太赫兹光子滤波器技术的研究

谢鸿志，杨鹏毅

(中国电子科技集团公司第8研究所，安徽淮南 232001)

0 引言

太赫兹(THz)波是指频率在100 GHz～10 THz范围的电磁波，它介于毫米波与红外之间，称为亚毫米波或者远红外光，处于从电子学向光子学的过渡区。太赫兹波与毫米波相比波长较短，具有更高的空间分辨力和穿透地面的能力，太赫兹技术应用于雷达，可实现对敌方隐蔽武器、地下雷场分布，以及空气中传播的有毒生物颗粒或化学气体的探测，太赫兹技术还可用于危险品和藏匿物品的探测成像。

传统的电子滤波技术存在工作频率不高、边模抑制能力弱、抗电磁干扰能力差等不足，由于这些电子瓶颈的存在限制了其在太赫兹领域的应用;而光子滤波器是将输入的射频信号通过调制器调制到光信号上，经过不同的光程实现延时，借助光学器件实现了滤波的功能。由于滤波过程是在光域内实现，相比于电子滤波器，光子滤波器具有工作频率高、品质因数高、损耗低、体积小、可重构、可调谐和抗电磁干扰能力强等优点，尤其适用于太赫兹系统、相控阵列天线及其它微波光子系统中。

设计了一种适用于太赫兹波段的新型的基于级联调制器的可调谐光子滤波器结构，通过Optisystem软件对其模型进行了仿真验证，同时与基本光子滤波器模型进行了对比分析。

1 工作原理介绍与分析

光子滤波器的实现与数字滤波器一样均需要几种基本的运算功能单元，主要包括加法器、延时单元和常数乘法器。所不同的是光子滤波器采用相应的光元件来实现，其中加法器功能可以由光探测器来完成，延时单元功能可以由光纤传输或色散介质来完成，常数乘法器功能由放大器或衰减器完成。传统光子滤波器的原理，如图1所示。

图1 传统光子滤波器工作原理图

图1中RF信号χ(t)经电光调制器(EOM)调制到光载波上，经过1×N分光器将1路光分成N路，每路光强受到了可控的调节wn(n=0，1，2，…，N－1)，同时每路光实现了不同的延时 kτ(k=0，1，2，…，N －1)，经延时后的N束光经N×1耦合器耦合变成了1路光，耦合器输出的1路光经光电探测器(PD)探测后输出RF信号，探测器输出的RF信号可表示为

比较输入和输出，可以得到光子滤波器的传输函数

对应的频域响应为

由式(3)可知，决定滤波器性能的两个重要因素是每一路的权重wn和延时kτ。权重wn决定了滤波器的形状，可用形状因子(shap_factor)来表征滤波器频率响应曲线的特性，形状因子越接近1，表明滤波器的性能越好。延时单元τ决定了自由频谱范围FSR，而FSR决定着衡量滤波器特性的主要参数，在其他条件相同的情况下，Q值越大，则滤波器的性能越好，即f3dB越小，FSR越大，滤波器的性能就越好。传统的光子滤波器为得到不同的延时通常采用不同长度的光纤实现，许多根不同长度光纤的使用不仅使得整机体积较大，而且增加了成本，也给实际使用带来了不便;此外，传统光子滤波器依靠分光器的分光比的不同实现了不同的权重wn，这种方法受限于分光器分光路数及本身的性能影响。

针对传统光子滤波器的不足，介绍了一种新型的光子滤波器结构，采用MZ调制器和光纤光栅，实现了光子滤波器的功能，其原理结构，如图2所示。

图2 改进的光子滤波器原理图

图2中，首先采用电信号驱动相位调制器或MZ调制器调制光信号，已调制的光信号作为输入信号送给下一级MZ调制器，第二级调制器由网络分析仪输出的射频信号RF控制，经级联调制后输出的光信号通过光隔离器进行隔离，因MZ调制器对反射光比较敏感，使用隔离器目的在于减小光反射。隔离器输出的光信号经分光器分成a、b两路，a路光信号输入给环形器的1端口，由环形器的特性可知，若1端口输入，则2端口输出，2端口的光信号送给了啁啾光纤光栅阵列，该啁啾光纤光栅阵列由n个不同选择性的光栅组成。由于光纤光栅具有选择性，反射特定的光作为了环形器的2端口的输入，而透射的光经其他光栅后实现反射，这样经过光栅阵列后实现了不同的路径，从而得到了不同的延时。由环形器的特性知，2端口输入，则3端口输出，3端口的输出信号经掺饵光纤和980 nm的泵浦激励放大后实现了不同的权重wn，与b路光经光耦合器偶合成一路光送给了探测器，探测器最终输出RF射频信号。

3 仿真与分析

在上述两种光子滤波器原理介绍的基础上，采用Optisystem软件对传统的光子滤波器和本文介绍的光子滤波器分别进行了仿真对比分析，仿真模型如图3、图4所示。

仿真试验中，采用激光器光源频率为f=193.4 THz，取掺铒光纤放大器EDFA的最大输出功率分别为(25、20、15、10)dBm。得到的眼图如图5 所示。

图3 传统光子滤波器仿真模型

图4 改进后的光子滤波器仿真模型

图5 EDFA最大输出光功率与滤波器输出信号眼图仿真

眼图曲线越细表明滤波器的性能越好，从图5的眼图可以看出，无论是传统的光子滤波器还是改进的光子滤波器，随着EDFA放大器输出光功率的增加，眼图线条越来越细，说明信号输出越来越好。传统光子滤波器和改进的光子滤波器的仿真Q值，见表1。

由表1仿真结果可知，掺铒光纤放大器的最大输出功率和光子滤波器的品质因数Q值直接关联。当掺铒光纤放大器的最大输出功率从25 dBm开始逐渐递减，滤波器的Q值逐渐增加，当递减到15 dBm时，Q值会达到一个最大数值约为207.2，而后当EDFA的最大输出功率继续递减，Q值大幅度减小到约43.5。对比传统光子滤波器，在相同的参数设置下，改进后的光子滤波器Q值数据范围(43～207)明显比传统滤波器的Q值数据范围(11～85)提高很多，最大Q值也从85提高到207，表明所研究的光子滤波器比传统的光子滤波器具有更好的滤波特性。

4 结语

在研究传统光子滤波器的基础上介绍了一种改进的光子滤波器结构，通过Optisystem仿真软件设计了传统光子滤波器和改进的光子滤波器的仿真模型，通过仿真发现滤波器的品质因数(Q值)和掺铒光纤放大器的最大输出功率有关，通过调整EDFA，使其正好达到饱和状态的临界点，此时光子滤波器的Q值达到了最大。通过仿真证实了所提出的太赫兹光子滤波器具有可行性，比传统的光子滤波器具有更好的性能，太赫兹波段相关技术的研究已经成为军事、民用领域的研究热点，所介绍的太赫兹光子滤波器的仿真模型，为下一步的研制工作奠定了理论基础，对光纤延迟线、光载无线通信等领域的研究也具有借鉴意义。

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