光生微波/毫米波系统中信号控制研究

陈海燕 (长江大学物理科学与技术学院，湖北 荆州 434023)

光生微波/毫米波系统中信号控制研究

陈海燕 (长江大学物理科学与技术学院，湖北 荆州 434023)

提出了一种基于单模光纤FP腔的光生微波/毫米波技术中的输出信号控制方法，得到了输出信号数目与外加应力之间的解析表达式。利用波长为1550.337nm的连续激光，经过100MHz的RF信号调制后入射单模光纤FP腔，得到了频率为1.25GHz微波信号序列的波形图。通过适当调节所施加的外力，可得到从微波到毫米波的光生信号。

信号处理；光生微波/毫米波；光外差

光生微波/毫米波系统具有高速、低成本及高稳定性等优点，近些年来这一技术引起了广泛关注[1～3]。常见的解决方案有布里渊散射、MZ调制、自外差法、半导体激光器注入锁模四波混频共轭模法及双边带传输布拉格光纤光栅滤波法等技术。其中自外差法是一种十分典型有用方法。在以前工作中，笔者曾提出了一种基于单模光纤FP腔的光生微波/毫米波方法[4]。下面笔者将进一步研究单模光纤FP腔光生微波/毫米波技术中微波/毫米波信号的控制问题。

1 理论模型

在脉冲激光入射时，由于单模光纤中存在双折射，单模光纤FP腔(Signal Model Filber FP Cavity,SMFFPC)的输出信号具有外差特征。SMFFPC中单模光纤中的2个偏振模相位失配导致了拍频的产生，这一拍频即为微波/毫米波信号，其频率可表示成[4]：

(1)

式中，c为真空中的光速；λ0是入射激光的波长；Δn0表示单模光纤中的2个偏振模的本征折射率差；n是单模光纤中的2个偏振模的本征折射率的平均值(Δn0≪n)；F是单位长度上所施加的外力；A为石英光纤的光应变系数 (A=-3.7×10-12m2/N)[5]；r(2r=125μm) 为光纤的纤芯半径。

普通标准单模光纤中的2个偏振模产生双折射为Δn0/n～2×10-6，相应的拍频为～ 0.4GHz。

另一方面，拍频只在入射脉冲的上升沿和下降沿产生。当脉冲激光入射时, 高精细度SMFFPC的输出光强度表现出指数衰减特性，其衰减时间称为衰荡时间。考虑单模光纤中的双折射，衰荡时间τ0可表示成[6]：

(2)

式中，B表示损耗；i=x,y表示2个偏振模；ni为偏振模的折射率；L为光纤长度。

单模光纤中的2个本征偏振模所产生的衰荡时间差Δτ为：

(3)

式(3)表明单模光纤中的双折射越强，其所产生的衰荡时间差就越大。一般来说，Δτ≪τ0i,所以，在实际操作中可以不必考虑这一微小差别。在下面的研究中，忽略这一微小差别，用光纤平均折射率代替偏振模的折射率。当外力F施加到单模光纤时, 所产生的衰荡时间τ为：

(4)

式中,C表示外力产生的损耗，C=bLF；b表示损耗系数，g-1·cm-1。

当C≪B时，用一阶近似方法，式(4)可写成：

(5)

式中τgt;0。τ=0的情况表示由于外加压力太大，导致腔内损耗很大，腔内光波还未到达腔镜就已衰减消失了，观察不到输出信号。

求解式(1)～(5) ，得到衰荡过程中所产生的信号数目为：

(6)

图1 信号数目与信号频率随外加应力的变化关系曲线

式(1)和式(6)表明，信号观察到的微波/毫米波信号频率和数目与外加压力有关，在实际工作中，可以根据需要进行调节，以便对输出微波/毫米波信号进行控制。标准单模石英光纤的折射率为1.48，令入射激光波长为1550.337nm，光纤长度为2mm，B=2，b=0.1g-1·m-1[6]。由式(1)和式(6)可得到信号数目与信号频率随外加应力之间的关系曲线，如图1所示。值得注意的是，当N=0时，实际上是观察不到输出信号。

2 结果与讨论

实验装置如图2所示，由激光器(PRO 8000 WDM 源，调谐范围1549.266～1550.966nm)、偏振控制器、调制器(JDS Uniphase OC-192)、 RF发生器(hp 8341B synthesized sweeper, 10MHz～20GHz)、单模光纤FP腔、光纤放大器 (EDFA, Highwave Optical Technologies)、带通滤波器(Newport)、偏振片及数字通信分析仪( hp 83480A digital communication analyzer)组成。光纤放大器用于补偿系统损耗。调节可调谐激光器的波长使其与SMFFPC的传输波长匹配，调节偏振控制器使得入射光能激发SMFFPC中的2个偏振模，然后旋转偏振片以合成SMFFPC中的2个偏振模。经过适当调节，就能得到SMFFPC输出的微波/毫米波信号。

Laser:可调谐激光器，PC: 偏振控制器，MOD: 调制器，RF: RF 发生器， EDFA: 光纤放大器，Filter: 带通滤波器，Polarizer: 偏振片，DCA: 数字通信分析仪。图2 实验装置示意图

图3 100MHz调制信号波形

波长为1550.337nm的连续波激光，经过调制器，其上施加100MHz的RF信号，经调制后的激光波形由数字通信分析仪监测。适当调节调制器的直流偏压，就能得到很好的100MHz调制激光的波形。当直流偏压为4.74V时，所得调制波形如图3所示。

图4是一个所得到的微波信号序列波形图，可观察到强度不同的5个波列，其频率为1.25GHz。通过调节施加外力的大小，就能得到不同的信号频率和波列数目，并能得到从微波到毫米波的光生信号。

图4 微波信号序列

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[编辑] 洪云飞

TN247

A

1673-1409(2009)01-N013-03

2008-12-27

国家自然科学基金资助项目(60777020)；湖北省自然科学基金资助项目(2005ABA311)；长江大学创新团队资助项目。

陈海燕(1965-)，男，1988年大学毕业，博士，教授，现主要从事通信技术、RoF技术等方面的教学与研究工作。