CC BY
39
Data PROCESSiNG FACiUTiES AND SYSTEMS
Зайнуллин А. Р. ZainuШn Л. Я.
аспирант кафедры «Телекоммуникационные системы», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
УДК 629.783
Багманов В. Х Bagmanov V. КН.
доктор технических наук, профессор кафедры «Телекоммуникационные системы», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
МЕТОД ПОДАВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СПЕКТРАЛЬНЫХ ПОЛОС ПРОПУСКАНИЯ НА ОСНОВЕ КОМБИНИРОВАННОГО ФОТОННОГО СВЧ-ФИЛЬТРА В ГИБРИДНЫХ СЕТЯХ СВЯЗИ
Важную задачу в телекоммуникационных системах выполняет фильтрация, а увеличение объемов и скоростей передачи данных повышает планку необходимого быстродействия систем. В связи с этим решение задачи фильтрации радиочастотных сигналов предлагается перенести в оптическую область, где проектируются фотонные СВЧ-фильтры. Целью реализации предложенного фотонного СВЧ-фильтра является повышение спектральной эффективности оптического канала связи в гибридных системах связи за счет повышения показателей добротности. Помимо повышения спектральной эффективности системы связи, актуальной является задача подавления повторяющихся спектральных составляющих фотонных СВЧ-фильтров вследствие периодичности структуры частотной характеристики фильтров, связанной с дискретной природой временной обработки сигналов. Это свойство препятствует реализации полосовой фильтрации с широкой спектральной полосой подавления, необходимой во многих важных задачах селекции сигналов, что, в свою очередь, ограничивает возможность использования широкополосных свойств фотоники. Поэтому разработка непериодической структуры полосового фотонного СВЧ-фильтра с низким уровнем шумов является актуальной и важной задачей.
В статье предложен и продемонстрирован метод подавления периодических спектральных полос пропускания фотонного некогерентного многоотводного КИХ-фильтра в гибридных системах связи, основанный на эффекте Верньера, заключающийся в добавлении когерентного оптического Лайот фильтра. Многоотводный КИХ-фильтр основан на использовании свойств фотоники для задержки, оценки и комбинирования набора повторений СВЧ-сигнала. Как правило, задержка вносится дисперсной средой распространения. Когерентный оптический Лайот в данной работе реализован при помощи устройств дифференциальной групповой задержки, что делает его более универсальным.
Экспериментальные результаты демонстрируют полосовой фильтр, полученный комбинированием трехотводного КИХ-фильтра с Лайот фильтром второго порядка. Данный метод позволяет увеличить рабочий диапазон фотонных микроволновых трансверсальных фильтров для полноценного использования широкополосной природы фотонных технологий.
Ключевые слова: микроволновая фотоника, фотонный микроволновый фильтр, Лайот фильтр, радиофотоника.
A METHOD OF ELIMINATION PERIODIC SPECTRAL PASSBANDS BASED ON COMBINED PHOTONIC MICROWAVE FILTER IN HYBRID NETWORKS
Filtering performs an important role in telecommunication systems, but rising amount of information and bitrates increase the required system performance level. Thereby, it is proposed to transfer RF signal filtering into optical domain where microwave photonic filters are designed. The main purpose of the proposed microwave photonic filter implementation is to enhance the optical channel spectral efficiency in hybrid communication systems. It is proposed to implement by Q-factors increasing. Multitap FIR filters are based on using photonics to delay, weight and combine a set of replicas of a microwave signal. Typically the delay is introduced by a dispersive medium to exploit the parallelism allowed by photonics. However, FIR filters are intrinsically periodic in frequency which is a severe drawback to fully exploit the wideband nature inherent to photonics. The approach followed here is based on combining the FIR filter with a coherent optical Lyot filter to achieve the cascade of their spectral responses.
A method to eliminate the periodic spectral passbands of photonic incoherent multitap FIR filters based on adding a coherent optical filter is proposed and demonstrated. Experimental results show a single passband filter obtained from the combination of a three-tap FIR filter with a two-stage Lyot filter. This approach increases the range of operation of photonic microwave transversal filters to fully exploit the broadband nature of photonic technology.
Key words: microwave photonics, photonic microwave filter, Layot filter, radiophotonics.
