（电子科学与技术专业论文）光纤光栅在微波信号处理中的应用研究.pdf

a b s t r a c t r e c e n t l y , m i c r o w a v e a n dm i l l i m e t e r - w a v e s i g n a lp r o c e s s i n gu s i n gp h o t o n i c c o m p o n e n t s ，ab r a n c ho fm i c r o w a v ep h o t o n i c s h a sr e c e i v e dm u c ha t t e n t i o n ，t h i s p h o t o n i cs i g n a lp r o c e s s i n g m e t h o dh a s m a n ya d v a n t a g e s ，s u c h a s h i g h t i m e b a n d w i d t hp r o d u c t s ，o v e r c o m i n gt h ee l e c t r i c a lb o t t l e n e c k s h i g hi s o l a t i o n h i g h c o m p a t i b i l i t y w i t h e l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t s ，e t c i t c a nb e u s e di n u l t r a - w i d e b a n dw i r e l e s sm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ，p h a s e d a r r a y r a d a ra n d r n i c r o w a v e m i l l i m e t e r w a v es i g n a lp r o c e s s i n gf i b e rb r a g gg r a t i n g s ( f b g ) p r o v i d ea n o v e la n df l e x i b l em e t h o dt o p r o c e s s m i c r o w a v e s i g n a l s i n t h i s t h e s i s ，t h e a p p l i c a t i o n so f f b g s i nm i c r o w a v e s i g n a lp r o c e s s i n ga r es t u d i e d f i r s t l y ，t h ea p p l i c a t i o n so f f b gi nm i c r o w a v e s i g n a lp r o c e s s i n ga r er e v i e w e d w e t h e o r e t i c a l l ya n a l y z et h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo fp h o t o n i cm i c r o w a v ef i l t e re m p l o y i n g f b g s ，a n ds u m m a r i z et h ef i l t e rd e s i g nm e t h o d si nt i m ed o m a i na n di nf r e q u e n c y d o m a i n t h et a b us e a r c ha l g o r i t h mi s e s p e c i a l l ye m p l o y e dt od e s i g nt h ep h o t o n i c m i c r o w a v ef i l t e rw i t hl i n e a rp h a s er e s p o n s ea n dn o n l i n e a rp h a s er e s p o n s e ，a n dt h e s t r u c t u r eb a s e do nf b g st or e a l i z et h et r a n s f e rf u n c t i o ni sp r o p o s e d ，s e c o n d l y ，t h e r e c i r c u l a t i n gm i c r o w a v e n o t c hf i l t e ri st h e o r e t i c a l l ys t u d i e dw i t ht h ea n a l y s i sm e t h o d o f s i g n a lf l o wc h a r ta