基于線性腔光纖激光器產生可調微波信號的研究

尚海燕，馮德軍

1.太原工業(yè)學院電子工程系，山西 太原 030008；

2.山東大學信息科學與工程學院，山東 濟南 250100

聯(lián)合微波技術和光子技術，微波光子學在相控陣雷達、傳感方面等具備潛在的應用遠景［1］。用光子技術產生微波信號是微波光子學研究的分支，具有容量高、功耗低、結構簡單、抗電磁干擾等優(yōu)點［2-3］，于是得到廣泛研究者的關注。近年來，出現(xiàn)了對微波信號的［4-14］光學生成許多報道。例如，用單縱模雙頻光纖激光器生成微波頻率信號［6］；用兩段級聯(lián)分布反饋激光器或并聯(lián)分布反饋激光器產生微波信號［7］；基于布里淵效應［9］，然后光處理得到微波信號；利用光調制和濾波得到倍頻微波信號［13］等。這些研究方法大致上分為光外差［4］、外調制法兩大類，外調制法對射頻器件要求比較嚴格，前一種方法結構簡單、成本低，更受廣大研究者的青睞。為了滿足雷達、無線電、儀器測量等各領域的市場發(fā)展需求，研究者們一直在為實現(xiàn)可調微波信號而不斷努力。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，通過電壓來改變光纖折射率引起波長間隔的變化，從而實現(xiàn)在大范圍內可調信號。陳東軍等［8］、周鋒［12］等基于單片機設計了一種溫度控制系統(tǒng)，通 過 溫 度 控 制 實 現(xiàn) 22.055 GHz～22.121 GHz，10.837 GHz～11.076 GHz可調微波信號，關鍵是要調整靈活的溫度控制頻率。洪蕾等［7］用PHB效應抑制模式競爭，同時用激光的反向傳播來穩(wěn)定輸出，通過偏振態(tài)的調節(jié)實現(xiàn)微波信號的可調。

筆者基于線性腔摻鉺光纖激光器得到三波長穩(wěn)定輸出，通過對光信號在探測器中拍頻得到約11 GHz，21 GHz和 32 GHz微波信號，可廣泛應用于雷達、無線電導航和衛(wèi)星通訊，未采用其它控制系統(tǒng)和光子濾波器，實現(xiàn)了頻率的可調性。

1 實驗部分

可調微波信號產生的實驗結構如圖1所示。光纖激光器輸出的光信號依次經偏振控制器、檢偏器后，輸入高速光電探測器，然后在頻譜分析儀上顯示輸出微波信號。為了便于同時觀察激光器的輸出光譜以及產生微波信號的頻譜，實驗中在檢偏器之后，探測器之前，接入波分比為8∶2的光耦合器。其中80%的輸出輸入原探測器，另一端作為監(jiān)測輸入光譜儀。

圖1 可調微波信號產生示意圖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，兩個長度分別為4.7 mm、3.5 mm的光纖光柵構成線性腔結構，總長達13.2 mm（見圖1）。用寬譜光源測量該激光器，得到其透射譜和反射譜如圖2所示。由實驗數(shù)據(jù)分析得出該激光器的中心波長為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，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，只要能通過一定的方法來改變參數(shù)B，那么就可得到不同頻率的微波信號。

由于光纖的本征雙折射，激光器輸出為nx、ny雙偏振模式。實驗中激光器的輸出經偏振分束器后，得到圖3所示光譜圖。當調節(jié)激光器的輸出為圖3（a）狀態(tài)時，在偏振分束器的兩個端口分別得到圖3（b）所示，其中1表示一個端口的輸出，2表示另一端。顯然，激光器的兩個輸出波長呈現(xiàn)正交，那么只要能引起激光器偏振狀態(tài)的改變，就可以實現(xiàn)微波頻率的可調。

圖3（a）光纖激光器的雙波長輸出光譜，（b）通過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

2 結果與討論

在實驗中，逐漸增加泵浦功率至適當值，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。當泵浦功率為241.8 mW時，測得光譜以及相應的頻譜如圖4所示。由圖4（a）得出激光器輸出波長依次為1 544.782 nm、1 544.948 nm、1 545.032 nm，此輸出波長與圖2中透射譜中的一致，且此時3個波長的強度分布比較均勻。按照經典拍頻理論，波長間隔分別為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。由圖4（b）得到頻率依次為10.521 GHz、21.249 GHz、31.770 GHz的信號，相應信號強度依次為38.497 dBm、44.926 dBm、59.785 dBm。顯然隨著頻率增高，信號強度呈現(xiàn)遞減趨勢，這種現(xiàn)象主要是由于光電探測器（20 GHz）帶寬有限所致，若能改善實驗條件，就可消除這種功率被抑制的現(xiàn)象。