Введение
Значительный интерес технология фотонной СВЧ-фильтрации привлекла благодаря способности к широкополосной настройке и крупным достижениям в области интеграции в оптоволоконные системы [1, 2]. В литературе было рассмотрено множество различных структур построения фильтров. В целом известные структуры фотонных фильтров можно классифицировать по следующим основным методологиям построения: некогерентные многоотводные методы, основанные на реализации конечной импульсной характеристики (КИХ-фильтры) [3-6], и когерентные методы проектирования фотонных фильтров с использованием оптических фильтров с дальнейшим переносом их передаточной характеристики в СВЧ-диапазон [7, 8]. Многоотводные КИХ-фильтры легко перестраиваемы и реконфигурируемы [4], лишены частотной нестабильности, присущей когерентным структурам фильтров, нечувствительны к изменениям окружающей среды вследствие некогерентной структуры, что в совокупности привело к положительным результатам при их интеграции в оптические системы [6].
Тем не менее, передаточная характеристика КИХ-фильтров имеет периодическую
структуру, т.е. присутствует несколько гармонических полос пропускания вследствие природных особенностей дискретной обработки сигналов. Это является серьезным недостатком, т.к. не позволяет в полной мере использовать широкополосные свойства фотоники. Отношение периодичности фильтра к ширине полосы пропускания является существенным ограничением. Кроме того, периодическая структура фотонных СВЧ-фильтров препятствует реализации полосовой фильтрации с широкой спектральной полосой подавления, необходимой во многих важных задачах селекции сигналов. Отношение между спектральной периодичностью и шириной пропускания фильтра для данного числа отводов служит ограничивающим фактором применимости данного подхода фильтрации. Поэтому разработ фотонного СВЧ-фильтра с низким уровнем шумов является актуальной и важной задачей.
Ранее было предложено несколько структур многоотводных КИХ-фильтров для решения задачи подавления периодичности спектральной характеристики, включая неравномерное распределение оптических источников [9] и разрезание спектра широкополосного источника излучения [10]. В данной работе представлен метод комбинирования
Data PROCESSiNG FACILITIES AND SYSTEMS
некогерентного многоотводного КИХ-фильтра с когерентным Лайот фильтром для достижения стабильности и повышения добротности КИХ-фильтров без ограничений со стороны их периодической природы спектральной характеристики.
Принцип работы
Многоотводный КИХ-фильтр основан на использовании свойств фотоники для задержки, оценки и комбинирования набора повторений СВЧ-сигнала. Как правило, задержка вносится дисперсной средой распространения. Так как после процесса фотодетектирования уже невозможно произвести фильтрацию повторяющихся нежелательных спектральных составляющих СВЧ-сигнала, реализацию этой задачи необходимо выполнять в оптической области путем комбинирования КИХ-фильтров с различным спектральным периодом (FSR). Метод, использованный в данной работе, основан на комбинировании КИХ-фильтра с когерентным оптическим фильтром для получения каскадной результирующей спектральной характеристики. При точной настройке обоих спектральных откликов фильтров эффект будет аналогичен каскадному подключению набора нескольких фильтров, и, тем самым, нежелательные спектральные повторения будут ликвидированы, т.е. произойдет подавление гармоник.
Оптический Лайот фильтр [11-13] был выбран в качестве когерентного оптического фильтра из-за своей простоты, реконфигурируемости и надежности, объясняемой тем фактом, что все оптические сигналы будут проходить по общему физическому каналу. Лайот фильтр, как правило, состоит из набора двулучепреломляющих поляризующих пластин, толщина каждой следующей из которых в два раза меньше предыдущей. Поляризационная ось каждой из двулучепре-ломляющих пластин ориентирована под углом в 45° по отношению к оси поляризатора. Свет, распространяющийся в кристалле, можно представить в виде двух компонент, имеющих различные фазовые задержки. Относительная задержка фазы двух поляризационных компонент зависит от длины
волны. В данной экспериментальной установке двулучепреломляющие пластины были заменены устройством DGD (устройство групповой дифференциальной задержки), которое оказывает идентичный эффект на проходящее излучение, и является более универсальным. Это означает, что при необходимости реконфигурации Лайот фильтра для получения других значений ББЯ достаточно будет подключить в схему дополнительное устройство, или же изменить величину БОБ в случае с электронным устройством.
Подход, использованный в данной работе, основывался на применении эффекта Верньера, суть которого заключается в следующем: прореживание спектра достигается из-за различного спектрального расстояния между гармониками, и поэтому полученное значение ББЯ будет больше исходного значения [14].
Конечный частотный отклик разработанного фильтра имеет следующий вид:
\Н(/)\ = \Н1псоЫгеп, (/)| • \Нсокегеп) (/)| , (1)
ГДе Нincoherent^Л
— отклик КИХ-фильтра; НсСетепХЛ — отклик Лайот фильтра.
