光生微波/毫米波系統(tǒng)中信號控制研究

陳海燕 (長江大學物理科學與技術學院，湖北 荊州 434023)

光生微波/毫米波系統(tǒng)中信號控制研究

陳海燕 (長江大學物理科學與技術學院，湖北 荊州 434023)

提出了一種基于單模光纖FP腔的光生微波/毫米波技術中的輸出信號控制方法，得到了輸出信號數(shù)目與外加應力之間的解析表達式。利用波長為1550.337nm的連續(xù)激光，經過100MHz的RF信號調制后入射單模光纖FP腔，得到了頻率為1.25GHz微波信號序列的波形圖。通過適當調節(jié)所施加的外力，可得到從微波到毫米波的光生信號。

信號處理；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，近些年來這一技術引起了廣泛關注[1～3]。常見的解決方案有布里淵散射、MZ調制、自外差法、半導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。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]。下面筆者將進一步研究單模光纖FP腔光生微波/毫米波技術中微波/毫米波信號的控制問題。

1 理論模型

在脈沖激光入射時，由于單模光纖中存在雙折射，單模光纖FP腔(Signal Model Filber FP Cavity,SMFFPC)的輸出信號具有外差特征。SMFFPC中單模光纖中的2個偏振模相位失配導致了拍頻的產生，這一拍頻即為微波/毫米波信號，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；Δn0表示單模光纖中的2個偏振模的本征折射率差；n是單模光纖中的2個偏振模的本征折射率的平均值(Δn0?n)；F是單位長度上所施加的外力；A為石英光纖的光應變系數(shù) (A=-3.7×10-12m2/N)[5]；r(2r=125μm) 為光纖的纖芯半徑。

普通標準單模光纖中的2個偏振模產生雙折射為Δn0/n～2×10-6，相應的拍頻為～ 0.4GHz。

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

(2)

式中，B表示損耗；i=x,y表示2個偏振模；ni為偏振模的折射率；L為光纖長度。

單模光纖中的2個本征偏振模所產生的衰蕩時間差Δτ為：

(3)

式(3)表明單模光纖中的雙折射越強，其所產生的衰蕩時間差就越大。一般來說，Δτ?τ0i,所以，在實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。當外力F施加到單模光纖時, 所產生的衰蕩時間τ為：

(4)

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

當C?B時，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，導致腔內損耗很大，腔內光波還未到達腔鏡就已衰減消失了，觀察不到輸出信號。

求解式(1)～(5) ，得到衰蕩過程中所產生的信號數(shù)目為：

(6)

圖1 信號數(shù)目與信號頻率隨外加應力的變化關系曲線

式(1)和式(6)表明，信號觀察到的微波/毫米波信號頻率和數(shù)目與外加壓力有關，在實際工作中，可以根據(jù)需要進行調節(jié)，以便對輸出微波/毫米波信號進行控制。標準單模石英光纖的折射率為1.48，令入射激光波長為1550.337nm，光纖長度為2mm，B=2，b=0.1g-1·m-1[6]。由式(1)和式(6)可得到信號數(shù)目與信號頻率隨外加應力之間的關系曲線，如圖1所示。值得注意的是，當N=0時，實際上是觀察不到輸出信號。

2 結果與討論

實驗裝置如圖2所示，由激光器(PRO 8000 WDM 源，調諧范圍1549.266～1550.966nm)、偏振控制器、調制器(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。光纖放大器用于補償系統(tǒng)損耗。調節(jié)可調諧激光器的波長使其與SMFFPC的傳輸波長匹配，調節(jié)偏振控制器使得入射光能激發(fā)SMFFPC中的2個偏振模，然后旋轉偏振片以合成SMFFPC中的2個偏振模。經過適當調節(jié)，就能得到SMFFPC輸出的微波/毫米波信號。

Laser:可調諧激光器，PC: 偏振控制器，MOD: 調制器，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 實驗裝置示意圖

圖3 100MHz調制信號波形

波長為1550.337nm的連續(xù)波激光，經過調制器，其上施加100MHz的RF信號，經調制后的激光波形由數(shù)字通信分析儀監(jiān)測。適當調節(jié)調制器的直流偏壓，就能得到很好的100MHz調制激光的波形。當直流偏壓為4.74V時，所得調制波形如圖3所示。

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

圖4 微波信號序列

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[編輯] 洪云飛

TN247

A

1673-1409(2009)01-N013-03

2008-12-27

國家自然科學基金資助項目(60777020)；湖北省自然科學基金資助項目(2005ABA311)；長江大學創(chuàng)新團隊資助項目。

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