专利名称：微波毫米波副载波光信号发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信系统，是一种基于法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉型滤波器(简称F-P滤波器)的微波毫米波副载波光信号发生器。主要应用于微波、毫米波调制的光信号的产生，为未来宽带的Radio Over Fiber通信系统、微波毫米波通信、雷达、微波信号处理等应用提供必要的单元技术。
背景技术：
随着移动通信技术、无线接入网等技术的迅速发展，对副载波的通信容量的需求越来越高。为了提高信息的容量，电磁波的频率必须进一步提高。从目前的微波波段提高到毫米波波段，是下一代包括无线通信在内的各种相关技术发展最有希望的目标，受到各国科技界的重视。在这一技术中，前端的信息传输仍然可以采用光纤；但是在光纤中传送的光波是一个毫米波调制的光波，信息被载在毫米波副载波上。在基站上，光波被接收后转化为毫米波，直接从自由空间发射出去，到达各移动用户的接收终端。因此毫米波副载波光信号发生器在这一技术中是一个关键元件。在微波技术领域，光纤和光器件也有重要应用前景。采用光纤和光子器件，使微波元器件的体积重量大大减小，速度和控制精度大大提高，成本降低。
在毫米波副载波光信号发生器的研究开发中，已经提出了多种方案。在先技术之一，是采用两个具有一定频率间隔的激光器通过拍频效应的方式产生连续毫米波副载波信号[IEEE Photonics Technol.Lett.，Vol.10，No.5，1998，p728；J.Light-wave Technol.，Vol.17，No.2，1999，p328]。这一方法在光学调整技术上难度比较高。近年来对于利用超短的脉冲序列来产生毫米波副载波信号的研究工作，也有不少报道。在先技术之二，D.McKinney等在[OpticsLetters，Vol.27，No.15，2002，p1345]提出了利用一个衍射光栅和空间膜板来产生任意波形的毫米波副载波脉冲信号。在先技术之三，对上述的方案进行了改进，利用一个虚相位阵列器件代替了衍射光栅[IEEE Photonics Technol.Lett.，Vol.16，No 8，2004，p1936]，实现了更大脉冲信号的时域周期和射频信号的检波强度，如图1所示。它通过将激光器输出的超短脉冲序列准直聚焦后入射到一个虚相位阵列的窗口上，输出的多光束经一个空间膜板耦合进入光纤，产生一定波形的毫米波段的脉冲序列。但是虚相位阵列器件结构比较复杂，成本比较高。在先技术之四[J.Lightwave Technol.，Vol.21，No.5，1999，p1179]，报道利用高双折射光纤的色散和非线性特性实现偏振干涉效应来产生毫米波调制光脉冲的方法，如图2所示。这种方法在实际的操作中控制非常困难。在先技术之五，[中国发明专利，申请号200510031023.X]利用变迹莫尔光纤光栅来实现一定间隔的滤波选频，然后通过脉冲内的自拍频产生毫米波载波。如图3所示。它也具有低成本的优势。但是产生毫米波副载波的频率不易调节，其频率受外界环境的温度影响的稳定性还有待检验。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提出一种微波毫米波副载波光信号发生器，该光信号发生器应具有工作稳定可靠，制作工艺稳定、成熟，价格低廉，易于推广应用的特点。
本发明的技术解决方案如下一种微波毫米波副载波光信号发生器，其特征在于它依次由F-P滤波器、透镜、光纤和高速光电二极管构成，所述的透镜位于F-P滤波器的输出面后，所述的光纤的输入端位于所述的透镜的焦点，所述的光纤的输出端与所述的高速光电二极管相连。
