频率大范围可切换微波毫米波信号发生器

尚海燕

摘 要：用一个三波长光纤激光器实现RF信号发生器，其中该激光器具有不均匀频率间隔，得到的RF信号可在大范围内切换。由于三波长光纤激光器具有双折射效应，只要调节偏振控制器，就可灵活实现双波长工作状态。因此，实验获得微波毫米波段内稳定的RF信号。

关键词：微波产生；频率切换；三波长光纤激光器

1 引言

过去的几十年里，光学产生微波毫米波已经引起了研究者们极大的关注，它具有广泛的应用，比如超宽带光纤无线通信系统，雷达，RoF通信系统，传感，相干光子学等等[1]。已经报道了很多种产生光子RF信号的方案，研究者们采用比较多的有外部调制法[2]、光外差法[3]。外调制法就是先用一个电光调制器将RF信号调制到光载波上，然后得到一个拍频信号。该方法要求高性能稳定性好的RF信号源，还要求高速调制器，成本较高。光外差法只需直接将两个独立的激光源进行拍频就可得到稳定的RF信号，但是得到的RF信号可调谐的范围有限，且该信号也很难同时工作在微波毫米波段。在一些特殊的应用中，我们就需要产生多频RF信号，或是可在微波毫米波段切换的RF信号[4]。

本文基于一个不均匀频率间隔三波长光纤激光器，提出并实验验证一种产生可快速切换的微波毫米波信号。因为三波长光纤激光器具有双折射效应，只要调节偏振控制器（PC）就可输出任意两个波长，从而得到相应的拍频。实验得到的微波信号频率分别为10.5GHz，21.2GHz，31.8GHz，而且实现这三个频率的信号快速切换。

2 实验装置和工作原理

如图1所示为频率可快速切换微波毫米波信号产生实验装置。980nm泵浦输出241.8mW的泵浦光通过光波分复用器（WDM）泵入掺铒光纤中，后向激光输出经偏振控制器（PC）和检偏器后，再经一分光比为20：80的耦合器，经光电探测器（PD）后输入频谱分析仪。PC用来调整输入激光的偏振态，检偏器只能透过特定方向的光，而滤掉其他偏振态方向的光。耦合器80%输出端接PD（带宽20GHz）和频谱仪，另一端输入光谱仪（OSA）以便实时监控光信号。

实验中使用的光纤光栅激光器，是刻写在保偏光纤上的，腔长约9.1mm，相应的频率约11GHz。图2为该激光腔的反射谱和透射谱，我们分别采用光谱仪和相干检测法[5]测量该激光腔。如图（b）所示，可以看到标为4的峰值，对应的波长为1544.9nm。峰1和峰2之间对应的频率间隔约22GHz，峰4和峰2之间约11GHz。由于保偏掺铒光纤的双折射效应，该激光腔的透射谱反射谱有两个重叠的尖峰，分别对应两个偏振态，那么该腔的三个峰之间互成一定角度存在。

在光谱上可以看到该激光器的输出光谱，如图3所示为三波长输出光谱，分别对应图2中的峰1、2和4。由于三个波长的偏振态不同，为了验证三波长输出的稳定性，我们每隔十分钟观测一次，多次测量后三波长平均变化幅度约0.001dBm。

3 实验结果和讨论

图4为激光器三波长输出时在频谱仪上监测到的微波毫米波信号，得到三个频率信号分别是通过对任意两个波长的信号拍频获得，其频率分别为10.5GHz、21.2GHz、31.8GHz，相应的信号强度为-38.5dBm、-44.9dBm、-59.8dBm。很明显，这三个信号的频率恰好与激光器三波长的波长间隔相对应。此外，随着信号频率的升高，信号强度有下降趋势，这主要是受实验条件限制，实验中采用的告诉光电探测器带宽约20GHz。

通过调节PC，三波长激光器可灵活输出双波长，这样就方便实现微波毫米波信号的切换。该激光器任意两波长的输出光谱及其相应得到的拍频信号如图5所示。频率为10.5GHz的信号，相对应的拍频波长为1544.97nm和1545.06m；频率为21.2GHz的信号，相对应的拍频波长为1544.78m和1544.97nm；频率为31.8GHz的信号，相对应的拍频波长为1544.78nm和1545.06nm，三个信号的强度分别为-35.24dBm、-40.18dBm、-49.41dBm。与10.5GHz的信号强度相比，21.2GHz降低4.94dBm，31.8降低14.17dBm，频率较高处信号强度降低也是受光电探测器带宽有限的影响。

4 结论

本实验采用三波长光纤激光器展示了一种多频率微波毫米波可切换的信号发生器，只要简单调节偏振控制器，就可灵活改变激光器的输出状态，得到的频率信号也可以灵活的切换。本实验装置简单，结构灵活，得到的射频信号稳定性好，还可灵活快速切换。

[参考文献]

[1]J.Capmany，B.Ortega，D.Pastor， and S. Sales，"Discrete-time optical processing of microwave Signals，"J.Lightw.Technol.， vol.23，no.2，pp.702-7723，February 2005.

[2]J.Zhang，H.Chen，M.Chen，T.Wang，and S.Xie，"Photonic generation of a millimeter-wave signal based on sextuple-frequency multiplication，"Opt.Lett.，vol.32，no.9，pp.1020-1022，May 2007.

[3]M.Brunel，F.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.