陳海燕 (長(zhǎng)江大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

光生微波/毫米波系統(tǒng)中信號(hào)控制研究

陳海燕 (長(zhǎng)江大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

提出了一種基于單模光纖FP腔的光生微波/毫米波技術(shù)中的輸出信號(hào)控制方法，得到了輸出信號(hào)數(shù)目與外加應(yīng)力之間的解析表達(dá)式。利用波長(zhǎng)為1550.337nm的連續(xù)激光，經(jīng)過100MHz的RF信號(hào)調(diào)制后入射單模光纖FP腔，得到了頻率為1.25GHz微波信號(hào)序列的波形圖。通過適當(dāng)調(diào)節(jié)所施加的外力，可得到從微波到毫米波的光生信號(hào)。

信號(hào)處理；光生微波/毫米波；光外差

光生微波/毫米波系統(tǒng)具有高速、低成本及高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，近些年來這一技術(shù)引起了廣泛關(guān)注[1～3]。常見的解決方案有布里淵散射、MZ調(diào)制、自外差法、半導(dǎo)體激光器注入鎖模四波混頻共軛模法及雙邊帶傳輸布拉格光纖光柵濾波法等技術(shù)。其中自外差法是一種十分典型有用方法。在以前工作中，筆者曾提出了一種基于單模光纖FP腔的光生微波/毫米波方法[4]。下面筆者將進(jìn)一步研究單模光纖FP腔光生微波/毫米波技術(shù)中微波/毫米波信號(hào)的控制問題。

1 理論模型

在脈沖激光入射時(shí)，由于單模光纖中存在雙折射，單模光纖FP腔(Signal Model Filber FP Cavity,SMFFPC)的輸出信號(hào)具有外差特征。SMFFPC中單模光纖中的2個(gè)偏振模相位失配導(dǎo)致了拍頻的產(chǎn)生，這一拍頻即為微波/毫米波信號(hào)，其頻率可表示成[4]：

(1)

式中，c為真空中的光速；λ0是入射激光的波長(zhǎng)；Δn0表示單模光纖中的2個(gè)偏振模的本征折射率差；n是單模光纖中的2個(gè)偏振模的本征折射率的平均值(Δn0?n)；F是單位長(zhǎng)度上所施加的外力；A為石英光纖的光應(yīng)變系數(shù) (A=-3.7×10-12m2/N)[5]；r(2r=125μm) 為光纖的纖芯半徑。

普通標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中的2個(gè)偏振模產(chǎn)生雙折射為Δn0/n～2×10-6，相應(yīng)的拍頻為～ 0.4GHz。

另一方面，拍頻只在入射脈沖的上升沿和下降沿產(chǎn)生。當(dāng)脈沖激光入射時(shí), 高精細(xì)度SMFFPC的輸出光強(qiáng)度表現(xiàn)出指數(shù)衰減特性，其衰減時(shí)間稱為衰蕩時(shí)間?？紤]單模光纖中的雙折射，衰蕩時(shí)間τ0可表示成[6]：

(2)

式中，B表示損耗；i=x,y表示2個(gè)偏振模；ni為偏振模的折射率；L為光纖長(zhǎng)度。

單模光纖中的2個(gè)本征偏振模所產(chǎn)生的衰蕩時(shí)間差Δτ為：

(3)

式(3)表明單模光纖中的雙折射越強(qiáng)，其所產(chǎn)生的衰蕩時(shí)間差就越大。一般來說，Δτ?τ0i,所以，在實(shí)際操作中可以不必考慮這一微小差別。在下面的研究中，忽略這一微小差別，用光纖平均折射率代替偏振模的折射率。當(dāng)外力F施加到單模光纖時(shí), 所產(chǎn)生的衰蕩時(shí)間τ為：

(4)

式中,C表示外力產(chǎn)生的損耗，C=bLF；b表示損耗系數(shù)，g-1·cm-1。

當(dāng)C?B時(shí)，用一階近似方法，式(4)可寫成：

(5)

