РАДИОФОТОННЫЙ ФИЛЬТР

Предлагаемая полезная модель относится к оптике и радиофотонике и может быть использована для создания СВЧ-приборов и устройств, применяемых в телекоммуникационных, навигационных, радиолокационных системах, системах связи и устройствах широкополосной передачи информации.
Из существующего уровня техники известен радиофотонный фильтр (Патент на полезную модель №186801 RU, Дроздовский А.В., Витько В.В., Никитин А.А., Устинов А.Б., Зарецкая Г.А., Калиникос Б.А., Радиофотонный СВЧ фильтр, приоритет полезной модели: 24.09.2018), состоящий из последовательно включенных по кольцевой схеме спин-волновой линии задержки, находящуюся в магнитной системе, выход которой соединен со входом СВЧ-усилителя, выход которого через два встречно включенных СВЧ направленных ответвителя, соединен с оптическим модулятором, модулирующим излучение перестраиваемого лазера, к выходу модулятора подключена дисперсионная оптическая линия задержки, соединенная с фотодетектором, который соединен со входом спин-волновой линии задержки. Недостатком такого фильтра являются его высокие массо-габаритные характеристики. Данный недостаток обусловлен тем, что в конструкции радиофотонного фильтра используется спин-волновая линия задержки, а в качестве дисперсионной оптической линий задержки - оптическое волокно.
Из существующего уровня техники известен радиофотонный фильтр (Liu L., Не М., Dong J., Compact continuously tunable microwave photonic filters based on cascaded silicon microring resonators // Optics Communications, Vol.363, pp.128-133, 2016), состоящий из последовательно включенных оптического лазера, фазового модулятора, к которому подводится модулирующий СВЧ-сигнал, интегральной фильтрующей микроволноводной структуры на основе двух интегральных оптических микроволноводов, нагруженных тремя, расположенными между ними, последовательно включенными интегральными микроволноводными кольцевыми резонаторами, и фотодетектора. Резонаторы изготовлены таким образом, чтобы в оптическом диапазоне частот наблюдалось две полосы пропускания. Ширина полосы заграждения между полосами пропускания определяет частоту фильтрации СВЧ-сигнала. Фазовый модулятор настроен таким образом, чтобы индекс модуляции был много меньше единицы. Несущая частота лазера настроена на одну из полос пропускная интегральной фильтрующей микроволноводной структуры. При совпадении одной из боковых гармоник модулирующего сигнала со второй полосой пропускания на фотодетекторе наблюдается СВЧ-сигнал. Недостатком такого фильтра является низкий уровень выходного СВЧ-сигнала. Данный недостаток вытекает из выбранного способа модуляции, имеющей низкий индекс модуляции, который необходим для обеспечения корректной работы фильтра.
Из существующих публикаций известен радиофотонный фильтр (Song S., Chew S. X., Yi X., Nguyen L., Minasian R.A., Tunable single-passband microwave photonic filter based on integrated optical double notch filter // Journal of Lightwave Technology, Vol.36, No. 19, pp.4557-4564, 2018), состоящий из последовательно включенных оптического лазера, фазового модулятора, к которому подводится модулирующий СВЧ-сигнал, интегрального оптического микроволновода, нагруженного двумя последовательно включенными интегральными микроволноводными кольцевыми резонаторами с расположенными близко друг к другу резонансными частотами, отвечающим разным значениями добротности, и фотодетектора. Фазовый модулятор настроен таким образом, чтобы индекс модуляции был много меньше единицы. Несущая оптического сигнала настраивается на длину волны, располагаемую между соседними собственными колебаниями кольцевых резонаторов. При этом полоса пропускания СВЧ-сигнала такого радиофотонного фильтра определяется разностью полос заграждения, образованных нагруженными кольцевыми резонаторами. Существенным недостатком такого фильтра является низкий уровень выходного СВЧ-сигнала. Данный недостаток вытекает из выбранного способа модуляции (фазовая модуляция гармоническим сигналом), имеющей низкий индекс модуляции, который необходим для обеспечения корректной работы фильтра. Вторым недостатком такого фильтра является сложность контроля ширины полосы пропускания СВЧ-сигнала и недостижимость узкополосной фильтрации (продемонстрирована полоса пропускания порядка 3 ГГц). Данный недостаток вытекает из сложности технологического контроля разности добротностей резонаторов при их изготовлении.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому фильтру является радиофотонный фильтр, описанный в  Villanueva G. Е.,  J. V.,  Vidal В., Single bandpass photonic microwave filter based on a notch ring resonator // IEEE Photonics Technology Letters, Vol.22, No. 17, pp.1276-1278, 2010). Данный радиофотонный фильтр включает в себя последовательно соединенные монохроматический оптический лазер, фазовый модулятор, к которому подводится модулирующий СВЧ-сигнал, интегральный оптический микроволновод, нагруженный на кольцевой микроволноводный резонатор, являющийся полосно-заграждающим фильтром, и фотодетектор. Фазовый модулятор настроен таким образом, чтобы индекс модуляции был много меньше единицы. Несущая частота лазера отстроена от полосы заграждения кольцевого резонатора на требуемую частоту фильтрации СВЧ-сигнала. При совпадении одной из боковых гармоник модулирующего сигнала с полосой заграждения кольцевого резонатора на фотодетекторе наблюдается СВЧ-сигнал. Достоинством вышеописанного фильтра является его компактность.
