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高频微波/毫米波光学产生技术的研究进展
来源:互联网 qikanw | 杨 清,陈 明
【分  类】 化工与理学
【关 键 词】 毫米波的光学产生 光纤无线系统
【来  源】 互联网
【收  录】 中文学术期刊网
正文:

  摘要:毫米波 (millimeter wave),是指波长为10mm~1mm的电磁波称毫米波。60G及以上频率的微波在Radio over fiber (ROF)系统有重要的应用,采用传统的方法产生高频微波比较困难,而利用光学方式产生高频微波是解决上述问题的重要手段。本论文主要讨论几种高频微波的光学产生方式,并分别对它们的特点进行了分析、比较。

  关键词:毫米波的光学产生 光纤无线系统

  中图分类号:TN929.1 文献标志码:A

  Abstract: Millimeter wave, an electromagnetic wave with a wavelength between one millimeter and ten millimeters, is of great application in radio over fiber systems when its frequency is 60GHZ or even more. Since adopting the traditional methods to generate high-frequency millimeter-wave signals is comparatively difficult,however,the optical domain generation of high-frequency millimeter-wave signals is important methods to solve the above problems. The paper is concerned with several optical generation of high-quality microwave,as well as analyze and compare their characteristics .

  Keywords: Photonic Millimeter-wave Generation Radio over Fiber System 1 引言毫米波是指波长为10mm(频率为30GHz)到1mm(频率为300GHz)的电磁波,它在军事、医学、无线通信、射电天文学和微波传感方面均有重大的意义。其中军用的8mm(频率为35GHz)和3mm(频率为94GHz)毫米波段在雷达领域有非常重要的应用;另一方面,最近兴起的60GHz波段的宽带无线接入技术引起非常大的关注。由于载波频率高,可以实现用户的Gb/s级甚至10Gb/s级宽带移动无线接入,比目前3G无线技术的接入速率高两到三个数量级。同时,由于57-64GHz波段在大气中传播的衰减相当严重,该波段只能在小范围使用,不需要经过无线频谱管理当局的批准,不需要昂贵的牌照费用,因此它被认为是未来宽带无线接入中最具潜力的技术。可见,毫米波的光学产生技术在无线通信中是一关键技术。由于相比传统产生高频微波方法,通过光学产生高频微波成本和损耗都要低很多,并且解决了传统产生高频微波方法的难点。本文主要讨论了几种光学产生微波/毫米波的方法,并分别进行了分析和比较。

  2 毫米波的光学产生光学方式形成高频微波具有很多的潜在应用,如宽带无线接入网、软件无线电、卫星通信、雷达、THZ波成像等。在过去的几十年里,很多人从事着这个方面的研究,研究表明,光生毫米波是通过两个或者多个具有一定关系的光纵模通过拍频作用产生。为了通过拍频产生稳定的低相位噪声的高频微波,参与拍频的两个纵模必须满足下述条件:1)相位差恒定;2)频率稳定;3)两光波的偏振态一致[1]。为了满足以上条件,通过光学方式生成微波的技术,概括起来主要有以下几种方法:1)光注入法;2)光锁相环法;3)双模激光器法;4)多次倍频法;5)锁模激光器法;下面分别对其进行介绍,并对其进行比较。

  2.1 光注入法光注入法就是通过光注入锁定的方式将两个从激光器光注入锁定在主激光器的两个不同的谱线上,产生两个相干的输出光束,然后将它们在光探测器中拍频,就可以得到微波信号输出[2-3]。

