（信号与信息处理专业论文）基于dbr光纤激光器的光生毫米波技术研究.pdf

t h e s i ss u b m i t t e dt ot i a n ji nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yf o r t h em a s t e r sd e g r e e s t u d y o nm i l l i m e t e r - w a v eg e n e r a t i o n t e c h n o l o g y b a s e do nd i s t r i b u t e db r a g g r e n e c t o rf i b e rl a s e r b y s u n j i n g s u p e r v i s o r p r o f m ax i u r o n g j a n 2 0 1 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特i be j ) j u 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 墨盗垄墨盘堂 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 矾前 签字日期：加一年月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨墨盘望有关保留、使用学位论文 的规定。特授权叁盗墨兰盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 孙前导师签名：马秀策 签字日期：砂年弓月卢日签字日期：7 0 口年月- = 日 摘要 随着无线通信技术的迅猛发展和对实时的多媒体宽带业务需求的不断增加，现代通 信方式必将朝着超高速率、超大容量的方向发展，这就要将通信频率提高到毫米波频段， 以提供更大的传输带宽。虽然毫米波通信传输容量大，但无法在大气中实现远距离通信， 伴随光纤通信的迅速发展，将光纤通信技术和毫米波通信技术相结合的射频光纤传输 ( r o f ) 通信系统应运而生。r o f 系统的关键技术之一就是利用光子方法产生微波、毫米波 信号，其中，光外差技术以其优良特性而成为最具潜力的光生毫米波方案。本文就基于 单纵模双波长d b r 光纤激光器，利用光外差法产生毫米波信号的技术进行了一系列的理 论和实验研究。 本文的主要工作内容及创新点如下： 第一、对光纤激光器基础理论和光外差法产生毫米波信号的原理进行了详细的研 究； 第二、提出了一种基于光纤光栅f p 腔的单纵模双波长d b r 光纤激光器光外差产 生毫米波信号的技术方案并进行了实验研究。对光纤光栅和光纤光栅f p 腔进行了深入 研究，搭建实验装置，实际输出单纵模双波长激光，其波长为1 5 4 6 6 0 8 n m 和1 5 4 6 6 8 8 n m ， 波长间隔0 0 8 n m ，边模抑制比大于4 0 d b ，光差拍产生毫米波信号的频率为1 0 5 g h z ， 3 d b 带宽为3 0 1 9 8 k h z ，毫米波信号具有频率不随温度变化的特性，以及良好的稳定性。 第三，提出了一种基于光纤双折射特性的d b r 光纤激光器光外差产生毫米波信号 的技术方案并进行了实验研究。对光纤双折射特性进行了理论研究，构造的d b r 光纤 激光器实现激光单纵模输出，其波长为1 5 5 4 0 8 8 n m ，差拍产生毫米波信号的频率为 1 7 2 g h z ，3 d b 带宽为2 9 9 4 4 k h z ，并对激光和毫米波信号的温度特性和稳定性进行了 研究；并提出了一种压力诱导双折射的方法，实现了激光单纵模双波长输出，输出波长 为1 5 4 7 1 2 8 n m 和1 5 4 7 2 2 4 n m ，波长间隔0 0 9 6 n m ，边模抑制比大于3 0 d b ，光差拍产生 毫米波信号的频率为1 1 4 g h z ，3 d b 带宽为3 2 9 7 3 k h z 。 第四，对利用d b r 光纤激光器产生毫米波信号的影响因素进行了研究。分析了温 度、压力、应变三个方面对d b r 激光器光外差产生的毫米波信号的影响。 