Данная известная конструкция прототипа имеет существенный недостаток, заключающийся в низком уровне выходного СВЧ-сигнала (менее -42 дБ). Данный недостаток вытекает из выбранного способа модуляции, имеющей низкий индекс модуляции, который необходим для обеспечения корректной работы фильтра (отсутствия дополнительных гармоник в спектре модулированного сигнала).
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является создание полосно-пропускающего радиофотонного интегрального фильтра с узкой полосой пропускания и высоким уровнем выходного СВЧ-сигнала.
Для решения поставленной задачи предлагается конструкция радиофотонного интегрального фильтра, состоящая из последовательно соединенных монохроматического оптического лазера, модулятора, к которому подводится модулирующий СВЧ-сигнал, интегральной фильтрующей оптической структуры на основе микроволноводов прямоугольного поперечного сечения, и фотодетектора, отличающаяся тем, что интегральная фильтрующая оптическая структура состоит из Брэгговской решетки, выполненной из четного числа секций пространственно-периодических структур, образованных периодическим изменением ширины интегрального микроволновода прямоугольного поперечного сечения, разделенных между собой линиями задержки, и следующим за ней кольцевым резонатором, изготовленным таким образом, чтобы в полосе фильтрации Брэгговской решетки укладывалось три резонансных пика с длиной волны центрального резонанса равной центральной длине волны полосы пропускания Брэгговской решетки, и фотодетектора, а в качестве модулятора использован амплитудный модулятор.
Технический результат заключается в создании полосно-пропускающего радиофотонного фильтра с узкой полосой пропускания и высоким уровнем выходного СВЧ-сигнала. Данный результат достигается за счет того, что в конструкцию радиофотонного фильтра введены амплитудный модулятор и интегральная фильтрующая оптическая структура, состоящая из Брэгговской решетки на основе микроволноводов прямоугольного поперечного сечения и следующего за ней кольцевого резонатора. Интегральная фильтрующая оптическая структура обеспечивает узкую полосу пропускания СВЧ-сигнала, определяемую добротностью резонатора, и подавление полос пропускания на более высоких частотах с помощью Брэгговской решетки. Амплитудный модулятор обеспечивает высокое значение модуляции оптического сигнала без появления дополнительных гармоник в спектральной характеристике. Таким образом, реализуется высокий уровень СВЧ-сигнала на выходе из фотодетектора.
Полезная модель иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 приведена блок-схема полезной модели радиофотонного фильтра. На фиг. 2 показано схематическое изображение топологии шестисекционного радиофотонного интегрального фильтра. На фиг. 3 приведена характеристика передачи Брэгговской решетки с полосой пропускания 20 ГГц. На фиг. 4 приведена характеристика передачи оптического кольцевого резонатора с областью свободной дисперсии 10 ГГц и значениями коэффициентов связи с подводящим и отводящим микроволноводами 0,8947 и 0,9487, соответственно. На фиг. 5 приведена результирующая характеристика передачи интегральной фильтрующей оптической структуры на основе интегральных оптических микроволноводов. На фиг. 6 приведена относительная характеристика передачи радиофотонного фильтра.