n d t h ep e r f o r m a n c eo f t h ef i l t e ri si n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y i n t h ee x p e r i m e n t ，t h et u n a b i l i t yo ff i l t e rc o u l db er e a l i z e db yc h a n g i n gt h ei n p u tl i g h t w a v e l e n g t h ，a n dt h ee f f e c to fo p t i c a ls o u r c ec o h e r e n c el e n g t ho nt h ep e r f o r m a n c eo f i n c o h e r e n tp h o t o n i cm i c r o w a v ef i l t e ri s e s p e c i a l l yr e s e a r c h e d b yc o m p a r i n gt h e t h e o r e t i c a lr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w ef i n dt h er e q u i r e m e n t sf o rc o n s t r u c t i n g as t a b l ef i l t e ri nt h ee x p e r i m e n t t h i r d l y ，an o v e lh a r m o n i c ss u p p r e s s e dm i c r o w a v e t r a n s v e r s a lf i l t e rw i t hm u l t i p l et a p sb a s e do nf b g s ，a n dan o v e lm i c r o w a v ef i l t e rw i t h f l a t t o pp a s s b a n dr e s p o n s ea r ep r o p o s e d t h e ya r eb o t ht h e o r e t i c a l l ya n a l y z e da n d i n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l yt op r o v et h ef e a s i b i l i t y ，f u r t h e r m o r e ，t h ea p p l i c a t i o n so f f b gi nm i c r o w a v es i g n a lp r o c e s s o gs u c ha s ，曲o t o n i cg e n e r m i o nm i c r o w a v es i g n a l a n dm i c r o w a v es h i f i e r a r es t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n dd i s c u s s e d i nc o n c l u s i o n ，t h er e s e a r c ho nt h e a p p l i c a t i o no ff b gi n m i c r o w a v es i g n a l p r o c e s s i n gi nt h i st h e s i sw i l lb ec o n d u c i v et ot h ea p p l i c a t i o no f f b gi nm i c r o w a v e d h o t o n i c s 第一帝绪论 第一章绪论 自2 0 世纪7 0 年代以来，由于半导体激光器、集成光学、光纤导波光学和微 波单片集成电路的发展，使得原来各自独立发展的光波和微波两门学科开始紧密 结合，形成了新兴的交叉学科微波光子学。微波光子学一般定义为光信号与 微波频率电信号的相互作用，其研究范围包括用光子技术产生射频微波信号、工 作于微波毫米波频率的光子和光电子器件、光控微波器件、在微波毫米波系统中 应用光子信号处理技术、光子技术用于高速测量、以及微波毫米波频率的光传输 链路等。另外，光纤技术以其有目共睹的辉煌成就促进并仍在继续促进着人类社 会在通信领域的进步和飞跃，而这其中光纤光栅技术的研究和发展是继掺铒光纤 放大器技术开拓成功之后，光纤技术领域的又一次重大技术突破，普遍认为它将 成为光纤通信技术发展的又一个重要里程碑。 本章系统地回顾了微波光子学的发展历史，包括微波光子学的过去、现在和 将来的展望，讨论了微波光子学的主要技术和设备，特别介绍了微波光子学的一 些主要应用。