布里渊微波光电子滤波器介绍

逍遥设计自动化 · 发表于 2025-4-18 08:00:00

引言
射频滤波器在现代通信系统中具有基础作用，能够在保留所需信号的同时消除不需要的信号。传统的射频滤波方法，如声表面波(SAW)和体声波滤波器，在频率范围和可调谐性方面存在明显局限。微波光电子(MWP)滤波器提供了一个新的解决方案，利用光电子器件的优势实现了更好的重构性、宽频率可调性，以及对电磁干扰的抗扰性[1]。

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图1：所提出的片上宽带带通滤波器工作原理示意图。该图展示了探测激光信号如何通过SBS芯片与泵浦信号相互作用来产生滤波响应。

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工作原理与实现方案
该系统利用受激布里渊散射(SBS)，这是一种由于材料中声子寿命而具有约10 MHz极窄共振线宽的光学效应。这种独特的特性使得系统在工作频率范围方面具有显著的灵活性，不受其他滤波方法中自由频谱范围的限制。SBS过程依赖于波导中光波和声波之间的相互作用，产生可通过泵浦激光器配置精确控制的窄带增益和损耗共振。

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图2：完整系统实现的实验装置图，包括偏振控制器、光耦合器和关键的光纤-芯片耦合台。照片显示了安装在耦合台上的实际芯片。

实验实现采用了一种复杂的混合集成As2S3-Ge:SiO2波导芯片，长度为11.7厘米，具有15圈赛道形螺旋构型。这种创新设计实现了每个波导端面仅0.85 dB的低耦合损耗和0.5 dB/cm的传输损耗，使得系统总损耗仅为10 dB。通过在锗硅酸盐玻璃上垂直锥形As2S3实现了如此低的损耗，代表了光电子集成技术的重要进展。

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性能特征和技术细节
该滤波器的性能以多参数卓越可调性为特征。带宽可在保持高选择性的同时从30 MHz动态调节到1.2 GHz。通过精确控制斯托克斯和反斯托克斯泵浦频率之间的间隔，在仅需15 dBm总泵浦功率的条件下实现了这种宽调谐范围。

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图3：在15 dBm耦合泵浦功率下实验与仿真带通滤波器响应的对比，显示理论和实践之间的优秀一致性。

系统展示了出色的频率灵活性，可在10 GHz到40 GHz范围内有效工作，覆盖X到Ka波段。通过精心优化泵浦激光频率和相关的SBS相互作用实现了这种宽频率覆盖。通带到阻带比持续超过20 dB，确保了优秀的信号区分能力。

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图4：在15 dBm耦合泵浦功率下带通滤波器响应的带宽调谐能力实验结果。为清晰起见，幅度和相位响应的曲线进行了偏移。

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图5：展示滤波器在15 dBm泵浦功率下从10 GHz到40 GHz的宽频率范围调谐能力，包括幅度和相位响应。

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高级功能与技术实现
最显著的技术成就之一是滤波器能够在保持高性能指标的同时动态切换带通和带阻响应。这种功能通过精确控制SBS增益和损耗过程，结合光域中的复杂相位管理来实现。

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图6：带通和带阻配置之间可切换滤波响应的演示，显示幅度和相位特性。

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图7：产生多带通响应的实验装置，显示实现多个同时滤波带所需的改进配置。

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图8：在13 dBm泵浦功率下测得的多带通响应，展示同时处理多个频带的能力。

该技术实现在性能指标（最大带宽/泵浦功率）方面比先前实现提高了25倍。这种改进在显著降低功率需求的同时保持了高性能，使其适用于下一代通信系统和先进射频信号处理应用的实际部署。

这种滤波系统在现代通信系统、雷达系统、卫星通信和航空航天应用等多个领域都有应用价值，其宽可调性、低功耗和高选择性的组合相比传统电子滤波方法具有显著优势。

参考文献
[1] R. Parihar, C. K. Lai, Z. Zhang, D.-Y. Choi, S. J. Madden, B. J. Eggleton, A. Choudhary, and M. Merklein, "On-chip power efficient MHz to GHz tunable Brillouin microwave photonic filters," APL Photonics, vol. 10, art. no. 010803 (2025); doi: 10.1063/5.0236905
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