Целью работы является использование КИХ-фильтра для получения необходимой пропускной способности и формы огибающей и использование большей периодичности Лайот фильтра для подавления нежелательных гармоник.
Передаточная характеристика КИХ-фильтра выглядит следующим образом:
АЛ\-
к=1
(2)
где N — число отводов (в нашем случае число оптических несущих); Ат — временная задержка между несущими, которая определяется по следующей формуле:
Дт = £>£ДX, где Б — показатель хроматической дисперсии среды распространения; L — длина дисперсионной среды; АХ — расстояние между оптическими несущими.
Передаточная характеристика Лайот фильтра выглядит следующим образом:
COS
к DGD f
(3)
где DGD — это величина дифференциальной групповой задержки; n — порядок Лайот фильтра.
Значения FSR обоих фильтров должны строго удовлетворять следующему условию:
FSRcoherent = т ■ FSRincoherent > (4)
где m — целое число.
Показателем эффективности системы является отношение добротностей комбинированных фильтра с традиционным КИХ-фильтром. Добротность, или Q-фактор, фильтра связывает величину FSR с шириной пропускания главной гармоники по уровню -3 дБ:
FSR
Q =
BW
Соотношение добротностей комбинированного фильтра и КИХ-фильтра определятся следующим выражением:
0-са.чса(1е<1 _ щ (5)
Оких
Экспериментальные результаты
Экспериментальная установка, изображенная на рисунке 1, использовалась для подтверждения работоспособности предложенной схемы фильтрации.
КИХ-фильтр был реализован при помощи трех DFB-лазеров. Модулятор Маха-Цендера использовался для амплитудной модуляции оптического сигнала. Была использована однополосная модуляция (ОБП), чтобы избежать эффекта подавления несущей. В качестве дисперсионной среды распространения было выбрано одномодовое оптическое волокно SMF-28e длиной 15 км. Для компенсации оптических потерь использовался EDFA усилитель.
Спектральный отклик трехотводного КИХ-фильтра изображен на рисунке 2, где теоретический спектральный отклик был получен из выражения (2) и изображен в виде пунктирной линии. Согласно полученным результатам, значение FSR фильтра равно 2,7 ГГц.
DFB — лазер с распределённой обратной связью; PC — поляризационный контроллер; SSMF — стандартное одномодовое оптическое волокно; EDFA — волоконно-оптический усилитель на оптическом волокне, легированном ионами эрбия; DGD — устройство дифференциальной групповой задержки; P1, P2 — оптические поляризаторы; PBS — поляризационный делитель потока; PD — фотодетектор; VNA — векторный анализатор цепей
Рисунок 1. Экспериментальная установка трехотводного КИХ-фильтра, комбинированного
с Лайот фильтром второго порядка
Рисунок 2. Экспериментальные (сплошная линия) и теоретические (пунктирная линия) отклики трехотводного КИХ-фильтра. Величина FSR равна 2,7 ГГц
Data processing facilities and systems
Оптический Лайот фильтр второго порядка реализован на основе устройства перестраиваемой дифференциальной групповой задержки с временными задержками 180 и 90 пс. Оптические поляризаторы (Р1 и Р2) были использованы для формирования угла поляризации в 45° по отношению к главной оси распространения. На рисунке 3 изображен отклик Лайот фильтра второго порядка. Результаты симуляции также изображена на рисунке 3. В данном случае величина FSR соответствует величине 10,75 ГГц.
Спектральный отклик комбинированных когерентного и некогерентного фильтров изображен на рисунке 4, реализованных по схеме, изображенной на рисунке 1. Сравнивая полученный результат с откликом КИХ-фильтра, можно сделать вывод, что нежелательные спектральные повторения в рабочем
диапазоне фильтра были подавлены, а полоса пропускания основной гармоники сохранилась на прежнем уровне (около 700 МГц по уровню -3 дБ), величина FSR увеличилась до 10,75 ГГц.
В данном эксперименте величина добротности КИХ-фильтра составляет около 3,8, в то время как добротность комбинированного фотонного фильтра, спектральный отклик которого изображен на рисунке 4, составляет примерно 14,5, что согласно (6) почти в 4 раза превышает значение добротности изначального СВЧ фотонного КИХ-фильтра. Чтобы получить такое значение добротности, используя только КИХ-фильтр, необходимо увеличить количество источников излучения на 4, что приведет к последующему повышению экономических затрат, размеров, а также повышенным энергозатратам.