所述的F-P滤波器为固定腔长F-P滤波器、压电调谐F-P滤波器、磁致伸缩调谐F-P滤波器、入射角度调谐F-P滤波器、电光调谐F-P滤波器、热光调谐F-P滤波器或有源F-P滤波器。
所述的固定腔长F-P滤波器是由光纤连接的F-P滤波器，其构成是两个端面抛光并蒸镀高反射膜的光纤准直器相对平行置放，两端面之间为空气，再通过一固定座固定而成。
所述的压电调谐F-P滤波器的构成是两个端面抛光并蒸镀高反射膜的光纤准直器相对平行置放后分别由两个光纤准直器固定座固定，在所述的两个光纤准直器固定座的上下面设置锆钛酸铅压电块，两锆钛酸铅压电块分别与一可控电压源相连，两压电锆钛酸铅块随该可控电压源的电压的变化而伸缩实现对所述的压电调谐F-P滤波器的腔长的调谐。
所述的磁致伸缩调谐F-P滤波器的构成是两个端面抛光并蒸镀高反射膜的光纤准直器相对平行置放后分别由两个光纤准直器固定座固定，在所述的两个光纤准直器固定座的上下面设置磁致伸缩材料，在该磁致伸缩材料上绕制电磁线圈，该电磁线圈两端施加可控电流的驱动器。
所述的入射角度调谐F-P滤波器的构成是在两个端面镀有减反射膜的常规的光纤准直器之间插入两块楔形光学平板，该楔形光学平板的一面镀有高反射膜，另一面镀减反射膜，两高反射面相对放置，并调整到平行，构成一个F-P腔并固定在座子上，该座子连接一微电机或压电驱动器，在驱动电源驱动下带动所述的座子转动，调节入射角来调谐F-P腔的光程。
所述的电光调谐F-P滤波器的构成是在两个常规光纤准直器之间设置一块电光晶体，该电光晶体的两平行端面镀高反射膜，构成一个F-P腔，该电光晶体置于一由驱动器提供的外电场中，该F-P滤波器的腔的光学长度nd将随该电光晶体的折射率n的变化而变化，从而引起谐振波长的调谐，即输出毫米波频率的调谐。
所述的热光调谐F-P滤波器的构成是在两个常规光纤准直器之间设置一具有较高热光系数的热光晶体，其平行两端面镀高反射膜，构成一个F-P腔，该热光晶体与加热器或致冷器相接触，该加热器或致冷器与一温控电源相连。
所述的有源F-P滤波器的构成是在两个常规光纤准直器之间设置一半导体激光器的芯片，该半导体激光器的芯片的两端面镀有高反射膜，所述的光纤准直器的端点的微透镜与该半导体激光器的芯片相耦合，该半导体激光器的芯片就构成一个具有增益的F-P滤波器，所述的半导体激光器的芯片由驱动电源可控地注入电流。
本发明具有如下的优点1、F-P滤波器是一个无源器件，工作稳定可靠。
2、F-P滤波器制作工艺稳定、成熟，价格低廉，易于推广应用。
3、可以通过改变F-P滤波器的腔长或/和入射角度，实现毫米波频率的调谐，可以用于频移键控、相移键控等不同通信格式。
4、由于F-P滤波器具有周期性的滤波特性，对输入脉冲的峰值波长与滤波器的透过峰之间无严格对准要求，可以用于同一波段的不同激光光源。
5、产生的毫米波调制信号具有前沿陡峭的特点，有利于在接收端脉冲的鉴别和探测。
6、利用有源的F-P滤波器，即具有增益的F-P谐振腔结构，可以调整和控制毫米波调制光脉冲的幅度，调整其顶部的平坦度；调整和控制光脉冲的持续时间；调整和控制毫米波的重复频率。
图1在先技术之二的利用虚相位阵列方案示意2在先技术之三的利用色散和非线性方案示意3在先技术之四的变迹莫尔光纤光栅方案示意4是本发明微波毫米波副载波光信号发生器的基本结构原理5本发明实施例1的结构示意6通过所设计的F-P滤波器的输出光脉冲波形图7本发明实施例2的结构示意8本发明实施例3的结构示意9本发明实施例4的结构示意10本发明实施例5的结构示意11本发明实施例6的结构示意12本发明实施例7的结构示意13采用本发明F-P滤波器的微波、毫米波光信号发生器实现FSK通信方式的框图具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图4，图4是本发明微波毫米波副载波光信号发生器的基本结构原理图，由图可见，本发明微波毫米波副载波光信号发生器依次由F-P滤波器1、透镜2、光纤3和高速光电二极管4构成，所述的透镜2位于F-P滤波器1的输出面后，所述的光纤3的输入端位于所述的透镜2的焦点，所述的光纤3的输出端与所述的高速光电二极管4相连。
