CN102222818A

CN102222818A - 新型同轴结构光纤射频天线

Info

Publication number: CN102222818A
Application number: CN2011100897831A
Authority: CN
Inventors: 施学良; 郑史烈; 章献民; 金晓峰; 池灏
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-04-11
Filing date: 2011-04-11
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2031-04-11
Also published as: CN102222818B

Abstract

本发明涉及一种新型同轴结构光纤射频天线。本发明包括上段光纤、下段光纤、光子接收单元、L型固定支架和固定底座。光子接收单元的一端与上段光纤的一端光连接，光子接收单元的另一端与下段光纤的一端光连接；固定底座设置在下段光纤和光子接收单元之间，L型固定支架的一端与固定底座连接，L型固定支架的另一端与上段光纤固定，下段光纤贯穿固定底座并且与固定底座固定，固定底座接地。本发明利用表面等离激元技术实现射频信号至光波的有效调制，实现了微波接收与调制的结合，从而实现射频信号的光子接收、调制和远距离传送。

Description

新型同轴结构光纤射频天线

技术领域

本发明属于光纤光子技术领域，涉及一种新型同轴结构光纤射频天线。

背景技术

随着互联网的持续高速发展，高效的通信和数据接入已成为目前信息系统的关键环节。而蜂窝电话系统的大范围普及以及个人手持通信设备市场的持续增长，又使得人们对宽带接入的要求已经从桌面电脑系统扩展到室内无线系统和小范围无线系统。这一切都使得低耗高效的射频信号接收机成为无线系统的一个关键部件。为了满足这个需求，传统的电子学手段一直在不断地改进，但如果要更多地降低功耗和体积，势必要求全新的系统设计手段。基于光电子学的室内无线系统解决方案将有可能比纯电子学的方式更加高效，因为如果采用光电子学的方案，将有很大潜力降低整机的重量、体积和功耗。而且经过电光转换后，电信号转变成光信号，其后所有的滤波，混频，放大，都可以在光域进行，最后再通过光电转换回电信号，这一过程减少了各种微波频段的干扰，频谱资源也相当丰富。因此，研究利用光电子学手段接收微波信号具有极大的理论和实际意义，光子射频接收机也应运而生。电磁波由射频天线接收并馈入微波光子调制器。电光调制器通过电光效应直接将射频信号调制到激光器提供的光载波上。

但光子接收机的实现受到了电光调制器灵敏度的限制，目前商用Mach-Zehnder电光调制器一般要几百毫瓦的驱动功率。除非很强的信号，天线接收的微波毫米波信号必须经预放、功放处理后才能驱动调制器。因此提高微波与光波作用的效率是一个关键，这对于推动其在移动通信、无线接入系统中的广泛应用具有重要意义。于是不断有人提出新的设计方案，比如基于电吸收调制器结构的光子天线、基于LiNbO3微腔的光子微波接收机、天线耦合的电光调制器、成介质谐振天线的全介质光子射频接收机等。综合光子微波接收技术的研究发展趋势，提高微波信号的调制灵敏度是个关键，与天线技术结合是个重要的发展之路。

表面等离激元(surface plasmon polaritons, SPPs)是在金属与介质界面上的一种电子和光子混合激发态。SPPs是一种表面波，它的电磁场被约束在金属与介质界面的附近范围内。这种强有力的场约束，一方面使界面局部处的场产生增强效应，同时又使SPPs 对传播表面的变化有高度的敏感性。改变金属表面的结构，SPPs 的性质也随之变化，由此可以设计亚波长尺寸的光子功能元器件。目前，SPPs 在纳米光学、新型光源（基于增强的非线性效应）、高灵敏的生物和化学传感等领域显示出巨大的应用前景。

由于SPPs的局域性，它在高性能调制器中也具有非常重要的应用前景。SPPs可与结合电光材料，构成一个简单的高速电光调制器。采用谐振金属光栅可大大改善调制系数。这些调制器中，大都是采用棱镜耦合来激发SPPs。基于电光材料的电光效应通过外加电压改变材料的折射率，从而改变SPP的耦合波长，造成不同波长反射光强的变化。

