陳東軍,袁　鑫,王如剛,2

1． 鹽城工學(xué)院信息工程學(xué)院，江蘇鹽城224051;2． 東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210096

基于布里淵散射的高頻可調(diào)諧微波信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)的研究

陳東軍1,袁鑫1,王如剛1,2

1． 鹽城工學(xué)院信息工程學(xué)院，江蘇鹽城224051;2． 東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210096

為了獲得高頻可調(diào)諧微波信號(hào)，首先設(shè)計(jì)了一種基于MSP430F149單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)通過溫度傳感器TMP112進(jìn)行溫度信息采集，驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的PWM波信號(hào)驅(qū)動(dòng)TEC芯片;其次，利用設(shè)計(jì)獲得的溫度控制系統(tǒng)，提出并驗(yàn)證了一種高頻可調(diào)諧微波信號(hào)產(chǎn)生的方法：利用光纖布里淵散射放大效應(yīng)獲得多波長激光器；通過光纖濾波器濾波獲得了高頻微波信號(hào)輸出;調(diào)節(jié)溫度控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電壓控制增益光纖的溫度，獲得22.055～22.121 GHz的可調(diào)諧微波信號(hào)。如果進(jìn)一步改變控制系統(tǒng)的溫度調(diào)諧范圍可以獲得更寬的微波信號(hào)輸出。

溫度控制；布里淵散射；微波信號(hào)

隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展，對(duì)器件的帶寬及集成化的要求越來越高。由于電子器件的電子瓶頸效應(yīng)，使得利用光學(xué)方法產(chǎn)生高頻微波信號(hào)的研究成為近些年的熱點(diǎn)。同時(shí)，在高度集成化的器件結(jié)構(gòu)中，隨著器件溫度的升高，元器件的損壞率也呈指數(shù)增加，這在很大程度上降低了器件的可靠性[1-6]。因此，電子器件一方面要獲得高頻可調(diào)諧微波信號(hào)，另一方面還要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效的控溫，才能實(shí)現(xiàn)高頻通信的發(fā)展要求。在溫度控制器的研究方面，已有大量的報(bào)道，并且取得了較好的成果。目前，利用光子學(xué)產(chǎn)生高頻微波信號(hào)的方法主要集中在光學(xué)鎖相環(huán)法[7]、電光調(diào)制器[8]和光注入鎖定法[9]等，而且也取得了較好的成果。由于光纖布里淵散射閾值較低，多階布里淵散射譜之間具有穩(wěn)定的波長間隔，且在獲得布里淵激光器的過程中具有線寬變窄的作用，因此布里淵激光器常用于微波信號(hào)的產(chǎn)生[10-13]。為了進(jìn)一步增加微波信號(hào)的頻率與信號(hào)的可調(diào)諧性，本文首先設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的高精度TEC溫度控制器，提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基于布里淵散射放大效應(yīng)的可調(diào)諧微波信號(hào)產(chǎn)生的方法，利用設(shè)計(jì)的溫度控制器控制布里淵增益光纖的溫度，獲得輸出信號(hào)的可調(diào)諧性。

1　溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

溫度控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)、液晶顯示器、鍵盤輸入、熱電制冷器(TEC)芯片、TEC驅(qū)動(dòng)電路、溫度傳感器及其驅(qū)動(dòng)電路和A/D轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成，如圖1所示。該溫度控制系統(tǒng)的控制芯片采用MSP430F149單片機(jī)，該控制芯片具有低功耗、高速度等優(yōu)點(diǎn)；溫度傳感器采用的是TMP112，該溫度傳感器體積小、電壓范圍寬，可以工作在-40～+125 ℃，且可以和MSP430F149單片機(jī)直接通信，從而充分保證獲得精確的溫度。該溫度控制系統(tǒng)開機(jī)上電以后，通過鍵盤設(shè)定需要控制的溫度，液晶顯示屏顯示設(shè)定溫度和被控物體的當(dāng)前溫度，控制芯片根據(jù)溫度傳感器TMP112采集獲得的溫度信息，結(jié)合脈寬調(diào)制(PWM)波脈寬大小輸出所需PWM信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過一個(gè)功率放大電路放大，放大電路是由2個(gè)FZT605組成的功率互補(bǔ)電流放大電路實(shí)現(xiàn)電流放大輸出，驅(qū)動(dòng)TEC器件(TEC1-12715)工作。由于該系統(tǒng)中的PWM波輸出電壓為2.0 V左右，而三極管基極的導(dǎo)通電壓只有0.8 V，因此，采用2個(gè)二極管D1和D2使2個(gè)FZT功率管的基極始終保持在導(dǎo)通狀態(tài)，這樣當(dāng)電路工作時(shí)，可以有效地消除交越失真，保證溫度控制系統(tǒng)的正常工作。

