專利名稱：基于級聯(lián)全通濾波器的毫米波副載波光脈沖信號發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于級聯(lián)全通濾波器的毫米波副載波光脈沖信號發(fā)生器。本 發(fā)明可應(yīng)用于光纖無線通信技術(shù)，微波光子學(xué)技術(shù)等工作中。
背景技術(shù)：
隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，人們對包括聲音，數(shù)據(jù)，圖像和影視等多媒 體的需求也越來越迫切，為提高信息容量和通信速率，必須利用比微波更高 頻率的毫米波射頻信號。Radio over Fiber (RoF)技術(shù)是一種微波通信和光 通信相結(jié)合的技術(shù)，能解決通信系統(tǒng)信息容量和傳輸速率的問題。在這一技 術(shù)中，基站與中心局之間的信息傳輸仍然采用光纖；在光纖中傳送的光波是 一個毫米波調(diào)制的光波，信息被載在毫米波副載波上。在基站上，光波被接 收后轉(zhuǎn)化為毫米波射頻信號被發(fā)射出去。因此毫米波信號發(fā)生器在這一技術(shù) 中是一個關(guān)鍵器件；尤其是因為基站數(shù)量巨大，低成本、高可靠性的毫米波 發(fā)生器是研究開發(fā)的熱點(diǎn)。
對毫米波副載波信號發(fā)生器的研究工作，己經(jīng)有不少報道，提出了多種 技術(shù)方案。在先技術(shù)之一[H. Schmuch, Comparison of optical millimeter-wave system concepts with regard to chromatic dispersion, Electron. Lett.， 31(21), pi 848， 1995]，提出從激光器輸出的光波經(jīng)過一個Mach-Zehnder調(diào)制器，攜帶傳輸信 息的毫米波射頻信號直接加載在Mach-Zehnder調(diào)制器上，這樣輸出的光波形 成一個雙邊帶調(diào)制的光學(xué)信號。在光學(xué)接收器上，每個邊帶與中心頻率發(fā)生 拍頻，產(chǎn)生毫米波頻段的射頻信號。但是這種雙邊帶調(diào)制的光學(xué)信號在光纖 中傳輸時，色散效應(yīng)對不同的頻率成分產(chǎn)生不同的相位，使產(chǎn)生的兩個拍頻 的射頻信號具有不同的相位，以至射頻信號功率隨著傳輸距離和載波頻率呈 現(xiàn)周期性變化，影響射頻信號傳輸。
在先技術(shù)之二[Ye Qing et al.， Generation of millimeter-wave sub-carrieroptical pulse by using a Fabry-Perot interferometer, Chinese Optics Lett, 5(1), p8， 2007]提出,利用超短脈沖激光器產(chǎn)生超短脈沖，入射通過Fabry-Perot干涉儀產(chǎn)
生脈沖重復(fù)頻率為毫米波頻率的脈沖信號，然后通過光纖耦合器耦合進(jìn)入光 纖傳輸。此方法簡單易行，但脈沖能量轉(zhuǎn)化效率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述在先技術(shù)存在的問題，提出一種基于級聯(lián)全通 濾波器的毫米波副載波信號發(fā)生器，該器件具有低成本，設(shè)計加工簡單，能 量轉(zhuǎn)化效率高的特性。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種基于級聯(lián)全通濾波器的毫米波副載波光脈沖信號發(fā)生器，其特點(diǎn)在 于由依次連接的具有準(zhǔn)直耦合輸出的超短脈沖光纖激光器、級聯(lián)全通濾波器、 光纖耦合器和傳輸光纖構(gòu)成。
所述的級聯(lián)全通濾波器是級聯(lián)的GT腔濾波器，由兩個平行設(shè)置的第一 GT腔、第二 GT腔和相對位置的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)構(gòu)成，每一個GT腔由具有高反射 率的高反射面和低反射率的低反射面包覆的具有一定厚度的平行平板介質(zhì)所 組成，所述的第一 GT腔的低反射面和第二 GT腔的低反射面相對且有一定距 離和錯位，以調(diào)節(jié)控制在兩個GT腔級聯(lián)的次數(shù)。
所述的GT腔的低反射面的低反射率的取值范圍為0.5 0.382。