关键词：毫米波单纵模光纤激光器光外差光纤光栅f - p 腔光纤双折射 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ed e m a n df o r m u l t i m e d i ab r o a d b a n ds e r v i c e si n c r e a s i n g ，t h em o d e mm e a n so fc o m m u n i c a t i o nw i l ld e v e l o p t o u l t r a - s p e e d ，l a r g ec a p a c i t y , w h i c hr e q u e s t c o m m u n i c a t i o n s f r e q u e n c i e su p t o m i l l i m e t e r - w a v e f r e q u e n c y b a n d st o p r o v i d e m u c h l a r g e r t r a n s m i s s i o nb a n d w i d t h m i l l i m e t e r - w a v ec o m m u n i c a t i o nh a sl a r g et r a n s m i s s i o nc a p a c i t y , b u ti tc a nn o ta c h i e v et h e l o n g - d i s t a n c ec o m m u n i c a t i o n si nt h ea t m o s p h e r e ，a c c o m p a n i e db yt h er a p i dd e v e l o p m e n to f o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ，r a d i oo v e rf i b e r ( r o f ) c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw h i c hc o m b i n e o f o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y a n d r a d i o - f r e q u e n c y m i l l i m e t e r - w a v e c o m m u n i c a t i o nc a m ei n t ob e i n g o n eo ft h ek e yt e c h n o l o g yi nr o fs y s t e mi st h eg e n e r a t i o n o fm i l l i m e t e r - w a v e a tp r e s e n t ，t h eo p t i c a lh e t e r o d y n et e c h n o l o g yb e c o m e st h em o s tp o t e n t i a l l i g h t w a v e m i l l i m e t e rs y n t h e s i ss c h e m ed u et o i t s u n i q u ea d v a n t a g e s i nt h i sp a p e r , t h e t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi sd o n ea b o u tm i l l i m e t e r - w a v eg e n e r a t i o nt e c h n o l o g y b a s e do ns i n g l e l o n g i t u d i n a l m o d ed u a l w a v e l e n g t hd i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r ( d b r ) f i b e r l a s e r t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e rr e a d sa sf o l l o w s ： f i r s t , ad e t a i l e dt h e o r e t i c a lr e s e a r c hi sc a r r i e do u ta b o u tt h et h e o r e t i c a lb a s i so ft h ef i b e r l a s e ra n do p t i c a lh e t e r o d y n et e c h n o l o g y s e c o n d ，p r o p o s e dam e t h o dt og e n e r a t em i l l i m e t e r - w a v es i g n a l sb yu s i n gas i n g l e - l o n g i t u d i n a l m o d ed u a l - - w a v e l e n g t hd b r f i b e rl a s e rb a s e do