将光纤技术和表面等离激元波共振效应结合一起，不仅具有SPP高灵敏度的特点，而且发挥了光纤本身的诸多优点，近年来受到了广泛的关注。用光纤纤芯取代棱镜作为耦合器件结构，激发SPPs，对光纤周围环境的变化十分敏感。1993年Jorgenson等人首先提出基于波长调制的光纤SPP传感器件，在多模光纤中部剥除包层，然后镀上金属薄膜，利用光波全内反射时的倏逝场激发SPPs。对于多模光纤而言，激励模式越多，产生的共振峰越宽，因此要获得高的探测精度和信噪比，必须减少光纤的模式。对单模光纤进行侧面抛磨后，沉积上金属膜用于SPP传感，不仅能够得到更窄的共振峰，同时灵敏度也有很大的提高。但是由于单模光纤芯径较小，所以加工复杂，光源耦合精度要求更高，为了增强光纤导模与SPP的相互耦合，还必须对光纤进行弯曲，以提高共振峰的深度，这将会使得光纤更加脆弱，系统可靠性变差。对单模光纤进行拉锥，增强倏逝场的穿透深度。当纤芯直径小到一定程度，导模能量大部分泄露到包层，在拉锥的均匀部分对称覆盖上金属薄膜，实现SPP激励。与普通单模光纤相比，由于不需要对包层进行抛磨或者腐蚀，增强了光纤的牢固性，也不需要对光纤进行弯曲，装置相对简单。如果在锥腰均匀部分单侧或者非对称沉积上金属薄膜会产生多个共振峰，可用来调节测量范围。

利用光纤光栅技术实现SPPs的激发正受到越来越多的关注。其基本的原理是光纤光栅将在光纤芯层传输的光场模式耦合或泄漏到包层，利用包层模式激发SPPs，主要的优点有不需要对包层进行剥除，保证了光纤的可靠性，SPPs的共振特征与光纤的周期有关，通过改变光栅的周期，能够调节SPR的共振位置。采用长周期光栅（LPGs）的可将纤芯模耦合到前向传播的包层模。基于LPGs的相位匹配特性，能激发一个特定的包层模，其有效折射率受光纤表面金属涂层等离激元共振的扰动。在特制的光纤（纤芯比较大，包层较薄）上制作短周期布拉格光纤（FBG），在包层金属界面上存在非零的纤芯模场，也能激励起SPP。2007年，Yanina Y. Shevchenko等将倾斜式FBG刻写在标准的单模通信光纤上，倾斜FBG增强了纤芯模进入包层，如果包层模的传播常数的轴向分量等于SPP波，则激励起SPPs。

发明内容

本发明的目的是克服传统光子微波接收技术的不足，提供一种新型同轴结构光纤射频天线。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

新型同轴结构光纤射频天线包括上段光纤、下段光纤、光子接收单元、L型固定支架和固定底座。光子接收单元的一端与上段光纤的一端光连接，光子接收单元的另一端与下段光纤的一端光连接；固定底座设置在下段光纤和光子接收单元之间，L型固定支架的一端与固定底座连接，L型固定支架的另一端与上段光纤固定，下段光纤贯穿固定底座并且与固定底座固定，固定底座接地。

所述的光子接收单元包括由内至外的倾斜光纤光栅、第一金属层、电光聚合物层、第二金属层；倾斜光纤光栅外包覆第一金属层；第一金属层与第二金属层之间设置有电光聚合物层；第一金属层与第二金属层构成一个同轴结构的射频波导；第一金属层与固定底座的上表面相连。

所述的倾斜光纤光栅、第一金属层、电光聚合物层、第二金属层同轴设置；

所述的倾斜光纤光栅中的光栅长度大于10mm；

所述的第一金属层的厚度为20～50nm；

所述的电光聚合物层的厚度为10～50μm；

所述的第二金属层的厚度为100～1000nm；

进一步地说，所述的第一金属层选用金或银；

本发明的有益效果：针对光子射频天线的应用，采用新颖同轴结构，将光纤波导、表面等离激元波导和射频波导巧妙地结合起来，利用表面等离激元技术实现射频信号至光波的有效调制，实现了微波接收与调制的结合，从而实现射频信号的光子接收、调制和远距离传送。并且使整个系统更为轻便紧凑，微波信号的调制灵敏度得到了提高，系统的功耗得到了明显的降低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中：1、上段光纤，2、光子接收单元，3、L型固定支架，4、固定底座，5、下段光纤，6、射频微波信号；

图2为本发明中光子接收单元剖面示意图；

图3为本发明中光子接收单元截面示意图；

图中：7、包层，8、第一金属层，9、电光聚合物层，10、第二金属层，11、栅区，12、纤芯；

图4为本发明使用示意图；

图中：13、宽带光源，14、光纤，15、同轴光纤射频天线， 16、光谱分析仪，17、数据采集系统。

具体实施方式

以下结合附图及实施例进一步说明本发明。

本发明的原理是：采用同轴结构，将光纤波导、等离激元波导和射频同轴波导巧妙地结合起来。在标准单模光纤中写入弱倾斜光纤光栅，在光纤光栅表面镀20～50nm的金属膜，外面涂覆电光聚合物。倾斜光纤光栅增强了纤芯模进入包层，如果包层模的传播常数的轴向分量等于表面等离激元波的传播常数，则激励起SPPs。由于SPP模、包层模、纤芯模之间的相位匹配，聚合物层介电常数的变化会引起纤芯反射模光谱的变化。电光聚合物外再镀金属层，内外金属层就构成了一射频同轴线，传播TEM模。将接收到的射频信号馈入同轴线，引起电光聚合物介电常数的变化，就可现射频信号至光波的调制。

