CN101183770A - 全光纤可调谐微波、毫米波发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤可调谐微波、毫米波发生装置，其构成部件之间的连接：在第一根光纤(71)的一侧，制作相位精调器(60)；通过环行器的三个端口(21、22、23)与激光源(10)、可调谐光纤光栅(30)、第一个Y分器的一字端(413)连接。第一根光纤(71)一端经延迟线(50)、第一个Y分器的一个分支端(411)和第二根光纤(72)的一端经第一个Y分器的另一分支端(412)与一字端(413)连接。第一、二根光纤的另一端分别经第二个Y分器的一个分支端(421)和另一分支端(422)经第二个Y分器的一字端(423)与高速光电探测器(80)连接，获得几个GHz到几百GHz可调谐微波、毫米波信号。

Description

全光纤可调谐微波、毫米波发生装置

技术领域

本发明涉及一种微波、毫米波发生装置，适用于光纤微波通信RoF：Radioon/over Fiber)、微波光子、光纤传感、光纤激光器、光纤通信以及雷达等领域。

背景技术

对人类来说，21世纪留给我们的最大资产是电波和光融合的电磁波波段。换言之，现代通信的关键是“光和无线”。微波光子技术将微波学和光学融合在一起，成为一个全新的技术领域，通常称为Microwave Photonics简称MWP)。光子技术和微波、毫米波的集成在远程通信的发展上打开了一个神奇的、充满希望的领域。光技术和电波技术相融合，利用光纤具有的低损耗、大容量、无感应、重量轻、易于搬运等特点，在传统的微波技术中引入光技术，可组成信息社会的基础网络，充分利用光纤的宽带宽、无线的自由，达到个别技术不断发展也无法实现的通信系统高功能化和高度化，提供最后一公里的最佳解决途径。这种在无线/移动通信的接入系统中、在军用的天线远程控制以及智能交通系统中把光纤通信和微波通信结合的系统就是光纤微波通信RoF：Radio on/overFiber)。RoF技术在无线/移动通信系统中应用，可将基站端的基带处理、调制、混频功能后移到基站控制器端集中处理，而基站端只保留光电转换、滤波和放大功能，这样可大大降低基站的成本，在未来的密集微蜂窝通信系统中，由于基站数量众多，采用RoF技术可大大降低系统的成本。微波光纤通信系统，光域上的微波光子信号处理，比起传统基于电子设备的微波信号处理，微波光子信号处理具有时间带宽积高、抗电磁干扰、线路和设备间的串扰小、调谐方便的优点，微波光子信号处理技术是在光域上对微波信号处理，它能与RoF传输系统天然匹配，中间无需光电和电光转换设备。电处理器的带宽限制了高带宽的光电信号的处理，以光子取代电子，在较高的速率处理信号，这样就可以避免电子瓶颈。微波光子集中了射频波和光纤的优点，在射频波和光纤之间透明转换。微波提供了低成本可移动无线连接方式，而光纤提供了低损耗宽带连接，该连接方式不受电的影响。在光纤中实现射频波的带通传输，无衰减，无信道间的相互干扰。

微波在卫星通信和陆地移动通信中的应用日益普遍，而微波发生器在通信系统中占有十分重要的地位，是关键的核心部件。

微波可以通过电域的模拟电路或者数字电路得到，但频率局限在几个GHz以下，难以产生更高频率的微波、毫米波信号。

随着现存的系统面临频率带宽短缺的问题，对高速数据传输的需要愈来愈迫切，利用光子方法产生微波、毫米波技术具有很大的吸引力，可以实现宽频域载波信号范围和光纤连接的低损传输，受到越来越多研究者的关注。其中基于1550nm波长窗口的光子技术对于利用光纤链路传输RF信号、光纤遥感和光纤测量设备等显得更为重要。从它的实现技术上来说，它主要采用超快光电转换器技术将光信号转换成电信号，例如，超快光电探测器等。宽带和大功率光电探测器的出现使得光子方法产生微波、毫米波信号技术变成可能，完全可以取代过去传统的电子RF信号发生器。从它的应用前景和研究意义来说，随着频率的增加，微波、毫米波的传输变得越来越困难，这也为光子技术在产生微波、毫米波信号中的应用提供了很好的舞台。

