB[18]。电子科技大学zhen 等人，将光载波通过两个级联马赫-曾德尔调制器（DPMZM）来产生激发SBS 的双音泵，MPF 的两个通带可以通过调整施加于DPMZM 的RF 信号的频率来自由设置，调谐范围为0～9.644 GHz，带外抑制比和3-dB 带宽分别为25 dB 和55 MHz[19]。上述方案均是通过直接利用布里渊增益选择性放大调制信号的方式完成光载微波信号处理，因此MHz 量级SBS 增益谱线宽决定了所构成的MPF 具有同样处于MHz 量级的滤波带宽，无法滤出待测信号光精细频率成分。中国科学院半导体研究所Wen 等人提出一种通过外接光纤环形谐振器（FRR）实现高Q值（Q=f/f3-dB）MPF 的方法，其调谐范围为2～16 GHz，3-dB 带宽最高为（825±125） kHz，最大Q值达到17 778[20]。随后，该课题组利用布里渊动态光栅（BDG）提出了一种具有更高Q值的微波光子滤波器，其3-dB 带宽仅为650 kHz，对应的Q值提升至24 615[21]。由此可见，实现同时兼具宽调谐范围及kHz 甚至亚kHz 窄带的MPF 一直是面向未来宽带无线通信、传感、高性能雷达及天文探测等领域亟需解决的关键问题。

针对以上问题，本文提出并实验证明了一种基于窄线宽单纵模光纤受激布里渊振荡器的可调谐窄带MPF。该MPF 的核心信号处理单元是一个由10 m 单模光纤构成的受激布里渊谐振腔。方案中SBS 泵浦光与光载波信号分别由两个不同的可调谐激光器提供，布里渊增益与光调制信号相互作用后，利用布里渊振荡器极窄的谐振线宽极大地压缩了滤波器通带宽度，通过简单地改变泵浦光波长，实现滤波器通带大范围稳定调谐。本方案不仅实现了具有更高Q值的窄带MPF，而且具有宽可调性、高带外抑制及结构简单等优势。实验结果表明该MPF 在具有超高的频率选择性的同时具有较宽的频率调谐范围，其滤波带宽为6.2 kHz，带外抑制超过20 dB，最大Q值为3.222×106，中心频率调谐范围为0～20 GHz。

2 滤波器结构与原理

本文所设计的MPF 窄线宽的实现，是基于单纵模光纤受激布里渊振荡器的微波光子技术，其基本原理是利用布里渊增益谱与光调制信号进行相互作用，在光纤振荡腔的作用下形成窄线宽布里渊激光输出，从而实现窄线宽滤波，通过调节布里渊增益谱的位置，从而实现滤波器的调谐功能。该MPF 实验结构如图1（彩图见期刊电子版）所示，可调谐窄线宽MPF 原理示意如图2（彩图见期刊电子版）所示。激光器（TLS1）发出的激光作为载波，其中心波长为1 550 nm，对应的中心频率为ƒc1。将矢量网络分析仪（VNA）产生的频率为ƒRF的射频信号，通过相位调制器（PM），对光载波进行双边带（DSB）扫频调制，如图2（a）所示。然后，DSB 调制信号通过50∶50 的光耦合器（OC1）进入10 m 长的单模光纤中。

图1 MPF 的实验装置。TLS，可调谐激光器；PC，偏振控制器；PM，相位调制器；OC，光耦合器；SMF，单模光纤；EDFA，掺铒光纤放大器；Cir，光环形器；PD，光电探测器；OSA，光谱分析仪；VNA，矢量网络分析仪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

可调谐激光器（TLS2）发出的激光作为激发SBS 的泵浦光，其中心频率为ƒc2。泵浦光经掺铒光纤放大器（EDFA）功率放大后通过光环行器（Cir）注入10 m 单模光纤激发SBS。布里渊增益谱的中心频率和3-dB 线宽分别为ƒc2-ƒB和ΔƒB，其中ƒB为布里渊频移量。为了消除温度振动等环境因素对SBS 频移量的影响，实验过程中将激发SBS 的单模光纤置于恒温控制系统中，同时将整个滤波装置置于光学气浮平台上，从而保证了实验中布里渊频移量为一固定值[22-24]。在本实验中，ƒB约为10.737 GHz。通过调谐TLS2激光器的波长来改变泵浦光频率ƒc2，改变SBS 增益谱中心频率的位置，从而滤出所需频带信号，实现MPF 的可调谐功能，如图2（b）所示。在光调制信号和SBS 增益谱相互作用过程中，光调制信号上边带位于布里渊增益谱中的部分被SBS 增益选择性放大，如图2（c）所示。混合光信号通过Cir 的端口3 进入环形腔1（R1）中进行多光束干涉作用。最后，输出光通过10∶90 耦合器（OC2），其中10%的输出光通过光电探测器（PD）和光谱分析仪（OSA）进行检测，经过PD 光电转换后的信号输入VNA 测量幅频响应，用于表征分析所提出窄带可调谐MPF 的滤波性能。剩余90%的光逆时针注入R1谐振腔中继续谐振。