还介绍了光纤光栅的发展历史，讨论了光纤光栅的光谱特性和几种 适用的光纤光栅调谐方法，特别回顾了：七纤光栅在微波信号处理中的应用，并据 此提出了本论文的研究目的和研究内容，并进一步讨论了本论文研究的现实应用 意义。 1 1 微波光子学的发展动态 根据上面对微波光子学的定义，一般地，我们将微波光子学的研究领域分为 两个部分：第一，利用光电设备和系统处理微波毫米波信号。第二，利用光电 设备和系统传输微波系统信号。数字光纤系统现在承担了大多数陆地上长距离通 信任务，并且光纤在局域网中也得到越来越多的应用。要配置具有最小数据率为 1 0 g b s 的长距离传输系统和更新包含传输数据率为1 0 g b s 的以太网标准 1 】，将 来大多数光通信系统将需要利用微波光子学技术。光电技术在利用光纤链路传输 射频信号微波系统中的运用已经进入商业实用阶段，并且还出现了相控阵天线、 电子战争、超快非侵入测量( u l t r a f a s tn o n i n v a s i v em e a s u r e m e n t s ) 和无线天文学 ( r a d i oa s t r o n o m y ) 等应用领域。 微波光子学的快速发展和其具有的特性决定了它将在数字通信和模拟蜂窝 无线通信中有很好的应用前景。随着微波光子学技术的日臻成熟，除了现有的一 些应用领域以外，还必将出现一些新的应用领域。 浙江大学博士学位论文 1 1 1 微波光子学的过去 微波光子系统的主要限制因素为光源的快速调制能力，调制器性能，合适的 传输媒介和快速光探测器或者光控微波设备等。随着第一台激光器的出现，包括 1 9 6 0 年h u g h e s 研究室m u r r a y 发明的脉冲式红宝石激光器( r u b yl a s e r ) 2 平f lb e l l 实验室m a l i b u 发明的连续操作氦氖激光器【3 ，可以说已经开创了光通信时代。 这时的主要问题是怎样实现这些光源输出光的高速调制。在二十世纪七十年代， 应用的微波频率光电调制器主要有b h t m e n t h a l 4 芹l lj o h n s o n 5 等，可以获得高达 1 1 g h z 的调制频率 6 】。 随着体积更小的半导体激光器和上世纪七十年代室温条件下可连续操作的 双异质结构设备的出现【7 ，8 ，这些激光器已经更加适合光通信系统的应用了。半 导体激光器的主要优点是可以通过输入电流实现直接调制的能力【9 】。 对于光的传输，就必须要考虑一个主要问题一光衰减。当在长距离传输光的 时候，衰减一能量的减少一一定要足够低以便达到接收端的信号可以被检测到。 最早光的传输主要是基于自由空间光路 1 0 1 ，正如预测的那样，光损耗非常大。 随着柯宁玻璃公司( c o n i n gg 1 a s sc o r p o r a t i o n ) 在1 9 7 0 年第一个制造出衰减小于 2 0 d b k m 的光纤，经过1 5 年的进一步工作，制造并生产出了衰减小于0 ，3 d b k m 的 损耗光纤。现在光纤的价格已经可以与铜线相竞争了，这些因素都决定了光纤将 成为光通信传输媒介的首选，并且对于大众市场来说成为可用。1 9 8 3 年最早的城 市间光纤链路在纽约和华盛顿之间被安装，1 9 8 8 年铺设了第一条横穿大西洋的光 纤光缆，到1 9 9 0 年美国本地电话服务已经安装了两百万英里的光纤。 另外一方面，掺铒光纤放大器( e d f a ) 的出现、探测器性能的提高和器件 与光纤之问耦合性能的改善都为光纤作为首选的传输媒介提供了充足的保障。光 纤放大器允许微波信号在绝对长距离内进行传输和对多用户进行广播，或者到达 阵列天线中的许多阵元。这也是推动微波光子学的工作波长从8 5 0 n m 到具有更 低损耗的1 3 0 0 h m ，而后1 5 0 0 m n 窗口1 i ，1 2 的个主要技术因素。掺铒光纡放 大器具有很多优点：如低插入损耗和大动态范围等。近年来，光控微波设备和器 件也已经成为许多研究室的研究热点。这些设备中光和微波之间的相互作用主要 在a j s e e d s 等在 1 3 1 中进行了详细的讨论。 1 1 2 微波光子学的现在 随着外部调制器的线性度和带宽性能的不断提高，利用模式锁定和外差机制 产生毫米波源也变得非常重要。到现在为止，超过i o o g h z 的光探测器已经在很 多实验室研制成功。基于这些设备的改进，提出了很多新型的相控阵列天线、光 纤局域网、负载波传输无线信号系统结构。现在很多国家已经铺设了光缆分布电 视网络。昂贵的光电设备和微波设备，以及光发送、接收模块的整合技术的不成 熟，严重限制了高速光纤链路在更多领域的应用。 另外，现在将微波设备和光子设备整台的技术为微波光子学的发展提供了有 力的技术支持，例如，将吸收式调制器整合的激光器f 1 4 就是其中的一个典型例 第一章绪论 子。整合以后系统的性能还可以进一步得到改善，尺寸也进一步变小，啁啾降低， 还可以提供长期的稳定性，只需很低的驱动电压。