Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое некогерентные структуры фотонных свч фильтров, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое некогерентные структуры фотонных свч фильтров, когерентные структуры фотонных свч фильтров , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства СВЧ и антенны.
Для решения проблемы положительности коэффициентов были предложены различные альтернативы. Первое решение основывается на
электрооптическом подходе, использующим схемы раздельного детектирования. Оптический сигнал, модулированный радиосигналом, проходит по двум отводам фильтра. Эти отводы служат временными оптическими линиями задержки с разницей между ними T. Сигнал из линии задержки поступает на модуль
дифференциального детектирования, который состоит из двух согласованных фотодиодов. Далее детектированные СВЧ сигналы комбинируются и вычитаются в электрической области, что приводит к формированию отрицательных и положительных весовых коэффициентов фотонного фильтра. В этом методе, отрицательные коэффициенты формируются не напрямую в оптической области, и сам фильтр будет не полностью оптическим, а будет считаться гибридным типом. На рисунке 1.24 показана общая схема систем данного типа.
Двухотводный фотонный СВЧ фильтр может быть реконфигурирован до многоотводного, если одиночный лазер заменить группой лазеров, и 3дБ делитель
заменить на WDM-демультиплексор. Также продемонстрировано, что возможно реализовать произвольный фильтр как разность двух положительных фильтров [116]. Этот метод был предложен в фильтрах первых схем на основе рециркуляционных структур , [10], [117].
Рисунок 1.24 – Структура СВЧ фотонного фильтра для формирования отрицательных весовых коэффициентов фильтрации на основе дифференциального детектирования
В последствие появились и другие решения, основанные на использовании физических принципов различных оптических устройств для реализации
отрицательных входов непосредственно в оптическом диапазоне, такие как инверсия амплитуды модулированного сигнала, который получается путем
преобразования длины волны через перекрестную модуляцию (XGM) и фазовой кросс-модуляции (XPM) в полупроводниковых усилителях (полупроводниковый оптический усилитель (англ. SOA)) [118]. Как показано на рисунке 1.25, перестраиваемый источник излучения на длине волны λ1 модулируется СВЧ сигналом, а затем разделяется на две составляющие. Одна часть поступает на оптическую линию задержки, другая часть объединяется с непрерывным сигналом DFB лазера на другой длине волны и затем поступает в полупроводниковый оптический усилитель [119]. Непрерывное излучение DFB лазера на длине волны λ2 также модулировано входящим радиосигналом, но со сдвигом фазы на π по сравнению с другим СВЧ сигналом, что и приводит к формированию отрицательных весовых коэффициентов фотонного фильтра. Оптический полосовой фильтр используется для фильтрации остаточной составляющей сигнала λ1. Затем СВЧ сигнал из верхней ветви фотонного фильтра и сдвинутый по фазе СВЧ сигнал из нижней ветви комбинируются и детектируются на фотодетекторе. Таким образом, происходит формирование полосового фотонного СВЧ фильтра с одним отрицательным коэффициентом. Детектирование на фотодиоде можно считать некогерентным, т.к. две оптические несущие на разных длинах волн генерируются с помощью двух независимых источников лазерного излучения. Чтобы избежать биения между двумя длинами волн, попадающими в полосу пропускания фильтра, несущие должны быть выбраны с больших частотным разносом. Как упоминалось ранее, увеличить количество коэффициентов возможно при использовании нескольких источниковизучения и замене оптических делителей WDM-мультиплексорами и демультиплексорами.
Этот метод имеет преимущество, заключающееся в том, что инверсия фазы (отрицательные коэффициенты) достигается в оптическом диапазоне, но имеет
ограничение по ширине полосы электрического модулирующего сигнала, имеющего эффективность усиления кросс-модуляции фильтра низких частот
[120].
Рисунок 1.25 – Структура СВЧ фотонного фильтра для формирования отрицательных коэффициентов, основанная на эффекте фазовой кросс-модуляции
в полупроводниковых усилителях
Похожий способ формирования отрицательных коэффициентов использующий интерферометр Фабри-Перо и массив ВБР описан далее [121].
