CN102981344A

CN102981344A - 一种基于非线性效应的微波光子移相器

Info

Publication number: CN102981344A
Application number: CN2012105098558A
Authority: CN
Inventors: 陈翰; 孙明明; 孙小菡
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2012-12-03
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2032-12-03
Also published as: CN102981344B

Abstract

本发明公开了一种基于非线性效应的微波光子移相器，该移相器首先从分布反馈式光纤激光器输出的连续光载波被第一光衰减器衰减后进入光调制器中，经过RF信号发生器的输出射频信号调制后，再被掺饵光纤放大器放大到可引起非线性双折射的强度，被放大的光经过偏振控制器后，被偏振控制器起偏成偏振角度为θ的线性偏振光，线性偏振光经过光环形器，在保偏光纤光栅中发生非线性双折射效应在两个垂直方向上的偏振光之间产生延时，偏振光被第二光衰减器衰减后再经过偏振光分束器到达光接收机。本发明基于通过改变两个垂直方向上的偏振光的光相对强度，实现了保偏光纤光栅双折射率的变化，而折射率的不同会带来两束光的延时差。

Description

一种基于非线性效应的微波光子移相器

技术领域

本发明涉及一种新型的基于非线性效应的微波光子移相器实现方法，特别涉及基于偏振光在保偏光纤光栅中的非线性双折射效应。

背景技术

光控相控阵雷达是将光电子技术应用在相控阵雷达中，用以传输、分配雷达信号和控制信号，实现光波束控制。光控相控阵雷达相比较于以往的相控阵雷达，在尺寸、重量、传输损耗、辐射干扰等问题得到了有效的改善：光延迟线作为移相器，可获得大的瞬时带宽；采用光纤传输和分配技术，可减轻系统重量，减小体积，提高雷达可靠性，增强抗电磁干扰的能力，改善线路传输特性；天线子系统与雷达子系统可分置不光延迟线是光电子技术在光控相控阵雷达技术中的关键应用同位置，不仅带来结构上的方便，还提高雷达和人员的生存能力。其中微波光子移相器在在光控相控阵雷达技术中起着关键应用。

微波光子移相器是伴随着微波光子学的发展和光控相控阵的兴起而必然出现的一种新型微波光子器件。该器件的主要功能就是为光控相控阵系统中光波束网络的形成提供精确的相位反馈，另外它作为一种信号处理器件，在微波光子学的其他领域，如RoF系统中，也扮演着相位控制的角色。正如光控相控阵所具有的优点一样，微波光子移相器因其工作频段高、相移范围宽、工作精度高、可集成化、成本低等诸多优点而受到广泛研究。由于可以借助微波和光子领域的双重优势，因而它在设计和实现上具有更丰富、更灵活的手段，在性能上也具有更优异的表现。就目前的研究来看，主要有混频技术、矢量和（vector sum）技术和非线性效应三种形式的微波光子移相器。与另两种技术相比，基于非线性效应的微波光子移相器，由于丰富的非线性光学效应，无论是原理上，还是实现手段上都是种类繁多，因而在近年出现了与之相关的大量研究。但是传统的基于非线性效应的研究多采用有源半导体器件，而其构造复杂，因此造价相对昂贵、集成化比较困难，这对于在相控阵中的实际应用而言，应当是一个不利因素。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有非线性效应的微波光子移相器存在的成本和结构上的不足，提供一种基于偏振分束光在保偏光纤光栅中的非线性双折射效应实现的微波移相器，该技术基于通过改变两个垂直方向上的偏振光的光相对强度，实现了保偏光纤光栅双折射率的变化，而折射率的不同会带来两束光的延时差。

本发明采用的技术方案为：一种基于非线性效应的微波光子移相器，包括分布反馈式激光器、RF信号发生器、第一光衰减器、光调制器、掺饵光纤放大器、偏振控制器、光环形器、保偏光纤光栅、第二光衰减器、偏振光分束器和光接收机；

所述的窄线宽、频率稳定的分布反馈式(DFB)光纤激光器输出的连续光载波被第一光衰减器衰减后进入光调制器中，经过所述RF信号发生器的输出射频信号调制后，再被所述掺饵光纤放大器（EDFA）放大到可引起非线性双折射的强度，被放大的光经过所述偏振控制器后，被偏振控制器起偏成偏振角度为θ的线性偏振光，线性偏振光经过所述光环形器，在所述保偏光纤光栅中发生非线性双折射效应在两个垂直方向上的偏振光之间产生延时，偏振光被第二光衰减器衰减后再经过偏振光分束器到达光接收机。

设经过偏振控制器起偏后的光中心频率处的可写为：

E (r, t) = \frac{1}{2} (\hat{x} E_{x} + \hat{y} E_{y}) \exp (- i ω_{0} t) + c . c

其中E表示光的电场强度，

和

表示电场的横、纵坐标轴方向；E_x、E_y分别为光电场落在横、纵坐标轴上的分量。令θ为光的偏振角度，E_x、E_y可以表示为

E_x＝E₀cosθ；E_y＝E₀sinθ

又根据非线性双折射效应在x和y轴上的分量用Δn_x和Δn_y表示为：

Δ n_{x} = n_{2} ({| E_{x} |}^{2} + \frac{2}{3} {| y_{y} |}^{2});

