頻率大范圍可切換微波毫米波信號發(fā)生器

尚海燕

摘 要：用一個(gè)三波長光纖激光器實(shí)現(xiàn)RF信號發(fā)生器，其中該激光器具有不均勻頻率間隔，得到的RF信號可在大范圍內(nèi)切換。由于三波長光纖激光器具有雙折射效應(yīng)，只要調(diào)節(jié)偏振控制器，就可靈活實(shí)現(xiàn)雙波長工作狀態(tài)。因此，實(shí)驗(yàn)獲得微波毫米波段內(nèi)穩(wěn)定的RF信號。

關(guān)鍵詞：微波產(chǎn)生；頻率切換；三波長光纖激光器

1 引言

過去的幾十年里，光學(xué)產(chǎn)生微波毫米波已經(jīng)引起了研究者們極大的關(guān)注，它具有廣泛的應(yīng)用，比如超寬帶光纖無線通信系統(tǒng)，雷達(dá)，RoF通信系統(tǒng)，傳感，相干光子學(xué)等等[1]。已經(jīng)報(bào)道了很多種產(chǎn)生光子RF信號的方案，研究者們采用比較多的有外部調(diào)制法[2]、光外差法[3]。外調(diào)制法就是先用一個(gè)電光調(diào)制器將RF信號調(diào)制到光載波上，然后得到一個(gè)拍頻信號。該方法要求高性能穩(wěn)定性好的RF信號源，還要求高速調(diào)制器，成本較高。光外差法只需直接將兩個(gè)獨(dú)立的激光源進(jìn)行拍頻就可得到穩(wěn)定的RF信號，但是得到的RF信號可調(diào)諧的范圍有限，且該信號也很難同時(shí)工作在微波毫米波段。在一些特殊的應(yīng)用中，我們就需要產(chǎn)生多頻RF信號，或是可在微波毫米波段切換的RF信號[4]。

本文基于一個(gè)不均勻頻率間隔三波長光纖激光器，提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一種產(chǎn)生可快速切換的微波毫米波信號。因?yàn)槿ㄩL光纖激光器具有雙折射效應(yīng)，只要調(diào)節(jié)偏振控制器（PC）就可輸出任意兩個(gè)波長，從而得到相應(yīng)的拍頻。實(shí)驗(yàn)得到的微波信號頻率分別為10.5GHz，21.2GHz，31.8GHz，而且實(shí)現(xiàn)這三個(gè)頻率的信號快速切換。

2 實(shí)驗(yàn)裝置和工作原理

如圖1所示為頻率可快速切換微波毫米波信號產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)裝置。980nm泵浦輸出241.8mW的泵浦光通過光波分復(fù)用器（WDM）泵入摻鉺光纖中，后向激光輸出經(jīng)偏振控制器（PC）和檢偏器后，再經(jīng)一分光比為20：80的耦合器，經(jīng)光電探測器（PD）后輸入頻譜分析儀。PC用來調(diào)整輸入激光的偏振態(tài)，檢偏器只能透過特定方向的光，而濾掉其他偏振態(tài)方向的光。耦合器80%輸出端接PD（帶寬20GHz）和頻譜儀，另一端輸入光譜儀（OSA）以便實(shí)時(shí)監(jiān)控光信號。

實(shí)驗(yàn)中使用的光纖光柵激光器，是刻寫在保偏光纖上的，腔長約9.1mm，相應(yīng)的頻率約11GHz。圖2為該激光腔的反射譜和透射譜，我們分別采用光譜儀和相干檢測法[5]測量該激光腔。如圖（b）所示，可以看到標(biāo)為4的峰值，對應(yīng)的波長為1544.9nm。峰1和峰2之間對應(yīng)的頻率間隔約22GHz，峰4和峰2之間約11GHz。由于保偏摻鉺光纖的雙折射效應(yīng)，該激光腔的透射譜反射譜有兩個(gè)重疊的尖峰，分別對應(yīng)兩個(gè)偏振態(tài)，那么該腔的三個(gè)峰之間互成一定角度存在。

在光譜上可以看到該激光器的輸出光譜，如圖3所示為三波長輸出光譜，分別對應(yīng)圖2中的峰1、2和4。由于三個(gè)波長的偏振態(tài)不同，為了驗(yàn)證三波長輸出的穩(wěn)定性，我們每隔十分鐘觀測一次，多次測量后三波長平均變化幅度約0.001dBm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

圖4為激光器三波長輸出時(shí)在頻譜儀上監(jiān)測到的微波毫米波信號，得到三個(gè)頻率信號分別是通過對任意兩個(gè)波長的信號拍頻獲得，其頻率分別為10.5GHz、21.2GHz、31.8GHz，相應(yīng)的信號強(qiáng)度為-38.5dBm、-44.9dBm、-59.8dBm。很明顯，這三個(gè)信號的頻率恰好與激光器三波長的波長間隔相對應(yīng)。此外，隨著信號頻率的升高，信號強(qiáng)度有下降趨勢，這主要是受實(shí)驗(yàn)條件限制，實(shí)驗(yàn)中采用的告訴光電探測器帶寬約20GHz。

通過調(diào)節(jié)PC，三波長激光器可靈活輸出雙波長，這樣就方便實(shí)現(xiàn)微波毫米波信號的切換。該激光器任意兩波長的輸出光譜及其相應(yīng)得到的拍頻信號如圖5所示。頻率為10.5GHz的信號，相對應(yīng)的拍頻波長為1544.97nm和1545.06m；頻率為21.2GHz的信號，相對應(yīng)的拍頻波長為1544.78m和1544.97nm；頻率為31.8GHz的信號，相對應(yīng)的拍頻波長為1544.78nm和1545.06nm，三個(gè)信號的強(qiáng)度分別為-35.24dBm、-40.18dBm、-49.41dBm。與10.5GHz的信號強(qiáng)度相比，21.2GHz降低4.94dBm，31.8降低14.17dBm，頻率較高處信號強(qiáng)度降低也是受光電探測器帶寬有限的影響。

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用三波長光纖激光器展示了一種多頻率微波毫米波可切換的信號發(fā)生器，只要簡單調(diào)節(jié)偏振控制器，就可靈活改變激光器的輸出狀態(tài)，得到的頻率信號也可以靈活的切換。本實(shí)驗(yàn)裝置簡單，結(jié)構(gòu)靈活，得到的射頻信號穩(wěn)定性好，還可靈活快速切換。

[參考文獻(xiàn)]

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[3]M.Brunel，F(xiàn).Bretenaker，S.Blanc，V.Crozatier，J.Brisset，T. Merlet，and A.Poezevara，"High-spectral purity RF beat note generated by a two-frequency solid-state laser in a dual thermooptic and electrooptic phase-locked loop，" IEEE Photon. Technol.Lett.，vol.16，no.3，pp.870-872，March 2004.

[4]X.Feng，L.Cheng，J.Li，Z.Li，and B. Guan，"Tunable microwave generation based on a Brilouin fiber ring laser and reflected pump，"Opt.& Laser Technol.，vol.43，no.7，pp.1355-1357， October 2011.

[5]X.Yi，Z.Li，Y.Bao，and K.Qiu，"Characterization of Passive Optical Components by DSP-Based Optical Channel Estimation，" IEEE Photon. Technol.Lett.，vol.24，no.6，pp.443-445，March 2012.