CN100383584C - 光纤光栅毫米波转换器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅毫米波转换器及其制备方法，所述的光纤光栅毫米波转换器一种光纤光栅毫米波转换器，其特征在于它由一环形器和一光纤光栅构成，所述的环形器有第一端口、第二端口和第三端口，该第二端口连接所述的光纤光栅，所述的光纤光栅是一具有两个峰值波长的光纤光栅。本发明所述的光纤光栅的制备有多种方法，可先在一光纤上采用紫外光光刻的方法来制备在长度方向的折射率呈升余弦函数包络调制的莫尔条纹分布的光纤光栅，然后将该光纤光栅与环形器的一端口相连。本发明是一个无源的色散器件，制作工艺稳定、成熟，光纤光栅体积小、重量轻，与光纤兼容，连接方便，工作稳定可靠。

Description

光纤光栅毫米波转换器及其制备方法

技术领域

本发明涉及副载波光纤通信，特别是一种光纤光栅毫米波转换器及其制备方法。主要应用于微微蜂窝高速移动通信系统中毫米波波段调制。

背景技术

随着移动通信的迅速发展，对通信容量的需求越来越高。为提高信息容量，无线通信的电磁波的频率必须进一步提高。从目前的微波波段提高到毫米波波段，是下一代无线通信发展最有希望的目标，受到各国科技界的重视。在这一技术中，移动通信基站与中心局之间的信息传输仍然采用光纤；但是在光纤中传送的光波是一个毫米波调制的光波，信息被载在毫米波副载波上。在基站上，光波被接收后转化为毫米波，直接从自由空间发射出去，到用户的手机。因此毫米波发生器在这一技术中是一个关键元件；尤其是因为基站数量巨大，低成本、高可靠性的毫米波发生器是研究开发的热点。

对毫米波副载波发生器的研究工作，已经有不少报道。一种技术路线是采用一台单频激光器产生的第一单频光束及其经过移频产生的第二个单频光束在光纤中合波后由于拍频产生相当移频量的毫米波调制。在先技术之一，R.P.Braun等在[IEEE Photonics Technol.Lett.，Vol.10，No.5，1998，p728]提出光注入锁定(OIL)方法。在先技术之二，A.C.Bordonalli等[J.Lightwave Technol.，Vol.17，No.2，1999，p328]在OIL技术基础上改进，提出光注入锁相环(OIPLL)方法。它采用一个主激光器和一个副激光器；两者之间的光频差通过一个移频锁相环锁定。OIL和OIPLL方法具有副载波频率稳定等优点。但是构成都比较复杂，成本比较高。另一种技术路线是采用两个半导体激光器进行拍频。在先技术之三，T.Taniguchi and N.Sakurai在2004年Optical Fiber Communi-cation Conference，paper FE1中提出，采用两个独立的激光器实现两步拍频的方法，产生毫米波载波。它也具有低成本的优势。但是由于采用两台独立激光器，其频率稳定性的影响还有待检验。在先技术之四，[U Gliese et.al.，IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORYAND TECHNIQUES，VOL.46，NO.5，MAY 1998，p458]提出基于远端外差探测技术实现多功能光纤微波链路的方案。其基本思想是在中心局产生的两激光光波通过光纤传送后，在远端的基站转换为微波。这一方案在总体布局上提出了一种新的思路；但是仍然要求在中心局用两台激光器，互相稳频锁定，仍有较高的技术难度。

发明内容

本发明针对毫米波副载波光通信的技术要求，为了克服上述现有技术的不足，提出一种光纤光栅毫米波转换器及其制备方法，该光纤光栅毫米波转换器是一种无源器件，将激光器发出的信号光脉冲入射到一个特殊设计的光纤光栅上，由于该光纤光栅的色散作用，产生两个频率分量的光波并拍频，使一个典型的高斯型光脉冲，转换为一个光脉冲内部的幅度被毫米波调制的光脉冲。

本发明的技术解决方案如下：

一种光纤光栅毫米波转换器，其特征在于它由一环形器和一光纤光栅构成，所述的环形器有三个端口，其中一端口连接所述的光纤光栅，该光纤光栅是一具有两个峰值波长的光纤光栅。

所述的光纤光栅是在长度方向的折射率呈升余弦函数包络调制的莫尔条纹分布的光纤光栅。

本发明所述的光纤光栅的制备有多种方法，可以采用变迹莫尔条纹光栅的方法制备，即所述的光纤光栅是在一光纤上采用紫外光光刻的方法来制备在长度方向的折射率呈升余弦函数包络调制的莫尔条纹分布的光纤光栅，然后将该光纤光栅与环形器的一个端口相连。