nf i b e rb r a g gg r a t i n gf - - pc a v i t y a n de x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e d f i b e rb r a g gg r a t i n ga n df i b e rb r a g gg r a t i n gf - pc a v i t ya r e i n d e p t hr e s e a r c h e da n da ne x p e r i m e n t a ld e v i c ei sc o n s t r u c t e d s i n g l e l o n g i t u d i n a l m o d e d u a l w a v e l e n g t hl a s e r i s o u t p u t ，w h o s ew a v e l e n g t h e sa r e 15 4 6 6 0 8 n ma n d15 4 6 6 8 8 n m r e s p e c t i v e l y ，w i t haw a v e l e n g t hs p a c i n go f0 0 8 n m t h em e a s u r e ds i d e m o d e - s u p p r e s s i o nr a t i o ( s m s r ) e x c e e d s4 0d b am i l l i m e t e r - w a v ei sa c q u i r e db yo p t i c a lh e t e r o d y n et e c h n o l o g y t i l e f r e q u e n c y o fm i l l i m e t e r s i g n a l i s10 5 g h z ，3 d bb a n d w i d t ha b o u t3 0 19 8 k h z n e t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds t a b i l i t yo fl a s e ra n dm i l l i m e t e rs i g n a la r eb o t hr e s e a r c h e d t h i r d p r o p o s e dam e t h o dt og e n e r a t em i l l i m e t e r - w a v es i g n a l sb yu s i n gad b r f i b e r l a s e rb a s e do nf i b e rb i r e f r i n g e n c e p r o p e r t i e s a n d e x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e d f i r s t ， t h e o r e t i c a la n a l y s i n gf i b e rb i r e f r i n g e n c ep r o p e r t i e s ，t h e nc o n s t r u c t i n gd b rf i b e r l a s e rt o a c h i e v es i n g l e l o n g i t u d i n a l - m o d el a s e r ，o u t p u tw a v e l e n g t hi s15 5 4 0 8 8 n m ，t h ef r e q u e n c yo f m i l l i m e t e r s i g n a l i s 1 7 2 g h z ，3 d bb a n d w i d t ha b o u t2 9 9 9 4 k h z t h et e m p e r a t u r e c h a r a c t e r i s t i c sa n ds t a b i l i t yo fl a s e ra n dm i l l i m e t e rs i g n a la r eb o t hr e s e a r c h e d a n dp r o p o s e da m e t h o do fs t r e s s - i n d u c e db i r e f r i n g e n c et oa c h i e v es i n g l e - l o n g i t u d i n a l m o d ed u a l w a v e l e n g t h l a s e r ，t h eo u t p u tw a v e l e n g t h e sa