頻率大范圍可切換微波毫米波信號發生器

尚海燕

摘 要：用一個三波長光纖激光器實現RF信號發生器，其中該激光器具有不均勻頻率間隔，得到的RF信號可在大范圍內切換。由于三波長光纖激光器具有雙折射效應，只要調節偏振控制器，就可靈活實現雙波長工作狀態。因此，實驗獲得微波毫米波段內穩定的RF信號。

關鍵詞：微波產生；頻率切換；三波長光纖激光器

1 引言

過去的幾十年里，光學產生微波毫米波已經引起了研究者們極大的關注，它具有廣泛的應用，比如超寬帶光纖無線通信系統，雷達，RoF通信系統，傳感，相干光子學等等[1]。已經報道了很多種產生光子RF信號的方案，研究者們采用比較多的有外部調制法[2]、光外差法[3]。外調制法就是先用一個電光調制器將RF信號調制到光載波上，然后得到一個拍頻信號。該方法要求高性能穩定性好的RF信號源，還要求高速調制器，成本較高。光外差法只需直接將兩個獨立的激光源進行拍頻就可得到穩定的RF信號，但是得到的RF信號可調諧的范圍有限，且該信號也很難同時工作在微波毫米波段。在一些特殊的應用中，我們就需要產生多頻RF信號，或是可在微波毫米波段切換的RF信號[4]。

本文基于一個不均勻頻率間隔三波長光纖激光器，提出并實驗驗證一種產生可快速切換的微波毫米波信號。因為三波長光纖激光器具有雙折射效應，只要調節偏振控制器（PC）就可輸出任意兩個波長，從而得到相應的拍頻。實驗得到的微波信號頻率分別為10.5GHz，21.2GHz，31.8GHz，而且實現這三個頻率的信號快速切換。

2 實驗裝置和工作原理

如圖1所示為頻率可快速切換微波毫米波信號產生實驗裝置。980nm泵浦輸出241.8mW的泵浦光通過光波分復用器（WDM）泵入摻鉺光纖中，后向激光輸出經偏振控制器（PC）和檢偏器后，再經一分光比為20：80的耦合器，經光電探測器（PD）后輸入頻譜分析儀。PC用來調整輸入激光的偏振態，檢偏器只能透過特定方向的光，而濾掉其他偏振態方向的光。耦合器80%輸出端接PD（帶寬20GHz）和頻譜儀，另一端輸入光譜儀（OSA）以便實時監控光信號。

實驗中使用的光纖光柵激光器，是刻寫在保偏光纖上的，腔長約9.1mm，相應的頻率約11GHz。圖2為該激光腔的反射譜和透射譜，我們分別采用光譜儀和相干檢測法[5]測量該激光腔。如圖（b）所示，可以看到標為4的峰值，對應的波長為1544.9nm。峰1和峰2之間對應的頻率間隔約22GHz，峰4和峰2之間約11GHz。由于保偏摻鉺光纖的雙折射效應，該激光腔的透射譜反射譜有兩個重疊的尖峰，分別對應兩個偏振態，那么該腔的三個峰之間互成一定角度存在。

在光譜上可以看到該激光器的輸出光譜，如圖3所示為三波長輸出光譜，分別對應圖2中的峰1、2和4。由于三個波長的偏振態不同，為了驗證三波長輸出的穩定性，我們每隔十分鐘觀測一次，多次測量后三波長平均變化幅度約0.001dBm。

3 實驗結果和討論

圖4為激光器三波長輸出時在頻譜儀上監測到的微波毫米波信號，得到三個頻率信號分別是通過對任意兩個波長的信號拍頻獲得，其頻率分別為10.5GHz、21.2GHz、31.8GHz，相應的信號強度為-38.5dBm、-44.9dBm、-59.8dBm。很明顯，這三個信號的頻率恰好與激光器三波長的波長間隔相對應。此外，隨著信號頻率的升高，信號強度有下降趨勢，這主要是受實驗條件限制，實驗中采用的告訴光電探測器帶寬約20GHz。

通過調節PC，三波長激光器可靈活輸出雙波長，這樣就方便實現微波毫米波信號的切換。該激光器任意兩波長的輸出光譜及其相應得到的拍頻信號如圖5所示。頻率為10.5GHz的信號，相對應的拍頻波長為1544.97nm和1545.06m；頻率為21.2GHz的信號，相對應的拍頻波長為1544.78m和1544.97nm；頻率為31.8GHz的信號，相對應的拍頻波長為1544.78nm和1545.06nm，三個信號的強度分別為-35.24dBm、-40.18dBm、-49.41dBm。與10.5GHz的信號強度相比，21.2GHz降低4.94dBm，31.8降低14.17dBm，頻率較高處信號強度降低也是受光電探測器帶寬有限的影響。

4 結論

本實驗采用三波長光纖激光器展示了一種多頻率微波毫米波可切換的信號發生器，只要簡單調節偏振控制器，就可靈活改變激光器的輸出狀態，得到的頻率信號也可以靈活的切換。本實驗裝置簡單，結構靈活，得到的射頻信號穩定性好，還可靈活快速切換。

[參考文獻]

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[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.