基于布里渊散射的高频可调谐微波信号产生技术的研究

陈东军,袁　鑫,王如刚,2

1． 盐城工学院信息工程学院，江苏盐城224051;2． 东南大学信息科学与工程学院，江苏南京210096

基于布里渊散射的高频可调谐微波信号产生技术的研究

陈东军1,袁鑫1,王如刚1,2

1． 盐城工学院信息工程学院，江苏盐城224051;2． 东南大学信息科学与工程学院，江苏南京210096

为了获得高频可调谐微波信号，首先设计了一种基于MSP430F149单片机的温度控制系统，该控制系统通过温度传感器TMP112进行温度信息采集，驱动电路产生的PWM波信号驱动TEC芯片;其次，利用设计获得的温度控制系统，提出并验证了一种高频可调谐微波信号产生的方法：利用光纤布里渊散射放大效应获得多波长激光器；通过光纤滤波器滤波获得了高频微波信号输出;调节温度控制系统的驱动电压控制增益光纤的温度，获得22.055～22.121 GHz的可调谐微波信号。如果进一步改变控制系统的温度调谐范围可以获得更宽的微波信号输出。

温度控制；布里渊散射；微波信号

随着信息技术不断发展，对器件的带宽及集成化的要求越来越高。由于电子器件的电子瓶颈效应，使得利用光学方法产生高频微波信号的研究成为近些年的热点。同时，在高度集成化的器件结构中，随着器件温度的升高，元器件的损坏率也呈指数增加，这在很大程度上降低了器件的可靠性[1-6]。因此，电子器件一方面要获得高频可调谐微波信号，另一方面还要对系统进行有效的控温，才能实现高频通信的发展要求。在温度控制器的研究方面，已有大量的报道，并且取得了较好的成果。目前，利用光子学产生高频微波信号的方法主要集中在光学锁相环法[7]、电光调制器[8]和光注入锁定法[9]等，而且也取得了较好的成果。由于光纤布里渊散射阈值较低，多阶布里渊散射谱之间具有稳定的波长间隔，且在获得布里渊激光器的过程中具有线宽变窄的作用，因此布里渊激光器常用于微波信号的产生[10-13]。为了进一步增加微波信号的频率与信号的可调谐性，本文首先设计基于单片机的高精度TEC温度控制器，提出并实验验证基于布里渊散射放大效应的可调谐微波信号产生的方法，利用设计的温度控制器控制布里渊增益光纤的温度，获得输出信号的可调谐性。

1　温度控制系统结构

温度控制系统主要由单片机、液晶显示器、键盘输入、热电制冷器(TEC)芯片、TEC驱动电路、温度传感器及其驱动电路和A/D转换器等构成，如图1所示。该温度控制系统的控制芯片采用MSP430F149单片机，该控制芯片具有低功耗、高速度等优点；温度传感器采用的是TMP112，该温度传感器体积小、电压范围宽，可以工作在-40～+125 ℃，且可以和MSP430F149单片机直接通信，从而充分保证获得精确的温度。该温度控制系统开机上电以后，通过键盘设定需要控制的温度，液晶显示屏显示设定温度和被控物体的当前温度，控制芯片根据温度传感器TMP112采集获得的温度信息，结合脉宽调制(PWM)波脉宽大小输出所需PWM信号，该信号经过一个功率放大电路放大，放大电路是由2个FZT605组成的功率互补电流放大电路实现电流放大输出，驱动TEC器件(TEC1-12715)工作。由于该系统中的PWM波输出电压为2.0 V左右，而三极管基极的导通电压只有0.8 V，因此，采用2个二极管D1和D2使2个FZT功率管的基极始终保持在导通状态，这样当电路工作时，可以有效地消除交越失真，保证温度控制系统的正常工作。

图1　温度控制电路结构Fig.1　Circuit of temperature control

2　结果与分析

2.1温度控制系统性能测试

制冷芯片TEC两端的电压与被测物体的实际温度关系如图2所示。从图2可以看出，当驱动电压为零时，也就是TEC没有工作，此时对应的温度为室温，即为24.5 ℃；当正向偏压增加时，TEC开始制冷；反向偏压增加时，TEC开始加热。整个系统的温度和电压的关系呈现线性变换曲线，被控物体的温度从2 ℃到90 ℃变化，其驱动电压分别为6.73 V和-9.51 V，其中负值表示驱动电压为反向。

图2　TEC驱动电压和物体温度之间的关系Fig.2　Relationship between voltage of TEC and temperature of measured object