这些技术都是微波光子学发展 中的主要技术，随着这些技术的不断进步，微波光子学现在也正在日新月异的更 新和发展着。 1 1 3 微波光子学的将来 到现在为止，微波光子学在现实中还缺乏巨大的市场。随着下一个十年数字 通信系统中光纤连接的普及，高速激光器和探测器的出现和价格的下降，微波光 子学必将得到越来越多的应用。将来的通信系统将以光通信和无线通信技术为 主，这两大学科的交叉学科，包括微波光子学将显得尤为重要。光载无线信号系 统将在很多日常工作环境中得到广泛应用。高质量的数码照相机和成熟的图像技 术以及快速膨胀的全球网络，也会将通信带宽推向更高频率，甚至毫米波频带。 我们有理由相信，在不远的将来，光纤到户( f t t h ) 不会再是一句空话。下一 个十年，我们还将有幸看到光学信号处理的光控相位阵列天线的成功使用。激光 雷达系统也将在海洋开发方面具有潜在的应用前景 1 5 1 ，这项遥感技术也将在医 疗领域得到很大的应用。随着微波和光电设备的不断发展以及微电子学的进步， 将使我们可以组建更稳定可靠的通信系统。 另外，光源技术的发展也会很大程度上影响微波光子学的发展。随着激光器 的质量的提高，噪音的减小和价格的降低，尺寸的减小，这些都会使光源更易于 与微波电路整合，成为将来微波光子学发展的有力工具。关于光源的一些技术我 们将在下一节比较详细的介绍。 1 2 微波光子学的主要技术与设备 1 2 1 光源技术 正如前面所述，光源技术的发展情况在一定程度上也就决定了微波光子学的 发展进程，这里我们就主要介绍一下微波光子学中光源的一些主要技术。 1 直接调制半导体激光器技术 基于早些年调制属性方面的研究工作，近些年激光器的结构和参数不断得到 改进和优化。其中直接调制半导体激光器在技术上比较简单，可以实现高速操作， 已经得到了很多应用。调制带宽主要受到电子一光子共振频率蛾的限制，则探测 到的电子响应以调制频率的四次方衰减。此时共振频率约为 浙江大学博士学位论文 2( 1 2 1 ) 其中g 。为差分增益，s o 为平均光子密度，f 。为光子周期，5 为增益压缩因子。 因此，通过减小光子周期( 缩短光学腔长，减小面反射率) 和增加输出光功 率，就可以得到更快的响应。增益压缩因子也是一个重要的限制因素，在室温条 件下，会导致激光器在1 5 5 , u m 波长处的带宽小于3 0 g h z 1 6 】。 2 外部调制器技术 一般地，光学调制器的输出光功率分量可以表达为 乙= k 。v r e o ( 1 2 2 ) 其中k 。为调制灵敏度，巧为调制信号电压，只。为调制前输入光功率。因此，对 于一个给定调制信号，调制后的光功率可以简单的通过提高输入光功率得到提 高。基于调制器这种属性，结果就象在 1 7 】中演示的那样，微波光子链路中信号 的增益并不需要电子放大器。 现在利用铌酸锂( l i n b o ，) 和砷化镓( g a a s ) 技术的干涉型外部调制器已经实 现了，它的3 d b 带宽超过4 0 g h z 1 8 一 2 8 。图1 2 l 中就是毫米波铌酸锂外部调制 器结构。该调制器的消光电压为5 1 v ，3 d b 电子带宽超过7 0 g h z ，插入损耗为 5 6 d b 1 8 。砷化镓( g a a s ) 调制器也显示了同样好的性能，插入损耗也小于 1 0 d b 2 3 】。最近，关于3 d b 带宽超过4 0 g h z ，光纤一光纤插入损耗为1 0 d b 的电光聚 合物调制器也已经研制成功 2 1 ，甚至出现了带宽超过1 1 0 g h z 的调制器【2 2 。但 是，还存在不少问题，例如，器件性能的稳定性和克服高温工作环境等。 ( a ) 4 第一章绪论 图1 2 1 ( a ) 毫米波t i l i n i o3 m a c h - z e h n d e r 外部调制器俯视图 ( b ) 截面图 1 8 】。 另外，最近还研制成功了电子吸收式调制器和波导调制器。其中电子吸收式 调制器主要通过将输入光在吸收态转换成光电流。而波导调制器主要利用半导体 材料的f r a n z - k e l d y s h 效应。值得说明的是，波导调制器在高频操作时，为了提高 调制灵敏度，波导中的有源部分应该足够短，一般控制在5 0 “m 之内。相比较而 言，电子吸收式外部调制器的一个主要优点就是它可以和半导体激光器整合在一 起，组成一个非常紧凑的具有更快调制速度的光源 2 3 1 。 1 2 2 探测技术 1 探测器 对于探测技术，早些年就已经出现了一些先进的光电探测器，如共振腔式p i n 管和雪崩式探测器( a p d ) 2 4 ，2 5 。它们都可以应用于波分复用系统中，并且都 具有快速响应、波长选择等特性。一般在模拟系统中，就可能要用到对不同广播 信号具有波长选择性能的接收器。另外，波导型p i n 管也具有高速和高灵敏度的 性能，但是相比之下，它更容易与其他光学器件实现连接，如光源、光放大器、 分光器等。同时，它还具有更高的带宽和更低的插入损耗。最近对传输波光电探 测器的饱和电流作了很大的改进，可以达到高于l m a 。