图2 可调谐窄带MPF 原理示意图。（a）双边带扫频调制光信号光谱；（b）SBS 光谱；（c）利用SBS 放大DSB 调制信号上边带；（d）环形腔R1 的FSR 响应；（e）MPF滤波通带响应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

微波光子滤波器结构中的R1由环形器、两个耦合器、偏振控制器与10 m 长的单模光纤组成（图1 中绿色区域）。R1构成布里渊光纤谐振腔中表现出周期性共振，如图2（d）所示。窄带布里渊增益用于布里渊振荡器的天然选频与提供线宽压缩机制，斯托克斯光在谐振腔中经多次放大后获得的光谱明显窄于介质增益线宽以及泵浦线宽，如图2（e）所示。由于SBS 源于泵浦光和斯托克斯光的相互作用，其耦合效率会受到光束偏振态的影响，因此为了获得最大布里渊增益，通过R1内的偏振控制器来调节环形腔内泵浦光和斯托克斯光的偏振方向，从而提升SBS 耦合效率。经过布里渊振荡器谐振的输出光输入光电探测器（PD）进行拍频检测[25]。

MPF 的中心频率可表示为：

从公式（1）可以看出，通过调谐频率ƒc2就可以改变MPF 的中心频率ƒpass。

图3 给出了基于布里渊光纤振荡器的MPF获得单通窄带的原理。其中ΔƒB为SBS 布里渊增益线宽，布里渊频移公式定义为fB=2nva/λ，其中，va是介质中的声速，n为光纤中有效折射率，λ为泵浦光波长。fB在当泵浦光波长为1 550 nm时，激励的布里渊频移量为10.737 GHz。

图3 （a）通过FSR 抑制边模原理示意图；（b）基于布里渊光纤振荡器的MPF 频率响应示意图Fig. 3 (a) Schematic diagram of side mode suppression by FSR. (b)The response of MPF based on Brillouin fiber oscillator

其中，环形谐振腔R1的有效FSR 表示为：

式中L是R1的腔长，n=1.468，是光纤有效折射率。因此，R1的FSR 为18.6 MHz。为了避免MPF的多通带，由腔长L确定的FSR 不应小于布里渊增益谱的线宽。当有效FSR 超过布里渊增益线宽且增益大于损耗时，激光模式仅在满足R1谐振条件的频率下振荡。因此，具有超窄谐振线宽的布里渊振荡器可以轻易地获得高Q值或窄带宽单通带MPF。

3 实验结果与讨论

图4（彩图见期刊电子版）对比了布里渊增益和布里渊光纤振荡器输出光的频率响应。可以观察到在不构成光纤振荡器的结构中光纤的布里渊增益3-dB 线宽约为9.926 MHz，而构建布里渊振荡器后斯托克斯光在谐振器中多次放大后将获得明显窄于光纤布里渊增益线宽的光输出，其3-dB 带宽压窄到6.5 kHz，并且通过对比可以明显观察到布里渊光纤振荡器具有良好的边模抑制作用，边模抑制比达到26 dB。

图4 布里渊增益和布里渊光纤振荡器输出光频谱对比Fig. 4 Comparison of Brillouin gain and output light spectra of Brillouin fiber oscillator

在测量基于布里渊光线振荡器的MPF 滤波响应之前，分别对TLS 泵浦光谱、布里渊振荡器输出光谱及经过耦合器OC3 的合路输出光谱进行了测试，测试结果对比如图5（彩图见期刊电子版）所示。首先设置TLS2 泵浦光的波长设置为1 550.00 nm，其光谱如图中黑线所示。设置EDFA 输出功率为29 dBm，布里渊光线振荡器输出光谱如图中蓝线所示，波长为1550.08 nm，因此，泵浦光和SBS 通带之间的波长差约为0.08 nm，对应于频域中的10 GHz 布里渊频移量。经耦合器OC3 的合路输出光谱如图中红线所示，表现为双波长光谱，其中一束为TLS1 输出的光载波，另一束为布里渊光纤振荡器输出光。

图5 TLS 泵浦光谱、布里渊振荡器输出光谱及经过耦合器OC3 的合路输出光谱Fig. 5 TLS pump spectrum, Brillouin laser output spectrum and combined output spectrum through coupler OC3