图中，光脉冲入射到由反射率为R、间距为d的两镜面构成的F-P滤波器1，在该滤波器1的两界面来回反射，输出一个在时间上等间隔的脉冲串，形成一个高频调制的光脉冲包络。
所述的F-P滤波器的两平面镜之间的距离，或称腔长为d，腔内折射率为n，入射光脉冲在腔内与法线方向的夹角为θ，光速为c，则输出脉冲间隔为ΔT＝2nd/(c·cosθ)。由此可以得到，输出的光脉冲串对应的高频调制频率为f＝1/ΔT＝(c·cosθ)/(2nd)。在脉冲串包络中，脉冲峰值随时间指数下降，衰减时间常数为ΔT/ln(1/R)。根据F-P滤波器的基本传输方程，可以模拟计算输出光脉冲的光谱和波形，如图6所示。适当地设计F-P滤波器的腔长d、所用材料的折射率n，镜面的反射率R，就可以将一个ps量级的激光脉冲变换为一个间隔为微波、毫米波频率的脉冲序列。通过透镜2，耦合进入光纤3。并通过高速光电二极管4的光电转换，获得毫米波频率的射频波束发射出去，如图4所示。
根据上述基本原理，可以得到F-P滤波器的主要结构参数与所需要的微波、毫米波副载波输出性能的关系。产生脉冲序列的重复周期为ΔT＝2nd/(c·cosθ)；相应的微波或毫米波频率为f＝1/ΔT。对于没有增益的无源F-P滤波器，脉冲序列的幅度变化为I(t)＝I0exp(-t/Td)，其中衰减时间常数为，Td＝ΔT/(lnR-1)。这些基本参数确定了产生的微波、毫米波副载波光信号的基本性质。
通过调节F-P滤波器的腔长d、折射率n、或者入射角θ，就可以调谐产生的微波、毫米波的频率f。通过改变F-P滤波器的两平面镜的反射率R，或利用有增益的F-P腔结构，可以改变输出的微波、毫米波副载波光信号的波形。
根据本发明的思想，本发明的实施例如下
实施例1采用固定腔长的F-P，如图5所示。图中6为一个脉冲压缩器，实现对入射光脉冲信号的脉宽压缩，以获得具有高消光比的微波、毫米波调制的光脉冲。7为一个光纤放大器，以弥补在光脉冲转换过程中能量的损失，并满足微波、毫米波转换的需要。11为一种固定腔长的光纤连接的F-P滤波器。圆圈内的插图显示其放大的结构，111和112为两个光纤准直器，其端面抛光，并蒸镀高反射率模；两端面之间为空气，构成一个折射率等于1的F-P腔。两端面的间距根据设计要求制作。110为一个固定两个光纤准直器111和112的座子。为了对F-P滤波器腔长的大致数值有一个概念，可以作如下设计，作为一个例子要求的毫米波频率为62.5GHz；即毫米波的波长为4.8mm，周期为16皮秒。光纤端面的间距为2.4mm。光纤端面的反射率约为80％。图6为一个由这一设计进行模拟计算得到的输出波形。
实施例2是采用腔长改变的可调谐F-P滤波器。图7为一种采用压电效应的可调谐F-P滤波器12。图中1101和1102为分别固定光纤准直器111和112的座子。121为压电材料。一般可采用锆钛酸铅(PZT)材料制作。1211是对压电材料施加可以控制的电压源。压电材料在电压作用下会发生伸缩，从而调整F-P腔的长度。
实施例3是一种利用磁致伸缩材料来调谐F-P滤波器，如图8中虚线框13所示。图中131为磁致伸缩材料，它可以在磁场作用下发生伸缩。图中1310为产生磁场的电磁线圈。1311为给电磁线圈施加可控电流的驱动器。
实施例4是一种改变光束入射角度进行调谐的可调谐F-P滤波器，如图9中虚线框14所示。该结构中142为常规的光纤准直器，就是说，其端面镀有减反射膜，以减小插入损耗。141为非平行光学平板，其一面镀有设计要求反射率的高反射率膜，另一面镀有减反射率膜；两高反射率面相对放置，并调整到平行，构成一个F-P腔，固定在座子143上。座子143连接微电机或压电驱动器144，可以在驱动电源1441带动下转动，从而通过入射角的调节来调谐F-P腔的光程。