所述的第一 GT腔或第二 GT腔具有距離調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，在所述的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的 驅(qū)動下，改變所述的第二GT腔與第一GT腔之間的距離，調(diào)節(jié)級聯(lián)的級次。
所述的第一 GT腔具有腔面平移的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以改變第二 GT腔與第一 GT腔相對的錯位而不改變二者之間的距離，調(diào)節(jié)級聯(lián)的級次。
所述的級聯(lián)全通濾波器是級聯(lián)的光波導(dǎo)環(huán)行諧振器，其構(gòu)成是在同一襯 底上制備多個波導(dǎo)諧振腔，單個諧振腔由直波導(dǎo)和一個環(huán)形波導(dǎo)組成，兩波 導(dǎo)相切，在相切點(diǎn)處構(gòu)成一個光波導(dǎo)耦合器，光波互相耦合，實現(xiàn)光波的分 束傳輸，其分束比決定于直波導(dǎo)和圓波導(dǎo)在相切處的距離，和相切點(diǎn)延伸的長度。
本發(fā)明提出的基于級聯(lián)全通濾波器的毫米波副載波光脈沖信號發(fā)生器， 具有明顯的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)。與在先技術(shù)之一和類似技術(shù)相比，本發(fā)明提出的方 案結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定，易于設(shè)計制備和操作；與在先技術(shù)之二相比，本發(fā)
4明提出的方案能量利用效率高，脈沖串包絡(luò)波形改善。


圖l是單個G-T腔產(chǎn)生脈沖串的示意圖。 圖2是單個光波導(dǎo)環(huán)光脈沖串的示意圖。 圖3是單個GT腔不同反射率時輸出光脈沖串的包絡(luò)波形圖。 圖4是對7 = 0.5時，不同級聯(lián)個數(shù)的輸出光脈沖包絡(luò)波形圖。 圖5是對7 = 0.382時，不同級聯(lián)個數(shù)的輸出光脈沖包絡(luò)波形。 圖6是本發(fā)明基于級聯(lián)G-T濾波器光信號發(fā)生器實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖7是本發(fā)明基于級聯(lián)G-T濾波器光信號發(fā)生器實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖8是本發(fā)明基于級聯(lián)G-T濾波器光信號發(fā)生器實施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖9是本發(fā)明基于級聯(lián)光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔光信號發(fā)生器實施例4的結(jié)構(gòu) 示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
先請參閱圖l，圖1是單個G-T腔產(chǎn)生脈沖串的示意圖。單個G-T腔由 兩個平行反射鏡組成，前面一片是低反射鏡，后面一片是高反射鏡，鏡片之 間是無色散介質(zhì)。i 和A分別為G-T腔低反射鏡和高反射鏡的反射率，i 產(chǎn)l， 7 <1。"為GT腔的介質(zhì)的折射率，d為G-T腔內(nèi)介質(zhì)的厚度。單個G-T腔產(chǎn) 生脈沖序列的原理是，當(dāng)一個窄脈寬光脈沖入射到G-T腔時，由于在兩腔面 上的反射和腔內(nèi)的時延，將產(chǎn)生一個脈沖串。其重復(fù)頻率為戶c/2^/cos沃6 為入射脈沖在G-T腔內(nèi)的折射角。
圖2是單個光波導(dǎo)環(huán)光脈沖串的示意圖。光波導(dǎo)環(huán)行諧振器是按照產(chǎn)生 毫米波脈沖序列的要求設(shè)計，產(chǎn)生的毫米波脈沖序列通過光纖耦合器耦合進(jìn) 入光纖，最后通過一段傳輸光纖傳輸出去。在單個光波導(dǎo)環(huán)形諧振器中，光 脈沖在光纖耦合器上分束，經(jīng)過光纖環(huán)延時，也將產(chǎn)生脈沖串，如圖2所示。 其重復(fù)頻率為戶c/"eZ，式中"e#為光波導(dǎo)的有效折射率，丄為單個光波導(dǎo)環(huán)的周長。設(shè)計脈沖重復(fù)頻率/為所要求的毫米波頻率，得到的脈沖串就是一 個脈沖重復(fù)頻率為毫米波頻率的脈沖包絡(luò)。在忽略材料損耗的理想情況下， 產(chǎn)生的脈沖串的總能量等于入射脈沖的能量，因此上述兩種結(jié)構(gòu)都屬于全通 濾波器。
