基于光纖激光器的微波光子移相器研究進(jìn)展

尚海燕　王岫鑫　呂廣娜

摘要微波光子移相器是微波光子學(xué)領(lǐng)域中一種重要的信號(hào)處理技術(shù)，該技術(shù)采用電信號(hào)或射頻信號(hào)經(jīng)調(diào)制器控制光信號(hào)，再通過光器件調(diào)節(jié)光信號(hào)的相位響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)光信號(hào)在電子學(xué)領(lǐng)域中的移相，這種技術(shù)具有線性度高、可調(diào)諧性好、覆蓋率廣等優(yōu)點(diǎn).本文簡要闡述了微波光子移相器產(chǎn)生的機(jī)理，總結(jié)報(bào)道了幾種典型的微波光子移相技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展，指出微波光子移相器作為一種重要的微波信號(hào)光處理方法，有望引發(fā)微波光子學(xué)領(lǐng)域的一次革新.關(guān)鍵詞布拉格光柵；移相器；微波；光纖激光器

中圖分類號(hào)TP9291

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

0引言

在微波電子學(xué)以及超快速光學(xué)迅速發(fā)展的背景下，微波光子學(xué)作為一個(gè)嶄新的領(lǐng)域應(yīng)運(yùn)而生，其主要研究的對(duì)象為工作在微波、毫米波甚至是太赫茲波段的光子器件及其相關(guān)應(yīng)用，研究內(nèi)容包括測(cè)量，超快信號(hào)高速信號(hào)的產(chǎn)生、處理、轉(zhuǎn)換和分配，以及寬帶光鏈路上微波信號(hào)的傳輸[12].隨著通信技術(shù)的發(fā)展，特別是光通信技術(shù)的飛速發(fā)展，微波光子學(xué)被廣泛地應(yīng)用于微波與光波之間.它通過光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了射頻（RF）信號(hào)的產(chǎn)生、分布、控制、探測(cè)以及分析測(cè)量等，克服了電學(xué)域中抽樣速度有限的瓶頸，為高頻寬帶信號(hào)處理提供了更有前景的解決方案，使得很多在微波上無法實(shí)施的設(shè)備和系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)[3].移相器作為主要的微波頻移元件，具有頻帶寬、抗電磁干擾強(qiáng)、損耗低、質(zhì)量輕和體積小等優(yōu)點(diǎn)，已在通信、儀器和微波頻率測(cè)量系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用并逐漸成為研究的主要方向[4].

本文首先介紹微波光子移相器的基本原理，其次介紹光纖激光器在微波光子移相器中的運(yùn)用，最后著重介紹分布式布拉格（DBR）光纖激光器在微波光子移相器中的應(yīng)用研究.

1微波光子移相器的基本特性及應(yīng)用

微波光子移相器主要用于相控陣天線和模擬信號(hào)處理，它為相控陣天線系統(tǒng)中的每個(gè)天線元件提供適當(dāng)?shù)南辔环答?，而且掃描天線方向可控.它的特點(diǎn)是設(shè)置微波信號(hào)的相位，且不影響振幅.微波光子移相器可分3個(gè)部分，首先微波信號(hào)通過電光轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，然后在光處理模塊對(duì)光信號(hào)進(jìn)行移相，最后通過光電轉(zhuǎn)換模塊將光移相轉(zhuǎn)換成微波移相，從而實(shí)現(xiàn)微波光子移相，如圖1所示.

近年來，國內(nèi)外關(guān)于微波光子移相器的報(bào)道很多，采用的技術(shù)主要有光學(xué)真延時(shí)技術(shù)[56]、外差混頻技術(shù)[78]、矢量和技術(shù)[911]等.基于光實(shí)時(shí)延遲技術(shù)的微波光子移相器研究最早，但其結(jié)構(gòu)通常由多個(gè)延遲單元組成，調(diào)相較為復(fù)雜.外差混頻會(huì)引入隨機(jī)相位噪聲，穩(wěn)定性