图3　微波信号产生装置Fig.3　Test device for frequency

2.2微波信号产生中应用

基于温度控制器的微波信号产生装置如图3所示，可调谐激光器TLS发出的激光经耦合器(Coupler1 50∶50)分成两束光(为了防止信号返回TLS，在TLS与耦合器(Coupler1)之间增加隔离器ISO)，其中一路信号经偏振控制器PC2进入环形器OC2的端口1，由环形器OC2的端口2进入普通单模光纤SMF2，该信号在SMF2中产生背向布里渊散射。经耦合器(Coupler1)分出的另一束信号进入耦合器(Coupler2 70∶30)，其中30%的一路光信号经掺铒光纤放大器EDFA进行放大，放大后的光信号作为单纵模激光器的泵浦信号。单纵模激光器包括环形器OC1、偏振控制器PC1、单模光纤SMF1和耦合器(Coupler3 80∶20)，其结构如图中虚线框所示，经掺铒光纤放大器EDFA放大的信号进入光环形器OC1#1端口，从环形器OC1#2端口进入单模光纤SMF1，该光信号在单模光纤SMF1产生背向布里渊散射，其散射信号沿着逆时针方向经PC1、OC1和Coupler3传输；从Coupler3的20%端口输出单纵模激光，该激光信号逆时针方向进入单模光纤SMF2，在SMF2中产生布里渊放大，放大的信号经环形器OC2#2端口进环形器，从环形器OC2#3端口输出进入耦合器(Coupler1)，之后按照上述方式循环。上述单模光纤SMF1 SMF2由温度控制系统TC统一控温。经耦合器(Coupler2)的70%分臂分出的光信号经光纤光栅滤波器FBG和可调谐滤波通道OCTF进行信号选取(为了防止产生反射效应，在光的传输方向上增加了2个光隔离器ISO)，输出的光信号被光电探测器PD转换成电信号，利用频谱分析仪ESA进行信号的分析。

当泵浦波长为1 560 nm、温度为室温时，测量的输出信号频谱如图4所示。从图4可以看出信号的频率约为21.6 GHz。当泵浦波长为1 528 nm时，测量的微波信号频率与温度的关系如图5所示。从图5可以看出，随着温度的增加，微波信号频率呈线性增加，斜率为0.95 MHz/℃；在25 ℃和85 ℃时的微波信号频率大小分别为22.055、22.121 GHz。由于实验室缺乏更宽温度范围的TEC芯片，但是，从这个结果可以推测，在其他温度情况下，也会有类似的实验结果。

3　结论

图4　布里渊频移与温度的关系Fig.4　Relationship between Brillouin frequency and temperature

图5　微波信号频率与温度的关系Fig.5　Relationship between microwave frequency and temperature

为了获得高频可调谐微波信号，首先设计了一种基于MSP430F149单片机的温度控制系统，该控制系统通过温度传感器TMP112进行温度信息采集，驱动电路产生的PWM波信号驱动TEC芯片；其次，利用设计获得的温度控制系统，提出并验证了一种高频可调谐微波信号产生的方法，该方法利用光纤布里渊散射放大效应获得多波长激光器，通过光纤滤波器滤波获得了高频微波信号输出，调节温度控制系统的驱动电压控制增益光纤的温度，获得了22.055～22.121 GHz的可调谐微波信号。如果进一步改变控制系统的温度调谐范围可以获得更宽的微波信号输出。

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(责任编辑：李华云)

Study on High Frequency Tunable Microwave Signal Generation Based on Brillouin Scattering

CHEN Dongjun1, YUAN Xin1, WANG Rugang1,2

School of Information Technology，Yancheng Institute of Technology，Yancheng Jiangsu 224051，China2． School of Information Science and Engineering，Southeast University，Nanjing Jiangsu 210096，China

In order to obtain high frequency tunable microwave signal, firstly, the temperature control system based on MSP430F149 microcontroller is designed, and a digital temperature sensor of TMP112 is used to collect temperature information, TEC chip is derived by the generated Pulse Width Modulation (PWM) from the controlled circuit. Secondly, by using the temperature control system, a method obtained high frequency tunable microwave signal generation is proposed and experimentally demonstrated, multi wavelength laser is obtained by using the Brillouin scattering amplification effect in optical fiber, through the optical fiber filters the high frequency microwave signal is obtained. The temperature controller is used to control the temperature of the optical fiber, and by adjusting the temperature of the controller, the tunable microwave signal from 22.055 to 22.121GHz can be obtained. The tunable frequency range can be further expanded by using a temperature control system with a wider adjustment range.

Temperature Control; Brillouin Scattering; Microwave signal

10.16018/j.cnki.cn32-1650/n.201503012

2015-06-02

江苏省高校自然科学研究基金(14KJB510034);中国博士后科学基金资助项目(2015M571637)

陈东军(1991-)，男，安徽阜阳人，主要研究方向为信号与信息处理技术。

TP273

A

1671-5322(2015)03-0052-04