單個G-T腔輸出的脈沖串包絡(luò)取決于i ,如下式所示
A, = R, AjM = T2Rj-2 ( 1 )
其中r=i-j ， 乂為脈沖序號。除了第一個輸出脈沖外，毫米波脈沖幅度包絡(luò) 衰減變化滿足expH/Q,其中^^(/"lni "y1。可見，當(dāng)i 比較高時，除了第一 個反射脈沖，大多數(shù)脈沖序列是比較小的，脈沖包絡(luò)衰減比較慢；當(dāng)及比較 低時，第一個脈沖比較小，但是衰減比較快。因此不同的反射率決定產(chǎn)生不 同的毫米波脈沖包絡(luò)。如圖3所示。
為了調(diào)整和改善產(chǎn)生的脈沖包絡(luò)，本發(fā)明提出級聯(lián)全通濾波器的結(jié)構(gòu)。 我們采用級聯(lián)的GT腔就是將兩個相同的GT腔相對平行放置，以一定角度入 射的光脈沖進(jìn)入第一個全通濾波器，產(chǎn)生脈沖重復(fù)頻率為毫米波頻率的脈沖 包絡(luò)，然后入射到另外一個相同的平行放置的GT腔，通過控制在兩個GT腔 內(nèi)反射的次數(shù)，以此達(dá)到級聯(lián)的目的。每個脈沖將產(chǎn)生它自己的脈沖包絡(luò)伴 隨著相同的重復(fù)頻率和固定相位關(guān)系，此后兩個或多個脈沖包絡(luò)將相互疊加 產(chǎn)生一個脈沖包絡(luò)，因此達(dá)到調(diào)整和改善輸出的脈沖串包絡(luò)形狀的作用，以 便有利于高速光電探測器探測。圖4描繪了 1-6個級聯(lián)全通濾波器產(chǎn)生的脈沖 包絡(luò)的計算結(jié)果。其中及=0.5，對于兩個全通濾波器級聯(lián)，4:/^w;對于三 個級聯(lián)^ = (1+2+-+7')#+2。該圖表明從l-6個全通濾波器級聯(lián)，脈沖包絡(luò)逐步 趨于對稱分布，有明顯的優(yōu)化。圖5描繪了反射率減小為i = 0.382時，1-4 個級聯(lián)全通濾波器產(chǎn)生的脈沖包絡(luò)。表明設(shè)計不同反射率和不同級聯(lián)個數(shù)， 可以明顯改善所產(chǎn)生的毫米波脈沖包絡(luò)。因此我們設(shè)計級聯(lián)的GT腔， 一般低 反射鏡的反射率為0.5—0.382，在兩個GT腔內(nèi)來回反射2-4次為宜。對于光 波導(dǎo)環(huán)級聯(lián)個數(shù)2-4個為宜。
以上分析基于入射脈沖為超短脈沖，產(chǎn)生的脈沖序列之間沒有相互影響， 但如果入射脈沖有一定的脈沖寬度，毫米波調(diào)制光信號的消光比將有所下降。 經(jīng)分析，消光比與入射脈沖寬度的關(guān)系為4/ r
其中:r為入射脈沖的寬度，/為所要求的毫米波頻率。這一特性與在先技術(shù)之 四相同。
本發(fā)明基于級聯(lián)全通濾波器毫米波副載波光脈沖信號發(fā)生器的實施例1的 結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。圖中l(wèi)和2為兩個用厚度相等的平行平板光學(xué)玻璃 構(gòu)成的第一 G-T濾波器和第二 G-T濾波器，其一面11和21蒸鍍高反射率介 質(zhì)膜，另一面12和22蒸鍍上述理論計算要求的低反射率的介質(zhì)膜。兩個G-T 濾波器平行放置；并在上下方向偏移一個供光束入射的距離。第一 G-T濾波 器1固定放置，第二 G-T濾波器2可以通過微調(diào)機(jī)構(gòu)3在左右方向移動。圖 中4為超短脈沖激光光源，其發(fā)射光束準(zhǔn)直后，以一定角度入射到第一 G-T 濾波器1的入射平面上。光束在第一 G-T濾波器1和第二 G-T濾波器2之間 來回反射，最后從第二G-T濾波器2反射輸出。光束在兩個G-T濾波器之間 反射的次數(shù)就是上述理論分析中級聯(lián)的級次數(shù)。通過機(jī)械機(jī)構(gòu)3使第二 G-T 濾波器2移動，可以改變在兩G-T濾波器之間反射的次數(shù)。以達(dá)到優(yōu)化脈沖 串包絡(luò)形狀的目的。圖6中作為例子，畫出了級聯(lián)8次和4次的情況。從第 二 G-T濾波器2輸出的光束，已實現(xiàn)將入射超短脈沖轉(zhuǎn)換為一個具有一定包 絡(luò)波形的、 一定重復(fù)頻率的脈沖串。假設(shè)通信系統(tǒng)使用毫米波頻率y^60GHz， 采用石英玻璃制備G-T濾波器，其折射率為"=1.45，入射角度很小，可以近 似為6~0，根據(jù)計算，設(shè)計加工石英平行平板的厚度為"=1.72附附。就可以獲 得重復(fù)頻率為60GHz的光信號脈沖包絡(luò)。從第二 G-T濾波器2輸出的脈沖重 復(fù)頻率為毫米波頻率的脈沖包絡(luò)，經(jīng)光纖準(zhǔn)直器5耦合到傳輸光纖鏈路6中 傳輸出去。
