Исследование перестраиваемого радиофотонного СВЧ-фильтра на основе ацетиленовой газовой ячейки

Введение. В последнее время большой научный и практический интерес вызывает разработка перестраиваемых радиофотонных СВЧ-фильтров. Такие радиофотонные СВЧ-фильтры являются хорошей альтернативой существующим радиочастотным решениям, так как характеризуются низкими потерями, обладают широким диапазоном рабочих частот и могут быть легко интегрированы в различные телекоммуникационные системы. Использование ацетиленовой газовой ячейки и лазера с перестраиваемой длиной волны излучения позволяет создать перестраиваемый в широком диапазоне частот радиофотонный СВЧ-фильтр.

Цель работы. Исследование характеристик перестраиваемого радиофотонного СВЧ-фильтра на основе ацетиленовой газовой ячейки, а также определение способов снижения потерь в полосе пропускания фильтра; численное моделирование характеристик радиофотонного СВЧ-фильтра.

Материалы и методы. Экспериментальное исследование проводилось на экспериментальном макете перестраиваемого радиофотонного СВЧ-фильтра. Фильтр состоял из лазера с перестраиваемой длиной волны излучения, фазового модулятора, ацетиленовой газовой ячейки, оптоволокна, соединяющего газовую ячейку с фотодетектором, и фотодетектора. Теоретическое исследование проводилось посредством математического моделирования амплитудно-частотных характеристик радиофотонного СВЧ-фильтра.

Результаты. Получены экспериментальные амплитудно-частотные характеристики перестраиваемого радиофотонного СВЧ-фильтра. Исследована перестройка полосы пропускания фильтра посредством изменения частоты излучения лазера. Приведены результаты теоретического расчета амплитудно-частотных характеристик фильтра. Предложен метод снижения потерь в полосе пропускания радиофотонного СВЧ-фильтра.

Заключение. Предложена конфигурация перестраиваемого радиофотонного СВЧ-фильтра с использованием ацетиленовой газовой ячейки. Потери в полосе пропускания фильтра составили около −30 дБ. Показано, что для снижения потерь в полосе пропускания фильтра можно использовать лазер с повышенной мощностью излучения и фотодетектор с высоким фототоком.

1. Seeds A. J., Williams K. J. Microwave photonics // J. of Lightwave Technology. 2006. Vol. 24, № 12. P. 4628–4641. doi: 10.1109/JLT.2006.885787

2. Capmany J., Novak D. Microwave photonics combines two worlds // Nature photonics. 2007. Vol. 1, № 6. P. 319–330. doi: 10.1038/nphoton.2007.89

3. Yao J. Microwave photonics // J. of Lightwave Technology. 2009. Vol. 27, № 3. P. 314–335. doi: 10.1109/JLT.2008.2009551

4. Yao J. Photonics to the rescue: A fresh look at microwave photonic filters // IEEE Microwave Magazine. 2015. Vol. 16, № 8. P. 46–60. doi: 10.1109/MMM.2015.2441594

5. 5. A fully photonics-based coherent radar system / P. Ghelfi, F. Laghezza, F. Scotti, G. Serafino, A. Capria, S. Pinna, D. Onori, C. Porzi, M. Scaffardi, A. Malacarne, V. Vercesi, E. Lazzeri, F. Berrizzi, A. Bogoni // Nature. 2014. Vol. 507, № 7492. P. 341– 345. doi: 10.1038/nature13078

6. All‐optical RF amplification toward Gpbs communications and millimeter‐waves applications / A. L. M. Muniz, D. F. Noque, R. M. Borges, A. Bogoni, M. Hirano, A. S. Jr. Cerqueira // Microwave and Optical Technology Let. 2017. Vol. 59, № 9. P. 2185–2189. doi: 10.1002/mop.30704

7. Thermal and dynamic range characterization of a photonics-based RF amplifier / D. F. Noque, R. M. Borges, A. L. M. Muniz, A. Bogoni, A. S. Jr. Cerqueira // Optics Communications. 2018. Vol. 414. P. 191–194. doi: 10.1016/j.optcom.2018.01.015