Структура фильтра изображена на рисунке 1.26. Как и в предыдущей схеме, СВЧ модулированный сигнал разделяется по двум каналам. Сигнал из верхнего отвода, проходя через линию оптической задержки, поступает на фотодетектор. В нижнем канале, сигнал поступает на резонатор Фабри-Перо. Лазерный диод Фабри-Перо работает с несколькими продольными модами. Одна из продольных мод блокирована входным оптическим сигналом, в то время как остальные будут испытывать модуляцию поперечного усиления. Этот процесс похож на модуляцию кросс-усиления в SOA, сигнал, модулирующий свободную моду, является сдвинутым по фазе. В результате чего отрицательные коэффициенты формируются свободными модами. Временную задержку между соседними свободными модами вносит массив ВБР. Основным недостатком метода является режим конкуренции на выходе лазера, что может привести к нестабильности системы. Кроме того, разнесение между модами должно быть достаточно большим, чтобы избежать биений между двумя соседними модами, попадающих в полосу пропускания фильтра.
Рисунок 1.26 – Структура СВЧ фотонного фильтра для формирования отрицательных коэффициентов, основанная на интерферометре Фабри-Перо
Другие эффекты оптических устройств предлагающих реализовать отрицательные коэффициенты путем воздействия на несущую в DFB лазерах с прямой модуляций [122] или усиление кросс-модуляции спектра излучения в SOA описаны в [123].
Одним из способов формирования отрицательных весовых коэффициентов фотонного фильтра является метод, основанный на эффекте истощения несущей DFB лазера [122]. Структура системы фильтра показана на рисунке 1.27. Вместо использования многоволнового интерферометра Фабри-Перо применяется DFB лазер, работающий в одноволновом режиме. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Излучаемая волна DFB лазера блокирована входным оптическим излучением. Вследствие эффекта истощения несущей, СВЧ сигнал, модулирующий инжекционную несущую, переносится на излучающую длину волны с фазовым сдвигом, что приводит к формированию отрицательных коэффициентов. Стоит отметить, что излучающая волна DFB лазера не должна сильно отличаться по спектральной характеристики от инжектирующей волны, поступающей на фотодетектор через ВБР.
Рисунок 1.27 – Структура СВЧ фотонного фильтра для формирования отрицательных коэффициентов, основанная на эффекте обеднения несущей DFB
лазера
Еще один вариант получения отрицательных коэффициентов заключается в «разрезании» спектра широкополосного излучателя, используя равномерные
решетки Брэгга [124]. В этой схеме положительные коэффициенты получают, используя перестраиваемые лазеры в связке с EDFA усилителями, а
отрицательные коэффициенты получают путем создания нулей (режекторов) в спектре с помощью дифракционных решеток в режиме «на проход». Спектр
пропускания ВБР изменяется, что в свою очередь используется для формирования отрицательных коэффициентов. Положительные коэффициенты
формируются с использованием другого многоволнового источника, выходной сигнал которого комбинируется с отфильтрованным сигналом источника спонтанной эмиссии. Структура описанного двухотводного фотонного СВЧ фильтра изображена на рисунке 1.28.
Рисунок 1.28 – Структура СВЧ фотонного фильтра для формирования отрицательных коэффициентов, основанная на источнике спонтанного излучения
и линейной ВБР
Следует упомянуть методику, основанную на использовании положительной и отрицательной линейной части передаточной функции
электрооптических модуляторов Маха-Цендера [125], [126]. На рисунке 1.29, во вставке, изображена передаточная функция элетро-оптического модулятора. Для получения положительных и отрицательных коэффициентов используют два модулятора Маха-Цендера, каждый из которых работает в определенном режиме, который отмечен на рисунке 1.29 отдельными значениями напряжения. Рабочая точка выбирается на отрицательном и положительном участках передаточной функции модулятора. При подаче СВЧ сигнала на два электрооптических модулятора, огибающие оптического модулированного сигнала дополняют друг друга. На выходе фотодетектора формируются два взаимодополняющих СВЧ сигнала, которые в свою очередь создают отрицательные коэффициенты. Временная задержка между двумя соседними отводами формируется благодаря эффекту хроматической дисперсии в дисперсионном устройстве. Для реконфигурации данной структуры применяются массивы лазеров. Для формирования положительных или отрицательных весовых коэффициентов, соответствующие длины волн должны поступать раздельно на оба модулятора Маха-Цендера.
Рисунок 1.29 – Структура СВЧ фотонного фильтра для формирования отрицательных коэффициентов, основанная на передаточной характеристике
модулятора Маха-Цендера
Структуры СВЧ фильтров на основе свойств поляризации
Похожий метод продемонстрирован в работе [127] с использованием одного
модулятора Маха-Цендера. Учитывая зависимость передаточной функции
модулятора от длины поступающего излучения, точное постоянное напряжение
будет способствовать работе модулятора на взаимодополняющих участках
передаточной характеристики, когда оптическое излучение находится в 1550 нм и
1310 нм окнах прозрачности.