实施例5是一种采用电光材料的可调谐F-P滤波器，其结构如图10中的虚线框15所示。在该结构中，采用与上述实施例3相同的常规光纤准直器142。图中151是一块电光晶体，其平行两端面镀了设计要求的高反射膜，构成一个F-P腔。电光晶体151的折射率n在由驱动器1511提供的外电场的作用下，会发生变化，使F-P腔的光学长度nd随之变化，从而引起谐振波长的调谐，即输出毫米波频率的调谐。
实施例6是一种采用热光材料的可调谐F-P滤波器，如图11中虚线框16所示。在这一实施例中，也采用与上述实施例3相同的常规光纤准直器142。图中161为一个具有较高热光系数的材料，其平行两端面镀了设计要求的高反射膜，构成一个F-P腔。热光晶体161的折射率n会随着温度的变化而变化。图中1610为一个与热光材料相接触的加热或致冷器，比如采用珀尔帖效应的半导体致冷器。1612为一个温度传感器，以便提供温度信息，进行反馈控制。1611为一个温控电源。根据设计和实用要求，改变加热或致冷电流，并根据温度传感器提供的温度值进行反馈控制，就可以使F-P腔的光学长度nd调整到所需要的谐振峰位置上，输出所需要频率的毫米波。
实施例7是一种采用具有光增益的F-P滤波器，也可以称为有源F-P滤波器。如图12中虚线框17所示。在这一结构中，核心是一个半导体激光器的芯片171。它在注入电流下具有可以控制的光增益。其长度根据设计要求制备或选择。在其两端面上蒸镀设计要求的高反射率膜。这样的半导体激光器的芯片就构成一个具有增益的F-P滤波器。在端点制备了微透镜的光纤172与激光器芯片171相耦合。激光器芯片的注入电流由驱动电源1711提供，并可控制。
采用有源F-P腔的工作过程及其好处如下在入射光脉冲注入F-P腔的同时对激光器芯片171施加一个方波脉冲电流，使其在脉冲电流时间1内具有一定的增益。这样就可以弥补在本说明书《发明内容》一节中所说的，由于逐次反射光功率减小造成的光功率幅度的衰减。可以不同于图6所示的衰减的波形，获得平顶或接近平顶的光脉冲串。图12中右边椭圆框插图表明了输出光脉冲串波形的改进。虚线为衰减的波形，实线为对F-P腔提供增益后得到的波形的改进。波形上的两个双箭头，表示在脉冲的幅度和宽度两个参数上都可以进行调整。此外由于半导体激光器芯片内部的折射率可以通过工作电流得到调整，因此可以由此调谐输出的微波、毫米波的频率和相位。
利用本发明的微波、毫米波光信号发生器，可以实现开关键控OOK(On-OffKeying)方式的副载波通信；还可以实现频移键控FSK(FrequencyShift Keying)的通信方式。图13为利用本发明微波、毫米波光信号发生器的实现FSK的一种技术方案。输入的数据信号，在图中以1001为例，在入射到本发明器件之前，通过倒相电路和两种波长的半导体激光器，转换为以波长为载体的光信号，即图中的λ1-λ2-λ2-λ1脉冲序列。这种转换过程，已经在发明人的前一个发明(申请号200510112239.9，2006年6月28日公开)中作了详细叙述。这一入射的脉冲序列经过一个波分复用器51，将两种波长的光波分开，分别入射到对应于微波、毫米波频率为f1和f2的F-P滤波器101和102，输出两束不同波长、不同调制频率的光脉冲；这两束光波通过波分复用器52，合波到一个光纤；经过光放大器6，获得足够的功率，在光探测器4上转换为高频电信号，向自由空间辐射。在这一微波、毫米波信号中，频率f1对应于入射数据信号的1；频率f2对应于入射数据信号的0。因此，可以完成一种频移键控的信息传输过程。
权利要求