式中τgt;0。τ=0的情況表示由于外加壓力太大，導(dǎo)致腔內(nèi)損耗很大，腔內(nèi)光波還未到達(dá)腔鏡就已衰減消失了，觀察不到輸出信號(hào)。

求解式(1)～(5) ，得到衰蕩過程中所產(chǎn)生的信號(hào)數(shù)目為：

(6)

圖1 信號(hào)數(shù)目與信號(hào)頻率隨外加應(yīng)力的變化關(guān)系曲線

式(1)和式(6)表明，信號(hào)觀察到的微波/毫米波信號(hào)頻率和數(shù)目與外加壓力有關(guān)，在實(shí)際工作中，可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便對(duì)輸出微波/毫米波信號(hào)進(jìn)行控制。標(biāo)準(zhǔn)單模石英光纖的折射率為1.48，令入射激光波長(zhǎng)為1550.337nm，光纖長(zhǎng)度為2mm，B=2，b=0.1g-1·m-1[6]。由式(1)和式(6)可得到信號(hào)數(shù)目與信號(hào)頻率隨外加應(yīng)力之間的關(guān)系曲線，如圖1所示。值得注意的是，當(dāng)N=0時(shí)，實(shí)際上是觀察不到輸出信號(hào)。

2 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，由激光器(PRO 8000 WDM 源，調(diào)諧范圍1549.266～1550.966nm)、偏振控制器、調(diào)制器(JDS Uniphase OC-192)、 RF發(fā)生器(hp 8341B synthesized sweeper, 10MHz～20GHz)、單模光纖FP腔、光纖放大器 (EDFA, Highwave Optical Technologies)、帶通濾波器(Newport)、偏振片及數(shù)字通信分析儀( hp 83480A digital communication analyzer)組成。光纖放大器用于補(bǔ)償系統(tǒng)損耗。調(diào)節(jié)可調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)使其與SMFFPC的傳輸波長(zhǎng)匹配，調(diào)節(jié)偏振控制器使得入射光能激發(fā)SMFFPC中的2個(gè)偏振模，然后旋轉(zhuǎn)偏振片以合成SMFFPC中的2個(gè)偏振模。經(jīng)過適當(dāng)調(diào)節(jié)，就能得到SMFFPC輸出的微波/毫米波信號(hào)。

Laser:可調(diào)諧激光器，PC: 偏振控制器，MOD: 調(diào)制器，RF: RF 發(fā)生器， EDFA: 光纖放大器，F(xiàn)ilter: 帶通濾波器，Polarizer: 偏振片，DCA: 數(shù)字通信分析儀。圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖3 100MHz調(diào)制信號(hào)波形

波長(zhǎng)為1550.337nm的連續(xù)波激光，經(jīng)過調(diào)制器，其上施加100MHz的RF信號(hào)，經(jīng)調(diào)制后的激光波形由數(shù)字通信分析儀監(jiān)測(cè)。適當(dāng)調(diào)節(jié)調(diào)制器的直流偏壓，就能得到很好的100MHz調(diào)制激光的波形。當(dāng)直流偏壓為4.74V時(shí)，所得調(diào)制波形如圖3所示。

圖4是一個(gè)所得到的微波信號(hào)序列波形圖，可觀察到強(qiáng)度不同的5個(gè)波列，其頻率為1.25GHz。通過調(diào)節(jié)施加外力的大小，就能得到不同的信號(hào)頻率和波列數(shù)目，并能得到從微波到毫米波的光生信號(hào)。

圖4 微波信號(hào)序列

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[編輯] 洪云飛

TN247

A

1673-1409(2009)01-N013-03

2008-12-27

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60777020)；湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2005ABA311)；長(zhǎng)江大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目。

陳海燕(1965-)，男，1988年大學(xué)畢業(yè)，博士，教授，現(xiàn)主要從事通信技術(shù)、RoF技術(shù)等方面的教學(xué)與研究工作。