全光纖可調諧微波、毫米波發生裝置的制作方法

專利名稱：全光纖可調諧微波、毫米波發生裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種微波、毫米波發生裝置，適用于光纖微波通信RoF: Radio on/overFiber)、微波光子、光纖傳感、光纖激光器、光纖通信以及雷達等領域。
背景技術：
對人類來說，21世紀留給我們的最大資產是電波和光融合的電磁波波段。 換言之，現代通信的關鍵是"光和無線"。微波光子技術將微波學和光學融合在一 起，成為一個全新的技術領域，通常稱為Microwave Photonics簡稱MWP)。光 子技術和微波、毫米波的集成在遠程通信的發展上打開了一個神奇的、充滿希 望的領域。光技術和電波技術相融合，利用光纖具有的低損耗、大容量、無感 應、重量輕、易于搬運等特點，在傳統的微波技術中引入光技術，可組成信息 社會的基礎網絡，充分利用光纖的寬帶寬、無線的自由，達到個別技術不斷發 展也無法實現的通信系統高功能化和高度化，提供最后一公里的最佳解決途徑。 這種在無線/移動通信的接入系統中、在軍用的天線遠程控制以及智能交通系 統中把光纖通信和微波通信結合的系統就是光纖微波通信RoF: Radio on/over Fiber)。 RoF技術在無線/移動通信系統中應用，可將基站端的基帶處理、調 制、混頻功能后移到基站控制器端集中處理，而基站端只保留光電轉換、濾波 和放大功能，這樣可大大降低基站的成本，在未來的密集微蜂窩通信系統中， 由于基站數量眾多，采用RoF技術可大大降低系統的成本。微波光纖通信系統， 光域上的微波光子信號處理，比起傳統基于電子設備的微波信號處理，微波光 子信號處理具有時間帶寬積高、抗電磁干擾、線路和設備間的串擾小、調諧方 便的優點，微波光子信號處理技術是在光域上對微波信號處理，它能與RoF傳
輸系統天然匹配，中間無需光電和電光轉換設備。電處理器的帶寬限制了高帶 寬的光電信號的處理，以光子取代電子，在較高的速率處理信號，這樣就可以 避免電子瓶頸。微波光子集中了射頻波和光纖的優點，在射頻波和光纖之間透 明轉換。微波提供了低成本可移動無線連接方式，而光纖提供了低損耗寬帶連 接，該連接方式不受電的影響。在光纖中實現射頻波的帶通傳輸，無衰減，無 信道間的相互干擾。
微波在衛星通信和陸地移動通信中的應用日益普遍，而微波發生器在通信 系統中占有十分重要的地位，是關鍵的核心部件。
微波可以通過電域的模擬電路或者數字電路得到，但頻率局限在幾個GHz 以下，難以產生更高頻率的微波、毫米波信號。
隨著現存的系統面臨頻率帶寬短缺的問題，對高速數據傳輸的需要愈來愈 迫切，利用光子方法產生微波、毫米波技術具有很大的吸引力，可以實現寬頻 域載波信號范圍和光纖連接的低損傳輸，受到越來越多研究者的關注。其中基
于1550nm波長窗口的光子技術對于利用光纖鏈路傳輸RF信號、光纖遙感和光 纖測量設備等顯得更為重要。從它的實現技術上來說，它主要采用超快光電轉 換器技術將光信號轉換成電信號，例如，超快光電探測器等。寬帶和大功率光 電探測器的出現使得光子方法產生微波、毫米波信號技術變成可能，完全可以 取代過去傳統的電子RF信號發生器。從它的應用前景和研究意義來說，隨著頻 率的增加，微波、毫米波的傳輸變得越來越困難，這也為光子技術在產生微波、 毫米波信號中的應用提供了很好的舞臺。
光子方法產生毫米波/微波信號最典型的技術為光外差技術，光外差技術主 要基于光學拍頻，它的主要原理為:當兩個不同波長的光波同時經過一個探測器 探測時，探測器的輸出將產生一個微波頻率，并且該頻率為兩個光波頻率之差。
如果其中一個光載波調制了數據信號，那么探測到的信號中也將包含上變頻到 微波頻率中的數據。為了獲得高質量的射頻載波信號，兩個光信號應該相千， 這也就是說，它們最好是在同一個激光腔中產生，這會導致需要專門設計激光 器的麻煩。
光學方法產生微波、毫米波是一項微波光子學的關鍵技術。利用光電技術 產生微波頻率的傳統方法是基于兩個可調諧的頻率相近的激光束，這就要求激 光器具有非常好的頻率穩定性。另一種方法是在復雜的光學整合電路中，頻移