光子方法产生毫米波/微波信号最典型的技术为光外差技术，光外差技术主要基于光学拍频，它的主要原理为：当两个不同波长的光波同时经过一个探测器探测时，探测器的输出将产生一个微波频率，并且该频率为两个光波频率之差。如果其中一个光载波调制了数据信号，那么探测到的信号中也将包含上变频到微波频率中的数据。为了获得高质量的射频载波信号，两个光信号应该相干，这也就是说，它们最好是在同一个激光腔中产生，这会导致需要专门设计激光器的麻烦。

光学方法产生微波、毫米波是一项微波光子学的关键技术。利用光电技术产生微波频率的传统方法是基于两个可调谐的频率相近的激光束，这就要求激光器具有非常好的频率稳定性。另一种方法是在复杂的光学整合电路中，频移射频调制激光器频率，但是该方法仅限于产生低频信号＜1GHz)。最近，又研究了很多用于产生微波、毫米波信号的新方法：有将光纤环共振腔作为频率调制器，利用光纤的布里渊散射作用产生相位调制的微波信号；有采用两个或多个固态微芯片温度和电压调谐激光器的干涉产生动态可调谐、低噪声的微波、毫米波信号，频率从几个GHz到100GHz；有采用布拉格光栅取代马赫-曾德干涉仪作为滤波器，产生微波、毫米波；还有基于非啁啾高斯脉冲在传输过程中的色散和非线性效应产生复杂频率的微波、毫米波。这些产生方法，结构复杂，稳定性差，产生的效率不高。

发明内容

为了克服已有的微波、毫米波电的或者光学方法产生的不足，本发明提供一种全光纤可调谐微波、毫米波发生装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：构成全光纤可调谐微波、毫米波发生装置的部件之间的连接：

选择一定长度的双芯光纤，在第一根光纤的一侧，选择一段L进行研磨，磨至光纤包层厚度3-10微米，在抛光后的光纤侧面上依次镀第一电极，高电光系数聚合物材料，第二电极，制作相位精调器；改变第一电极和第二电极上施加的交流或直流电压V，使高电光系数聚合物材料的折射率发生变化，从而引起光纤上垂直耦合效应变化实现相位精调；

双芯光纤中第一根光纤一端与一定长度的延迟线的一端连接，延迟线的另一端与第一个Y分器的一个分支端连接；第二根光纤的一端接入第一个Y分器的另一分支端；双芯光纤中第一根光纤的另一端接入第二个Y分器的一个分支端，第二根光纤的另一端接入第二个Y分器的另一分支端；

可调谐光纤光栅接入环行器的第二个端口，光纤光栅的波长和色散量的调谐通过改变光栅上施加的应力或温度来实现；

环行器的第一个端口与激光源相连接，环行器的第三个端口与第一个Y分器的一字端连接；

第二个Y分器的一字端与高速光电探测器输入端连接，高速光电探测器输出频率范围几个GHz到几百GHz的可调谐微波、毫米波信号。

所述的一定长度的双芯光纤、一定长度的延迟线，相位精调器长度L以及相位精调器上电压的值根据调谐后输出的微波、毫米波频率来确定，彼此之间的关系满足以下公式：

$w_F=\frac{2[T_0^{2}C+{\mathrm{\β}}_{2}l(1+C^2)]\mathrm{\δl}}{{(T_0^2+C{\mathrm{\β}}_{2}l)}^2+{\left({\mathrm{\β}}_{2}l\right)}^2}$

其中，w_F为输出微波、毫米波脉冲频率，T₀为脉冲的初始宽度，C为脉冲啁啾系数，δl为一定长度的延迟线和长度L的相位精调器引入的群时延，l为双芯光纤长度，β₂为色散系数。

本发明的有益效果具体如下：

微波可以通过电域的模拟电路或者数字电路得到，但是频率局限在几个GHz以下，难以产生更高频率的微波、毫米波信号。已有的光学方法产生微波、毫米波信号的方法，结构复杂，稳定性差，产生的效率不高。

本发明所述的全光纤可调谐微波、毫米波发生装置，集中射频波和光波技术的优点，充分利用啁啾光纤光栅的波长选择特性和色散特性，对输入脉冲引入色散。采用光纤延迟线和大的电光系数聚合物材料在光纤上的垂直耦合效应变化实现相位精调，对输入脉冲引入精确可调的延迟量。利用双芯光纤制备M-Z干涉仪，引入脉冲的干涉效应，具有极高的高稳定性。最后脉冲在经过色散、延迟和干涉效应以后可产生几个GHz到几百GHz的微波、毫米波信号，产生微波、毫米波信号的频率高、范围大。调谐光纤光栅的中心波长和色散量，实现输出微波、毫米波信号的强度、频率以及持续时间的调谐，改变相位精调器上的电压，可以进行输出微波、毫米波信号的高精度调谐，具有更高的性价比。