欠佳.基于矢量和技術(shù)的微波光子移相器的研究主要通過改變兩個(gè)通道的振幅來實(shí)現(xiàn)相位移，但是存在可控相移范圍小、輸出微波幅度波動(dòng)大等問題.從光器件角度的研究集中在光纖激光器、光信號(hào)處理器上.例如基于非線性環(huán)鏡內(nèi)交叉相位調(diào)制實(shí)現(xiàn)180°移相[12]，載波與邊帶信號(hào)拍頻產(chǎn)生微波信號(hào)，而相移直接轉(zhuǎn)化成微波信號(hào)的移相；基于Brillouin散射產(chǎn)生窄帶增益和諧波損耗的特性[13]，通過調(diào)節(jié)泵功率可實(shí)現(xiàn)240°相移；基于單邊帶調(diào)制完成光相移到RF相移的直接映射[1417]，單邊帶調(diào)制過程中用到90°混合耦合器，因此移相帶寬性能差.盡管可以用濾波的方法實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制，但信號(hào)能量急劇衰落，系統(tǒng)信噪比較高.基于雙驅(qū)動(dòng)平行MZM[1820]結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)移相，雖然實(shí)現(xiàn)了360°線性穩(wěn)定移相，但對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求比較高.這些方法均不能實(shí)現(xiàn)寬帶可調(diào)移相，雖然有些能滿足，但系統(tǒng)復(fù)雜，且需要光帶通濾波器[21].Yang等[22]用傅氏光處理器控制兩個(gè)RF調(diào)制邊帶的幅度和相位，實(shí)現(xiàn)寬帶360°連續(xù)移相.Peng等[23]用分布反饋（DFB）激光器實(shí)現(xiàn)了875 GHz微波信號(hào)101°移相.Li[24]提出基于DBR光纖激光器同時(shí)產(chǎn)生微波信號(hào)和實(shí)現(xiàn)360°相移，該方法性能好、成本低、易操作、可行性強(qiáng).

由于光纖激光器具有光束質(zhì)量好、調(diào)諧方便的優(yōu)勢(shì)，它在微波光子移相中的應(yīng)用備受重視.以下介紹幾種不同類型的光纖激光器在微波光子移相器中的應(yīng)用.

2光纖激光器在微波光子移相器中的研究

光纖激光器在高速通信中占有重要地位.它有許多應(yīng)用，如長度標(biāo)準(zhǔn)、時(shí)間測(cè)量、干涉?zhèn)鞲衅?、相干光通信?將光纖光柵（FBG）插入光纖激光器，激光腔不再依賴大量光元件，而向簡單緊湊、強(qiáng)大的全光纖激光腔方向發(fā)展.此外，F(xiàn)BG波長的調(diào)諧能力增強(qiáng)了系統(tǒng)的功能，如激光波長的調(diào)諧性、偏振選擇性、開關(guān)性.FBG全光調(diào)諧提供更快的潛在開關(guān)速度，且保持魯棒性.它在相控陣天線、微波光子延遲線濾波器、超寬帶信號(hào)發(fā)生器、光電振蕩器、微波光子任意波形發(fā)生器、微波光子移相器等方面已得到廣泛的應(yīng)用[25].

21基于TFBG光纖激光器的微波光子移相器的研究

基于TFBG光纖激光器的微波光子移相器是基于傾斜光纖光柵（TFBG）的耦合模理論，通過外部控制TFBG的透射譜實(shí)現(xiàn)的.不同于普通光纖折射率受光纖長度的影響，TFBG折射率的變化存在一定的傾斜度，它會(huì)影響透射譜.而TFBG透射譜中存在兩種耦合模，一種是前后導(dǎo)模之間的耦合，另一種是前后導(dǎo)模與包層模之間的耦合，相應(yīng)的諧振波長都與折射率有關(guān).根據(jù)KramersKronig關(guān)系，幅度變化會(huì)引起相位改變，從而引入群延時(shí).那么在包層模諧振帶寬內(nèi)，只要微調(diào)諧振波長，就會(huì)產(chǎn)生移相和群延時(shí).當(dāng)光載波單邊帶信號(hào)輸入TFBG，且注入泵浦光時(shí)，只要調(diào)節(jié)泵浦功率，那么諧振波長發(fā)生移動(dòng)，從而產(chǎn)生移相.為了得到更好的移相效果，可在特殊光纖中寫入TFBG，增強(qiáng)其吸收能力.當(dāng)光載單邊帶信號(hào)輸入TFBG后，通過合理設(shè)置載頻和泵浦參數(shù)，對(duì)載波進(jìn)行移相.當(dāng)載波和邊帶信號(hào)經(jīng)過光電探測(cè)器后，產(chǎn)生微波信號(hào)，其相移來自載波的相移.

這種方法具有結(jié)構(gòu)簡單、耦合性強(qiáng)、增益平坦的優(yōu)勢(shì)，且受溫度影響小、效率高.此外也可以用級(jí)聯(lián)FBG和長周期FBG結(jié)構(gòu)多包層諧振的方式進(jìn)行移相，但是系統(tǒng)復(fù)雜度高、效率低.