Радиофотонный фильтр (см. фиг. 1) содержит монохроматический лазер 1, амплитудный модулятор 2, модулирующий оптическое излучение, интегральную фильтрующую оптическую структуру 3, фото детектор 4.
Принцип действия интегрального радио фотонного фильтра основан на последовательности процессов. Оптическое излучение монохроматического лазера 1, модулированное СВЧ-сигналом при помощи амплитудного модулятора 2, поступает на вход фильтрующей оптической структуры 3. Брэгговская решетка в конструкции фильтра является полосно-пропускающим оптическим фильтром, который имеет характеристику передачи близкую к прямоугольной. Далее оптический сигнал, прошедший через микроволновод, переизлучается в кольцевой резонатор, который изготовлен таким образом, чтобы в полосе пропускания Брэгговской решетки укладывалось три резонансных пика. Длина волны центрального резонанса выбирается равной центральной длине волны полосы пропускания Брэгговской решетки. Излучение перестраиваемого лазера, модулируемого СВЧ-сигналом, настраивается на центральную длину волны полосы пропускания Брэгговской решетки. При совпадении частоты модуляции с областью свободной дисперсии резонатора на фотодетекторе 4 наблюдается СВЧ сигнал.
1
2
1
q
i
1
Брэгговские решетки в составе интегральной фильтрующей оптической структуры выполнены из четного числа секций пространственно-периодических структур, образованных периодическим изменением ширины интегрального микроволновода прямоугольного поперечного сечения, разделенных между собой линиями задержки. В результате такой конструкции в полосе заграждения обусловленной брэгговскими резонансами образуется полоса пропускания близкая к прямоугольной. При этом период изменения ширины интегрального микроволновода должен быть кратен половине длинны волны оптического излучения в структуре, а длины, образованные периодическим изменением ширины интегрального микроволновода, должны быть кратны четвертьволновой нагрузке и подчиняться выражениям  длина линий задержки между Брэгговскими решетками соответствует  где n и m - произвольные целые числа, определяемые требуемыми характеристиками фильтрации (шириной полосы пропускания и заграждения, подавления в полосе заграждения и другими), λ и λ - длина волны в первом и втором участке периодической структуры на центральной частоте полосы пропускания фильтра. Важным условием обеспечения формы полосы фильтрации близкой к прямоугольной является условие L=L,  где L - протяженность участка пространственно-периодической структуры, k - число периодов в структуре L, q - количество пространственно-периодических структур в составе Брэгговской решетки.
1
2
В качестве примера конкретной реализации предлагается следующая конструкция. Оптические микроволноводы выполнены из кремния толщиной 250 нм, который осажден на оксид кремния, выращенный на подожке из кремния. В качестве покровного слоя микроволноводов также используется оксид кремния. Как верхний, так и нижний оксид кремния имеют толщину 3,5 мкм. Брэгговская решетка выполнена из шести секций пространственно-периодических структур. Ширины волноводов в пространственно-периодической структуре равны w=450 нм и w=500 нм, а их длины  k=48. Радиус кольцевого кольцевого резонатора (R) равен 1,950063 мм, а ширина микроволновода 450 нм. На фиг. 2 показано схематическое изображение топологии шестисекционного радиофотонного интегрального фильтра. На фиг. 3 показана характеристика передачи Брэгговской решетки, входящей в конструкцию фильтра. На фиг. 4 показана характеристика передачи кольцевого резонатора с областью свободной дисперсии 10 ГГц, входящего в конструкцию фильтра. На фиг. 5 показана характеристика передачи интегральной оптической структуры с центральной длиной волны равной 1,55 мкм. На фиг. 6 приведена относительная характеристика передачи радиофотонного фильтра на частоту фильтрации 10 ГГц и полосой фильтрации 0,3 ГГц.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером, который, хотя и не является единственно возможным, наглядно демонстрирует возможность достижения приведенной совокупностью признаков требуемого технического результата.
В конструктивных вариантах с целью расширения функциональных возможностей заявленная полезная модель может быть выполнена в виде отдельного устройства, в виде интегральных оптических модулей в волоконно-оптических телекоммуникационных системах и системах связи, а также в оптических компьютерных системах. Также следует отметить, что путем подбора геометрии интегральной конструкции возможна реализация фильтрации СВЧ-сигнала частотой от единиц гигагерц до десятков терагерц.