本发明所述的全光纤可调谐微波、毫米波发生装置，其为全光纤结构，与光纤微波系统兼容性好，结构紧凑、更有利于光子产生较高频率的微波信号，容易实现小型化和可集成化，且受环境影响小、成本低、易于实施，在通信、信号处理、雷达等领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为全光纤可调谐微波、毫米波发生装置示意图。

图2为全光纤可调谐微波、毫米波发生装置中的相位精调装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

实施例一

一种全光纤可调谐微波、毫米波发生装置，构成该装置的部件之间的连接：

1.选择一段2厘米长的双芯光纤，其中第一根光纤71，第二根光纤72；

2.制作相位精调器60：对第一根光纤71的一侧，选择一段L为0.5厘米进行研磨，磨至光纤包层厚度7微米，在抛光后的光纤侧面上依次镀第一银电极61，高电光系数聚合物材料62，高电光系数聚合物材料选用NAPA3，第二铜电极63；第一银电极61和第二铜电极63上施加的交流电压V为1伏，NAPA3的折射率发生变化，使光纤上的垂直耦合效应发生变化实现相位精调；

3.双芯光纤中第一根光纤71一端与长度为10厘米的延迟线50的一端连接，延迟线50的另一端与第一个Y分器的一个分支端411连接；

4.双芯光纤中第二根光纤72的一端接入第一个Y分器的另一分支端412；双芯光纤中第一根光纤71的另一端接入第二个Y分器的一个分支端421，第二根光纤72的另一端接入第二个Y分器的另一分支端422；

5.可调谐光纤光栅30接入环行器的第二个端口22，光纤光栅的波长和色散量的调谐通过改变光栅上施加的应力或温度来实现；

6.环行器的第一个端口21与激光源10相连接，环行器的第三个端口23与第一个Y分器的一字端413连接；

7.第二个Y分器的一字端423与高速光电探测器80输入端连接，高速光电探测器80输出频率为10GHz的微波、毫米波信号。

实施例二

一种全光纤可调谐微波、毫米波发生装置，构成该装置的部件之间的连接：

1.选择一段3厘米长的双芯光纤，其中第一根光纤71，第二根光纤72；

2.制作相位精调器60：对第一根光纤71的一侧，选择一段1.0厘米进行研磨，磨至光纤包层厚度5微米，在抛光后的光纤侧面上依次镀第一电极ITO 61，高电光系数聚合物材料62，选择PEI-DAIDC电光聚合物，第二金电极63；第一电极ITO 61和第二金电极63上施加的直流电压V为3伏，高电光系数聚合物PEI-DAIDC 62的折射率发生变化，光纤上垂直耦合效应变化实现相位精调；

3.双芯光纤中第一根光纤71一端与长度为12厘米的延迟线50的一端连接，延迟线50的另一端与第一个Y分器的一个分支端411连接；

4.双芯光纤中第二根光纤72的一端接入第一个Y分器的另一分支端412；双芯光纤中第一根光纤71的另一端接入第二个Y分器的一个分支端421，第二根光纤72的另一端接入第二个Y分器的另一分支端422；

5.可调谐光纤光栅30接入环行器的第二个端口22，光纤光栅的波长和色散量的调谐通过改变光栅上施加的应力或温度来实现；

6.环行器的第一个端口21与激光源10相连接，环行器的第三个端口23与第一个Y分器的一字端413连接；

7.第二个Y分器的一字端423与高速光电探测器80输入端连接，高速光电探测器80输出频率为100GHz的微波、毫米波信号。

本发明通过啁啾光纤光栅对输入脉冲引入色散，通过调谐光纤光栅的中心波长和色散量实现输出微波、毫米波信号的强度、频率及持续时间的调谐。光纤光栅的中心波长和色散量的调谐可以通过其上施加应力或改变温度来实现。