射頻調制激光器頻率，但是該方法僅限于產生低頻信號〈1GHZ)。最近，又研究 了很多用于產生微波、毫米波信號的新方法有將光纖環共振腔作為頻率調制 器，利用光纖的布里淵散射作用產生相位調制的微波信號；有采用兩個或多個 固態微芯片溫度和電壓調諧激光器的干涉產生動態可調諧、低噪聲的微波、毫
米波信號，頻率從幾個GHz到100GHz;有采用布拉格光柵取代馬赫-曾德干涉儀 作為濾波器，產生微波、毫米波；還有基于非啁啾高斯脈沖在傳輸過程中的色 散和非線性效應產生復雜頻率的微波、毫米波。這些產生方法，結構復雜，穩 定性差，產生的效率不高。

發明內容
為了克服已有的微波、毫米波電的或者光學方法產生的不足，本發明提供 一種全光纖可調諧微波、毫米波發生裝置。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的構成全光纖可調諧微波、毫米 波發生裝置的部件之間的連接
選擇一定長度的雙芯光纖，在第一根光纖的一側，選擇一段L進行研磨， 磨至光纖包層厚度3-10微米，在拋光后的光纖側面上依次鍍第一電極，高電光 系數聚合物材料，第二電極，制作相位精調器；改變第一電極和第二電極上施
加的交流或直流電壓V，使高電光系數聚合物材料的折射率發生變化，從而引起 光纖上垂直耦合效應變化實現相位精調；
雙芯光纖中第一根光纖一端與一定長度的延遲線的一端連接，延遲線的另 一端與第一個Y分器的一個分支端連接；第二根光纖的一端接入第一個Y分器
的另一分支端；雙芯光纖中第一根光纖的另一端接入第二個Y分器的一個分支
端，第二根光纖的另一端接入第二個Y分器的另一分支端；
可調諧光纖光柵接入環行器的第二個端口，光纖光柵的波長和色散量的調
諧通過改變光柵上施加的應力或溫度來實現；
環行器的第一個端口與激光源相連接，環行器的第三個端口與第一個Y分 器的一字端連接；
第二個Y分器的一字端與高速光電探測器輸入端連接，高速光電探測器輸 出頻率范圍幾個GHz到幾百GHz的可調諧微波、毫米波信號。
所述的一定長度的雙芯光纖、 一定長度的延遲線，相位精調器長度L以及 相位精調器上電壓的值根據調諧后輸出的微波、毫米波頻率來確定，彼此之間 的關系滿足以下公式
_ 2[r02c + /y(i + c2)]" Wf = (r。2+c/y)2+(A/)2
其中，Mv為輸出微波、毫米波脈沖頻率，r。為脈沖的初始寬度，c為脈沖啁啾
系數，s為一定長度的延遲線和長度L的相位精調器引入的群時延，/為雙芯光
纖長度，A為色散系數。
本發明的有益效果具體如下
微波可以通過電域的模擬電路或者數字電路得到，但是頻率局限在幾個 GHz以下，難以產生更高頻率的微波、毫米波信號。已有的光學方法產生微波、
毫米波信號的方法，結構復雜，穩定性差，產生的效率不高。
本發明所述的全光纖可調諧微波、毫米波發生裝置，集中射頻波和光波技 術的優點，充分利用啁啾光纖光柵的波長選擇特性和色散特性，對輸入脈沖引 入色散。采用光纖延遲線和大的電光系數聚合物材料在光纖上的垂直耦合效應
變化實現相位精調，對輸入脈沖引入精確可調的延遲量。利用雙芯光纖制備M-Z
干涉儀，引入脈沖的干涉效應，具有極高的高穩定性。最后脈沖在經過色散、
延遲和干涉效應以后可產生幾個GHz到幾百GHz的微波、毫米波信號，產生微 波、毫米波信號的頻率高、范圍大。調諧光纖光柵的中心波長和色散量，實現 輸出微波、毫米波信號的強度、頻率以及持續時間的調諧，改變相位精調器上 的電壓，可以進行輸出微波、毫米波信號的高精度調諧，具有更高的性價比。
本發明所述的全光纖可調諧微波、毫米波發生裝置，其為全光纖結構，與 光纖微波系統兼容性好，結構緊湊、更有利于光子產生較高頻率的微波信號， 容易實現小型化和可集成化，且受環境影響小、成本低、易于實施，在通信、 信號處理、雷達等領域具有廣闊的應用前景。


圖l為全光纖可調諧微波、毫米波發生裝置示意圖。
圖2為全光纖可調諧微波、毫米波發生裝置中的相位精調裝置示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一歩描述。 實施例一