8. Yao X. S., Maleki L. Optoelectronic microwave oscillator // J. of the Optical Society of America B. 1996. Vol. 13, № 8. P. 1725–1735. doi: 10.1364/JOSAB.13.001725

9. A tunable spin wave photonic generator with improved phase noise characteristics / A. B. Ustinov, A. V. Kondrashov, A. A. Nikitin, V. V. Lebedev, A. N. Petrov, A. V. Shamrai, B. A. Kalinikos // J. of Physics: Conf. Ser. 2019. Vol. 1326, № 1. P. 012015. doi: 10.1088/1742-6596/1326/1/012015

10. Li W., Yao J. Dynamic range improvement of a microwave photonic link based on bi-directional use of a polarization modulator in a Sagnac loop // Optics Express. 2013. Vol. 21, № 13. P. 15692–15697. doi: 10.1364/OE.21.015692

11. Signal-to-noise performance of two analog photonic links using different noise reduction techniques / E. Ackerman, G. Betts, W. Burns, J. Campbell, C. Сох, N. Duan, J. Prince, M. Regan, M. H. Roussell // IEEE МТТ-S Int. Microwave Symp. Piscataway: IEEE, 2007. P. 51–54. doi: 10.1109/MWSYM.2007.380216

12. Исследование характеристик фотодетектора с высоким фототоком при передаче сверхвысокочастотного радиосигнала по оптоволокну / И. Ю. Таценко, Т. К. Легкова, А. В. Иванов, А. Б. Устинов // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2020. Т. 23, № 4. С. 48–56. doi: 10.32603/1993-8985-2020-23-4-48-56

13. Microwave photonic signal processing / J. Capmany, J. Mora, I. Gasulla, J. Sancho, J. Lloret, S. Sales // J. of Lightwave Technology. 2012. Vol. 31, № 4. P. 571–586. doi: 10.1109/JLT.2012.2222348

14. Marpaung D., Yao J., Capmany J. Integrated microwave photonics // Nature photonics. 2019. Vol. 13, № 2. P. 80–90. doi: 10.1038/s41566-018-0310-5

15. Yi X., Huang T. X. H., Minasian R. A. Tunable and reconfigurable photonic signal processor with programmable all-optical complex coefficients // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2010. Vol. 58, № 11. P. 3088–3093. doi: 10.1109/TMTT.2010.2076931

16. Widely tunable microwave photonic notch filter based on slow and fast light effects / W. Xue, S. Sales, J. Mork, J. Capmany // IEEE Photonics Technology Let. 2009. Vol. 21, № 3. P. 167–169. doi: 10.1109/ LPT.2008.2009468

17. Yan Y., Yao J. P. A tunable photonic microwave filter with a complex coefficient using an optical RF phase shifter // IEEE Photonics Technology Let. 2007. Vol. 19, № 19. P. 1472–1474. doi: 10.1109/LPT.2007.903753

18. Zeng F., Wang J., Yao J. P. All-optical microwave bandpass filter with negative coefficients based on a phase modulator and linearly chirped fiber Bragg gratings // Optics Let. 2005. Vol. 30, № 17. P. 2203–2205. doi: 10.1364/OL.30.002203

19. Wang J., Zeng F., Yao J. P. All-optical microwave bandpass filter with negative coefficients based on PM-IM conversion // IEEE Photonics Technology Let. 2005. Vol. 17, № 10. P. 2176–2178. doi: 10.1109/LPT.2005.852323

20. Novel technique for implementing incoherent microwave photonic filters with negative coefficients using phase modulation and single sideband selection / J. Mora, J. Capmany, A. Loayssa, D. Pastor // IEEE Photonics Technology Let. 2006. Vol. 18, № 18. P. 1943–1945. doi: 10.1109/LPT.2006.879950

21. Yao J. P., Wang Q. Photonic microwave bandpass filter with negative coefficients using a polarization modulator // IEEE Photonics Technology Let. 2007. Vol. 19, № 9. P. 644–646. doi: 10.1109/LPT.2007.894942

