基于无源光纤环形腔双折射的光生毫米波技术

(长江大学物理科学与技术学院，湖北 荆州434023）

充分利用光纤带宽的射频光纤(ROF）技术是目前研究的热点之一。ROF技术是一种光和微波／毫米波相结合的通信技术，或者说是一种利用光纤链路传输射频信号的技术。ROF技术在卫星遥测、移动通信、光纤接入网以及光纤到家系统中具有广泛的应用前景。高性能微波／毫米波信号源是ROF系统的一项关键技术[1-5]。目前发展的用于光生微波／毫米波的技术主要有布里渊散射技术、谐波锁模技术、MZ干涉调制技术、外差技术、注入锁定四波混频共轭技术、光纤布拉格光栅技术以及FP腔等。文献[6-7]提出了一种基于单模光纤FP腔的光生微波／毫米波方案，下面笔者提出并理论研究一种基于无源光纤环形腔的光生毫米波方法，并讨论单模光纤双折射参数、环形腔的损耗、耦合系数对所产生毫米波信号频率、强度的影响。

1 无源光纤环形腔产生毫米波的原理

假设环形腔腔长为l，光纤功率损耗系数为α，耦合器的功率耦合系数为（t，k）。环形腔结构图如图1所示，环形腔产生毫米波示意图如图2所示。设入射光为稳频的单模激光，其幅度为E0，频率为ω0，随机初相位为φ（t），光波场可表示为：

图1 环形腔结构图

图2 环形腔产生毫米波示意图

定义耦合器的前向传输耦合系数为t，t′，交叉耦合系数k，k′，α为因损耗而对应的衰减系数的振幅，令γ＝exp（-αl）。为了满足能量守恒，耦合系数必须满足：

所以环形腔里的总电场为：

式中，φ为相位延时因子。设环形腔的有效折射率为n，光在真空中的波长为λ，则相位延时φ＝2πnl／λ。

设输入前的偏振片和输出时偏振光束分光镜与光纤环形腔的激光传输方向的夹角为β和θ，光束单次在谐振腔中传输1周的2个偏振模的相位差为：

式中，φx（nx）和φy（ny）分别表示x方向和y方向的相位（有效折射率）。

单色光在谐振腔中m次往返，环形腔输出的幅度可表述为：

当注入的单色光停止时，一部分光还会在环形腔中循环n次。光纤环形腔输出的总电场为：

经过偏振分束镜之后的电场为：

输出的强度与入射光的强度I0比值为：

拍频（即毫米波）信号为：

式中，E＊表示E的复共轭。图3和图4分别表示经输出光纤环形腔和偏振分束镜之后的输出光性能。假设前向耦合系数t＝0．99，损耗因子γ＝0．999，偏振延迟分别为φx＝0，φy＝5π／72，m＝0，…，1000，n＝0，…，1500，β＝π／6，θ＝π／4，腔长l＝1m，输入谐振腔的波长λ＝1550nm，经计算只运行1周的时间为10ns。

图3 输出X，Y偏振模的幅度-时间关系

图4 光纤中输出的毫米波信号的幅度-时间关系

2 数值计算结果与讨论

图5所示是前向耦合系数分别为0．985、0．99、0．995时输出的毫米波信号与在环形腔中运行的时间之间的关系。通过比较分析可以得出输出的毫米波信号的最大振幅随着前向耦合系数的增大而减小，毫米波信号的脉冲个数随着耦合系数的增加而增加，但是2个脉冲的间隔是相等的。

图6表示损耗因子γ分别在0．995、0．999、1．001下，输出的毫米波信号振幅与环形腔中运行时间关系。γ为1．001表示环形腔此时是有增益的。通过比较发现，损耗的增加会使输出的毫米波信号相对振幅变大，而且脉冲序列也会随着变多。这表明如果在环形腔中加入放大器，那么输出的光信号强度会变大，而且还会得到更多的脉冲串，那么对于有源环形腔而言，可以通过改变增益的大小来获得功率更强的毫米波信号，但是增益也不能无限大，当光强达到一定值后，环形腔中就会出现一些其他的非线性效应，从而使输出的毫米波脉冲发生畸变。所以应该适当的选择增益的大小。

图5 t为0．985、0．99、0．995时毫米波信号输出

图6 γ为0．995、0．999、1．001时毫米波信号输出

图7分别为相位延迟因子在π／18、5π／72、π／12时，毫米波信号的输出与光在环形腔运行时间的关系图。随着相位延迟的增加，信号的相对幅度变小，脉冲的序列却在增加，而且脉冲的间隔也在减小，即毫米波的频率变大。相位的延迟与双折射是成比例的，当环形腔的腔长不变时，相位的延迟因子与折射率是成正比的。通过控制双折射，就能控制所产生的毫米波。利用这一点也可以将环形腔的双折射用于传感，当有外界压力作用于光纤上，通过测出所产生的毫米波的变化，通过他们之间的特定关系，就可以得到外力的大小。取折射率差在10-5到2．5×10-4之间变化，本征折射率n＝1．5，输入的波长为λ＝1550nm。图8表示2偏振光的折射率差与产生的毫米波的频率之间的关系图，从图8可以清楚的发现，产生的毫米波与相位差成线性关系，当双折射差为2．33×10-4时，可以得到30GHz的毫米波信号。

图7 Δφ为π／18、5π／72、π／12时毫米波信号输出

图8 折射率差Δn与频率f的关系

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