Рисунок 3. Экспериментальные (сплошная линия) и теоретические (пунктирная линия) отклики Лайот фильтра второго порядка. Величина FSR равна 10,75 ГГц
Частота, ГТц
Рисунок 4. Экспериментальные (сплошная линия) и теоретические (пунктирная линия) отклики однополосного фотонного СВЧ-фильтра, полученного путем комбинирования трехотводного КИХ-фильтра (рисунок 2) и Лайот фильтра второго порядка (рисунок 3)
Вывод
В работе предложен и экспериментально продемонстрирован метод подавления спектральных повторений СВЧ фотонного КИХ-фильтра, что позволило получить полосовой фотонный фильтр и использовать КИХ-фильтры в приложениях с более широкой рабочей полосой.
Список литературы / References
1. Yao J. Photonics to the rescue: A fresh look at microwave photonic filters // IEEE Microwave Magazine. 2015. Vol. 16. No. 8. P. 46-60.
2. Iezekiel S., Burla M., Klamkin J., Marpaung D., Capmany J. RF Engineering Meets Optoelectronics: Progress in Integrated Microwave Photonics // IEEE Microwave Magazine. 2015. Vol. 16. No. 8. P. 28-45.
3. Norton D., Johns S., Keefer C., Soref R. Tunable microwave filtering using high dispersion fiber time delays // IEEE Photon. Technol. Lett. 1994. Vol. 6. No. 7. P. 831-832.
4. Vidal B., Piqueras M.A., Marti J. Photonic microwave filter based on spectrum slicing with reconfiguration capability // IEE Electronics Letters. 2005. Vol. 41. No. 23. P. 1286-1287.
5. Vidal B., Corral J.L., Marti J. All-optical WDM multi-tap microwave filter with flat bandpass // Optics Express. 2006. Vol. 14. No. 2. P. 581-586.
6. Sancho J., Bourderionnet J., Lloret J., Combrie S., Gasulla I., Xavier S., Sales S., Colman P., Lehoucq G., Dolfi D., Capmany J., de Rossi A. Integrable microwave filter based on a photonic crystal delay line // Nature Communications. 2012. Vol. 3. P. 1-9.
7. Rasras M.S., Tu K.Y., Gill D.M., Chen YK., White A.E., Patel S.S., Pomerene A., Carothers D., Beattie J., Beals M., Michel J., Kimerling L.C. Demonstration of a tunable microwave-photonic notch filter using low-loss silicon ring resonators // Journal of Lightwave Technology. 2009. Vol. 27. No. 12. P. 2105-2110.
Сочетание метода получения полосового многоотводного КИХ-фильтра и повышения эффективности фильтров данного типа [5] с интеграцией целостной структуры когерентного и некогерентного фильтров [6] позволило получить продукт, способный конкурировать с классическими фильтрами, основанными на СВЧ-технологиях.
8. Palací J., Pérez-Millán P., Villanueva G.E., Cruz J.L., Andrés M.V., Martí J., Vidal B. Tunable photonic microwave filter with single bandpass based on a phase-shifted fiber bragg grating // IEEE Photon. Technol. Lett. 2010. Vol. 22. No. 19. P. 1467-1469.
9. Vidal B., Polo V., Corral J.L., Martí J. Harmonic suppressed photonic microwave filter // Journal of Lightwave Technol. 2003. Vol. 21. No. 12. P. 3150-3154.
10. Mora J., Ortega B., Diez A., Cruz J.L., Andres M.V., Capmany J., Pastor D. Photonic microwave tunable single-bandpass filter based on a Mach-Zehnder Interferometer // Journal of Lightwave Technol. 2006. Vol. 24. No. 7. P. 2500-2509.
11. Ge J., Fok M.P. Frequency band selectable microwave photonic multiband bandpass filter based on lyot filter // Proc. Lasers and Electro-Optics Conf. 2015. Vol. STh3F.2, P. 1-2.
12. Ge J., Feng H., Scott G., Fok MP. Highspeed tunable microwave photonic notch filter based on phase modulator incorporated Lyot filter // Optical Letters. 2015. Vol. 40. No. 1. P. 48-51.
13. Zhang A.L., Huang C., Wu X.J. A bandpass microwave photonic filter based on Lyot-Sagnac filter and cascaded optical structures // Optoelectronics Letters. 2014. Vol. 10. No. 1. P. 5-8.
14. Griffel G. Vernier effect in asymmetrical ring resonator arrays // IEEE Photonics Technology Lett. 2000. Vol. 12. P. 1642-1644.