本發(fā)明基于級聯(lián)全通濾波器微波毫米波副載波光脈沖信號發(fā)生器實施例2 的結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。圖中1和2為兩個厚度相等的平行平板光學(xué)玻璃 構(gòu)成的第一 G-T濾波器和第二 G-T濾波器，其兩面反射率與實施例1 一樣。 兩個G-T濾波器平行放置；并在上下方向偏移一個供光束入射的距離。第二 G-T濾波器2固定放置，第一 G-T濾波器1通過機(jī)械機(jī)構(gòu)31在上下方向移動。
7可以改變在兩G-T濾波器之間反射的次數(shù)，如圖中虛線所示，以達(dá)到優(yōu)化脈 沖串包絡(luò)形狀的目的。超短脈沖激光光源4的發(fā)射光束準(zhǔn)直后，與實施例1 同樣地在第一 G-T濾波器1和第二 G-T濾波器2之間來回反射，最后從第二 G-T濾波器2反射輸出。經(jīng)光纖準(zhǔn)直器5耦合到傳輸光纖鏈路6中傳輸出去。 上述技術(shù)方案中的G-T濾波器，可以采用石英玻璃制備，也可以采用光學(xué)玻 璃制備。
本發(fā)明基于級聯(lián)全通濾波器毫米波副載波光脈沖信號發(fā)生器實施例3如圖 8所示。圖中13為一平行平板光學(xué)玻璃，可以采用熔石英玻璃或常規(guī)光學(xué)玻 璃制備。其兩面蒸鍍根據(jù)設(shè)計的低反射率介質(zhì)膜131。 14和15為兩個平板玻 璃，其表面之一蒸鍍高反射率介質(zhì)膜。另外一個表面可以僅僅作研磨處理。 兩平板玻璃14和15的高反射率面141和151，通過兩個厚度相等的空心隔離 塊16和17與平板玻璃13粘合，安裝時保證高、低反射率兩平面之間平行。 平板玻璃14和15上制備兩個圓孔或其他形狀的缺口 142和152，作為光束輸 入和輸出的通道。在平板玻璃13和14之間，以及13和15之間，構(gòu)成了兩 個以空氣為介質(zhì)的G-T濾波器。當(dāng)超短激光束從142 口入射時，將分別通過 兩個G-T濾波器，并在平板玻璃13的兩平面131上發(fā)生多次反射，最后從152 口輸出，達(dá)到級聯(lián)全通濾波器的效果。
本結(jié)構(gòu)中的隔離塊可采用低膨脹系數(shù)的材料制備，比如石英玻璃、微晶 玻璃或殷鋼等，以保證厚度的溫度穩(wěn)定性。
本發(fā)明基于級聯(lián)全通濾波器毫米波副載波光脈沖信號發(fā)生器實施例4的 結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。圖中9為波導(dǎo)環(huán)形諧振腔，單個諧振腔由直波導(dǎo)和 一個環(huán)形波導(dǎo)組成，兩波導(dǎo)相切，在相切點(diǎn)處構(gòu)成一個光波導(dǎo)耦合器，光波 可以互相耦合，實現(xiàn)光波的分束傳輸，其分束比決定于直波導(dǎo)和圓波導(dǎo)在相 切處的距離，和相切點(diǎn)延伸的長度。91為波導(dǎo)器件的襯底。在同一襯底上可 以設(shè)計制備多個波導(dǎo)諧振腔，以達(dá)到改善脈沖串包絡(luò)形狀的目的。作為例子， 圖中畫了級聯(lián)的四個波導(dǎo)環(huán)形諧振腔。根據(jù)需要可以設(shè)計加工不同個數(shù)的波 導(dǎo)環(huán)形諧振腔。92為輸入耦合器，其作用是將由超短脈沖激光光源4發(fā)出的光束聚焦耦合到波導(dǎo)中。93為輸出耦合器，其作用是將波導(dǎo)輸出的光束聚焦 耦合到光纖中。超短激光脈沖在波導(dǎo)環(huán)形諧振腔中轉(zhuǎn)換為一定重復(fù)頻率的脈 沖串，其重復(fù)頻率決定于波導(dǎo)環(huán)的長度。假設(shè)通信系統(tǒng)使用毫米波頻率/ = 60GHz，波導(dǎo)的有效折射率為we#=1.45,可以計算出，波導(dǎo)環(huán)的長度應(yīng)為3.45 毫米。本發(fā)明的波導(dǎo)材料可以采用硅基氧化硅波導(dǎo)，也可以采用有機(jī)聚合物 波導(dǎo)。
超短脈沖光源4輸出的光束經(jīng)過多個波導(dǎo)環(huán)形諧振腔后，輸出脈沖串的 包絡(luò)形狀得到調(diào)整和優(yōu)化。輸出為脈沖重復(fù)頻率為毫米波頻率的光脈沖包絡(luò)， 經(jīng)光纖鏈路5傳輸出去。