式中n₂是与非线性有关的参量。

对于具有双折射率的保偏光纤光栅来说，两个被定义为沿x和y轴方向正交的偏振模式有效折射率n_eff，x、n_eff,y可表示为：

n_eff,x＝n_eff+Δn/2和n_eff,y＝n_eff-Δn/2

式中n_eff是光纤有效折射率，Δn为x和y轴方向上的折射率差。

根据耦合模理论，这两个模式由于在光栅中经历的不同的耦合导致不同的反射系数的产生。x和y模式的反射谱在形状上是相同的，只是在波长上有稍稍的偏移，因为Δλ＝2ΔnΛ（Δλ是中心波长的偏移，Λ是光栅的周期）。但是双折射率差导致的一个重要结果就是两个模式之间群时延（DGD）的产生，从数值上可表示为：

DGD(λ)＝|τ_x(λ)-τ_y(λ)|

这里

其中t_x(y)(λ)是光纤光栅中x（y）模式的透射系数，c是光速，λ是光的中心波长。由以上可以推出：

DGD(λ)＝k·Δn

其中k是与光纤光栅结构参数有关的参数，并和光纤光栅的啁啾系数C成反比。

双折射率差Δn为：

Δn = {Δn}_{x} - {Δn}_{y} = n_{2} ({| E_{x} |}^{2} + \frac{2}{3} {| E_{y} |}^{2}) - n_{2} ({| E_{y} |}^{2} + \frac{2}{3} {| E_{x} |}^{2})

= \frac{1}{3} n_{2} ({| E_{x} |}^{2} - {| E_{y} |}^{2}) = \frac{1}{3} n_{2} {E_{0}}^{2} (\cos^{2} θ - \sin^{2} θ)

= \frac{1}{3} n_{2} {E_{0}}^{2} \cos 2 θ

因此可以得出，从而改变偏振光起偏的角度θ或者激光器的光强E₀，就可以获得不同的群时延。

本发明微波光子移相器方法，包括对两束垂直的偏振光在保偏光纤光栅中的非线性作用改变双折射率，产生时延；本发明不需要昂贵的有源半导体器件，在传统的光纤光栅延时上基础上结合非线性效应产生更大的延时，并且延时更易于调节。主要实施原理如下：激光器输出的光被光偏振控制器起偏成一束偏振角度为θ，可以通过调节偏振控制器改变不同的角度，可以使得两个垂直方向的偏振光强发生相对变化，由于保偏光纤中的非线性双折射效应大小和偏振光强有关，保偏光纤光栅中双折射率差决定了延时，因此不同的延时可以通过改变偏振控制器状态来获得。

有益效果：1、本发明在传统光纤光栅技术上加以创新，结合简单易行的非线性原理，避免了传统非线性光学方法一般使用昂贵的有源半导体器件的弊端。

2、可以通过简单的改变偏振控制器的偏振角度来实时的获得连续的相位可调。

3、相比普通的光纤光栅延时可以获得更大的调相角度。

附图说明

图1是本发明技术方案的结构示意图；

图2是改变偏振角度获得的移相效果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种基于非线性效应的微波光子移相器，包括分布反馈式激光器1、RF信号发生器2、第一光衰减器3、光调制器4、掺饵光纤放大器5、偏振控制器6、光环形器7、保偏光纤光栅8、第二光衰减器9、偏振光分束器10和光接收机11；

所述分布反馈式光纤激光器1输出的连续光载波被第一光衰减器3衰减后进入光调制器4中，经过所述RF信号发生器2的输出射频信号调制后，再被所述掺饵光纤放大器5放大到可引起非线性双折射的强度，被放大的光经过所述偏振控制器6后，被偏振控制器6起偏成偏振角度为θ的线性偏振光，线性偏振光经过所述光环形器7，在所述保偏光纤光栅8中发生非线性双折射效应在两个垂直方向上的偏振光之间产生延时，偏振光被第二光衰减器9衰减后再经过偏振光分束器10到达光接收机11。

图2是一种改变一定的偏振角度获得的移相效果图。链路射频信号为2.2GHz的正弦信号，在未经延时经过光链路和经过移相器延时后的对比可以看出，有大约600的移相效果。其中保偏光纤光栅所用光纤为熊猫型保偏光纤True Phase 1550-245，工作波长为1550nm，模场直径10.5μm，拍长≤4.5mm；保偏光纤光栅参数为：周期0.5061499718276μm，调制深度0.000318，光纤光栅长度5cm，啁啾系数0.624nm/cm。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims

1.一种新型的基于非线性效应的微波光子移相器，其特征在于：包括分布反馈式激光器、RF信号发生器、第一光衰减器、光调制器、掺饵光纤放大器、偏振控制器、光环形器、保偏光纤光栅、第二光衰减器、偏振光分束器和光接收机；

所述分布反馈式光纤激光器输出的连续光载波被第一光衰减器衰减后进入光调制器中，经过所述RF信号发生器的输出射频信号调制后，再被所述掺饵光纤放大器放大到可引起非线性双折射的强度，被放大的光经过所述偏振控制器后，被偏振控制器起偏成偏振角度为θ的线性偏振光，线性偏振光经过所述光环形器，在所述保偏光纤光栅中发生非线性双折射效应在两个垂直方向上的偏振光之间产生延时，偏振光被第二光衰减器衰减后再经过偏振光分束器到达光接收机。