22. Li W., Li M., Yao J. A narrow-passband and frequency-tunable microwave photonic filter based on phase-modulation to intensity-modulation conversion using a phase-shifted fiber Bragg grating // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2012. Vol. 60, № 5. P. 1287–1296. doi: 10.1109/TMTT.2012.2187678

23. Microwave photonic filter with two independently tunable passbands using a phase modulator and an equivalent phase-shifted fiber Bragg grating / L. Gao, J. Zhang, X. Chen, J. Yao // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2014. Vol. 62, № 2. P. 380–387. doi: 10.1109/TMTT.2013.2294601

24. Han X., Yao J. Bandstop-to-bandpass microwave photonic filter using a phase-shifted fiber Bragg grating // J. of Lightwave Technology. 2015. Vol. 33, № 24. P. 5133–5139. doi: 10.1109/JLT.2015.2492818

25. Zhang W., Minasian R. A. Widely tunable single-passband microwave photonic filter based on stimulated Brillouin scattering // IEEE Photonics Technology Let. 2011. Vol. 23, № 23. P. 1775–1777. doi: 10.1109/LPT.2011.2169242

26. Low-power, chip-based stimulated Brillouin scattering microwave photonic filter with ultrahigh selectivity / D. Marpaung, B. Morrison, M. Pagani, R. Pant, D. Y. Choi, B. Luther-Davies, S. J. Madden, B. J. Eggleton // Optica. 2015. Vol. 2, № 2. P. 76–83. doi: 10.1364/OPTICA.2.000076

27. Photonic chip based tunable and reconfigurable narrowband microwave photonic filter using stimulated Brillouin scattering / A. Byrnes, R. Pant, E. Li., D. Y. Choi, C. G. Poulton, S. Fan, S. Madden, B. Luther-Davies, B. J. Eggleton // Optics Express. 2012. Vol. 20, № 17. P. 18836–18845. doi: 10.1364/OE.20.018836

28. Single bandpass photonic microwave filter based on a notch ring resonator / J. Palací, G. E. Villanueva, J. V. Galán, J. Marti, B. Vidal B. // IEEE Photonics Technology Let. 2010. Vol. 22, № 17. P. 1276–1278. doi: 10.1109/LPT.2010.2053527

29. Zeng F., Yao J. Frequency domain analysis of fiber Bragg grating based phase modulation to intensity modulation conversion // Photonic Applications in Nonlinear Optics, Nanophotonics, and Microwave Photonics. 2005. Vol. 5971. P. 594–601. doi: 10.1117/12.628628

30. Optical generation and distribution of continuously tunable millimeter-wave signals using an optical phase modulator / G. Qi, J. Yao, J. Seregelyi, S. Paquet, C. Bélisle // J. of Lightwave technology. 2005. Vol. 23, № 9. P. 2687.

31. Carrier-induced optical bistability in the silicon micro-ring resonators under continuous wave pumping / A. A. Nikitin, A. V. Kondrashov, V. V. Vitko, I. A. Ryabcev, G. A. Zaretskaya, N. A. Cheplagin, D. A. Konkin, A. A. Kokolov, L. I. Babak., A. B. Ustinov, B. A. Kalinikos // Optics Communications. 2021, Vol. 480. P. 126456. doi: 10.1016/j.optcom.2020.126456

32. Optical bistable SOI micro-ring resonators for memory applications / A. A. Nikitin, I. A. Ryabcev, A. A. Nikitin, A. V. Kondrashov, A. A. Semenov, D. A. Konkin, A. A. Kokolov, F. I. Sheyerman, L. I. Babak, A. B. Ustinov // Optics Communications. 2022.

33. Self-reference shot-noise-limited phase demodulator with 1530 nm acetylene absorption line / J. Diaz, S. Stepanov, N. Casillas, M. Ocegueda, E. Hernandez, V. Lebedev, P. Agruzov, A. Shamrai // Results in Optics.