为了表征本方案提出的微波光子滤波器的调谐性。图6（彩图见期刊电子版）中展示了当EDFA 输出泵浦光功率为29 dBm，波长在1 550.232 0至1 550.392 0 nm范围内变化时，MPF 的中心频率响应。从图中可以看出，通过改变SBS 泵浦光波长，MPF 滤波通带在2～20 GHz 频率范围内稳定可调，带外抑制最高超过25 dB。值得注意的是，根据布里渊频移量公式可知，当激光器波长 λ改变0.1 pm 时，布里渊频移量会相应改变600 Hz。而本方案中泵浦波长每调谐0.1 pm，滤波器通带中心频率频移量为12.5 MHz。因此，泵浦波长改变引起的布里渊频移量变化对通带的调谐影响基本可以忽略。从图中可以看出，滤波器除了主滤波通带之外，还存在幅度较低的次通带，这是由于单模光纤中的瑞利散射引发的自感受激布里渊散射造成的滤波作用[18]。但是，由于该次通带的幅度响应比主通带的幅度响应低近30 dB，因此基本不影响本文设计的微波光子滤波器的整体滤波性能。上述实验结果表明，由于SBS泵浦光和调制光信号来自两个不同激光器，因此只需改变SBS 泵浦光的波长即可实现MPF 的宽范围调谐。

图6 泵浦光波长在1 550.232 nm 至1 550.392 nm 之间调谐时MPF 的频率响应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.

为了分析本方案的窄带可调谐滤波效果，进一步对滤波器通带宽度进行了实验测试。图7（a）（彩图见期刊电子版）为MPF 中心频率调谐响应对比图。设置EDFA 输出功率为24 dBm，泵浦光初始波长为1 550.214 nm。从测试结果可看出，当泵浦光的波长在1 550.214 nm 至1 550.392 nm 之间变化时，滤波器通带可以在48 MHz～19.98 GHz 范围内稳定调谐。且在该频率调谐范围内，具有稳定的带外抑制比，可以实现稳定的单通带滤波效果。图7（b）（彩图见期刊电子版）是通带中心频率为19.98 GHz 时30 MHz跨度展宽图，结果表明MPF 的3-dB 带宽最窄时仅为6.2 kHz。与文献[20] 中约900 kHz 的带宽相比，本方案提出的MPF 具有更高的频率选择性。同时从图中可以观察到基于布里渊光纤振荡器的MPF 带外抑制比超过20 dB，这是由于本方案中SBS 增益谱宽度为9.9 MHz，通过式（2）得出R1的FSR 为18.6 MHz，谐振腔的FSR 大于布里渊增益谱的线宽，因此较好地抑制了除通带以外的噪声，保证MPF 在0～20 GHz 可以实现单通带滤波。在19.98 GHz 下，MPF 最大Q值为3.222×106，实验结果为现有文献报道MPF 研究的最高Q值。

图7 当泵浦光的波长在1 550.214 nm 至1 550.392 nm 之间变化时，MPF 的频率响应。（a）20 GHz 跨度内的总体对比图；（b）30 MHz 跨度展宽图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

为了表征所提方案滤波性能的稳定性，图8（彩图见期刊电子版）给出了0～20 GHz 调谐范围内MPF 的3-dB 带宽和带外抑制比变化规律。结果表明，MPF 的3-dB 带宽Δfpass基本稳定，约为6.2～7.5 kHz，并且具有近20 dB 的稳定带外抑制比，在调谐范围内的波动小于2.2 dB。由于SBS 耦合效率与泵浦光和斯托克斯光的偏振方向密切相关，导致这种波动的原因可能源于光纤布里渊谐振腔内偏振控制器调节泵浦光和斯托克斯光的偏振匹配时产生的误差。综上所述，本文提出的MPF 具有相对较宽的稳定调谐范围，并且具有kHz 量级的滤波带宽，对于实现千赫兹带宽高抑制比单通带滤波具有巨大潜力。

图8 不同中心频率下的3 dB 带宽和边模抑制比Fig. 8 3-dB bandwidth and side mode suppression ratio at different center frequencies

4 结 论

本文提出了一种基于SBS 光纤振荡器的可调谐窄带MPF，并进行了实验验证。不同于直接利用布里渊增益完成光载微波信号处理，本文将布里渊振荡器引入到微波光子滤波结构设计中，利用布里渊斯托克斯在腔内多次放大后明显的光谱压缩特性，实现了MPF 的窄带滤波，并且具有较高的带外抑制比。采用两个不同的可调谐激光器分别作为受激布里渊散射泵浦光与光载波信号，通过简单改变SBS 泵浦光的波长即可实现MPF 稳定调谐功能。该MPF 同时具有宽可调谐、窄带宽、高带外抑制和结构简单等优势。实验结果表明，本文提出的单通带MPF 最小通带带宽仅为6.2 kHz，滤波通带能够在0-20 GHz 范围内连续调谐，并且拥有超过20 dB 的稳定带外抑制比，最高Q值为3.222×106。