超高分辨率软件定义光学滤波器设计及应用研究

发布时间：2020-06-21 04:58

【摘要】：光学滤波作为一种十分重要的光信号处理手段,被广泛地应用于光通信和微波光子学中,实现对光学信号或者对调制到光域的微波信号进行带通带阻滤波、时域频域变换等。随着光通信领域和微波光子学领域的不断发展,对光学滤波的精度也提出了越来越高的要求。高分辨率的光学滤波将是推动实现全光灵活组网,促进微波光子学发展,催生新的前沿交叉学科的重要功能器件。更高分辨率的重构性,更大范围的中心波长调谐,更高的滤波抑制比等都是光学滤波的发展趋势。然而相较于一般的微波信号,光波有着超高的频率,这使得对光波的精细化处理变得较为困难。目前带宽在GHz量级的光学滤波器还远远无法实现高精度的控制,这也阻碍了精细化光信号处理的进一步发展。受激布里渊散射效应是光纤中十分常见的光学非线性效应。其仅10到30 MHz的线宽提供了非常高的频率选择性,是进行高分辨率光信号处理的理想选择之一。本文利用这一效应实现了超高分辨率软件定义的高质量光学滤波器,并在滤波响应重构灵活度、中心波长调谐范围、偏振相关性和滤波抑制比等方面提出了全方位优化的方案。本文的主要成果和研究思路为:提出了非线性光信号处理高精度数字控制新方法,揭示了布里渊泵浦精确可控的机理;实现了超高分辨率的可编程任意形状光学滤波器和微波光子学滤波器,并采取多种措施提升滤波参数和滤波性能;将其应用至光纤骨干网分插复用节点和微波光子学脉冲整形中,获得了很好的实际效果;推动了该项技术的小型化和实用化。具体来说,本文内容包括:1.提出布里渊增益谱形的数字化精确控制方法利用受激布里渊散射实现光学滤波器的概念很早即被提出,但是对布里渊增益谱型的控制精度始终受到限制。本文提出了高分辨率的布里渊泵浦数字化设计方法,利用可控程度更高的电数模转换器(任意形状发生器)数字化高精度地产生电波形,再利用IQ调制器实现单边带载波抑制调制到光上,从而实现对布里渊泵浦高分辨率的完全控制。为了克服系统非线性等非理想因素,本文进一步提出循环反馈校正技术,根据测量结果多次对产生的泵浦波形进行迭代,从而成功实现对布里渊增益谱的高精度控制。这也是本文区别于之前工作的重要突破和创新点。2.提出一系列对滤波器的优化措施,实现高抑制比偏振无关矩形光学滤波器本文针对滤波器的各项参数进行了多项优化措施,极大提高了滤波器的实用性。为提高滤波器的抑制比,采取布里渊多级放大结构,更高效地利用泵浦光,实现了超过40 dB的滤波抑制比。本文还提出快速单频扫频泵浦方案,利用延时正交的双路结构解决了布里渊滤波器的偏振相关性问题。最终实现了50 MHz-3 GHz带宽的高精度可重构矩形滤波器。矩形因子可达1.056,为已报道的所有窄带矩形光学滤波器的最佳值。3.对泵浦展宽后的布里渊滤波器噪声进行了仿真和实验分析相较于一般的无源光滤波器,基于受激布里渊散射的滤波器的原理是放大带内信号而非阻隔带外信号。在带来增益的同时布里渊散射也会在放大滤波过程中引入噪声,劣化信号质量。本文对宽带布里渊放大引入的噪声情况进行了分析,并试图通过优化滤波器的各项参数配置来实现对其噪声性能的优化。通过实验精确的测量和仿真的全面补充,本文研究了泵浦展宽方式、泵浦功率以及待放大信号的功率、信号偏振态、光纤长度等对滤波性能的影响。实验和仿真结果为降低滤波器引入的噪声提供了一些思路,有助于进一步提升滤波器的实用性。4.演示了基于高精度矩形滤波器的超精细栅格可重构光分插复用方案下一代弹性光网络需要更精细的光交换粒度和更高的灵活性,这给光滤波技术提出了新的挑战。本文利用得到的高品质矩形滤波器实现了超精细栅格的可重构光分插复用结构,并演示了对偏振复用的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)信号的上下路功能。采用布里渊矩形带通滤波和带阻滤波对保护间隔仅为300 MHz、单个带宽2 GHz的正交相移键控OFDM子带进行25 dB以上的放大选择或滤除,证明了本方案可对OFDM信号进行高保真度的滤波处理,极好地显示了本方案的滤波优势。5.实现软件定义任意形状高精度微波光子学滤波方案微波光子学滤波器对滤波的精度和灵活性提出了更高的要求。本文通过对泵浦波形的特殊设计和对整个系统的高精度控制,实现了以1 MHz为精度对滤波器中心频率进行高分辨率调谐和以15 MHz为分辨率对滤波幅度响应进行任意配置,并演示了截断高斯型、高斯型、超高斯型、三角形等滤波响应。基于对滤波器的超高分辨率控制,本文进一步演示了该滤波器在微波光子学中的典型应用。通过对滤波器响应的调节和切换,实现了对时域脉冲形状的精确调控和整形。理论和实验的高度吻合再一次证明对滤波器极高的控制精度。6.提出低成本直调泵浦控制方案并推动滤波器实用化和仪器化进程为进一步提升布里渊滤波器的小型化和仪器化,本文提出基于低成本直接调制激光器和低速数模转换器的新方案。通过对直接调制激光器调制电流的设计和反馈调节,同样实现了对滤波响应的高精度控制。相较于之前的外调制方案,直调方案有着与之相似的滤波响应控制精度以及噪声性能,但有效地简化了系统结构,大大降低了系统成本和体积,是该滤波器迈向实用化的重要一步。此外,特殊设计的滤波器图形化操作界面还为该技术的仪器化提供了软件支持。本文提出的基于受激布里渊散射效应的超高分辨率光学滤波器,解决了目前窄带宽(GHz量级)光学滤波控制精度较低的问题,首次实现了对滤波响应、滤波带宽和中心频率同时进行MHz量级的高精度控制,力求提供一种性能优异、功能多样、应用范围广、实用度高的窄带滤波方案。实际上,该高分辨率滤波器虽然仍旧沿用了滤波器的名称,但其内涵早已超越了传统意义上实现波长通阻的滤波器,而是提供了一个高分辨率高灵活性的光信息处理的平台,为光学信号和微波光子信号的高精度处理展示了新的可能,必将在光通信和微波光子学领域发挥其不可替代的作用。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN713


本文编号：2723550