Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое свч фотонные фильтры, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое свч фотонные фильтры, некогерентные структуры фотонных свч фильтров, когерентные структуры фотонных свч фильтров , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства СВЧ и антенны.
Существуют определенные аспекты, которые необходимо учитывать во время проектирования фотонных фильтров.
Когерентность источников: в данном случае необходимо рассмотреть два существующих режима. Когерентный режим понимает под собой устойчивую
оптическую фазовую корреляцию излучения в отводах фильтра. Вследствие этого любые незначительные изменения в параметрах системы (длина оптической линии задержки, изменение показателя преломления из-за окружающего воздействия, поляризация и др.) могут значительно повлиять на отклик фильтра.
Некогерентный режим, в отличие от предыдущего, отличается тем, что оптические фазы между отводами фильтра полностью независимы друг от друга.
При реализации некогерентного режима, коэффициенты фильтра могут принимать положительные значения.
Положительные коэффициенты: некогерентные фотонные фильтры являются линейными по оптической интенсивности, таким образом, весовые
коэффициенты будут принимать только положительные значения. Этот факт влечет за собой два важных следствия, которые исходят из теории
положительных систем [11], [14]. Первое и наиболее важное ограничение заключается в том, что диапазон использования передаточной функции весьма
ограничен. Второе ограничение в том, что вне зависимости от величины спектральной периодичности, передаточная функция всегда имеет резонансную
частоту в основной полосе частот. Последнее не является серьезным недостатком, т.к. на оптическом выходе приемника может быть установлен фильтр постоянного напряжения.
Спектральная периодичность является неотъемлемой характеристикой фотонных СВЧ фильтров, что является серьезным недостатком, т.к. не позволяет
в полной мере использовать широкополосные свойства фотоники. Отношение периодичности фильтра к ширине полосы пропускания является существенным
ограничением.
Первый опыт в области оптической фильтрации электрических сигналов, полученный в конце 70-х годов, дал понять, что высокая пропускная способность
модуляции оптического волокна с низкими потерями могут быть использованы для реализации линии задержки широкополосного диапазона . Позднее были предложены структуры на основе многомодового волокна [10], [11] и первые работы на основе одномодового волокна , [13]. В этих ранних работах
рассматриваются различные конфигурации и потенциальные ограничения, которые присутствуют в оптической обработке. Тем не менее, эти
схемы были основаны на пассивных структурах и не имели возможности реконфигурации. Позже были разработаны различные оптические компоненты,
которые позволили разработать более гибкие структуры, которые имеют возможность регулирования мощности (возможность динамически изменять
положение полос пропускания или нули фильтра) и реконфигурации (способность динамически изменять значения амплитуды запаздывающих выборок, т.е.
изменять весовые коэффициенты фильтра).
Фотонные СВЧ фильтры можно разделить на две категории [98]: фильтры, работающие в когерентном режиме и фильтры, работающие в некогерентном
режиме. Для построения фотонных фильтров, работающих в некогеретном режиме, используются линии задержки с конечной импульсной характеристикой
(КИХ) и бесконечной импульсной характеристикой (БИХ). Во избежание оптической интерференции в качестве источников излучения используются
некогерентные источники или группы лазеров. Настройку и реконфигурацию таких фильтров осуществляют путем изменения временных линий задержек или
весовых коэффициентов фильтрации. В когерентных фильтрах, как правило, требуется единственная несущая и проблема оптической интерференции не
возникает по своей сути из-за отсутствия каких-либо линий задержек. Таким образом, основные фотонные микроволновые фильтры могут быть
сгруппированы в следующие категории.
Некогерентные фотонные СВЧ-фильтры обычно реализуется на основе КИХ (рисунок 1.12) или БИХ (рисунок 1.13) конфигурации линии задержки.
Формирование многоотводного фильтра возможно за счет создания временных линий задержек и наличия нескольких несущих. Линии временных задержек
между соседними отводами фильтра могут реализовываться с использованием как простого оптического волокна, физическая длина которого увеличивается с каждым следующим отводом фильтра, так и различных оптических волноводов, в которых время прохождения излучения изменяется в зависимости от длины волны за счет эффекта хроматической дисперсии.