r e 15 4 7 12 8 n ma n d15 4 7 2 2 4 n mr e s p e c t i v e l y , w i t ha w a v e l e n g t hs p a c i n g o fo 0 9 6 n m ，t h e f r e q u e n c yo fm i l l i m e t e rs i g n a l i s 1 1 4 g h z ，3 d b b a n d w i d t ha b o u t3 2 9 7 3 k h z f o u r t h ，i n f l u e n c i n gf a c t o r so fm i l l i m e t e rs i g n a l sg e n e r a t e db yd b r f i b e rl a s e rw e r e s t u d i e d t h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ea n ds t r a i no nt h em i l l i m e t e rs i g n a li sa n a l y z e d k e yw o r d s ：m i l l i m e t e r - w a v e ，s i n g l e l o n g i t u d i n a l - m o d e ，f i b e rl a s e r , h e t e r o d y n et e c h n o l o g y ， f i b e rg r a t i n gf - pc a v i t y ，f i b e rb i r e f r i n g e n c ep r o p e r t i e s 目录 第一章绪论1 1 1 引言l 1 2r o f 系统及光生毫米波技术2 1 2 1r o f 系统概述2 1 2 2 光生毫米波技术分类3 1 2 3 单纵模双波长激光器光生毫米波的发展现状5 1 3 本文研究的主要内容及创新点7 第二章光纤激光器理论基础9 2 1 光纤激光器工作原理9 2 1 1 激光产生9 2 1 2 光学谐振腔。1 1 2 1 3 泵浦光源的选择13 2 1 4 激光纵模选择技术1 4 2 2 光外差法产生毫米波原理1 6 2 3 本章小结1 8 第三章基于光纤光栅f p 腔的光生毫米波技术的研究1 9 3 1f p 干涉仪的基本结构与特性分析1 9 3 2 光纤光栅的基本特性2 2 3 3 光纤光栅f p 腔的基本特性2 4 3 4 基于光纤光栅f p 腔的光生毫米波的实验研究2 5 3 4 1 实验装置及实验结果2 5 3 4 2 温度特性研究2 8 3 4 3 激光及毫米波信号稳定性研究3 0 3 5 本章小结3 0 第四章基于双折射特性的光生毫米波技术的研究3 1 4 1 光纤双折射的表征3 1 4 2 光纤双折射的产生3l 4 2 1 本征双折射3 2 4 2 2 诱导双折射3 2 4 3 基于双折射特性的光生毫米波研究3 3 4 3 1 实验装置及实验结果3 4 4 3 2 温度特性研究3 5 4 3 3 稳定性研究3 6 4 4 压力诱导双折射的光生毫米波研究3 7 4 5 本章小结3 9 第五章光生毫米波信号影响因素的研究4 0 5 1 温度影响因素的研究4 l 5 2 应变影响因素的研究4 3 5 3 压力影响因素的研究4 5 5 4 本章小结4 6 总结与展望4 7 参考文献4 9 发表论文和科研情况说明。5 2 致谢。5 3 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 光纤通信以其巨大的通信传输容量和不可比拟的通信传输性能，从诞生之日起，就 成为超高速率和超大容量的现代通信方式的重要支柱。伴随光子技术的不断发展，光纤 通信更显示出其不可替代的地位。光纤通信以光波作为信息传输载体、光纤光缆代替电 线电缆作为信息传输介质，它可以提供更大的传输带宽、更长的传输距离、更大的载波 频率，使超高速率、超大容量信息的远距离传输变为现实，成为最具潜力的通信技术之 一o 1 9 6 6 年，英籍华人高锟提出了利用低损耗的玻璃纤维进行信息传输的可能性和技术 途径，从而奠定了光纤通信的基础；1 9 7 0 年，美国康宁公司生产出光波导的衰减只有 2 0 d b k m 的低损耗光纤；到8 0 年代初，单模光纤在波长为1 5 5 0 r i m 处的损耗已降到0 2 d b k m 。与此同时，作为光纤通信光源的半导体激光器也随之发明，并取得了实质性进 展。1 9 7 3 年，半导体激光器的寿命是7 0 0 0 小时；1 9 7 7 年，贝尔实验室将其寿命延长到 l o 万小时，完全满足实用化的要求；1 9 7 9 年，美国a t & t 公司和同本n t t 公司又研制 出波长1 5 5 0 n m 的连续振荡半导体激光器。