基于线性腔光纤激光器产生可调微波信号的研究

尚海燕，冯德军

1.太原工业学院电子工程系，山西 太原 030008；

2.山东大学信息科学与工程学院，山东 济南 250100

联合微波技术和光子技术，微波光子学在相控阵雷达、传感方面等具备潜在的应用远景［1］。用光子技术产生微波信号是微波光子学研究的分支，具有容量高、功耗低、结构简单、抗电磁干扰等优点［2-3］，于是得到广泛研究者的关注。近年来，出现了对微波信号的［4-14］光学生成许多报道。例如，用单纵模双频光纤激光器生成微波频率信号［6］；用两段级联分布反馈激光器或并联分布反馈激光器产生微波信号［7］；基于布里渊效应［9］，然后光处理得到微波信号；利用光调制和滤波得到倍频微波信号［13］等。这些研究方法大致上分为光外差［4］、外调制法两大类，外调制法对射频器件要求比较严格，前一种方法结构简单、成本低，更受广大研究者的青睐。为了满足雷达、无线电、仪器测量等各领域的市场发展需求，研究者们一直在为实现可调微波信号而不断努力。Guan等［6］用分布式布拉格反射器（distributed bragg reflector，PZT）使得电压变换器（piezodectric lransducer，DBR）光纤激光器受力，通过电压来改变光纤折射率引起波长间隔的变化，从而实现在大范围内可调信号。陈东军等［8］、周锋［12］等基于单片机设计了一种温度控制系统，通 过 温 度 控 制 实 现 22.055 GHz～22.121 GHz，10.837 GHz～11.076 GHz可调微波信号，关键是要调整灵活的温度控制频率。洪蕾等［7］用PHB效应抑制模式竞争，同时用激光的反向传播来稳定输出，通过偏振态的调节实现微波信号的可调。

笔者基于线性腔掺铒光纤激光器得到三波长稳定输出，通过对光信号在探测器中拍频得到约11 GHz，21 GHz和 32 GHz微波信号，可广泛应用于雷达、无线电导航和卫星通讯，未采用其它控制系统和光子滤波器，实现了频率的可调性。

1 实验部分

可调微波信号产生的实验结构如图1所示。光纤激光器输出的光信号依次经偏振控制器、检偏器后，输入高速光电探测器，然后在频谱分析仪上显示输出微波信号。为了便于同时观察激光器的输出光谱以及产生微波信号的频谱，实验中在检偏器之后，探测器之前，接入波分比为8∶2的光耦合器。其中80%的输出输入原探测器，另一端作为监测输入光谱仪。

图1 可调微波信号产生示意图Fig.1 Schematic diagram of generation of tunable microwave signal

光纤激光器［15］由铒离子作为增益介质，两个长度分别为4.7 mm、3.5 mm的光纤光栅构成线性腔结构，总长达13.2 mm（见图1）。用宽谱光源测量该激光器，得到其透射谱和反射谱如图2所示。由实验数据分析得出该激光器的中心波长为1 544.948 nm，透射深度16.52 dB，谱线宽度0.112 nm。

图2 线性腔光纤激光器的透射谱（a）和反射谱（b）Fig.2 （a）Optical transmission spectrum and（b）optical reflection spectrum of linear cavity fiber laser

掺铒光纤激光器的输出拍频满足式（1）：

式（1）中，c为真空中的光的速度，λ0为激光的中心波长，n0和B为光纤的平均折射率和本征双折射。显然，激光器输出拍频跟光纤的本征双折射密切相关，只要能通过一定的方法来改变参数B，那么就可得到不同频率的微波信号。

由于光纤的本征双折射，激光器输出为nx、ny双偏振模式。实验中激光器的输出经偏振分束器后，得到图3所示光谱图。当调节激光器的输出为图3（a）状态时，在偏振分束器的两个端口分别得到图3（b）所示，其中1表示一个端口的输出，2表示另一端。显然，激光器的两个输出波长呈现正交，那么只要能引起激光器偏振状态的改变，就可以实现微波频率的可调。

图3（a）光纤激光器的双波长输出光谱，（b）通过偏振分束器后得到的光谱Fig.3 （a）Dual-wavelength output optical spectrum and（b）optical spectrum obtained by polarization beam splitter of optical fiber laser

2 结果与讨论

在实验中，逐渐增加泵浦功率至适当值，可在光谱仪和频谱仪上观察到激光器的输出光谱和拍频信号。当泵浦功率为241.8 mW时，测得光谱以及相应的频谱如图4所示。由图4（a）得出激光器输出波长依次为1 544.782 nm、1 544.948 nm、1 545.032 nm，此输出波长与图2中透射谱中的一致，且此时3个波长的强度分布比较均匀。按照经典拍频理论，波长间隔分别为0.166 nm、0.084 nm、0.25 nm可得到 20.75 GHz、10.5 GHz、31.25 GHz微波信号。由图4（b）得到频率依次为10.521 GHz、21.249 GHz、31.770 GHz的信号，相应信号强度依次为38.497 dBm、44.926 dBm、59.785 dBm。显然随着频率增高，信号强度呈现递减趋势，这种现象主要是由于光电探测器（20 GHz）带宽有限所致，若能改善实验条件，就可消除这种功率被抑制的现象。

图4 光纤激光器（a）三波长输出光谱和（b）拍频信号Fig.4 （a）Triple-wavelength output optical spectrum and（b）corresponding beat signals of optical fiber laser

经过合理微调偏振方向，从而转换中心波长，同时得到不同频率信号，实现频率调谐，如图5所示。实验过程中，激光器的任意一种输出都很稳定，而且拍频频谱清晰无干扰。只要调整偏振控制的方向，就可实现微波信号频率的快速可调谐性。

除此之外，相位噪声是影响微波可调的一个重要因素。由于本实验注重于微波信号的可调以及结构简单这两方面的问题，因此不便与其他方案作出比较。

图5 光纤激光器（a）输出1 544.948 nm，1 545.032 nm波长的光谱和相应的拍频（b）和（d）光纤激光器；（c）输出1 544.782 nm，1 544.948 nm波长的光谱和相应的拍频；（e）输出1 544.782 nm，1 545.032 nm波长的光谱和相应的拍频（f）最后一张的拍频Fig.5 （a）The optical spectrum of optical fiber laser output at 1 544.948 nm and 1 545.032 nm and（b）corresponding beat signals；（c）the optical spectrum of optical fiber laser output at 1 544.782 nm，1 544.948 nm and（d）corresponding beat signals；（e）the optical spectrum of optical fiber laser output at 1 544.782 nm，1 545.032 nm and（f）corresponding beat signals

3 结 语

以上经过理论分析并实验验证了一种基于线性腔掺铒光纤激光器产生可调微波信号的方法，获得了良好的效果。此方法避免了复杂的环形设计、调制器件和控制装置，简化了系统装置结构，同时不需要光陷波滤波器，即可实现微波信号调谐输出。在实验中，合理调整激光器的输出状态，实现了微波信号在 10.521 GHz、21.249 GHz、31.770 GHz的频率可调。此方案降低了系统成本，且操作简单，实验结果表明该线性腔光纤激光器易调谐、频谱纯度高。

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