微波光子滤波器设计

论文总字数：32363字

摘 要

作为光子信号处理技术的重要内容，微波光子滤波器提供了一种攻克传统电域内“瓶颈”难题的新思路。将输入的电信号由调制器调制到光信号，使得信号的处理得以在光域进行，最后通过光电探测器接收调制后的信号。采用这种方法的优点是：损耗低、带宽高、抗电磁干扰、轻量化和支持高取样频率。而从实验技术上讲，目前需要重点研究的是提高Q值、实现负系数，此次毕设内容可以总结为以下几点：

（1）阅读导师布置的文献，另自行查阅相关文献，学习相关知识，总结所需理论。

（2）详细介绍此次研究的应用背景和相关理论知识，并介绍了目前关于提高Q值、实现负抽头的研究方法。

（3）提出了基于SOA的微波光子滤波器的实现方法，并从理论上论证了它提高Q值和实现负抽头的可行性。

（4）通过软件仿真，获得在71左右，抑制比为30dB的较高Q值微波光子滤波器，并实现了负抽头工作。

关键词：SOA，Q值，负系数，XGM效应，极零点位置，入环功率，工作电流

Investigation on Microwave Photonic Filters based on Semiconductor Optical Amplifier

Abstract

As an important content of the signal processing technology, microwave photonic filter provides a new method to overcome the problem of traditional electric field.

The input electrical signal is modulated to optical signal by the modulator, then the signal can be processed in optical domain, at last, the signal is received by the photoelectric detector. The advantages of this approach are: low dissipation, high bandwidth, high resistance to electromagnetic interference, lightweight and support high sampling frequency. From the perspective of practical technology, we should focus on the improvement of Q value and the negative coefficient. The contents of the graduation design can be summarized as the following:

(1) through reading papers which tutor suggested, referring to the relevant document, I have learnt the related knowledge and summarized the theory of need.

(2) This paper introduces the research background and the related theory knowledge, and how to improve the Q value and realize the negative tap.

(3) This paper puts forward the implementation method of MPF based on SOA, and theoretically demonstrate that it can improve the Q value and achieve negative tap.

(4) Through the software simulation, this paper get the MPF whose Q value is 71 and rejection ratio is 30 dB, and the MPF obtains the negative tap.

KEY WORDS: SOA,Q value, negative coefficient, XGM effect, pole-zero, input power, working current

目 录

第一章 绪 论 5

1.1 选题背景 5

1.2 课题调研 5

1.2.1 基本概念 6

1.2.2 主要制约 8

1.3 方案论证 9

1.4 本文工作 12

第二章 理论分析基础 15

2.1 滤波原理 15

2.2 高Q、负系数滤波器的实现 16

2.2.1 高Q滤波器的实现 16

2.2.2 负系数滤波器的实现 18

2.3 数学分析方法 21

2.3.1 时域分析 21

2.3.2 z域分析 23

2.4 SOA的基本理论 24

2.4.1 SOA的载流子速率方程 24

2.4.2 SOA的XGM效应 24

2.5 本章小结 25

第三章 理论分析模型及数值求解 26

3.1滤波器的极零点对Q值的影响 26

3.2 输入条件对Q值的影响 29

3.3 噪声条件下的模拟修正 33

3.4 负系数滤波器的分析 36

3.5 本章小结 37

第四章 实验仿真结果及分析 39

4.1 VPI仿真软件介绍 39

4.2 仿真器件 40

4.3 高Q负系数滤波器的仿真 41

4.4 本章小结 47

第五章 总结与展望 48

致谢 49

参考文献 50

1. 绪 论
   1. 选题背景

从20世纪70年代以来，微波及光学技术得到快速发展，人们开始进一步使用光学元件进行微波信号的处理。从而逐渐出现了一门全新的学科—微波光子学。而简单来说，微波光子学，即把光学技术应用于微波系统中, 通过光信号与微波频段的电信号的相互作用，使光学设备在微波毫米波频段进行工作，同时光纤传输具有高带宽，低损耗，抗电磁干扰的特点，以光纤作为传输媒介，从而实现传输、处理此种信号的学科。而目前的研究集中在毫米波频段和微波频段的光学器件，同时还有它们对微波信号的处理方式。

微波光子学涉及的方向极其广泛，充分延伸到和光纤传输、微波毫米波频带的等等方面。目前主要研究的方向为：1. 攻克光纤通信技术往微波频段发展一直存在的难题，并为下一代光通信系统和网络系统提供升级优化解决方案；2.充分发挥光电子器件在解决产生、控制微波信号的问题，将在概念、器件、和系统上结合微波与光子作为重点，其中较为典型的是，通过生成、调制和转换微波信号光，分派、传导光链路中的光信号。而作为微波光子学的理论内容之一，滤波器无疑有着举足轻重的作用。同时，类似于电滤波器，都是具有实现链路中滤波功能的硬件，但比传统的电学滤波器，微波光子滤波器还有调谐性高、重构性好、损耗率低、宽带较大、强抗电磁干扰等等优点，因此会在高频信号的处理上更显优势。^[1]

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