低损耗光纤和连续振荡半导体激光器的成功 研制，揭开了光纤通信的序幕f j 】。在此之后，随着新概念新技术的不断涌现，光纤通信 技术获得了飞速发展，成为发展最快的领域之一。 随着现代社会的发展，移动化和宽带化必将成为未来通信研究的热剧引。无线通信 使人们能够无论何时何地的进行通信，宽带通信可以将视频、图像等多媒体信息传送到 各个用户，这两者的结合就要求未来的通信方式必须具有充足的带宽和足够的灵活性。 但目前所面临的问题是：第一、光纤通信虽能提供足够的带宽，但是接入方式不灵活， 无线通信的接入方式灵活但其带宽有限；第二，无线电频率资源越来越紧张，低频段的 频率资源几乎全被占用，3 g h z 以上的频率资源，特别是对2 4 g h z 和6 0 g h z 频段的大气传 输高损耗通信窗口却使用的很少；第三，随着传输频率的提高，大气中吸收和反射所引 起的损耗也随之增加，以及高层建筑物对电磁波的反射和屏蔽作用，增加了无线射频信 号高质量传送的难度【3 】。为解决上述问题，我们考虑用某种技术将无线通信和光纤通信 结合起来，扬长避短。经过长期研究发现，射频光纤传输技术( r a d i oo v e rf i b e r ，r o f ) 恰 好是满足需求的最佳的通信方式。 射频光纤传输( r o f ) 技术是指利用光纤网络传输毫米波信掣4 1 。它集中了光纤通信的 长距离低损耗传输、抗干扰性和毫米波通信传输容量大的优势，充分利用4 0 - 6 0 g h z 的 频带资源，成为解决现代通信方式移动化和宽带化的首选方案，被广泛应用于多媒体移 动业务、宽带无线接入等领域。该技术一方面利用光纤网络将有效信息高效地传送至远 端基站，解决了信息的远距离传输的问题；另一方面利用光子技术生成毫米波副载波信 第一章绪论 号，解决了信息的载波传输的问题。因此，r o f 系统研究的关键技术之一即光生毫米波 技术f5 1 。 1 2r o f 系统及光生毫米波技术 1 2 1r o f 系统概述 随着社会发展和技术进步，实现全球范围内的的个人通信成为未来通信的发展目 标。无线通信由于其固有的灵活性、可移动性等优点，得到迅速发展，但人们对高速实 时的多媒体、交互式宽带通信业务提出了更高的要求，未来的通信技术必然向高带宽、 高速率的方向发展，这就要将通信频率提高到毫米波频段，以提供更大的传输带宽，满 足超宽带业务的要求。毫米波信号不仅具有直线传输性，而且传输容量大、设备体积小、 频率重复使用性高，特别适合短距离多媒体通信业务，其缺点是无法在大气中实现远距 离通信。近年来，带宽大、损耗低、抗干扰性强的光纤通信取得了迅速的发展，将光纤 通信技术和毫米波通信相结合的射频光纤传输( r o f ) 通信系统也应运而生。它是利用光 纤作为传输媒介来传送毫米波射频信号，它充分发挥毫米波通信和光纤通信的优势，满 足了人们对宽带通信业务的需求，成为未来通信技术最具竞争力的解决方案 6 1 。 在典型的r o f 系统中，中央基站( c s ) 和基站( b s ) 通过双向光纤网络相连接，基站和 用户之间利用空间信道进行传输，加载的信号可以是基带数字信号( b a s e b a n ds i g n a l ) 、 中频信号( i f ，i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ys i g n a l ) 或射频信号( r f ，r a d i of r e n u e n c ys i g n a l ) ， 信号的传输采用副载波复用方式( s c m ) 。其基本系统框图如图1 所示。首先，下行信号在 中央基站产生毫米波副载波，并利用光器件和全光技术对光信号进行调制，然后将调制 后的光信号通过光纤网络传输到基站，基站只是简单的接收转换设备，它通过光电探测 和解调得到所要传送的毫米波信号，将其放大后再利用天线发射，由各个移动终端接收； 对于上行信号，首先在基站将天线接收到的信号进行光电转换或相应的频率变换，然后 将其经光纤网络传输到中央基站后，再进行处理【7 】。中央基站通过光纤网络与远端多个 基站相连接，这些远端基站的功能简单，主要是用于实现光信号到电信号的转换；而其 他的处理功能都由中央基站完成，例如调制解调、编解码、路由等。这样简化了基站的 功能，降低了基站成本，很好的克服了由于毫米波传输距离短而导致的基站密度增大等 问题。 c s u p b s 图1 1r o f 系统基本系统框图 2 第一章绪论 r o f 系统的主要特点为：( 1 ) 传输距离长，衰减损耗低。随着射频信号频率的升高， 由吸收和反射引入的传输损耗加大。毫米波信号很难实现在空间信道的长距离传播分 布。目前的解决办法是在各个远端基站上进行变频处理，这就需要高性能的本地振荡器， 导致远端基站结构复杂以及成本提高。