圖1　溫度控制電路結(jié)構(gòu)Fig.1　Circuit of temperature control

2　結(jié)果與分析

2.1溫度控制系統(tǒng)性能測(cè)試

制冷芯片TEC兩端的電壓與被測(cè)物體的實(shí)際溫度關(guān)系如圖2所示。從圖2可以看出，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為零時(shí)，也就是TEC沒有工作，此時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度為室溫，即為24.5 ℃；當(dāng)正向偏壓增加時(shí)，TEC開始制冷；反向偏壓增加時(shí)，TEC開始加熱。整個(gè)系統(tǒng)的溫度和電壓的關(guān)系呈現(xiàn)線性變換曲線，被控物體的溫度從2 ℃到90 ℃變化，其驅(qū)動(dòng)電壓分別為6.73 V和-9.51 V，其中負(fù)值表示驅(qū)動(dòng)電壓為反向。

圖2　TEC驅(qū)動(dòng)電壓和物體溫度之間的關(guān)系Fig.2　Relationship between voltage of TEC and temperature of measured object

圖3　微波信號(hào)產(chǎn)生裝置Fig.3　Test device for frequency

2.2微波信號(hào)產(chǎn)生中應(yīng)用

基于溫度控制器的微波信號(hào)產(chǎn)生裝置如圖3所示，可調(diào)諧激光器TLS發(fā)出的激光經(jīng)耦合器(Coupler1 50∶50)分成兩束光(為了防止信號(hào)返回TLS，在TLS與耦合器(Coupler1)之間增加隔離器ISO)，其中一路信號(hào)經(jīng)偏振控制器PC2進(jìn)入環(huán)形器OC2的端口1，由環(huán)形器OC2的端口2進(jìn)入普通單模光纖SMF2，該信號(hào)在SMF2中產(chǎn)生背向布里淵散射。經(jīng)耦合器(Coupler1)分出的另一束信號(hào)進(jìn)入耦合器(Coupler2 70∶30)，其中30%的一路光信號(hào)經(jīng)摻鉺光纖放大器EDFA進(jìn)行放大，放大后的光信號(hào)作為單縱模激光器的泵浦信號(hào)。單縱模激光器包括環(huán)形器OC1、偏振控制器PC1、單模光纖SMF1和耦合器(Coupler3 80∶20)，其結(jié)構(gòu)如圖中虛線框所示，經(jīng)摻鉺光纖放大器EDFA放大的信號(hào)進(jìn)入光環(huán)形器OC1#1端口，從環(huán)形器OC1#2端口進(jìn)入單模光纖SMF1，該光信號(hào)在單模光纖SMF1產(chǎn)生背向布里淵散射，其散射信號(hào)沿著逆時(shí)針方向經(jīng)PC1、OC1和Coupler3傳輸；從Coupler3的20%端口輸出單縱模激光，該激光信號(hào)逆時(shí)針方向進(jìn)入單模光纖SMF2，在SMF2中產(chǎn)生布里淵放大，放大的信號(hào)經(jīng)環(huán)形器OC2#2端口進(jìn)環(huán)形器，從環(huán)形器OC2#3端口輸出進(jìn)入耦合器(Coupler1)，之后按照上述方式循環(huán)。上述單模光纖SMF1 SMF2由溫度控制系統(tǒng)TC統(tǒng)一控溫。經(jīng)耦合器(Coupler2)的70%分臂分出的光信號(hào)經(jīng)光纖光柵濾波器FBG和可調(diào)諧濾波通道OCTF進(jìn)行信號(hào)選取(為了防止產(chǎn)生反射效應(yīng)，在光的傳輸方向上增加了2個(gè)光隔離器ISO)，輸出的光信號(hào)被光電探測(cè)器PD轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，利用頻譜分析儀ESA進(jìn)行信號(hào)的分析。

當(dāng)泵浦波長為1 560 nm、溫度為室溫時(shí)，測(cè)量的輸出信號(hào)頻譜如圖4所示。從圖4可以看出信號(hào)的頻率約為21.6 GHz。當(dāng)泵浦波長為1 528 nm時(shí)，測(cè)量的微波信號(hào)頻率與溫度的關(guān)系如圖5所示。從圖5可以看出，隨著溫度的增加，微波信號(hào)頻率呈線性增加，斜率為0.95 MHz/℃；在25 ℃和85 ℃時(shí)的微波信號(hào)頻率大小分別為22.055、22.121 GHz。由于實(shí)驗(yàn)室缺乏更寬溫度范圍的TEC芯片，但是，從這個(gè)結(jié)果可以推測(cè)，在其他溫度情況下，也會(huì)有類似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3　結(jié)論

圖4　布里淵頻移與溫度的關(guān)系Fig.4　Relationship between Brillouin frequency and temperature

圖5　微波信號(hào)頻率與溫度的關(guān)系Fig.5　Relationship between microwave frequency and temperature