Рисунок 1.12 – Структура СВЧ фотонного КИХ-фильтра на примере исполнения с блоком временной задержки оптического сигнала
Рисунок 1.13 – Структура СВЧ фотонного БИХ-фильтра на примере исполнения с блоком временной задержки оптического сигнала в виде оптического делителя
Таким образом, источником излучения в некогерентных схемах СВЧ фотонных фильтров может быть набор лазеров на разных длинах волн или это
может быть широкополосный источник излучение с прореживанием. Ключевымустройством в СВЧ фотонных фильтрах является модуль оптической линии
задержки, который может состоять из массива брэгговских решеток, упорядоченной волноводной призмы, чирпирующей решетки Брэгга или
диспергирующего волокна. Для N-отводной линии задержки СВЧ фотонного КИХ-фильтра, выходной СВЧ сигнал на фотодетекторе может быть представлен в
следующем виде:
(1.1)
где b0, b1, b2, bN-1 весовые коэффициенты фильтра, T – временная задержка между
соседними отводами фильтра. Применив Фурье преобразование к (1.1)получаем
Передаточная функция фотонного фильтра выглядит следующим образом:
Структуры некогерентных КИХ-фильтров, основанные на перечисленных методах формирования модуля оптической задержки, приведены ниже.
Настройка спектрального отклика фильтра осуществляется путем изменения величины временной задержки или путем изменения длины волны
между несущими. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Одним из недостатков использования ВБР является тот факт, что они не перестраиваемые. Поэтому решением проблемы может стать
использование перестраиваемого лазера. Использование чирпирующей брэгговской решетки также рассмотрено ниже. Скорость перестроения таких
лазеров может достигать микросекундного порога. Но, несмотря на быстродействие, некоторые приложения требуют более высокую скорость
настройки в наносекундном диапазоне. Этого можно достичь, используя гребенчатый источник излучения, быстродействие которого доходит до 40 нс [99].
Как упоминалось ранее, весовые коэффициенты фотонного СВЧ фильтра с оптическими линиями задержки, работающего в некогерентном режиме, будут
принимать только положительные значения [24],[100]. Опираясь на теорию обработки сигналов, СВЧ фотонный фильтр с вышеупомянутой конфигурацией
будет работать в качестве фильтра нижних частот. Для преодоления этих ограничений были разработаны оптические линии задержки с возможностью
реализации отрицательных и комплексных весовых коэффициентов, что в свою очередь позволило добиться произвольных форм фильтрации в некогерентном режиме.
Большинство из первых предложений фотонных СВЧ фильтров были основаны на пассивных структурах, состоящих из раздельных оптических
волокон [10],[12]. Поэтому это были нереконфигурируемые фильтры, эквивалентные обычным трансверсальным цифровым фильтрам.
Вскоре появились новые схемы подобные «решетчатым» фильтрам с прямой связью (нерецеркуляционные), а также «решетчатым» фильтрам с
обратной связью (рецеркуляционные) структур, которые также были заимствованы из цифровой обработки [101].
Трансверсальные фильтры схожи по структуре со своими аналогами в области цифровой обработки, где они использовались впервые. Передаточная
функция амплитуды СВЧ сигнала N-контурного трансверсального фотонного фильтра при оптимальном состоянии поляризации для оптических сигналов
представлена в следующем виде [102]:
где 
– чувствительность фотодиода, β – параметр дисперсии оптического волокна, f – частота электрического сигнала, P – импульсная характеристика
фильтра, Δτ – временная задержка.
Термин «решетчатый» относится к структуре взаимосвязи, образованной каскадом секций, совместимых с той же базовой топологии, как показано на
рисунке 1.14. Эти структуры имеют два входных порта и два выходных и имеют вид фильтров с прямой связью (рисунок 1.14 a) или фильтров с обратной связью (рисунок 1.14 б). Эти схемы используют существующие широко разработанные теории для проектирования и синтеза фильтров на основе таких
структур. Эти процессоры были способны выполнить несколько операций, как во временной области времени, так и в частотной. Они также позволяли
осуществлять интеграцию, когда линии задержки не превышали несколько сантиметров.
Рисунок 1.14 – Решетчатые структуры фильтров а) с прямой связью б) с обратной связью
Тем не менее, эти системы имеют два основных ограничения, так как они работают в некогерентном режиме, чтобы устранить зависимость от фазы
оптического сигнала от условий окружающей среды (механических колебаний, изменений температуры и т.д.). Во-первых, требуется оптические источники с
широким спектром излучения, поэтому лазеры с небольшой спектральной шириной излучения, которые, как правило, используются в оптических системах
связи, не могут быть применены. И во-вторых, вносит большую задержку значительный уровень фазового шума из-за интерференции оптических сигналов.