所以当它和光学放大器连 接在一起时，会有更大的动态测量范围和更低的插入损耗。 而a p d 到目前为止，尽管很容易获得1 0 d b 一3 0 d b 的增益，但是由于它的增益 带宽非常有限，导致了它不能在微波光二于学中得到广泛的应用。现在市场中些 a p d 的典型增益带宽为8 0 g h z ，也有1 5 0 g h z 的超晶格( s u p e r l a t t i c e ) a p d 出现 2 6 。最近对探测技术的研究很可能会改变目前的a p d 处境，使得它有可能在微 波光子系统中得到广泛的应用。另外，a p d h 对于前置掺铒放大器( e d f a ) 低 廉的价格也是一个十分吸引人的因素。 金属一半导体一金属( m s m ) 光电探测器已经在很多微波光子学应用领域中 浙江大学博士学位论文 得到应用，因为它很容易与其它微波设备如光控微波整合电路等实现整合。现在， 当量子效率为7 5 时，带宽高达7 8 g h z 的探测器也己经有了报道 2 7 。a p d 尽管 提供内部增益，但是它是以较高工作电压和温度灵敏度的代价换来的。运用超晶 格技术，在1 5 5 0 a m 波长和t 3 g h z 调制频率处，它可以获得7 2 的量子效率和l o 倍雪崩增益 2 8 1 。 另外，在微波光子系统中，探测器的输入功率和非线性效应是非常重要的。 在探测器内部产生的载波对电场的作用是一个主要的限制因子，这些已经有相关 的理论 2 9 禾1 1 实验研究 1 3 1 。 2 光控微波设备 另外一种探测方法就是用光信号去控制微波设备。该方法具有很多优点：首 先，在微波设备处理被探测信号之前，不需要更繁琐并且限制系统响应速度的电 子电路；第二，采用光学控制手段使微波设备多出一个控制端口：第三，光控信 号不受周围电磁场干扰的影响。如果不是采用直接光学控制，则信号在被控制电 子微波设备处理之前，就需要探测器将控制信号转换成电信号，否则，它和传统 的电子控制微波设备就没有两样了。 光控微波设备的基本原理是在设备内部利用入射光信号光学方法产生载波， 般是通过材料本身的吸收实现的。对于有损耗材料，采用该方法不但要产生光 电流，并且可能改变设备的阻抗和自身的性能；对于无损耗材料，它的导光效应 将进一步提高半导体材料的传导性能。在 3 0 仲已经有很多关于光控微波设备的 报道。经过最近的研究和发展，主要有放大器、振荡器和光一电混频器等一些主 要设备。 l 3 微波光子学的应用前景 正是微波光子学在一些领域中具有潜在的应用前景，才驱动了它在近些年得 到了迅速的发展，这一节着重介绍微波光子学的一些潜在应用领域，包括无线通 信、信号传输和天线遥感、微波信号处理和光控微波天线阵列等。 1 3 1 无线通信 现在目益增长的通信带宽需求也迫使我们不断去寻找一些可以提高通信系 统带宽和容量的方法和途径，我们也希望利用光纤链路传输射频信号 ( r a d i o - o v e r f i b e r ) 成为解决通信带宽问题的可行方案之一。r a d i o o v e r - f i b e r 技术综合了射频系统与光纤技术两者的优点：光纤提供了足够高的容量和带宽， 而射频技术使得宽带数掘可以以最快的速度和廉价的方式传送给终端用户。同样 这种技术可以解决移动通信中的问题。 为满足快速增氏的业务量的需求，现在的移动通信业务区向微小化发震。光 第一章绪论 纤的巨大带宽和业务区的微小化带来了较通常移动通信系统高得多的传输容量。 由于通常的基地站装备有收发设备、调制解调器及控制电路，其体积庞大，而微 小区移动通信需要大量的基地站。光纤技术的应用使调制解调器及控制电路移至 中心站，与基地站分离。基地站只有体积小的光电、电光转换器件。这不仅使基 地站体积小了许多，而且可以使调制解调信道利用率更高。此外，这种系统非常 灵活，适应于各种调制方案、各种载波频率。因此应用r a d i o o v e r - f i b e r 能改进 网络设计、控制和效率，使网络结构费用的下降，具有广阔的应用前景。最近几 年来，r a d i o o v e r - f i b e r 已走出实验室，在大楼内蜂窝式无线通信系统中得到应 用。由于日益增长的宽带移动通信的需要和在较低频段的拥挤，r a d i o o v e r - f i b e r 系统中的无线频率由微波向毫米波发展是不可避免的，光纤毫米波系统的传输容 量将更大。 r a d i o o v e r - f i b e r 系统有望使用从2 5 g h z 到6 0 0 h z 的频率范围。而1 8 g h z 以上的频率由于可用于数据传输的带宽很大，所以最近在高容量通信网络中受到 特别的关注。考虑基站的开发成本和基站的复杂程度，微波无线网络的开发很有 可能采用这样的结构：只在中心站产生信号，在用毫米波天线传输给所有的蜂窝 区域之前，使用光纤传输给每一个基站，如图1 3 ，1 所示。这种结构中的光馈基 站系统允许大量基站共享远离客户服务区域的传输设备和处理设备。