Структура СВЧ фотонного фильтра также может быть построена на основе
поляризационного модулятора [128], [129]. Поляризационный модулятор (ПМ) –
это устройство, которое пропускает обе поперечные моды – электрическую и
магнитную, но с противоположными показателями фазовой модуляции. На
рисунках 1.30 и 1.31 изображен принцип действия устройства ПМ и схема
фотонного фильтра на его основе. Излучение из источника поступает на ПМ через
поляризационный контроллер с направлением поляризации в 45 градусов по
отношению к главной оси одного из ПМ. Благодаря поляризационной модуляции
в ПМ, два синфазных радиосигнала, переносимых на двух оптических несущих с одинаковой длинной волны, но ортогональной поляризацией, достигают выхода ПМ. Далее применяется оптическое волокно с сохранением поляризации (PMF)
для формирования двух различных временных задержек.
На рисунке 1.31 изображена схема для получения большего количества интервалов задержек. Для этого используется несколько оптических источников излучения. Оптический поляризатор, угол поляризации которого составляет 45 градусов к направлению оси ПМ, подключается к выходу ПМ. Синфазный или противофазный СВЧ оптический сигнал получается на выходе оптического поляризатора путем настройки поляризации входного излучения на величину 45 или 135 градусов по направлению к одной из осей ПМ. Это, в свою очередь, приводит к формированию положительных или отрицательных коэффициентов фильтра.
Временные задержки между соседними отводами (несущими) формируются благодаря дисперсионной линии задержки, которая может быть представлена в виде оптического волокна, либо чирпирующей ВБР.
Рисунок 1.30 – Линия задержки СВЧ фотонного фильтра на основе поляризационного модулятора с использованием одной длины волны и
временными задержками создаваемыми одной или двумя участками PMF-волокна
Рисунок 1.31 – Линия задержки СВЧ фотонного фильтра на основе поляризационного модулятора с использованием N источников излучения и дисперсионной линии задержки
Настройка СВЧ фотонного фильтра с линией задержки, как правило,
происходит путем регулировки временной задержки. Тем не менее, изменение
временной задержки будет влиять на изменение частотных характеристик
фильтра, таких как спектральная периодичность. Это приведет к изменению
ширины полосы по уровню -3дБ, а также изменению частотного отклика фильтра
в целом. Для многих приложений предпочтительнее чтобы изменялась только
центральная частота пропускания или режекции, оставляя неизменным частотный
отклик фильтра. Решением этой проблемы является использование комплексных
весовых коэффициентов в СВЧ фотонных фильтрах с линиями задержки.
Передаточная функция N-отводного фотонного фильтра с комплексными
коэффициентами выглядит следующим образом:
(1.2)
где T – временная задержка между соседними отводами фильтра.
Для сохранения спектральной характеристики фильтра неизменной во
время его настройки необходимо, чтобы разности фаз между отводами фильтра
были согласованы, как видно из (1.2). Таким образом, фазовый сдвиг каждого
отвода должен настраиваться независимо друг от друга. В [130] описывается структура двухотводного СВЧ фотонного фильтра с одним комплексным
коэффициентом, которая построена с использованием трех оптических
аттенюаторов и двух СВЧ делителей. Передаточная функция этого фильтра
выглядит следующим образом:
(1.3)
где T – неизменная величина временной задержки.
Изменяя фазу φ передаточная функция фильтра будет сдвигаться в
продольном направлении, но форма спектральной характеристики будет
оставаться неизменной. Выражение (1.3) может быть переписано в следующем
виде:
(1.4)
где a = cos(φ),b = sin(φ).
Как видно из (1.4), передаточная функция содержит только один комплексный коэффициент -b/2j . Величина
вносит фазовую задержку,
которая не влияет на изменение спектра.
Рисунок 1.32 – Структура СВЧ фотонного фильтра для формирования комплексных коэффициентов, основанная на использовании оптических аттенюаторов и двух СВЧ делителей
Следует отметить, что представленная структура фотонного фильтра на
рисунке 1.32 является гибридной схемой, т.к. комплексные коэффициенты в ней формируются в электрической области после детектирования оптического
сигнала.
Полностью оптическая схема формирования комплексных коэффициентов
представлена далее на рисунке 1.33. Комплексные коэффициенты в схеме [131]
формируются за счет изменения фазы радиосигнала, что в структуре фотонного
фильтра реализуется посредством комбинирования однополосной модуляции
(ОБП) и вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРБ).