基于TFBG器件的微波光子移相器在光纖傳感、光通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如信道監(jiān)控、偏振相關(guān)器件、折射率傳感器、全光纖化的信號(hào)解調(diào)等.目前，國外以渥太華大學(xué)的Hiva Shahoei團(tuán)隊(duì)[26]對(duì)此研究處于領(lǐng)先地位，國內(nèi)南開大學(xué)[27]、暨南大學(xué)[28]和天津理工大學(xué)[29]在此方面的研究比較先進(jìn).

22基于保偏FBG光纖激光器的微波光子移相器的研究

基于保偏FBG光纖激光器的微波光子移相器是通過保偏FBG器件實(shí)現(xiàn)的，它的基本原理是在保偏光纖中寫入FBG，使得這種器件的光譜對(duì)輸入信號(hào)分別在快軸、慢軸進(jìn)行不同的偏振選擇.基于保偏FBG反射譜中存在兩個(gè)獨(dú)立且偏振正交的反射帶，當(dāng)調(diào)制光信號(hào)輸入時(shí)，它分別在快慢軸上對(duì)其反射，反射回來的兩路光信號(hào)經(jīng)偏振分析后，拍頻產(chǎn)生移相的微波信號(hào).或是基于保偏FBG在快軸、慢軸上的兩個(gè)獨(dú)立傳輸阻帶，當(dāng)帶載波的光單邊帶信號(hào)輸入后，在輸出端得到兩個(gè)正交偏振的光信號(hào)，一個(gè)是有載波的信號(hào)，一個(gè)是無載波的信號(hào).這兩個(gè)正交的信號(hào)通過可調(diào)裝置后輸入檢偏器，然后拍頻.此方法關(guān)鍵在于調(diào)節(jié)輸入激光的中心波長，使得它和保偏FBG的頻譜響應(yīng)相對(duì)應(yīng).

這種方法調(diào)諧方便、頻帶寬、偏振串?dāng)_低、噪聲小、可靠性好、免維護(hù)，可廣泛用于航天、航空、航海業(yè)制造等國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域.

目前，國外渥太華大學(xué)的Li W.團(tuán)隊(duì)[30]在此方向的研究起著引領(lǐng)作用，國內(nèi)暨南大學(xué)的馮新煥團(tuán)隊(duì)在此方向的研究比較先進(jìn)[31].

23

基于啁啾FBG光纖激光器的微波光子移相器的研究

基于啁啾FBG光纖激光器的微波光子移相器是通過摻雜線性啁啾FBG器件實(shí)現(xiàn)的，它的基本原理是通過特殊的FBG寫入方法使得這種器件的反射帶具有平坦的幅度響應(yīng)和非均勻相位響應(yīng).通過光調(diào)制和濾波得到帶載波的單邊帶調(diào)制信號(hào)，然后輸入摻雜線性啁啾FBG.而在泵浦的作用下，光纖啁啾FBG的折射率隨泵浦功率的變化而改變.若將泵浦注入啁啾FBG的某一端口，那么相位響應(yīng)也會(huì)隨之變化.此時(shí)通過合理設(shè)置參數(shù)使得載波和邊帶光信號(hào)分別分布在啁啾FBG不同的相位響應(yīng)區(qū)域內(nèi)，使得在調(diào)節(jié)泵浦功率的過程中，載波相位發(fā)生改變，而邊帶相位不變，即用泵浦對(duì)光載波進(jìn)行移相.同時(shí)，載波和邊帶信號(hào)用于在光電探測(cè)器產(chǎn)生的微波信號(hào)和載波相移轉(zhuǎn)換為微波信號(hào)的相移，從而實(shí)現(xiàn)微波光子相移.

該方法具有響應(yīng)快、插入損耗低、穩(wěn)定性好、操作簡單、抗干擾能力強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)均勻通道間距及理想信道傳輸濾波器等優(yōu)點(diǎn).此外，還可以用外部加熱或機(jī)械式方法對(duì)FBG進(jìn)行調(diào)諧實(shí)現(xiàn)移相，但是在操作過程中，光纖的雙折射效應(yīng)卻難以避免.

目前，國外以渥太華大學(xué)Yao Jianping團(tuán)隊(duì)[32]對(duì)這種方法的研究比較先進(jìn)，國內(nèi)北京郵電大學(xué)翟文勝團(tuán)隊(duì)[1920]基于線性啁啾FBG取得了最新研究成果，此方法在微波系統(tǒng)及雷達(dá)領(lǐng)域有很好的發(fā)展?jié)摿?