参照图1，新型同轴结构光纤射频天线包括上段光纤1、下段光纤5、光子接收单元2、L型固定支架3和固定底座4。光子接收单元的一端与上段光纤的一端光连接，光子接收单元的另一端与下段光纤的一端光连接；固定底座设置在下段光纤和光子接收单元之间，L型固定支架的一端与固定底座连接，L型固定支架的另一端与上段光纤固定，下段光纤贯穿固定底座并且与固定底座固定，固定底座接地；光子接收单元在系统工作时作为线天线接收外界环境中的射频微波信号6。

参考图2和图3，光子接收单元包括由内至外的倾斜光纤光栅、第一金属层8、电光聚合物层9、第二金属层10；倾斜光纤光栅外包覆第一金属层；第一金属层与第二金属层之间设置有电光聚合物层；第一金属层与第二金属层构成一个同轴结构的射频波导；第一金属层与固定底座的上表面相连。倾斜光纤光栅中的纤芯12刻有长度大于10mm的栅区11，纤芯12外有包层7，倾斜光纤光栅与上段光纤、下段光纤实为同一单模光纤制作所得。

光子接收单元的制作方法包括如下步骤：先将一根单模光纤剥掉外面的保护层，并将其置于110～140Mpa，130～150℃的条件下载氢48小时。利用波长为248nm的KrF激光器，利用相位掩膜法刻写倾斜光纤光栅。刻写时相位掩膜板与光纤的倾斜角为5～10°，写好的光纤光栅在130～150℃条件下退火24小时，赶出残留在光纤中的氢。

采用化学镀在制作好的倾斜光纤光栅表面镀上一层20～50nm厚的金薄膜（也可选用银薄膜），然后采用溶液浸渍提拉法在金薄膜的外层包覆一层10～50μm厚的电光聚合物。最后再采用化学镀的方法在聚合物的外层镀上一层厚度为100～1000nm的金属薄膜层。

参考图4，宽带光源13发出的光通过光纤14连接到同轴光纤射频天线15的一端，同轴光纤射频天线15的另一端通过光纤14连接光谱分析仪16的输入端，光谱分析仪16的数据输出端口连接到数据采集系统17。系统工作时，同轴光纤射频天线接收外界环境中的射频微波信号6，射频微波信号接收后会引起输入到光谱分析仪的光频谱发生变化，光谱分析仪将采集到的光谱信息发送到数据采集系统分析后得到接收到的射频微波信号的信息。

Claims

1.新型同轴结构光纤射频天线，包括上段光纤、下段光纤、光子接收单元、L型固定支架和固定底座，其特征在于：光子接收单元的一端与上段光纤的一端光连接，光子接收单元的另一端与下段光纤的一端光连接；固定底座设置在下段光纤和光子接收单元之间，L型固定支架的一端与固定底座连接，L型固定支架的另一端与上段光纤固定，下段光纤贯穿固定底座并且与固定底座固定，固定底座接地；

所述的光子接收单元包括由内至外的倾斜光纤光栅、第一金属层、电光聚合物层、第二金属层；倾斜光纤光栅外包覆第一金属层；第一金属层与第二金属层之间设置有电光聚合物层；第一金属层与第二金属层构成一个同轴结构的射频波导；第一金属层与固定底座的上表面相连；

所述的倾斜光纤光栅、第一金属层、电光聚合物层、第二金属层同轴设置。

2.根据权利要求1所述的新型同轴结构光纤射频天线，其特征在于：所述的倾斜光纤光栅中的光栅长度大于10mm。

3.根据权利要求1所述的新型同轴结构光纤射频天线，其特征在于：所述的第一金属层的厚度为20～50nm。

4.根据权利要求1所述的新型同轴结构光纤射频天线，其特征在于：所述的电光聚合物层的厚度为10～50μm。

5.根据权利要求1所述的新型同轴结构光纤射频天线，其特征在于：所述的第二金属层的厚度为100～1000nm。

6.根据权利要求3所述的新型同轴结构光纤射频天线，其特征在于：所述的第一金属层选用金或银。