本发明具有突出的优点：

1、本发明是一个无源的色散器件，不同于现有技术采用的双激光光源，或一个主激光器加上一个移频激光的有源器件方案。结构简单，工作稳定可靠。

2、光纤光栅制作工艺稳定、成熟，价格低廉，易于推广应用。

3、光纤光栅体积小、重量轻，与光纤兼容，连接方便。

附图说明

图1是本发明光纤光栅毫米波转换器的基本结构和基本原理示意图

图2是产生毫米波转换的光纤光栅的一个典型传输谱

图3是采用光纤光栅毫米波转换器的通信系统整体示意图

图4是设计的光纤光栅折射率调制幅度分布图

图5是通过所设计的光纤光栅反射后经环形器输出端输出的光脉冲波形

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

先请参阅图1，图1是本发明光纤光栅毫米波转换器的基本结构和基本原理示意图，由图可见，本发明光纤光栅毫米波转换器是由一环形器2和一光纤光栅3构成的，所述的环形器2有第一端口21、第二端口22和第三端口23，所述的第二端口22连接所述的光纤光栅3，所述的光纤光栅3是一具有两个峰值波长的光纤光栅。

所述的光纤光栅3是在长度方向的折射率呈升余弦函数包络调制的莫尔条纹分布的光纤光栅。

本发明的基本原理如图1所示。图中以t为标识的曲线为光脉冲的时域波形；以λ为标识的曲线为光脉冲的频域谱线型。信号光脉冲从光纤1输入，进入环形器2的第一端口21，从环形器第二端口22出射，进入光纤光栅3，经光纤光栅3反射后回到环形器2的第二端口22，然后从环形器2的第三端口23出射，从光纤4向下行方向输出。

本发明设计的光纤光栅3，其功能是使入射的单一峰值的光谱线型光波，转换为具有两个峰值的光谱线型光波；相应的两个峰值的光波发生拍频，从而使原来的单一峰值的光脉冲转换为一个脉冲内的光波幅度被相应拍频调制的光脉冲。本发明提出的光纤光栅3，可以采用变迹莫尔条纹光栅的方法制备，即光纤光栅的折射率调制为莫尔条纹经升余弦变迹，其传输谱线与逆工程设计所要求的光纤光栅的传输谱线基本一致(波形和峰间距)。

本发明提出的思想可以用富里叶变换的方法进行分析。假设入射光脉冲为一个典型的高斯波形脉冲，其1/e处的脉冲半宽度为τ。光场可以表示为：

E_in＝E₀ exp(-t²/τ²)exp(iω₀t)；    (1)

其频谱可由富里叶变换得到：

${\tilde{E}}_{\mathrm{in}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}{E}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\exp (-\mathrm{i\ωt})\mathrm{dt}=\frac{\mathrm{\τ}}{\sqrt{2}}{E}_0\exp \left[\frac{-{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)}^2{\mathrm{\τ}}^2}{4}\right]---\left(2\right)$

光纤光栅是一个具有一定反射光谱特性的色散元件。入射光脉冲经过光纤光栅反射后，其光谱将发生变化。根据上面叙述的物理思想，要求输出光波的光强受到一个毫米波频率的调制。可以写出所要求的输出光波的光场波形为：

E_out(t)＝E₁ exp[-t²/σ²]exp(iω₀t)cos(wt)；    (3)

式中w为毫米波对应的角频率；cos(wt)描述光脉冲幅度的余弦调制。其中的脉冲包络波形仍然为典型的高斯函数。由于经过所述的光纤光栅反射后，脉冲宽度会发生变化，其1/e脉冲半宽度记为σ。这一脉冲波形的光谱，也可以由富里叶变换得到：

${\tilde{E}}_{\mathrm{out}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{E_1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}\exp \left[\frac{{-t}^2}{{\mathrm{\σ}}^2}\right]\exp \left[i({\mathrm{\ω}}_0-\mathrm{\ω})t\right]\cos \left(\mathrm{wt}\right)\mathrm{dt}$

$=\frac{E_1\mathrm{\σ}}{\sqrt{2}}\exp \left(\frac{{-w}^2{\mathrm{\σ}}^2}{4}\right)\exp \left[\frac{-{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)}^2{\mathrm{\σ}}^2}{4}\right]\cosh \left[\frac{w(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0){\mathrm{\σ}}^2}{2}\right]---\left(4\right)$

根据光信号的传输理论，已知输入光信号的光谱和输出光信号的目标光谱，色散元器件的传输函数应满足下面的关系：

${\tilde{E}}_{\mathrm{out}}\left(\mathrm{\ω}\right)=H_{\mathrm{FBG}}\left(\mathrm{\ω}\right){\tilde{E}}_{\mathrm{in}}\left(\mathrm{\ω}\right)$