1.一种微波毫米波副载波光信号发生器，其特征在于它依次由F-P滤波器(1)、透镜(2)、光纤(3)和高速光电二极管(4)构成，所述的透镜(2)位于F-P滤波器(1)的输出面后，所述的光纤(3)的输入端位于所述的透镜(2)的焦点，所述的光纤(3)的输出端与所述的高速光电二极管(4)相连。
2.根据权利要求1所述的微波毫米波副载波光信号发生器，其特征在于所述的F-P滤波器(1)为固定腔长F-P滤波器、压电调谐F-P滤波器、磁致伸缩调谐F-P滤波器、入射角度调谐F-P滤波器、电光调谐F-P滤波器、热光调谐F-P滤波器或有源F-P滤波器。
3.根据权利要求2所述的微波毫米波副载波光信号发生器，其特征在于所述的固定腔长F-P滤波器是由光纤连接的F-P滤波器，其构成是两个端面抛光并蒸镀高反射膜的光纤准直器相对平行置放，两端面之间为空气，再通过一固定座固定而成。
4.根据权利要求2所述的微波毫米波副载波光信号发生器，其特征在于所述的压电调谐F-P滤波器的构成是两个端面抛光并蒸镀高反射膜的光纤准直器相对平行置放后分别由两个光纤准直器固定座固定，在所述的两个光纤准直器固定座的上下面设置锆钛酸铅压电块，两锆钛酸铅压电块分别与一可控电压源相连，两压电锆钛酸铅块随该可控电压源的电压的变化而伸缩实现对所述的压电调谐F-P滤波器的腔长的调谐。
5.根据权利要求2所述的微波毫米波副载波光信号发生器，其特征在于所述的磁致伸缩调谐F-P滤波器的构成是两个端面抛光并蒸镀高反射膜的光纤准直器相对平行置放后分别由两个光纤准直器固定座固定，在所述的两个光纤准直器固定座的上下面设置磁致伸缩材料，在该磁致伸缩材料上绕制电磁线圈，该电磁线圈两端施加可控电流的驱动器。
6.根据权利要求2所述的微波毫米波副载波光信号发生器，其特征在于所述的入射角度调谐F-P滤波器的构成是在两个端面镀有减反射膜的常规的光纤准直器之间插入两块楔形光学平板，该楔形光学平板的一面镀有高反射膜，另一面镀减反射膜，两高反射面相对放置，并调整到平行，构成一个F-P腔并固定在座子上，该座子连接一微电机或压电驱动器，在驱动电源驱动下带动所述的座子转动，调节入射角来调谐F-P腔的光程。
7.根据权利要求2所述的微波毫米波副载波光信号发生器，其特征在于所述的电光调谐F-P滤波器的构成是在两个常规光纤准直器之间设置一块电光晶体，该电光晶体的两平行端面镀高反射膜，构成一个F-P腔，该电光晶体置于一由驱动器提供的外电场中，该F-P滤波器的腔的光学长度nd将随该电光晶体的折射率n的变化而变化，从而引起谐振波长的调谐，即输出毫米波频率的调谐。
8.根据权利要求2所述的微波毫米波副载波光信号发生器，其特征在于所述的热光调谐F-P滤波器的构成是在两个常规光纤准直器之间设置一具有较高热光系数的热光晶体，其平行两端面镀高反射膜，构成一个F-P腔，该热光晶体与加热器或致冷器相接触，该加热器或致冷器与一温控电源相连。
9.根据权利要求2所述的微波毫米波副载波光信号发生器，其特征在于所述的有源F-P滤波器的构成是在两个常规光纤准直器之间设置一半导体激光器的芯片，该半导体激光器的芯片的两端面镀有高反射膜，所述的光纤准直器的端点的微透镜与该半导体激光器的芯片相耦合，该半导体激光器的芯片就构成一个具有增益的F-P滤波器，所述的半导体激光器的芯片由驱动电源可控地注入电流。
全文摘要
一种微波毫米波副载波光信号发生器，它依次由F－P滤波器、透镜、光纤和高速光电二极管构成，所述的透镜位于F－P滤波器的输出面后，所述的光纤的输入端位于所述的透镜的焦点，所述的光纤的输出端与所述的高速光电二极管相连。本发明具有工作稳定可靠，制作工艺稳定、成熟，价格低廉，易于推广应用的特点。
文档编号G02F1/225GK1920602SQ20061011626
公开日2007年2月28日 申请日期2006年9月20日 优先权日2006年9月20日
发明者叶青, 方祖捷, 瞿荣辉 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所