為了獲得高頻可調(diào)諧微波信號(hào)，首先設(shè)計(jì)了一種基于MSP430F149單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)通過溫度傳感器TMP112進(jìn)行溫度信息采集，驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的PWM波信號(hào)驅(qū)動(dòng)TEC芯片；其次，利用設(shè)計(jì)獲得的溫度控制系統(tǒng)，提出并驗(yàn)證了一種高頻可調(diào)諧微波信號(hào)產(chǎn)生的方法，該方法利用光纖布里淵散射放大效應(yīng)獲得多波長激光器，通過光纖濾波器濾波獲得了高頻微波信號(hào)輸出，調(diào)節(jié)溫度控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電壓控制增益光纖的溫度，獲得了22.055～22.121 GHz的可調(diào)諧微波信號(hào)。如果進(jìn)一步改變控制系統(tǒng)的溫度調(diào)諧范圍可以獲得更寬的微波信號(hào)輸出。

[1] 王波，閆連山，周威,等.分布式光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的高精度溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013,32(11):118-124.

[2] 呂飛，高峰，鄭橋,等.基于ADN8831的溫度控制系統(tǒng)在激光器中的應(yīng)用[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,34(7):1 096-1 020.

[3] 潘?？?，阮萍，李福,等.熱電制冷器制冷工作特性分析[J].紅外與激光工程，2011,40(6):1 006-1 010.

[4] 李江瀾，石云波，趙鵬飛,等.TEC的高精度半導(dǎo)體激光器溫控設(shè)計(jì)[J].紅外與激光工程，2014,43(6):1 745-1 749.

[5] 胡鵬程，時(shí)瑋澤，梅健挺.高精度鉑電阻測(cè)溫系統(tǒng)[J].光學(xué)精密工程,2014,22(4):988-995.

[6] 李立京，王穎，楊慧.超熒光光源溫度動(dòng)態(tài)特性的分析及控制[J].光學(xué)精密工程,2014,22(3):539-546.

[7] Johansson L A, Seeds A J. Generation and transmission of millimeter-wave data-modulated optical signals using an optical injection phase-lock loop[J].J Light-wave Technol, 2003,21(2):511-520.

[8] Torres-Company V, Fernandez-Alonso M, Lancis J, et al. Millimeter-wave and microwave signal generation by low bandwidth electro-optic phase modulation[J].Opt Express, 2006,14(21):9 617-9 626.

[9] Goldberg L, Taylor H F, Weller J F, et al. Microwave signal generation with injection-locked laser diodes[J].Electron Lett, 1983,19(13):491-493.

[10] Liu J, Zhan L, Xiao P, et al. Generation of step-tunable microwave signal using a multiwavelength Brillouin fiber laser[J].IEEE Photo Technol Lett, 2013,25(3):220-223.

[11] Wang R G, Zhang X P, Hu J H, et al. Photonic Generation of Tunable Microwave Signal using Brillouin Fiber Laser[J].OSA Applied Optics, 2012,51(8):1 028-1 032.

[12] Wang R G, Chen R, Zhang X P. Two Bands of Widely Tunable Microwave Signal Photonic Generation Based on Stimulated Brillouin Scattering[J].Optics Communication, 2013,287(15):192-195.

[13] 夏嵐，張旭蘋，李密,等.基于BOTDR的聲屏障受損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警閾值研究[J].光電子技術(shù)，2013,33(3):208-212.

(責(zé)任編輯：李華云)

Study on High Frequency Tunable Microwave Signal Generation Based on Brillouin Scattering

CHEN Dongjun1, YUAN Xin1, WANG Rugang1,2

School of Information Technology，Yancheng Institute of Technology，Yancheng Jiangsu 224051，China2． School of Information Science and Engineering，Southeast University，Nanjing Jiangsu 210096，China

In order to obtain high frequency tunable microwave signal, firstly, the temperature control system based on MSP430F149 microcontroller is designed, and a digital temperature sensor of TMP112 is used to collect temperature information, TEC chip is derived by the generated Pulse Width Modulation (PWM) from the controlled circuit. Secondly, by using the temperature control system, a method obtained high frequency tunable microwave signal generation is proposed and experimentally demonstrated, multi wavelength laser is obtained by using the Brillouin scattering amplification effect in optical fiber, through the optical fiber filters the high frequency microwave signal is obtained. The temperature controller is used to control the temperature of the optical fiber, and by adjusting the temperature of the controller, the tunable microwave signal from 22.055 to 22.121GHz can be obtained. The tunable frequency range can be further expanded by using a temperature control system with a wider adjustment range.

Temperature Control; Brillouin Scattering; Microwave signal

10.16018/j.cnki.cn32-1650/n.201503012

2015-06-02

江蘇省高校自然科學(xué)研究基金(14KJB510034);中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015M571637)

陳東軍(1991-)，男，安徽阜陽人，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理技術(shù)。

TP273

A

1671-5322(2015)03-0052-04