单模光纤( s m f ) 具有较低的损耗，在1 5 5 0 n m 窗口 的损耗已低于0 2 d b k m ，远远低于同轴电缆的损耗，利用r o f 技术传播毫米波信号，传 输距离可以增加几倍，需要的功率却大大降低。( 2 ) 较大的带宽。光纤拥有较大的带宽， 能够提供较大的传输能力，并且，由于其带宽大，可以在光域进行高速信号处理，简化 了r o f 技术的复杂性，降低了成本。( 3 ) 副载波频率高。毫米波信号的频率范围是 3 0 g h z 3 0 0 g h z ，可以传送大量的语音、视频等多媒体信息。( 4 ) 安装简便、维护简单。 在r o f 系统中，复杂而昂贵的设备都在中央基站，远端基站仅仅需要光电探测器、射频 放大器和天线来发射信号，这种结构有效的降低了r o f 系统安装和维护成本。( 5 ) 抗干扰 性好。光纤具有良好抗电磁干扰性能，r o f 技术恰恰利用了这个特性，即使在毫米波的 短距离通信中都被广泛的利用。 1 2 2 光生毫米波技术分类 产生高质量的毫米波信号是利用r o f 系统实现超高速、超大容量通信的必要前提和 关键。传统的电学方法是通过低频振荡源进行多次倍频、放大来产生毫米波信号，系统 结构复杂，噪声大，增加了实际操作的难度和成本。于是，国内外研究者提出了利用光 学方法产生毫米波的技术，它避开了复杂的工艺，包括毫米波信号的本地振荡器和高速 光调制器等，并可以通过改进技术方案，达到提升毫米波频带范围、降低相位噪声等性 能指标的目的，因此，光生毫米波技术以其特有的优点和潜力成为产生高质量毫米波信 号的有效手段。目前，关于光生毫米波技术的研究工作已有不少报道，并提出了许多技 术方案，大致可以分为两类：直接调制技术、光外差技术【引。 ( 1 ) 直接调制技术 直接调制技术的原理简单直接。首先将所要传输的基带数据信号( d a t as i g n a l ) 力1 载 到本地振荡信号上，然后利用本地振荡信号直接对光载波进行调制，从而将基带数据信 号加载到光载波上随光纤网络进行传输。根据对光载波调制方式的不同分为内调制和外 调制。 内调制技术如图1 2 所示。它利用本地振荡信号直接调制激光器的驱动电流，从而 改变光波的功率，实现光载波的强度调制，操作简单、成本低、容易实现，但由于激光 器的频率啁啾限制了系统的输出速率和传输距离等因素的影响，并且为了在基站产生高 频率的毫米波信号，还需要上变频设备，所以该技术只能应用于低频系统。 第一章绪论 图1 2 内调制技术 外调制技术可以提供的调制带宽一般在2 0 - 4 0 g h z ，其基本原理就是通过m a c h - z e h n d e r 调制器( m z i ) 作为外部光学调制器将毫米波副载波调制到光载波上，其装置如图 1 3 所示。外调制能够实现单边带( s s b ) 、双边带( d s b ) 等不同的光载波频谱结构，主要 依靠调节m z i 的偏置电压和毫米波信号的相位来实现的。再利用光电探测器，将光载波 的边带与中心频率差拍产生毫米波信号。如果输入m z i 的毫米波信号的相位差和m z i 的 偏置电压差均为零，则光载波即为双边带结构，差拍后就会产生两个毫米波信号，光纤 色散会导致不同频率成分的相位有所不同，产生“色散所致衰落效应”。单边带结构由于 其抑制了双边带调制中的一个边带成分，在光电探测器中只产生一个毫米波信号，因此 可以消除“色散所致衰落效应”。 1 旷秘 q 寸k 图1 3 外调制技术 ( 2 ) 光外差技术 光外差技术最早用于激光线宽的测量，现在以独特的优点成为通信技术领域最具潜 力的光生毫米波方案【9 1 。光外差技术示意图如图1 4 所示，它是利用两个激光器( l d l 、 l d 2 ) 输出两束单纵模窄线宽激光( 频率分别为c o ，、2 ) ，通过强度调制器( i m ) 将基带数据 信号( d a t as i 印a 1 ) 调制到其中一个激光上，两束激光通过单模光纤( s m f ) 传输到基站，在 接收端利用光电探测器( p i n ) 进行光电转换，两束激光差拍产生所需要的毫米波信号，毫 米波信号的频率等于两束激光的频率差( t o 旷l t o t 0 2 1 ) 。 4 第一章绪论 图1 4 光外差技术示意图 由于两束激光均为窄线宽单纵模激光，降低了光纤色散对激光频率的影响；将基带 数据信号调制到窄线宽的激光上，又避免了高频调制而导致的问题，而且电信号的频率 只受限于光电探测器的截止频率。但电信号的频率稳定度和频谱纯度是衡量所产生的毫 米波信号质量重要指彬1 0 】，这些都要受到激光器中心波长、相位噪声、光谱宽度的影响， 这就对激光器的相位相干等性能提出了很高的要求。 基于以上问题，国内外的研究者提出了采用单纵模双波长激光器光外差合成毫米波 信号的方案，这两个不同波长的单纵模激光来自于同一激光谐振腔，不仅相位完全相关， 而且激光线宽窄，使得差拍所产生的毫米波信号具有极高的频率稳定度和频谱纯度。 