图1是光注入锁定实现微波的结构框架图[4],主激光器输出频率为的光信号,经过相位调制器后,在主激光器的载波频率两侧对称地产生很多边带,频率为,其中为任意常数,驱动相位调制器的微波信号频率为,各个边带之间的频率间隔等于调制器的调制频率。产生的光束经过一个的Y型耦合器分别注入到两个半导体激光器中,由于这两个激光器具有很高的Q值,两激光器的锁定频带宽度很窄,通过调节两个半导体激光器的工作条件,使其中一个工作在,另一个激光器的输出频率为,其中为一特定整数。在主激光器作用下,两个从激光器形成光注入锁定。除两个半导体激光器工作的那两个对称频率外,其他频率上的边模都会受到抑制。此时,两激光器的输出谱是两个相位差恒定的单纵模光束,将这两个光束在探测器上混频,就可以得到波长处于微波段或亚微波段的差频微波输出。

  上述方案能够获得具有很好相干性的两个纵模,因而能够获得质量较好的毫米波信号。但是也有很多不足之处,如需要两个或两个以上的激光器和严格的光学耦合条件。

  图1 光注入锁定法产生毫米波方案结构图

  2.2 光锁相环法光锁相环最初用于相干光通信中,近些年也用来产生微波或者毫米波。它主要是将系统产生的微波信号与参考点相比较,通过电的方式引入反馈环,并将反馈的信号用来调节激光器的工作状态,从而实现稳定的高频微波[5]。与光注入锁定相比,它不需要满足严格的光学耦合条件,可以产生频率可调节的微波信号,缺点是它采用了电的反馈电路来实现模式锁定。

  图2 光学锁相技术产生毫米波方案结构图

  通过借助鉴频器来实现光锁相环的系统结构图如图2所示[5]。图2中用到了两个激光器都为外腔半导体激光器(external-cavity semiconductor laser,ECSL)。该激光器采用的是830nm的GaAs双异质结商用半导体激光器,型号为夏普LT015MF0。每个激光器的输出都是单纵模,其边模抑制比大于30dB。通过改变激光器的温度和激光器内的光栅角度,激光器的输出波长可以得到调节,当两个激光器的输出波长调节到很接近时,在探测器上这两束光之间将形成拍频,两激光器拍频后产生的光束经雪崩光电二极管(APD)产生的电流中含有高频的微波信号。从激光器的一个反射端接有压电陶瓷,通过它可以改变腔长,从而改变激光器输出波长。压电陶瓷和注入电流的频率调节系数分别为50MHz/V和15MHz/V。

  APD产生的电流经直流耦合放大器后分成两个部分,分别送到两个不同的控制环中,一个是带有鉴频器的光锁相环,鉴频器的自由频谱范围为600MHz。当输出的微波信号偏离了积分点时,鉴频器的输出端将得到一个反馈信号,利用这个反馈信号可以改变从激光器的腔长,从而让系统的输出频率回到积分点,从而锁定。另一个是频带宽度很小的锁相环,该锁相环将拍频得到的信号和参考的微波信号相比较,得到的信号经过一个无源的低通滤波器反馈给从激光器的电流驱动元件,从而达到稳定的、低相位噪声的微波输出。

  由上可见,光学锁相环的实现起来十分复杂,在未来低成本的毫米波通信系统中的应用前景不明朗,但是光学锁相环的研究本身有着十分重要的意义。

  2.3 双模激光器法由前述,可以看出,光注入法和光锁相环法均通过两个不同激光源产生的两个光束在探测器端拍频产生频率等于两光束波长之差的微波信号,并且通过对两个激光源的相位锁定得到了高稳定、低相位噪声的微波信号。在上述两种方案中,均使用了微波源作为参考信号。然而,在诸如无线通信和雷达系统等的应用中,微波生成系统被用作本地振荡器,没有参考微波源。相比之下,通过双模激光器来实现光学方式产生微波的最大优点在于系统中不需要微波源作为参考信号,仅使用一个激光器,就可以产生微波。不过为了实现经探测器拍频得到稳定的微波输出,光源必须是双波长单纵模激光器或者是单波长双纵模的激光器。本文只讨论利用双波长单纵模激光器产生两个相干光波拍频产生毫米波信号的方法[6-10]。图3是加拿大渥太华大学的一个研究小组提出的做的一个通过双波长单纵模的环形激光器来产生微波信号的系统结构图[6]。

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