微波光子滤波技术概述（二）

1.2、负抽头的实现

非相干的微波光子滤波器一般只能实现正抽头，这对于滤波器的应用不利。因为传统正系数的全光滤波器只能实现低通的滤波功能，而且其滤波形状受到极大的限制，滤波效果往往不太理想，所以负抽头对全光滤波器来说一直都是设计中的热点问题。这方面的研究在20世纪80年代就已经展开，但在最近才获得重大的进展。为了解决此限制，目前所采用的主要方法有以下4种：

1)初期的负抽头实现的出发点基本是以光电结合的方式进行的，称为差分探测^[24]。图6是其工作原理示意图。将抽头分为两部分，一部分用来实现正抽头，一部分用来实现负抽头。这两部分光信号分别被输入到两个光探测器中，然后在两个光探测器上将光信号转换成电信号，最后在电域中执行电信号相减运算，实现两路信号在相位上相差π，所以可以分别得到正负抽头。这种实现方法缺陷很明显，负抽头是通过电子设备实现的，所以滤波性能受到电子设备的性能和有源设备带来额外的噪声影响以及这种结构很难重构，而且，器件价格也比较昂贵。

2)利用半导体光放大器(SOA)的非线性来实现负抽头。这种方法利用了SOA交叉增益调制和交叉相位调制波长转换的非线性现象获得了π相位变换^[25，26]。图7显示了其交叉增益调制的实现原理图。被调制的光信号l₁通过分路器分为两路，其中一路和由另外一个激光器发出的光l₂同时经过SOA，由于SOA随着光强度增加而增益饱和，所以波长l₁的光信号强度反过来调制SOA的增益，注入的波长为l₂光信号又会被调制后的增益所调制，这样l₂得到了l₁上π相位反转后的强度变化信号，因此实现了负系数。这种结构比较复杂，很难实现可重构性能和多抽头结构，在光域里的相位反转受到SOA转换带宽的限制，另外存在的一个问题就是SOA对偏振很敏感。

3)基于利用光栅分割宽带光源加多个可调光的结构实现负抽头。这种结构通过利用光栅组切割宽带光源，使其在一定波长出现光功率的凹槽，再加上多个可调激光器使其出现光功率的峰值，合成的光源经过延迟线，实现负抽头。图8给出了实现结构原理图，这个结构是由可调谐激光器和掺铒光纤放大器(EDFA)组成的光源，两个光源发出的光信号通过耦合器合并后经过电光调制器被射频信号所调制，再通过一定长度的光纤后被光波分析仪(LCA)所接受。这样两个抽头的射频滤波器就形成了。图8里嵌入的图是由光谱分析仪(OSA)探测得到的输入进电光调制器的光功率相对于EDFA光功率的比值图，可以看到在光栅反射波长那里有个凹槽，这样直接在光域就提供了相位反转，也就是说实现了负抽头。这种结构的优点是不受宽带的限制、滤波器可以重构、偏振不敏感。缺陷是在低频总是存在直流信号，由于受到光源数量的限制，很难实现多抽头。

4)利用电光调制器的传输函数正负斜率线性部分实现反相位调制来实现负抽头^[27，28]。这种方法里有两种方式可实现负抽头，第一种方式为一个波长两个偏置点，如图9^[27]所示为固定波长下输出光功率随着电压变化的曲线。从图中可以看出，将两个调制器的偏置点分别设在Vbias1和Vbias2，然后通过这两个调制器使用相同的RF信号去调制光信号，因为两个偏置点都是线性偏置点，而且相位相差π，这样从调制器出来后，两路的RF信号就有了π的相位差，也就相当于实现了负抽头的设计。第二种方式为两个波长一个偏置点^[28]，如图10所示，如果将偏置点电压设在Vbias，则两个波长所载的RF信号能够实现π相位差。

另外对于可重构性的问题，由于传输函数的幅度响应形状只决定于系数，为了实现重构，就要改变滤波器的形状系数^[3，6，29]。实践中，可以通过调整光源的功率，或者通过控制抽头光路中光波的衰减或者增益，等方法来改变形状系数^[30，31]。

2、结论与展望

综上所述，微波光子滤波器的可调谐性的实现，使用直接改变光程的方法虽然简单，但是调谐的过程比较复杂，需要特殊器件的引入，而使用可调谐的色散器件方法，调谐速度会受器件的影响，速度往往不太理想。相对于前两种方法，使用波长可调谐光源结合色散介质虽然结构比较复杂但是它是一种比较理想的实现可调谐的方法。对于滤波器负抽头的实现，利用电光调制器的传输函数斜率线性部分来实现负抽头相对于其他方法是最新也是最好的方法，对于研究和发展微波光子滤波器具有重要的参考意义。

综合来看，微波光子滤波器的主要研究重点将是：发展更简洁的技术获得负系数和复系数滤波器；发展更多的技术实现滤波器可调谐；克服具有很小的延迟时间值的相干效应实现与电路集成的目的；研究发展更好的微波光子滤波器的各项器件，现阶段全光滤波器的带宽受到调制器和探测器的带宽限制，其中主要是调制器的带宽限制。

虽然现阶段全光可调谐滤波器仍然停留在实验研究阶段。可以预见这个技术具有巨大的应用前景，对以后的滤波技术将产生巨大的影响。

作者：刘崇正、陈建国、周涛