这样的系统 将将被证明为最有前途的，因为它有效地降低了将来对密集客户宽带服务的造价 问题。 c o n t r o lb a s e h u s e r s t a t i o ns 联r i o n 1 1 t e r 矗n a l 卜 一j 【一 i 强 o p t i c a l c _ 、 o p t i c r f & 一 t r a n s m i t t e r r f o p f i c r e c e i v e r & & r e c e i v e rc o n v e r t e rt r a n s m i t t e r 图1 3 1 利用光纤链路传输微波毫米波系统基本结构框图。 1 3 2 传输和天线遥感 相比过去已经存在并应用的一些电介质，光纤因为具有相当低的传输损耗而 引起了我们的兴趣。所以我们就考虑利用光学方法传输宽带信号。为了避免多模 光纤中的模式色散问题，一般情况下，在微波光子链路中，我们都利用单模光纤 作为传输媒介。下面的表13 1 中列出了硅材料光纤在三个主要光通信波长处的 浙江大学博+ 学位论文 损耗和色散。在短距离传输应用中，光纤的色散和损耗并不是一个主要的考虑因 素，即使是在8 5 0 n m 波长附近，但是对于长距离传输应用，例如光缆电视分布 网络或者天线遥感等，一般就最好考虑在1 3 0 0 一1 6 0 0 n m 的波长范围。现在一些 新型光纤的设计出现和色散补偿技术的日臻成熟可以使我们在这整个波长范围 内都可以获得较好的性能。 波长损耗 色散 ( n m )( d b 瓜m ) ( p s k m n m ) 8 5 02 0 9 0 1 3 0 0o 4 1 0 n m ) ，对低于k h z 的调制频率，它仍然可以保持它的变形很小，而s l a 只有纳秒级的生命周期，所以它的最低调制频率高达几百m h z 。 在微波光子链路中，选择使用s l a 还是d f a 就要看具体的系统应用背景。 s l a 可以和光一电整合电路整合在一起，而d f a 接口只能和光纤系统接合。比 较而言，s l a 提供更大的功率增益效率，而d f a 可以提供更小的嗓音和更低的 最小调制频率。因此，它们都有自己的优点。 l ，3 3 信号处理 光纤延迟线相对大体积声波设备，它可以为微波信号提供更长的时间延迟。 d e b o r g i e s 等报道了对于一个8 g h z 的微波信号，使用直接调制半导体光源，呵 以提供1 0 0 , u s 的光纤延迟线结构 4 2 1 。而且最后链路的信噪比在4 g h z 时高达 1 2 7 d b h z ，而在8 g h z 时，信噪比降为1 1 5 d b h z 。如果使用外部调制的光源， 这些指标还可以得到进一步的提高。即使如此，在大于i g h z 的频率，该系统的 浙江大学博f ：学位论文 性能己经远远超出了声波技术。这些延迟线在雷达目标模拟器中具有很重要的用 途 4 3 】。基于延迟线结构的横向微波滤波器最近正在火热的研究当中 4 4 】，并且 随着d f a 的发展和光纤光栅的出现为这些滤波器的合成拓宽了思路和方法 4 5 ，4 6 】。 另外，信号处理技术还可以应用于自由空间光学系统中。使用基于相干微波 检测技术的激光雷达探测海底物体已经投入真正的实践应用中 1 5 。 13 4 天线阵列 对于一个相控阵列天线，主要是依靠调整相邻两个辐射元之间的相位关系实 现的。单片微波集成电路( m m i c ) 的快速发展允许我们在可以接收的价格内采 用有源的阵元。 图1 3 3 基于色散光纤的实时延迟天线阵列。 粗实线：高色散光纤，细实线：零色散光纤。 传统的微波功分器显得笨重，而且损耗较大，尤其足在毫米波段。因此采用 光纤技术实现阵列天线【4 7 引起了国内外许多学者的极大兴趣。天线阵的形成主 要考虑它所存应用背景的需要。在大多数通信应用场合中，并不需要很宽( 大于 0 第一章绪论 中心频率的2 0 ) 的带宽，天线孔径也是适中的。对于一个要求宽带、大孔径 的雷达，一般最好采用实时延迟相控阵技术，或者采用可以改变有效光学路径的 方法。这些已经通过使用多个光源和多个探测器【4 8 或者利用二维自由空间光学 4 9 技术得到实现了。图1 3 3 结构就是微波光子学在天线阵应用的一个简单例 子1 5 0 1 。它主要基于光纤色散效应产生实时延迟相控阵技术，采用了可调谐光源 和具有不同色散的光纤阵列单元。其中不管是高色散光纤还是零色散光纤，它们 的长度按照二进制关系设计，如图所示。当光源波长改变时，相邻光纤通道之间 延迟的差也随着发生改变，并且该延迟差与射频频率无关。当相邻天线元的延迟 改变，也就相当于控制了它们的相移量，从而实现对天线阵的控制。 1 3 5 微波光子学的应用前景 前面已经就微波光子学一些主要应用领域作了讨论，总而言之，微波光子学 可以在很多领域都有很好的应用前景。只不过，对微波光子学的一些研究工作还 只是在这些年有了比较快的进步，所以要将这些技术真正运用于实践应用中，还 需要进一步的认真开发和研究。 