1 2 3 单纵模双波长激光器光生毫米波的发展现状 从2 0 0 4 年开始，国内外著名期刊出现了有关利用单纵模双波长光纤激光器光外差 产生毫米波信号的研究报道，其代表性方案可以归结为以下三类： 一、使用饱和吸收体。饱和吸收体是由一段未泵浦的掺铒光纤构成，若同一波长的 光在饱和吸收体中反向传播，就会相互干涉形成驻波，从而产生空间干涉图样；由于吸 收系数与光强度成反比，导致吸收系数周期性变化，使得光纤折射率产生微小的改变， 在饱和吸收体内形成带有极窄反射带的布拉格光栅结构【l 。利用饱和吸收体可以构成超 窄带滤波器，用于模式选择或抑制模式跳变，如图1 5 所示。例如，加拿大渥太华大学 的j i a nl i u 等人提出在光纤环镜中引入未经泵浦的掺铒光纤i l 引，形成自追踪的超窄带滤 波器，得到了单纵模双波长的激光输出，波长间隔0 2 n m ，差拍产生的毫米波信号的频 率为2 5 g h z 。这种方案的局限在于利用饱和吸收体构造的窄带滤波器的滤波特性无法实 际测量，只能从理论上料略得知其滤波特性与饱和吸收体的长度成反比的关系；但由于 饱和吸收体的长度影响激光输出功率，长度越长，激光腔内损耗越大，使得起振的纵模 数目越少，因此无法确定出现的少数纵模是由于窄带滤波器的选模作用还是功率较低无 法起振造成的，这就增加了实验难度和可实现性。 八嘶公 第一章绪论 u n p d u 。m d e d p e de r b i 啪p c f i b e r -d o d e d l s a t u r a b l ea b s o r b e p i鋈耄毳鋈霪 ( a )( b ) 图1 5 饱和吸收体示意图 ( a ) 饱和吸收体构成的超窄带滤波器结构示意图 ( b ) 反向传输的光形成的空间干涉图像 二、使用等效相移光栅。相移光栅是在光栅的写制过程中引入7 t 相位的转换，使得 在光纤光栅的透射谱上打开两个极窄的透射窗口，作为窄带滤波器，实现选频作用 1 3 , 1 4 , 1 5 】。如图1 6 所示。例如，国内清华大学谢世忠教授等采用等效相移光栅，构造了 线形腔单纵模双波长激光器【1 6 】，所产生的激光的双波长间隔2 7 p m ，差拍所得的射频信 号频率为3 3 8 9 g h z 。加拿大渥太华大学的姚建平教授同样采用相移光栅实现了环形腔 单纵模双波长光纤激光器【l7 1 ，利用三种不同相移光栅分别实现了波长间隔分别为 0 1 4 8 n m 、0 3 3 n m 和0 0 5 3 n m 的单纵模双波长激光输出，差拍所得信号的频率分别为 1 8 6 8g h z 、4 0 9 5g h z 、6 9 5 g h z 。由此证明，利用相移光栅可以很好的实现单纵模双 波长激光器，但由于相移光纤特殊的结构，需要复杂的写制过程，较难实现；并且为了 避免铒纤增益谱均匀展宽导致的多模振荡等问题，在系统中需要使用半导体光放大器代 替普通掺铒光纤作为增益介质，这无疑增加了系统的复杂度及系统成本。 9 l平2 ( a ) 相移光栅结构示意图( b ) 相移光栅透射谱曲线 图1 6 相移光纤光栅 三、利用光纤光栅f - p 腔作为窄带滤波器。光纤光栅f p 腔是由两个波长一致的光 纤光栅作为反射镜而构成的，这种结构形成的梳状传输谱类似f - p 标准具，并且可以通 6 第一章绪论 过控制光纤光栅f p 腔的腔长和光栅的反射带宽来控制光纤光栅f p 腔传输谱内纵模的 数目，减少光纤光栅f p 腔的腔长，则纵模间隔变大；光栅的反射带宽足够的窄，只有 少量的纵模可以起振。由此，光纤光栅f p 腔的选模性能显著。在光纤光栅f p 腔选模 之后，靠近光纤光栅f p 腔中心波长处的纵模由于增益饱和而在少量模式竞争中占据优 势，最终实现单纵模输出【i 引。2 0 0 8 年，厦门大学利用光纤光栅f p 腔和可调谐光纤光 栅组成环形腔激光器【i9 1 ，输出单纵模双波长激光，而且通过调谐光纤光栅的反射带，实 现了激光波长的可调谐，输出了1 8 对稳定的激光。同年，浙江大学首先通过仿真光纤 光栅f p 腔的传输谱，使得其传输谱内恰好有两个谐振峰，并利用此光纤光栅f p 腔构 造线形腔光纤激光器，实现了激光的单纵模双波长输出【2 0 j ，波长间隔为o 0 8 n m ，差拍 产生毫米波信号的频率为9 6 1 6 g h z 。 1 3 本文研究的主要内容及创新点 本论文的研究工作得到天津市自然基金重点项目( 0 7 j c z d j c 0 6 0 0 0 ) 的资助和支持， 主要对基于单纵模双波长d b r 光纤激光器的光生毫米波技术进行了理论和实验研究， 论文的主要内容如下： 第一章介绍了光生毫米波技术的研究背景，概述了r o f 系统、光生毫米波技术的 分类，并总结了利用单纵模双波长光纤激光器产生毫米波信号的国内外现状。 第二章对光纤激光器进行了全面的理论研究，包括激光产生原理、光纤激光器谐 振腔结构、泵浦光源、单纵模选择技术等，并对光外差法产生毫米波信号的原理进行了 分析。 