本发明利用双芯光纤制备高稳定性M-Z干涉仪，引入脉冲的干涉效应。

本发明在制作M-Z干涉仪的双芯光纤的其中一根光纤中加入一段光纤，引入时延。

本发明在引入延迟光纤的双芯光纤的同一根光纤一侧进行研磨，研磨抛光后的光纤侧面依次镀上电极，高电光系数聚合物材料，电极，改变电极上施加的电压使得光纤上垂直耦合效应变化实现相位精调；电极材料可以为金、或银、或桶、或铝、或ITO等。

本发明中改变相位精调器上的电压，可以进行输出微波、毫米波信号的高精度调谐。

本发明中将可调谐光纤光栅接入环行器的第二端口，激光源发出的光信号由环行器的第一端口进入，环行器的第三端口与耦合器的一字端连接。

本发明中脉冲在经过色散、延迟和干涉效应以后产生一定频率的微波、毫米波信号。

本发明全光纤化，集中射频波和光波技术的优点与光纤微波系统兼容性好，结构紧凑。可以产生几个GHz到几百GHz的信号。

本发明容易实现小型化和可集成化，且受环境影响小、成本低、易于实施。

本发明提出一种有效的、可靠的、全光纤可调谐微波、毫米波发生装置，该装置使用部件都是常用的部件。

Claims (6)

1.一种全光纤可调谐微波、毫米波发生装置，其特征在于，构成该装置的部件之间的连接：

选择一定长度的双芯光纤，其中第一根光纤(71)，第二根光纤(72)；

制作相位精调器(60)：在第一根光纤(71)的一侧，选择一段L进行研磨，磨至光纤包层厚度3-10微米，在抛光后的光纤侧面上依次镀第一电极(61)，高电光系数聚合物材料(62)，第二电极(63)；改变第一电极(61)和第二电极(63)上施加的交流或直流电压V，使高电光系数聚合物材料的折射率发生变化，从而引起光纤上垂直耦合效应变化实现相位精调；

双芯光纤中第一根光纤(71)一端与一定长度的延迟线(50)的一端连接，延迟线(50)的另一端与第一个Y分器的一个分支端(411)连接；第二根光纤(72)的一端接入第一个Y分器的另一分支端(412)；双芯光纤中第一根光纤(71)的另一端接入第二个Y分器的一个分支端(421)，第二根光纤(72)的另一端接入第二个Y分器的另一分支端(422)；

可调谐光纤光栅(30)接入环行器的第二个端口(22)，光纤光栅的波长和色散量的调谐通过改变光栅上施加的应力或温度来实现；

环行器的第一个端口(21)与激光源(10)相连接，环行器的第三个端口(23)与第一个Y分器的一字端(413)连接；

第二个Y分器的一字端(423)与高速光电探测器(80)输入端连接，高速光电探测器(80)输出频率范围几个GHz到几百GHz的可调谐微波、毫米波信号。

2.根据权利要求1所述的一种全光纤可调谐微波、毫米波发生装置，其特征在于，所述的一定长度的双芯光纤、一定长度的延迟线，相位精调器长度L以及相位精调器上电压的值根据调谐后输出的微波、毫米波频率来确定，彼此之间的关系满足以下公式：

$w_F=\frac{2[T_0^{2}C+{\mathrm{\β}}_{2}l(1+C^2)]\mathrm{\δl}}{{(T_0^2+C{\mathrm{\β}}_{2}l)}^2+{\left({\mathrm{\β}}_{2}l\right)}^2}$

其中，w_F为输出微波、毫米波脉冲频率，T₀为脉冲的初始宽度，C为脉冲啁啾系数，δl为一定长度的延迟线和长度L的相位精调器引入的群时延，l为双芯光纤长度，β₂为色散系数。

3.根据权利要求1所述的一种全光纤可调谐微波、毫米波发生装置，其特征在于，所述的电极为：金电极、或银电极、或铜电极、或铝电极、或ITO。

4.根据权利要求1所述的一种全光纤可调谐微波、毫米波发生装置，其特征在于，所述的高电光系数聚合物材料包括：NAPA3、或SU-8、或PEI-DAIDC、或NOA 61、或UFC170、或Teflon AF 1601、或CLD1/APC。

5.根据权利要求1所述的一种全光纤可调谐微波、毫米波发生装置，其特征在于，所述的高电光系数聚合物材料的厚度小于1微米。

6.根据权利要求1所述的一种全光纤可调谐微波、毫米波发生装置，其特征在于，在第一电极(61)和第二电极(63)上施加的电压1-10V，输出的微波、毫米波频率10G-500GHz。

Images