现在，在市场上已经出现了应用于毫米波段的直接调制光源、外部调制器和 探测器等。高功率、低强度噪音的光源采用外部调制技术使得具有很好噪音性能 光学链路的实现成为可能。光学放大器技术的不断成熟也使得宽带网络链路噪音 可以更加有效地得到控制，这为我们构建优质的光缆电视分布网络提供了有力的 保障。另外，利用光纤链路传输射频信号应用于无线蜂窝访问网络中也具有潜在 的市场前景，而且在宽带无线通信需求的驱动下，该系统的市场还极有可能将迸 一步不断扩大。 目前，大部分固定通信网络主要基于光纤，每通道的数据率正朝着4 0 g b s 的方向发展，这些最好都微波光子学技术的支持下实现，这无疑给微波光子学的 发展和应用提供了巨大的市场。对于光学信号处理，它在应用上的增长主要依赖 于它要取得较宽的动态范围。当一些微波设备的光学响应性能不断提高时 5 l 】， 利用这些光控微波设备就可以组成很多新型结构 5 2 1 。光学相控阵列天线是非常 有用的，将来很有可能运用于通信天线中。雷达中对数字化处理的需求也要求光 学采样技术得到长足的发展。最近，利用光学手段产生毫米波和亚毫米波信号也 很可能在该频段频谱的应用场合中有着举足轻重的作用。 1 4 光纤光栅的发展动态 1 9 7 8 年，h i l l 等人首次观察到掺锗光纤中因光诱导产生光栅效应【5 3 】，这种 效应的产生源于掺锗光纤的光敏特性。其后十余年，也就是到1 9 8 7 年，gm e l t z 等人实现了光纤b r a g g 光栅的u v 光侧面写入技术 5 4 ，使光纤光栅的制作技术 实现了突破性进展。所谓光纤中的光敏性即指掺杂光纤中通过激光时，光纤的折 浙江大学博士学位论文 射率将随着光强的空间分布发生相应的变化，这种现象也称为光致折射率变化效 应。如用激光干涉条纹( 全息照相) 侧面辐照掺锗光纤，就会在光纤中的一段长 度内，形成光纤长度方向折射率的周期扰动，从而形成光纤光栅，或称为光纤 b r a g g 光栅。而且这种光栅在5 0 0 。c 以下稳定不变。用5 0 0 。c 以上高温可擦抹。 这种光栅制作简单，在光纤技术、光纤通信、光纤传感等高技术领域中有相当重 要的应用。普遍认为，光纤b r a g g 光栅的开拓是继掺铒光纤放大器( e d f a ) 技 术开拓成功之后，光纤技术领域的又一次重大技术突破，并将成为光纤通信和光 纤传感技术发展的又一个重要里程碑。此外，在光机算和光信息处理等领域，光 纤光栅技术也具有极大的吸引力。 到目前为止，光纤光栅的应用主要集中在光纤通信和光纤传感器领域。在光 纾通信领域，b r a g g 光纤光栅的影响将涉及到光发送 5 5 5 6 、光放大 5 7 】、光纤 色散补偿 5 8 5 9 】、光接收【6 0 】等各个方面，同时，光纤光栅也使用各种全光纤器 件的研制成为可能，如全光纤激光器、全光纤滤波器等，因而所谓的全光纤一维 光子集成【6 1 】 即将各种全光纤器件集成在一条光纤里，形成诸多集成型光纤信 息系统也将成为现实。因此，有权威人士称：光纤光栅的出现迫使人们不得不重 新考虑光通信系统中的每一个设计，将来光通信系统中如果没有光纤光栅就如同 传统光学系统中没有镜片一样令人难以置信。 在光纤传感器领域，光纤光栅传感器技术的发展和实用化是极其缓慢的，主 要受通信领域应用需求的推动，其主要原因是，虽然光纤光栅传感器具有许多其 它传感器无法比拟的优点，例如，抗电磁干扰、尺寸小( 标准裸光纤为1 2 5 “m ) 、 重量轻、耐温性好( 工作温度上限可达4 0 0 。c 一6 0 0 。c ) 、复用能力强、传输距离 远( 传感器到传感信息解调端可达几公里) 、耐腐蚀、高灵敏度、无源器件、易 于变形等等，但是光纤光栅的制造成本和可靠性一直制约着它的大规模应用。随 着通信技术的迅速发展，对于光纤b r a g g 光栅的需求也在急剧增加，同时，光纤 光栅的制作技术也日臻成熟和可靠，这些因素促进了光纤光栅的成批量生产的出 现，也使得光纤光栅传感器的制作成本大幅度下降，可靠性得到进一步提高，光 纤光栅传感器开始逐步走向现实应用。 综上所述，由于光纤光栅在通信、传感和通信等领域中的应用价值和广泛的 应用前景，近年来对光纤光栅的研究得到了十分迅速的发展，并成为当今全球的 一个研究热点。 1 5 光纤光栅在微波信号处理中的应用 我们已经知道，利用光电设备和系统处理和传输微波毫米波信号是微波光子 学的两大主要研究内容。自从二 世纪八十年代以来，利用光纤光学滤波器在光 域中处理射频微波信号这一研究方向已经变成很多研究机构的热门课题。并且已 经提出了很多丰闩关的微波光子信号处理器结构 6 2 ，6 3 。 第一章绪论 过去这些结构大多数是基于光纤延迟线的基本技术，但是，光纤的陈度一般 都是固定的，所以提出的处理器并不是很灵活。当光纤光栅出现时，利用光纤光 栅本身灵活可调谐的特性，从而为利用光纤光学处理射频信号处理器的实现提供 了一种更为灵活的调谐处理方法和手段 6 4 ，6 5 。