綜上所述，采用FGB實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)移相，均需外部光信號(hào)作為載波，而由FGB構(gòu)成的光纖激光器可以直接作為光源，還可以產(chǎn)生微波信號(hào)，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性.在這些FBG構(gòu)成的線性腔激光器中，DBR光纖激光器以其獨(dú)有的穩(wěn)定性高、制作簡單、線寬窄、波動(dòng)小等有利特性，在微波光子領(lǐng)域得到了最新的推廣應(yīng)用.

3DBR光纖激光器在微波光子移相器中的研究

由于DBR光纖激光器具有雙頻、雙偏振的輸出特性，它的雙折射性對(duì)光相位具有很好的調(diào)諧性，所以被應(yīng)用于微波光子移相器中.

31工作原理

如圖2所示，基于DBR光纖激光器實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的線性相移，其中PC為偏振控制器，WDM為波分復(fù)用器，PD為光電探測(cè)器.該光纖激光器是在Er/Yb共摻光纖中直接刻寫一對(duì)FBG得到，其中一個(gè)是高反光柵，另一個(gè)是低反光柵，中間有一定間隔.光柵寫入過程中，通過合理設(shè)計(jì)刻寫了7種不同參數(shù)的光纖激光器，相對(duì)應(yīng)于不同的波長間隔，其頻率分布為16 ～37 GHz.980 nm泵浦光經(jīng)WDM耦合輸入到光纖激光器中，然后激光器的反向輸出輸入相位調(diào)制器，接著調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)檢偏器后到達(dá)PD處，最后到達(dá)示波器.

32結(jié)果與分析

在傳統(tǒng)的RF光子移相器中，一方面受光MZM非線性傳輸?shù)挠绊?，另一方面?qū)動(dòng)信號(hào)的帶寬有限，通常RF信號(hào)會(huì)失真.本方案中用DBR光纖激光器取代了外部光MZM調(diào)制，RF信號(hào)是固有的，這就避免了非線性失真.

實(shí)驗(yàn)中分別用7個(gè)DBR光纖激光器實(shí)現(xiàn)移相，結(jié)果都很接近，如圖3所示，是對(duì)29 GHz微波信號(hào)移相的波形.由于受光纖激光器功率的波動(dòng)和人為因素帶來的影響，RF信號(hào)有約02 dBm的波動(dòng).

當(dāng)偏置電壓在0～18 V范圍連續(xù)變化時(shí)，29 GHz微波信號(hào)產(chǎn)生0°～360°移相，如圖4所示.當(dāng)光纖激光器的頻率在16～37 GHz逐漸變化時(shí)，分別測(cè)得180°、360°移相，如圖5所示.顯然，當(dāng)偏置電壓從0 V逐漸增加到18 V時(shí)，微波信號(hào)相位可在0°～360°連續(xù)可調(diào)，即寬帶線性微波光子移相器.

4總結(jié)

雖然微波光子移相器的研究發(fā)展迅速，但還有很多方面有待完善.本文闡述的大多數(shù)方法都是基于光纖激光器；或是利用FBG獨(dú)特的光譜特性，采用泵浦或機(jī)械化方式改變光纖折射率，對(duì)光波引入相移；或是通過FBG相位響應(yīng)進(jìn)行移相，再通過相關(guān)技術(shù)將此移相轉(zhuǎn)換成RF移相，此方法的移相速度有待進(jìn)一步提高；或是采用DBR光纖激光器的單縱模穩(wěn)定輸出，同時(shí)產(chǎn)生微波信號(hào)及移相，但此方法帶寬有限，影響其在高速光通信中的應(yīng)用.因此，如何進(jìn)一步提高移相速度和帶寬，實(shí)現(xiàn)微波光子移相器的集成化和一體化，提高系統(tǒng)的可操作性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)具有高靈敏度、高分辨率的實(shí)時(shí)快速的微波光子移相，使其真正具有實(shí)用性，才是廣大科研工作者需要進(jìn)一步努力的方向.

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AbstractIn the field of microwave photonics，microwave photonic phase shifter plays a key role in signal processing technology.The main component of this technology is the modulator，which can be driven by electrical signal or radio frequency signal to control the optical signal.Then the phase response of the optical signal can be adjusted through optical device.Thus the phase shift of the optical signal can be achieved in the electronic domain.It has the advantages of high linearity，good tenability and wide band，etc.In this paper，the mechanism of microwave photonic phase shifter is introduced briefly，and then several typical schemes and their latest applications are summarized.It is pointed out that microwave photonic phase shifter is expected to lead to an innovation in the field of microwave photonics.

Key wordsfiber Bragg grating；phase shifter；microwave；optical fiber laser