尚海燕,馮德軍
1.太原工業(yè)學(xué)院電子工程系,山西 太原 030008;
2.山東大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250100
聯(lián)合微波技術(shù)和光子技術(shù),微波光子學(xué)在相控陣?yán)走_(dá)、傳感方面等具備潛在的應(yīng)用遠(yuǎn)景[1]。用光子技術(shù)產(chǎn)生微波信號(hào)是微波光子學(xué)研究的分支,具有容量高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)[2-3],于是得到廣泛研究者的關(guān)注。近年來(lái),出現(xiàn)了對(duì)微波信號(hào)的[4-14]光學(xué)生成許多報(bào)道。例如,用單縱模雙頻光纖激光器生成微波頻率信號(hào)[6];用兩段級(jí)聯(lián)分布反饋激光器或并聯(lián)分布反饋激光器產(chǎn)生微波信號(hào)[7];基于布里淵效應(yīng)[9],然后光處理得到微波信號(hào);利用光調(diào)制和濾波得到倍頻微波信號(hào)[13]等。這些研究方法大致上分為光外差[4]、外調(diào)制法兩大類,外調(diào)制法對(duì)射頻器件要求比較嚴(yán)格,前一種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低,更受廣大研究者的青睞。為了滿足雷達(dá)、無(wú)線電、儀器測(cè)量等各領(lǐng)域的市場(chǎng)發(fā)展需求,研究者們一直在為實(shí)現(xiàn)可調(diào)微波信號(hào)而不斷努力。Guan等[6]用分布式布拉格反射器(distributed bragg reflector,PZT)使得電壓變換器(piezodectric lransducer,DBR)光纖激光器受力,通過(guò)電壓來(lái)改變光纖折射率引起波長(zhǎng)間隔的變化,從而實(shí)現(xiàn)在大范圍內(nèi)可調(diào)信號(hào)。陳東軍等[8]、周鋒[12]等基于單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種溫度控制系統(tǒng),通 過(guò) 溫 度 控 制 實(shí) 現(xiàn) 22.055 GHz~22.121 GHz,10.837 GHz~11.076 GHz可調(diào)微波信號(hào),關(guān)鍵是要調(diào)整靈活的溫度控制頻率。洪蕾等[7]用PHB效應(yīng)抑制模式競(jìng)爭(zhēng),同時(shí)用激光的反向傳播來(lái)穩(wěn)定輸出,通過(guò)偏振態(tài)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的可調(diào)。
筆者基于線性腔摻鉺光纖激光器得到三波長(zhǎng)穩(wěn)定輸出,通過(guò)對(duì)光信號(hào)在探測(cè)器中拍頻得到約11 GHz,21 GHz和 32 GHz微波信號(hào),可廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、無(wú)線電導(dǎo)航和衛(wèi)星通訊,未采用其它控制系統(tǒng)和光子濾波器,實(shí)現(xiàn)了頻率的可調(diào)性。
可調(diào)微波信號(hào)產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。光纖激光器輸出的光信號(hào)依次經(jīng)偏振控制器、檢偏器后,輸入高速光電探測(cè)器,然后在頻譜分析儀上顯示輸出微波信號(hào)。為了便于同時(shí)觀察激光器的輸出光譜以及產(chǎn)生微波信號(hào)的頻譜,實(shí)驗(yàn)中在檢偏器之后,探測(cè)器之前,接入波分比為8∶2的光耦合器。其中80%的輸出輸入原探測(cè)器,另一端作為監(jiān)測(cè)輸入光譜儀。
圖1 可調(diào)微波信號(hào)產(chǎn)生示意圖Fig.1 Schematic diagram of generation of tunable microwave signal
光纖激光器[15]由鉺離子作為增益介質(zhì),兩個(gè)長(zhǎng)度分別為4.7 mm、3.5 mm的光纖光柵構(gòu)成線性腔結(jié)構(gòu),總長(zhǎng)達(dá)13.2 mm(見(jiàn)圖1)。用寬譜光源測(cè)量該激光器,得到其透射譜和反射譜如圖2所示。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出該激光器的中心波長(zhǎng)為1 544.948 nm,透射深度16.52 dB,譜線寬度0.112 nm。
圖2 線性腔光纖激光器的透射譜(a)和反射譜(b)Fig.2 (a)Optical transmission spectrum and(b)optical reflection spectrum of linear cavity fiber laser
摻鉺光纖激光器的輸出拍頻滿足式(1):
式(1)中,c為真空中的光的速度,λ0為激光的中心波長(zhǎng),n0和B為光纖的平均折射率和本征雙折射。顯然,激光器輸出拍頻跟光纖的本征雙折射密切相關(guān),只要能通過(guò)一定的方法來(lái)改變參數(shù)B,那么就可得到不同頻率的微波信號(hào)。
由于光纖的本征雙折射,激光器輸出為nx、ny雙偏振模式。實(shí)驗(yàn)中激光器的輸出經(jīng)偏振分束器后,得到圖3所示光譜圖。當(dāng)調(diào)節(jié)激光器的輸出為圖3(a)狀態(tài)時(shí),在偏振分束器的兩個(gè)端口分別得到圖3(b)所示,其中1表示一個(gè)端口的輸出,2表示另一端。顯然,激光器的兩個(gè)輸出波長(zhǎng)呈現(xiàn)正交,那么只要能引起激光器偏振狀態(tài)的改變,就可以實(shí)現(xiàn)微波頻率的可調(diào)。