Этот фазовый шум, как правило, является основным источником шума, ограничивающим отношение сигнал\шум в системе [103]. Кроме того, первые
фильтры не имели возможности реконфигурации.
По этим причинам вскоре стали использовать физические свойства оптических фильтров для повышения производительности и способности
изменять частоты полосы пропускания (настраиваемые) или изменять форму частотной характеристики (перестраиваемые). Учитывая сходство между схемами оптических формирователей ДН и трансверсальных фильтров, некоторые из схем, показанных в пункте 1.3, были адаптированы для использования в качестве фотонных СВЧ фильтров.
Свойства хроматической дисперсии оптического волокна или любой другой диспергирующей среды могут быть использованы для реализации
перестраиваемых фильтров [104]. Дисперсия вносит задержку между оптическими несущими различных длин волн, так, что если эти несущие
модулированы электрическим сигналом и детектированы после прохождения через диспергирующую среду, получается трансверсальный фильтр. На рисунке
1.15 показана общая схема фильтров такого вида.
Рисунок 1.15 – Структурная схема фотонного фильтра на основе дисперсии
Альтернативная реализация основана на получении многоканального оптического сигнала с источника путем разрезания широкополосного сигнала
(нарезка спектра) [105]. В то же время, теряется возможность настройки отклика, но стоимость фильтра уменьшается.
Дисперсионная волоконная призма
Другая схожая структура системы представлена на рисунке 1.16, где заоснову взята концепция волоконной призмы [106].
Рисунок 1.16 – Структура СВЧ фотонного фильтра на основе волоконной призмы
Структуры на основе дифракционных решеток Оптические решетки (например, решетка Брэгга) очень универсальный компонент, который позволяет реализовывать различные типы СВЧ-фильтров. Первая группа фильтров, основанных на этих компонентах, использует
дискретные дифракционные решетки [107],[108].
На рисунке 1.17 можно увидеть схему одной из этих структур в случае режекторного фильтра. Решетки расположены таким образом, чтобы два
отраженных оптических сигнала возвращались с временной задержкой, таким образом, реализуя режекторный фильтр.
Рисунок 1.17 – Структура СВЧ фотонного фильтра на основе дискретных дифракционных решеток
Эти схемы имеют недостаток, так как временная задержка достигается путем изменения расстояния между решетками, т.е. существует минимальная
задержка (максимальное значение периода фильтрации), определяющаяся минимальной производственной разрешающей способностью дискретных
решеток. Таким образом, минимальная задержка, которая может быть достигнута, составляет около 10 пс. Кроме того, ошибки в изготовлении
дифракционных решеток приводят к ошибкам задержки.
Также были предложены схемы, аналогичные показанной на рисунке 1.18, основанные на дискретных дифракционных решетках которые реализуют БИХфильтры (фильтры с бесконечной импульсной характеристикой) путем замены разветвителя оптическим циркулятором [109]. Их структура представлена на рисунке 1.18.
Рисунок 1.18 – Структура СВЧ фотонного фильтра с использованием широкополосного источника излучения и нескольких оптических решеток Брэгга
Кроме того, встречаются структуры фотонных фильтров, где применяется источник излучения с множеством оптических несущих на базе чирпирующих
дифракционных решеток (рисунок 1.19). Дифракционные решетки чирпируются (диспергируются), т.е. вносят задержку, которая зависит от длины волны
падающего излучения. Использование чирпирующих решеток позволяет осуществлять непрерывную настройку (если оптический источник позволяет
изменять частотные параметры излучения), кроме того позволяя получить меньшую временную задержку чем при использовании ансамбля дискретных
решеток. В рамках таких структур можно использовать в качестве оптического источника набор перестраиваемых лазеров [102] или воспользовавшись свойством нелинейности внешнего модулятора (электрооптического модулятора МахаЦендера, MZM, или электропоглощающего модулятора, EAM) [110].