本發(fā)明實施例l、 2、 3，采用常規(guī)光學(xué)工藝制作，價格低廉。實施例l和 實施例2還可以實現(xiàn)級聯(lián)數(shù)量的調(diào)整，使用方便。實施例3的光學(xué)器件可以 一體化組合；空氣腔的溫度系數(shù)很小，穩(wěn)定性較好。實施例4，采用光波導(dǎo)技 術(shù)，器件整體的體積重量很小，具有小型化、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)。
總之，本發(fā)明具有低成本，設(shè)計加工簡單，能量轉(zhuǎn)化效率高的特性。
權(quán)利要求
1、一種基于級聯(lián)全通濾波器的毫米波副載波光脈沖信號發(fā)生器，其特征在于由依次連接的具有準(zhǔn)直耦合輸出的超短脈沖光纖激光器(4)、級聯(lián)全通濾波器、光纖耦合器(5)和傳輸光纖(6)構(gòu)成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于級聯(lián)全通濾波器的毫米波副載波光脈沖信 號發(fā)生器，其特征在于所述的級聯(lián)全通濾波器是級聯(lián)的GT腔濾波器，由兩個 平行設(shè)置的第一GT腔(1)、第二GT腔(2)和相對位置的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(3)構(gòu) 成，每一個GT腔由具有高反射率(Ri = 1)的高反射面(11)和低反射率(R<1) 的低反射面(12)包覆的具有一定厚度的平行平板介質(zhì)所組成，所述的第一 GT腔(1)的低反射面(12)和第二GT腔(2)的低反射面(22)相對且有 一定距離和錯位，以調(diào)節(jié)控制在兩個GT腔級聯(lián)的次數(shù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于級聯(lián)全通濾波器的毫米波副載波光脈沖信 號發(fā)生器，其特征在于所述的GT腔的低反射面的低反射率(R)的取值范圍 為0.5 0.382。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于級聯(lián)全通濾波器的毫米波副載波光脈沖信 號發(fā)生器，其特征在于所述的第一GT腔(1)和第二GT腔(2)具有距離調(diào) 節(jié)機(jī)構(gòu)(3)，在所述的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(3)的驅(qū)動下，改變所述的第二GT腔(2) 與第一GT腔(1)之間的距離，調(diào)節(jié)級聯(lián)的級次。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于級聯(lián)全通濾波器的毫米波副載波光脈沖信 號發(fā)生器，其特征在于所述的第一GT腔(1)具有腔面平移的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(31)， 以改變第二GT腔(2)與第一GT腔(1)相對的錯位而不改變二者之間的距 離，調(diào)節(jié)級聯(lián)的級次。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于級聯(lián)全通濾波器的亳米波副載波光脈沖信 號發(fā)生器，其特征在于所述的級聯(lián)全通濾波器是級聯(lián)的光波導(dǎo)環(huán)行諧振器(9)，其構(gòu)成是在同一襯底上制備多個波導(dǎo)諧振腔，單個諧振腔由直波導(dǎo)和 一個環(huán)形波導(dǎo)組成，兩波導(dǎo)相切，在相切點(diǎn)處構(gòu)成一個光波導(dǎo)耦合器，光波 互相耦合，實現(xiàn)光波的分束傳輸，其分束比決定于直波導(dǎo)和圓波導(dǎo)在相切處 的距離，和相切點(diǎn)延伸的長度。
全文摘要
一種基于級聯(lián)全通濾波器的毫米波副載波光脈沖信號發(fā)生器，由依次連接的具有準(zhǔn)直耦合輸出的超短脈沖光纖激光器、級聯(lián)全通濾波器、光纖耦合器和傳輸光纖構(gòu)成。所述的全通濾波器為G-T濾波器，或光波導(dǎo)環(huán)形諧振腔。本發(fā)明具有低成本，設(shè)計加工簡單，能量轉(zhuǎn)化效率高的特性。
文檔編號H04B10/12GK101562481SQ200910051609
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月20日
發(fā)明者青 葉, 徐欽峰, 方祖捷, 潘政清, 瞿榮輝, 蔡海文 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所