圖3(a)光纖激光器的雙波長(zhǎng)輸出光譜,(b)通過(guò)偏振分束器后得到的光譜Fig.3 (a)Dual-wavelength output optical spectrum and(b)optical spectrum obtained by polarization beam splitter of optical fiber laser
在實(shí)驗(yàn)中,逐漸增加泵浦功率至適當(dāng)值,可在光譜儀和頻譜儀上觀察到激光器的輸出光譜和拍頻信號(hào)。當(dāng)泵浦功率為241.8 mW時(shí),測(cè)得光譜以及相應(yīng)的頻譜如圖4所示。由圖4(a)得出激光器輸出波長(zhǎng)依次為1 544.782 nm、1 544.948 nm、1 545.032 nm,此輸出波長(zhǎng)與圖2中透射譜中的一致,且此時(shí)3個(gè)波長(zhǎng)的強(qiáng)度分布比較均勻。按照經(jīng)典拍頻理論,波長(zhǎng)間隔分別為0.166 nm、0.084 nm、0.25 nm可得到 20.75 GHz、10.5 GHz、31.25 GHz微波信號(hào)。由圖4(b)得到頻率依次為10.521 GHz、21.249 GHz、31.770 GHz的信號(hào),相應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度依次為38.497 dBm、44.926 dBm、59.785 dBm。顯然隨著頻率增高,信號(hào)強(qiáng)度呈現(xiàn)遞減趨勢(shì),這種現(xiàn)象主要是由于光電探測(cè)器(20 GHz)帶寬有限所致,若能改善實(shí)驗(yàn)條件,就可消除這種功率被抑制的現(xiàn)象。
圖4 光纖激光器(a)三波長(zhǎng)輸出光譜和(b)拍頻信號(hào)Fig.4 (a)Triple-wavelength output optical spectrum and(b)corresponding beat signals of optical fiber laser
經(jīng)過(guò)合理微調(diào)偏振方向,從而轉(zhuǎn)換中心波長(zhǎng),同時(shí)得到不同頻率信號(hào),實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)諧,如圖5所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,激光器的任意一種輸出都很穩(wěn)定,而且拍頻頻譜清晰無(wú)干擾。只要調(diào)整偏振控制的方向,就可實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)頻率的快速可調(diào)諧性。
除此之外,相位噪聲是影響微波可調(diào)的一個(gè)重要因素。由于本實(shí)驗(yàn)注重于微波信號(hào)的可調(diào)以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單這兩方面的問(wèn)題,因此不便與其他方案作出比較。
圖5 光纖激光器(a)輸出1 544.948 nm,1 545.032 nm波長(zhǎng)的光譜和相應(yīng)的拍頻(b)和(d)光纖激光器;(c)輸出1 544.782 nm,1 544.948 nm波長(zhǎng)的光譜和相應(yīng)的拍頻;(e)輸出1 544.782 nm,1 545.032 nm波長(zhǎng)的光譜和相應(yīng)的拍頻(f)最后一張的拍頻Fig.5 (a)The optical spectrum of optical fiber laser output at 1 544.948 nm and 1 545.032 nm and(b)corresponding beat signals;(c)the optical spectrum of optical fiber laser output at 1 544.782 nm,1 544.948 nm and(d)corresponding beat signals;(e)the optical spectrum of optical fiber laser output at 1 544.782 nm,1 545.032 nm and(f)corresponding beat signals
以上經(jīng)過(guò)理論分析并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種基于線性腔摻鉺光纖激光器產(chǎn)生可調(diào)微波信號(hào)的方法,獲得了良好的效果。此方法避免了復(fù)雜的環(huán)形設(shè)計(jì)、調(diào)制器件和控制裝置,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu),同時(shí)不需要光陷波濾波器,即可實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)調(diào)諧輸出。在實(shí)驗(yàn)中,合理調(diào)整激光器的輸出狀態(tài),實(shí)現(xiàn)了微波信號(hào)在 10.521 GHz、21.249 GHz、31.770 GHz的頻率可調(diào)。此方案降低了系統(tǒng)成本,且操作簡(jiǎn)單,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該線性腔光纖激光器易調(diào)諧、頻譜純度高。
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