Рисунок 1.33 – Структура СВЧ фотонного фильтра для формирования комплексных коэффициентов, основанная на ОБП модуляции
Как показано на схеме, СВЧ сигнал, модулирующий оптическую несущую,
будет иметь сдвиг по фазе, если при прохождении через оптическое волокно
спектр оптической несущей или боковой полосы подавляется в спектре усиления
ВБР [132]. Недостатком данной схемы является дорогостоящая и технически
сложная возможность реконфигурации. Более простая схема продемонстрирована
на рисунке 1.34 [133]. Комплексные коэффициенты формируются за счет
регулирования напряжения широкополосного перестраиваемого оптического
фазовращателя СВЧ сигнала, построенного на двух электрооптических
модуляторах Маха-Цендера. Сдвиг фазы радиосигнала осуществляется за счет
изменения подаваемого напряжения на электрооптические модуляторы, который,
в свою очередь, остается неизменным на всем рабочем частот.
Рисунок 1.34 – Структура СВЧ фотонного фильтра для формирования комплексных коэффициентов, основанная на оптическом фазовращателе радиосигнала
Когерентный режим в СВЧ фотонных фильтрах может быть реализован при
помощи источника излучения использующего только одну длину волны. Ввиду
того, что в когерентных СВЧ фотонных фильтрах отсутствуют линии задержки,
оптическая интерференция не будет отрицательно сказываться на стабильности
работы фильтра.
Общая структура построения когерентного фильтра изображена на рисунке 1.34. Узкополосный сигнал лазера поступает на фазовый модулятор, на выходе
которого формируется несущая и две боковые составляющие.
Следует отметить,
что боковые составляющие не совпадают по фазе. Таким образом, при
непосредственном детектировании фазово-модулированного сигнала на
фотодетекторе невозможно получить исходный радиосигнал, за исключением
постоянной составляющей, т.к. биение между оптической несущей и нижней
боковой составляющей будет полностью компенсировать биение между
оптической несущей и верхней боковой составляющей. Тем не менее, если
удалить одну из боковых составляющих, используя режекторный фильтр на
проходе, или применить двойной полосовой фильтр в режиме отражения [134], например ВБР или каскад ВБР, тогда при детектировании ОБМ амплитудномодулированного сигнала на фотодетекторе сформируется требуемый
радиосигнал.
На рисунке 1.35 изображена схема когерентного фотонного СВЧ фильтра, в
котором оптический режекторный фильтр используются для удаления одной из
боковых составляющих фазово-модулированного сигнала, тем самым реализуя
переход из фазомодулированного сигнала в амплитудно-модулированный с одной
боковой полосой. Можно сделать вывод, что данная схема эквивалента СВЧ
фильтру, полоса пропускания которого определяется полосой пропускания
оптического режекторного фильтра (на основе ВБР). Центральная частота
определяется разностью частот между оптической несущей и центральной
частотой режекции. Таким образом, центральная частота полосового СВЧ
фильтра настраивается путем изменения центральной частоты режекторного
фильтра или длины волны источника излучения. Спектральная характеристика
фильтра в ходе настройки остается неизменной. Это дает существенное
преимущество по сравнению с некогерентными структурами фотонных фильтров,
в которых спектральная форма изменяется в ходе настройки фильтра, за
исключением схем с комплексными коэффициентами, которые рассматривались
ранее.
Рисунок 1.35 – Структура когерентного СВЧ фотонного фильтра, основанная на
использовании АМ-ОБП модуляции.
Возможна конфигурация рассмотренной схемы с применением двух ВБР,
работающих на отражение, одна из которых выделяет оптическую несущую, а другая пропускает одну из боковых составляющих. Недостатком такого метода
является широкая полоса пропускания, т.к. используется однородная ВБР. Полоса
пропускания СВЧ фотонного фильтра определяется полосой пропускания ВБР
для выбора боковой полосы. Использование оптического кольцевого резонатора
[135] может уменьшить ширину полосы, но избирательность такого фильтра
останется неприемлемой для многих приложений.
Данная статья про некогерентные структуры фотонных свч фильтров подтверждают значимость применения современных методик для изучения данных проблем. Надеюсь, что теперь ты понял что такое некогерентные структуры фотонных свч фильтров, когерентные структуры фотонных свч фильтров и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Устройства СВЧ и антенны
Комментарии
Оставить комментарий
Устройства СВЧ и антенны
Термины: Устройства СВЧ и антенны