第三章对利用光纤光栅f p 腔构造的单纵模双波长d b r 光纤激光器的光生毫米 波技术进行了理论和实验研究。首先讨论了普通f p 干涉仪、光纤光栅和光纤光栅f p 腔，并对其中的部分模型进行了数值模拟；然后搭建了实验装置，实际输出单纵模双波 长激光，其波长为1 5 4 6 6 0 8 n m 和1 5 4 6 6 8 8 n m ，波长间隔0 0 8 n m ，边模抑制比大于4 0 d b ， 差拍产生毫米波信号的频率为1 0 5 g h z ，3 d b 带宽为3 0 1 9 8 k h z ，毫米波信号具有频率 不随温度变化的特性，以及良好的稳定性。 第四章对基于光纤双折射特性的d b r 光纤激光器的光生毫米波技术进行了理论 和实验研究。首先对光纤双折射特性进行了理论分析，包括光纤双折射特性的表征方法 及产生原因，然后搭建了实验装置，实现激光单纵模输出，波长为1 5 5 4 0 8 8 n m ，边模抑 制比大于3 0 d b ，差拍产生电信号的频率为1 7 2 g h z ，3 d b 带宽为2 9 9 9 4 k h z ，此时光纤 双折射值为1 2 9 7 1 0 一；最后提出了一种压力诱导双折射的方法，实现了激光单纵模双 波长输出，输出波长为1 5 4 7 1 2 8 n m 和1 5 4 7 2 2 4 n m ，波长间隔0 0 9 6 n m ，边模抑制比大 于3 0 d b ，差拍产生毫米波信号的频率为1 1 4 g h z ，3 d b 带宽为3 2 9 7 3 k h z 。 第五章对利用d b r 光纤激光器产生毫米波信号的影响因素进行了研究。分析了温 度、压力、应变对光外差产生的毫米波信号的影响。 本文的主要创新点为： ( 1 ) 利用光纤激光器和光纤光栅f p 腔的基本理论分析了单纵模双波长d b r 光纤激光器 7 第一章绪论 的特性，设计了基于光纤光栅f p 腔的单纵模双波长d b r 光纤激光器差拍产生毫米 波信号的实验装置，单纵模双波长激光波长间隔0 0 8 n m ，获得的毫米波信号的频率 为1 0 5 g h z ，具有频率不随温度变化的特性和良好的稳定性。 ( 2 ) 利用光纤双折射特性，设计了基于双折射特性的d b r 光纤激光器产生毫米波信号 的实验装置；并利用压力诱导双折射的方法构造了单纵模双波长d b r 光纤激光器， 单纵模双波长激光波长间隔0 0 9 6 n m ，差拍产生毫米波信号的频率为11 4 g h z 。 ( 3 ) 分析了d b r 光纤激光器光生毫米波信号的影响因素，分别讨论了温度、应变、压 力三方面对光外差产生的毫米波信号的影响。 第二二章光纤激光器理论基础 第二章光纤激光器理论基础 光纤激光器通常由增益介质、光学谐振腔和泵浦源三部分组成，其理论的核 心在于泵浦光与增益介质间的相互作用。本章针对光纤激光器的理论基础展开了 一系列研究，首先讨论了激光产生条件、谐振腔结构和泵浦光源的选择，然后研 究了激光纵模选择技术，最后对光外差原理进行了分析。 2 1 光纤激光器工作原理 2 1 1 激光产生 光与物质的共振相互作用，即光频电磁场和物质粒子之间的相互作用是激光 产生的物理基础。光和物质粒子( 原子、分子、离子) 的相互作用过程包含自发辐 射、受激辐射和受激吸收三种过程【2 1 2 2 1 ，如图2 1 所示，e ，和历为原子的两个 能级。 e 2 e i ( a ) 自发辐射 e 2 卜一 e 2 八八卜 ) 、髂 t 轴= e r e l e l e 2 ( b ) 受激辐射 八八卜 入懿寸己h = e r e | 毋_ 卜一 e 2 e | ( c ) 受激吸收 图2 1 原子的白发辐射、受激吸收和受激辐射示意图 ( 1 ) 自发辐射 如图2 1 ( a ) 所示，在通常情况下，处于高能级局的原子是不稳定的，它们会 自发地从高能级历向低能级e ，跃迁，同时发射一个能量为l v 的光子，如下式： h v = 易一巨 9 ( 2 - 1 ) 第二章光纤激光器理论基础 式中，h 为普朗克常数，v 为光波频率。该过程与外界影响无关的，称为光 的自发辐射。自发辐射的特点是每个发生辐射的原子均可以看作为一个独立、随 机的发射单元，即使跃迁过程满足相同的能级关系( 光波频率相同，均为v ) ，各 列光波之间的相位关系和偏振方向也是有所不同的，各原子所发射的光是向空问 各个方向传播，所以自发辐射的光是非相干光。 ( 2 ) 受激辐射 如图2 1 ( b ) 所示，处于高能级历的原子在外来辐射场( 光子) 的激射下，跃迁 到低能级e ，同时辐射一个与外来光子状态相同的光子，该过程称为光的受激 辐射。受激辐射的特点有： 1 ) 只有当外来光子的能量满足式( 2 1 ) 时，即外来光子的能量等于跃迁的能 级之差时才能发生受激辐射； 2 ) 受激辐射所发出的光子与外来光子的状态完全相同，即频率、相位、偏 振方向、传播方向均相同，受激辐射产生的光子是相干的； 3 ) 受激辐射的结果