而且，运用b r a g g 光栅作为信号 处理器件和光纤光学延迟线还是处理宽带信号的一项有力技术。正如前面所述， 光子信号处理可以克服传统电子信号处理器在采样频率上的非相干瓶颈，它的采 样频率可以达到1 g h z 以上。而且，光纤延迟线可以直接在光域中处理高频信号， 还和光纤光学微波系统兼容。因此，这些基于光纤光栅的光子信号处理器和多波 长技术为光纤内高分辨率、宽带以及自适应信号处理带来了契机。 对于光子微波信号处理方法，它具有自己独特的一些优点和特性，例如，产 生很高的时问一带宽积的能力；处理并行信号的能力；产生实时延迟的能力等： 它的抗电磁干扰能力也使得它在雷达和相控阵天线中独树一帜。这里我们简单地 概述一下光纤光栅在包括自适应信号相关器、并行信号处理和实时延迟相控阵列 天线等几个典型方面的应用。关于光栅在具体微波滤波器中应用的研究将在后面 章节中再详细介绍，这里就不赘述了。 1 5 1 基于光纤光栅的波分复用( w d m ) 信号处理器 在对并行信号进行处理时，利用多波长技术是一个不错的选择。一个波长复 用的b r a g g 光栅阵列结构具有处理任意信号的能力 6 6 】。因此，在对信号处理时， 它可以实现任意加入窗口函数。例如，在不同的波长选择具有不同反射率的光纤 光栅实现k a i s e r 窗口函数处理【6 6 】。 当然，在结构上，如果能够使用多波长光源和啁啾光纤光栅就显得更为简单 和方便了f 6 7 7 1 。这些设备和器件在可重构的信号处理器结构中大有用处。通过 改变多波长光源的输出光之间的波长间隔，信号处理器的基本延迟时间就会发生 相应的变化，从而可以改变滤波器的中心频率。第二，也可以通过改变每个波长 分量的输出功率，从而改变信号处理器的时间响应和实现信号处理器传输函数的 重构。 运用w d m 技术处理信号还具有一个很重要的优点，那就是它可以消除处理 器输出端口的相位噪声，然而，一般的非相干光学处理器就不能做到这一点。在 w d m 技术中，当不同波长的信号同时进入光电探测器的时候，激光器的任意噪 声将以波长间隔对应的拍频形式出现，而不是象使用单波长时以基带形式出现。 由于拍频信号频率非常高，一般已经超出了光电探测器的带宽，所以激光器的相 位噪声就自动被探测器滤除了。 波分复用技术处理器不但可以实现大量的抽头数量，而且还可以使每个抽头 都具有任意不同的系数权重【7 2 。该信号处理器可以执行高效率的并行延迟信号 处理，从而拓宽了原来一直采用采样技术处理信号的基本思路。它允许我们在有 限数量连接的基础上，增加处理器抽头的数量，并且实现任意正系数和负系数。 这种基于w d m 技术的信号处理器结构最大的好处就是，它可以在最少连接的基 浙江大学博上学位论文 础上，增加处理器的抽头数量；另外，它还可以实现任意离散脉冲响应，例如平 方型滤波器等等。 1 5 2 基于光纤光栅的信号相关器 另外，基于光纤光栅的信号处理器还可以高速处理信号之间的相关性。图 1 5 1 就是一个采用规则光纤b r a g g 光栅阵列作为可调谐元素的全光相关器( 7 3 】。它 充分利用光纤光栅的波长选择特性来实现系统的可重构性，为系统相关函数的重 构和编码识别的设计提供一种简单的方法。其中每个光栅都与一个压电材料控制 设备相连接，可以随时控制和调谐每个光栅的中心波长。所以，相对于输入光波 长，光栅的反射率可以在o 一1 之间任意调节，从而信号相关器的相关函数得到了 相对应的重构。一个含有f 个光栅的光栅阵列的信号相关器，它可以识别和处理 2 ”个编码。 如果s 代表输入的编码序列，为系统本身的脉冲响应，那么该序列经过 相关器的处理以后，输出为 月( f ) = s ( t ) i o f ) 出 ( 1 5 1 ) 如果两个比特序列s 和是相同的，那么相关器的输出r ( r ) 为自相关输 出。如果两个序列不匹配，输出结果为互相关输出。并且，在实验中证明，该相 关器可以在几g b i 佻速率时实现快速解码，而且通过调谐光栅可以识别不同的高 速比特率编码。 p d 图1 5 1 基于光纤光栅的光学编码相关器。 第一章绪论 1 5 3 基于光纤光栅的相控阵波束形成器 基于光纤光栅的信号处理方法还可以解决实时延迟相控阵中器件的相互连 接问题，另外，如果采用波分复用技术也可以提高相控阵天线的波束形成能力 【7 4 8 0 】。 图1 ，5 2 可以用来说明波束形成网络形成的基本原理。为了获得需要的延迟时 间，该结构采用了波长镜像和波长分割的概念。在该相控阵天线中，每个天线单 元由p 个波长间隔相同的天线元组成。为了分析方便，将延迟时间可以分成两个 部分：第一，就是线性递减的延迟，称为参考延迟，而且参考延迟时间在每个天 线单元中是相同的；第二，就是斜向延迟，对于同一个天线单元中的所有天线元 它都是相同的，但是不同天线单元之间是不同的。斜向延迟主要通过适当的光纤 长度实现，而参考延迟则可以通过光栅阵列或者啁啾光纤光栅获得。这种拓扑结 构的优点是，它可以消除一般的光学拍频噪音的干扰，然而，在一般的天线阵列 中，该噪音就不可避免的存在。 在图1 5 2 中，对