Рисунок 1.19 – Структура СВЧ фотонного фильтра на основе линейночирпирующей ВБР
В недавнем времени были представлены чирпирующие решетки с изменяемым показателем дисперсии и, тем самым, возможностью изменять
временную задержку в зависимости от каждой оптической несущей. Наиболее распространенный метод для достижения этого эффекта заключается в
термическом или механическом воздействии на решетку или использовании пьезоэлектрических преобразователей. На пример, в [111] для изменения
величины дисперсии дифракционной решетки с 300 до 900 пс / нм было использовано неоднородное магнитное поле на преобразователе, который зависит
от приложенного напряжения. С недавних пор предлагается иной подход для реализации полосовых фотонных СВЧ фильтров с отрицательными
коэффициентами, основанный на использовании оптических фазовых модуляторов [112]. В основе метода лежит преобразование фазовой модуляции в
модуляцию интенсивности излучения в дисперсионных элементах с дополнительной дисперсией, таких как линейно чирпирующая ВБР (ЛЧ ВБР) с
дополнительным чирпом, путем отражения фазово-модулированных оптических сигналов от ЛЧ ВБР с положительным или отрицательным чирпом. Таким
образом, СВЧ сигналы на фотодетекторе получаются со сдвигом или без сдвига по фазе. Преимуществом использования фазового модулятора является его
автономность, т.е. независимость от внешних источников напряжения, что означает отсутствие проблемы дрейфующего напряжения как в модуляторах Маха-Цендера. Основной принцип работы такого рода фильтров изображен на рисунке 1.20. Радиосигнал поступает на оптической фазовый модулятор через
входной СВЧ порт для фазовой модуляции оптических несущих, поступающих в модулятор через оптический порт. Т.к. фотодетектор работает в режиме
детектирования огибающей, то если фазово-модулированный сигнал напрямую поступает на фотодетектор, последний будет восстанавливать только постоянную составляющую. К такому заключению можно также прийти, основываясь на спектре фазово-модулированного сигнала. На рисунке 1.20 показан оптический фазово-модулированный сигнал с боковыми составляющими, находящимися в противофазе. При прохождении дисперсной среды, фазы боковых составляющих меняются, приводя, тем самым, к переходу фазовой модуляции в модуляцию интенсивности излучения. Кроме того, в зависимости от знака хроматической дисперсии, детектированный радиосигнал может быть со сдвигом π по фазе, что приведет к формированию отрицательных коэффициентов.
Рисунок 1.20 – Метод формирования отрицательных весовых коэффициентов СВЧ фотонного фильтра на основе преобразования фазовой
модуляции в модуляцию интенсивности излучения
Структура фильтра, работающего по описанной методике, изображена на рисунке 1.21.
Рисунок 1.21 – Структура СВЧ фотонного фильтра для формирования отрицательных коэффициентов, основанная на методе преобразования фазовой
модуляции посредством устройств с противоположным значением дисперсии
Наконец, было предложено использование дифракционных решеток совместно с дискретным оптическим усилителем для высокопроизводительных
БИХ-фильтров. На рисунке 1.22 демонстрируется схема предложенной структуры. При этом, когда сигнал проходит первую решетку часть сигнала
отражается. Остальная часть сигнала усиливается волокном, легированным эрбием и затем полностью отражается на второй решетке. При возврате сигнала к первой дифракционной решетке, часть сигнала выводится из линии задержки, а часть отражается дальше в активную среду. Регулируя коэффициент усиления активной среды таким образом, чтобы выходной сигнал поддерживал постоянную амплитуду и структура не переизлучала, возможно получить большое количество повторений входного сигнала с постоянной временной задержкой между ними.
Таким образом, эта структура позволяет достигнуть высокого значения Qфактора, представив значения в диапазоне от 801 до 1 ГГц [113].
Рисунок 1.22 – Структура СВЧ фотонного фильтра на основе пары активных дискретных дифракционных решеток
Структура на основе упорядоченных волноводных решеток (AWG) Устройства AWG также использовались для реализации СВЧ фотонных
фильтров [114] таким же образом, как в структурах для своего прямогоназначения [115]. На рисунке 1.23 продемонстрирована предложенная структура.
Она предоставляет возможность синтезирования требуемого сигнала грубым методом с помощью линий задержек, полученных при помощи AWG и более
тонкой настройки при помощи структуры, изображенной в нижней части схемы. Это позволяет осуществлять непрерывную настройку выходного сигнала.
Рисунок 1.23 – Структура СВЧ фотонного фильтра на основе упорядоченной волноводной решетки
Данная статья про свч фотонные фильтры подтверждают значимость применения современных методик для изучения данных проблем. Надеюсь, что теперь ты понял что такое свч фотонные фильтры, 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