圖4 光纖激光器（a）三波長輸出光譜和（b）拍頻信號Fig.4 （a）Triple-wavelength output optical spectrum and（b）corresponding beat signals of optical fiber laser

經過合理微調偏振方向，從而轉換中心波長，同時得到不同頻率信號，實現(xiàn)頻率調諧，如圖5所示。實驗過程中，激光器的任意一種輸出都很穩(wěn)定，而且拍頻頻譜清晰無干擾。只要調整偏振控制的方向，就可實現(xiàn)微波信號頻率的快速可調諧性。

除此之外，相位噪聲是影響微波可調的一個重要因素。由于本實驗注重于微波信號的可調以及結構簡單這兩方面的問題，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波長的光譜和相應的拍頻（b）和（d）光纖激光器；（c）輸出1 544.782 nm，1 544.948 nm波長的光譜和相應的拍頻；（e）輸出1 544.782 nm，1 545.032 nm波長的光譜和相應的拍頻（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

3 結 語

以上經過理論分析并實驗驗證了一種基于線性腔摻鉺光纖激光器產生可調微波信號的方法，獲得了良好的效果。此方法避免了復雜的環(huán)形設計、調制器件和控制裝置，簡化了系統(tǒng)裝置結構，同時不需要光陷波濾波器，即可實現(xiàn)微波信號調諧輸出。在實驗中，合理調整激光器的輸出狀態(tài)，實現(xiàn)了微波信號在 10.521 GHz、21.249 GHz、31.770 GHz的頻率可調。此方案降低了系統(tǒng)成本，且操作簡單，實驗結果表明該線性腔光纖激光器易調諧、頻譜純度高。

［1］ CAPMANY J，NOVAK D.Microwave photonics combines twoworlds［J］.NaturePhotonics， 2007，1（6）：319-330.

［2］ 董毅.微波光子技術［J］.光學與光電技術，2016，14（1）：5-10.

［3］ 李海鷗，李思敏，陳明，等.微波光子技術的研究進展［J］.光通信技術，2011，15（8）：24-28.

［4］ 王沁泉，陳福深.光學外差法產生微波信號特性的研究［J］.半導體光電，2009，30（6）：955-957，965.

［5］ 趙俊杰，金明錄，孫鵬.基于光外差理論的毫米波RoF系統(tǒng)研究［J］.光傳輸技術，2011，35（3）：33-35.

［6］ GUAN B O， ZHANG Y， ZHANG L W， et al.Electrically tunable microwave generation using compact dual-polarization fiber laser［J］.IEEE Photonics Technolcgy Letter，2009，21（11）：727-729.

［7］ 洪蕾，蘇覺，楊利，等.一種頻率可調的光學生成微波毫米波波源［J］.光電子激光，2011，22（1）：64-66.

［8］ 陳東軍，袁鑫，王如剛.基于布里淵散射的高頻可調諧微波信號產生技術的研究［J］.鹽城工學院學報（自然科學版），2015，28（3）：52-55.

［9］ 沈穎，王榮，蒲濤.基于高階受激布里淵散射的高頻微波 信 號 產 生 技 術［J］.光 學 學 報 ，2010，30（6）：1571-1575.

［10］ 賈青松，王天樞，張鵬，等.基于雙波長布里淵光纖激光器的微波信號產生［J］.中國激光，2014，41（7）：145-148.

［11］ 朱海玲，潘煒，陳吉欣，等.基于單通帶微波光子濾波的多倍頻微波信號產生［J］.中國激光，2013，40（1）：154-158.

［12］ 周鋒，王如剛，紀正飚，等.基于高精度TEC溫度控制器的可調光子微波信號產生的研究［J］.光電子激光，2014，25（9）：1691-1694.

［13］ 吳波，于晉龍，劉毅，等.基于低速光調相信號注入DFB-LD產生4～6倍頻的40 GHz和60 GHz毫米波信號［J］. 中國激光，2011，38（11）：150-156.

［14］ 李晶，寧提綱，祁春慧，等.基于光學倍乘法產生光毫米波的全雙工毫米波光纖傳輸系統(tǒng)設計［J］.中國激光，2009，36（3）：607-613.

［15］ FU S，SHI W，F(xiàn)ENG Y，et al.Review of recent progress on single-frequency fiber lasers Invited［J］.Journal of the Optical Society of America B，2017，34（3）：A49-A62.