一種全光纖可調諧微波、毫米波發生裝置，構成該裝置的部件之間的連接:
1. 選擇一段2厘米長的雙芯光纖，其中第一根光纖71，第二根光纖72;
2. 制作相位精調器60:對第一根光纖71的一側，選擇一段L為0.5厘米
進行研磨，磨至光纖包層厚度7微米，在拋光后的光纖側面上依次鍍第一銀電
極61，高電光系數聚合物材料62，高電光系數聚合物材料選用NAPA3，第二 銅電極63;第一銀電極61和第二銅電極63上施加的交流電壓V為1伏，NAPA3 的折射率發生變化，使光纖上的垂直耦合效應發生變化實現相位精調；
3. 雙芯光纖中第一根光纖71 —端與長度為10厘米的延遲線50的一端連 接，延遲線50的另一端與第一個Y分器的一個分支端411連接；
4. 雙芯光纖中第二根光纖72的一端接入第一個Y分器的另一分支端412; 雙芯光纖中第一根光纖71的另一端接入第二個Y分器的一個分支端421，第二 根光纖72的另一端接入第二個Y分器的另一分支端422;
5. 可調諧光纖光柵30接入環行器的第二個端口 22，光纖光柵的波長和色 散量的調諧通過改變光柵上施加的應力或溫度來實現；
6. 環行器的第一個端口 21與激光源10相連接，環行器的第三個端口 23 與第一個Y分器的一字端413連接；
7. 第二個Y分器的一字端423與高速光電探測器80輸入端連接，高速光 電探測器80輸出頻率為lOGHz的微波、毫米波信號。
實施例二
一種全光纖可調諧微波、毫米波發生裝置，構成該裝置的部件之間的連接
1. 選擇一段3厘米長的雙芯光纖，其中第一根光纖71，第二根光纖72;
2. 制作相位精調器60:對第一根光纖71的一側，選擇一段1.0厘米進行 研磨，磨至光纖包層厚度5微米，在拋光后的光纖側面上依次鍍第一電極IT0 61， 高電光系數聚合物材料62，選擇PEI-DAIDC電光聚合物，第二金電極63;第 一電極IT0 61和第二金電極63上施加的直流電壓V為3伏，高電光系數聚合 物PEI-DAIDC 62的折射率發生變化，光纖上垂直耦合效應變化實現相位精調； 3. 雙芯光纖中第一根光纖71 —端與長度為12厘米的延遲線50的一端連 接，延遲線50的另一端與第一個Y分器的一個分支端411連接；
4. 雙芯光纖中第二根光纖72的一端接入第一個Y分器的另一分支端412; 雙芯光纖中第一根光纖71的另一端接入第二個Y分器的一個分支端421，第二 根光纖72的另一端接入第二個Y分器的另一分支端422;
5. 可調諧光纖光柵30接入環行器的第二個端口 22，光纖光柵的波長和色 散量的調諧通過改變光柵上施加的應力或溫度來實現；
6. 環行器的第一個端口 21與激光源10相連接，環行器的第三個端口 23與 第一個Y分器的一字端413連接；
7. 第二個Y分器的一字端423與高速光電探測器80輸入端連接，高速光電 探測器80輸出頻率為lOOGHz的微波、毫米波信號。
本發明通過啁啾光纖光柵對輸入脈沖引入色散，通過調諧光纖光柵的中心 波長和色散量實現輸出微波、毫米波信號的強度、頻率及持續時間的調諧。光 纖光柵的中心波長和色散量的調諧可以通過其上施加應力或改變溫度來實現。 本發明利用雙芯光纖制備高穩定性M-Z干涉儀，引入脈沖的干涉效應。 本發明在制作M-Z干涉儀的雙芯光纖的其中一根光纖中加入一段光纖，引 入時延。
本發明在引入延遲光纖的雙芯光纖的同一根光纖一側進行研磨，研磨拋光 后的光纖側面依次鍍上電極，高電光系數聚合物材料，電極，改變電極上施加 的電壓使得光纖上垂直耦合效應變化實現相位精調；電極材料可以為金、或銀、 或桶、或鋁、或ITO等。
本發明中改變相位精調器上的電壓，可以進行輸出微波、毫米波信號的高 精度調諧。
本發明中將可調諧光纖光柵接入環行器的第二端口，激光源發出的光信號 由環行器的第一端口進入，環行器的第三端口與耦合器的一字端連接。
本發明中脈沖在經過色散、延遲和干涉效應以后產生一定頻率的微波、毫 米波信號。
本發明全光纖化，集中射頻波和光波技術的優點與光纖微波系統兼容性好，