由此可知，要求光纤光栅的传输谱为：

$H_{\mathrm{FBG}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{E_1\mathrm{\σ}}{E_0\mathrm{\τ}}\exp \left(\frac{{-w}^2{\mathrm{\σ}}^2}{4}\right)\exp \left[\frac{-{\mathrm{\Ω}}^2({\mathrm{\σ}}^2-{\mathrm{\τ}}^2)}{4}\right]\cosh \left(\frac{\mathrm{w\Ω}{\mathrm{\σ}}^2}{2}\right)---\left(5\right)$

式中记Ω＝ω-ω₀。这一传输谱是由一个高斯函数和一个双曲正割函数相乘得到的。其典型曲线如图2所示。图中曲线的横坐标为频偏，即光频与中心频率之差Ω＝ω-ω₀。由图可见，这一传输函数可以看作两个不同峰值频率的滤波器传输特性之和。由式(5)可以计算得到，这两个峰值频率的位置。因此，经过具有该传输函数特性的光纤光栅反射后，出射的光脉冲，将成为幅度受到频率为2w的毫米波调制的光脉冲。

为了获得(5)式所描述的传输谱的光纤光栅，要对光纤光栅作逆工程设计，即从所要求的光纤光栅的传输谱出发，倒回去求出光纤光栅的折射率分布的结构。由于所要求的传输谱可以看作两个峰值频率的滤波器传输特性之和，因此所述的光纤光栅是由两个具有不同光栅周期的构成的光纤光栅。采用莫尔条纹技术可以设计出上述要求的具有两峰值波长的光纤光栅。本发明提出的方案是在莫尔光栅的基础上，采用升余弦变迹(切趾)的方法，进行逆工程设计，使所设计出的光纤光栅的传输谱线与所要求的光纤光栅的传输谱线一致(波形和峰间距)，从而获得所需传输谱的光纤光栅的折射率调制分布的结构设计。

因此本发明光纤光栅毫米波转换器的制备方法，先制备光纤光栅3，所述的光纤光栅3是在一光纤上采用紫外光光刻的方法来制备在长度方向的折射率呈升余弦函数包络调制的莫尔条纹分布的光纤光栅，然后将该光纤光栅3与环形器2的第二端口22相连。

本发明提出的技术将改变移动通信系统结构的总体方案。系统总体的框图如图3所示。图中虚线框5表示移动通信的中心局，虚线框7表示移动通信基站。它们之间由光纤链路6相互连接。一个中心局可能连接多个基站。需要传输的信息进入电端机51，并直接上载到激光器52发出的光脉冲上。该光脉冲信号经光纤6传输；到基站7后，经过脉冲压缩器71，脉冲被压缩后，光谱展宽，达到系统确定的毫米波或微波频率相应的要求。压缩的光脉冲1经过环行器2，被光纤光栅3反射，再从环形器向下行方向输出。此时一个单一波长的光脉冲已经转换为双峰值波长的光脉冲，并已经产生拍频效应。这一脉冲信号4注入到高速光电探测器72，得到拍频的毫米波或微波电信号，从基站7的发射天线73发射出去，被手机用户接收。

图3显示了从中心局经基站向手机用户传送信息的过程。反过来，手机信息向中心局传送的过程也是一样的。

根据本发明的思想，采用在莫尔光栅基础上进行变迹(切趾)技术的基本方案，采用传输矩阵法进行模拟计算，进行光纤光栅逆工程设计，可以得到响应函数符合公式(5)光谱要求的光纤光栅的折射率分布。图4为一个典型的设计结果的曲线。横坐标为光纤轴向的位置。该光纤光栅的设计长度为10.1mm。光栅的平均周期为537.05nm。纵坐标为光纤光栅的折射率调制幅度。即以光纤有效折射率为基线，折射率的幅度变化。其最大的幅度为4×10^-4。该光栅可以采用紫外激光光致折变技术和相位掩模版的方法进行制备。

一个脉宽为1ps的1550nm波段入射激光脉冲，通过按图4设计的折射率分布制备的光纤光栅反射后，脉冲波形将被调制，如图5所示。图中实线为输出波形，虚线为目标波形，调制频率30GHz，在毫米波波段，波长为10毫米。

Claims (3)

1.一种光纤光栅毫米波转换器，其特征在于它由一环形器(2)和一光纤光栅(3)构成，所述的环形器(2)有第一端口(21)、第二端口(22)和第三端口(23)，第二端口(22)连接所述的光纤光栅(3)，该光纤光栅(3)是一具有两个峰值波长的光纤光栅。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅毫米波转换器，其特征在于所述的光纤光栅(3)是在长度方向的折射率呈升余弦函数包络调制的莫尔条纹分布的光纤光栅。

3.一种光纤光栅毫米波转换器的制备方法，其特征在于先在一光纤上采用紫外光光刻的方法制备在长度方向的折射率呈升余弦函数包络调制的莫尔条纹分布的光纤光栅(3)，然后将该光纤光栅(3)与环形器(2)的第二端口(22)相连。

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