結構緊湊。可以產生幾個GHz到幾百GHz的信號。
本發明容易實現小型化和可集成化，且受環境影響小、成本低、易于實施。
本發明提出一種有效的、可靠的、全光纖可調諧微波、毫米波發生裝置， 該裝置使用部件都是常用的部件。
權利要求
1.一種全光纖可調諧微波、毫米波發生裝置，其特征在于，構成該裝置的部件之間的連接選擇一定長度的雙芯光纖，其中第一根光纖(71)，第二根光纖(72)；制作相位精調器(60)在第一根光纖(71)的一側，選擇一段L進行研磨，磨至光纖包層厚度3-10微米，在拋光后的光纖側面上依次鍍第一電極(61)，高電光系數聚合物材料(62)，第二電極(63)；改變第一電極(61)和第二電極(63)上施加的交流或直流電壓V，使高電光系數聚合物材料的折射率發生變化，從而引起光纖上垂直耦合效應變化實現相位精調；雙芯光纖中第一根光纖(71)一端與一定長度的延遲線(50)的一端連接，延遲線(50)的另一端與第一個Y分器的一個分支端(411)連接；第二根光纖(72)的一端接入第一個Y分器的另一分支端(412)；雙芯光纖中第一根光纖(71)的另一端接入第二個Y分器的一個分支端(421)，第二根光纖(72)的另一端接入第二個Y分器的另一分支端(422)；可調諧光纖光柵(30)接入環行器的第二個端口(22)，光纖光柵的波長和色散量的調諧通過改變光柵上施加的應力或溫度來實現；環行器的第一個端口(21)與激光源(10)相連接，環行器的第三個端口(23)與第一個Y分器的一字端(413)連接；第二個Y分器的一字端(423)與高速光電探測器(80)輸入端連接，高速光電探測器(80)輸出頻率范圍幾個GHz到幾百GHz的可調諧微波、毫米波信號。
2. 根據權利要求1所述的一種全光纖可調諧微波、毫米波發生裝置，其特 征在于，所述的一定長度的雙芯光纖、 一定長度的延遲線，相位精調器長度L 以及相位精調器上電壓的值根據調諧后輸出的微波、毫米波頻率來確定，彼此之間的關系滿足以下公式<formula>formula see original document page 3</formula>其中，Hv為輸出微波、毫米波脈沖頻率，r。為脈沖的初始寬度，c為脈沖啁啾 系數，a為一定長度的延遲線和長度L的相位精調器引入的群時延，/為雙芯光 纖長度，A為色散系數。
3. 根據權利要求l所述的一種全光纖可調諧微波、毫米波發生裝置，其特 征在于，所述的電極為金電極、或銀電極、或銅電極、或鋁電極、或IT0。
4. 根據權利要求1所述的一種全光纖可調諧微波、毫米波發生裝置，其特 征在于，所述的高電光系數聚合物材料包括NAPA3、或SU-8、或PEI-DAIDC、 或N0A 61、或UFC170、或Teflon AF 1601、或CLD1/APC。
5. 根據權利要求l所述的一種全光纖可調諧微波、毫米波發生裝置，其特征在于，所述的高電光系數聚合物材料的厚度小于l微米。
6. 根據權利要求l所述的一種全光纖可調諧微波、毫米波發生裝置，其特征在于，在第一電極(61)和第二電極(63)上施加的電壓卜10V，輸出的微波全文摘要
本發明公開了一種全光纖可調諧微波、毫米波發生裝置，其構成部件之間的連接在第一根光纖(71)的一側，制作相位精調器(60)；通過環行器的三個端口(21、22、23)與激光源(10)、可調諧光纖光柵(30)、第一個Y分器的一字端(413)連接。第一根光纖(71)一端經延遲線(50)、第一個Y分器的一個分支端(411)和第二根光纖(72)的一端經第一個Y分器的另一分支端(412)與一字端(413)連接。第一、二根光纖的另一端分別經第二個Y分器的一個分支端(421)和另一分支端(422)經第二個Y分器的一字端(423)與高速光電探測器(80)連接，獲得幾個GHz到幾百GHz可調諧微波、毫米波信號。
文檔編號H01S1/00GK101183770SQ20071017893
公開日2008年5月21日 申請日期2007年12月7日 優先權日2007年12月7日
發明者萬沙沙, 寧提綱, 祁春慧, 董小偉, 麗 裴, 趙瑞峰, 韓許東, 爽 高, 環 魏 申請人:北京交通大學