（电子科学与技术专业论文）光子微波接收技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 r e s e a r c ho no p t i c a lr e c e i v in gt e c hn o l o g y a b s t r a c t ： w h i s p e r i n gg a l l e r ym o d ei st h er e s o n a n tm o d ef i e l di nc y l i n d r i c a lo r s p h e r i c a lc a v i t y p e o p l er e a l i z e di t si m p o r t a n c e ，b e c a u s eo fi t sh i g h q v a l u e , s m a l lm o d e v o l u m ea n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c s w g mf i n d si t s a p p l i c a t i o n si nab r o a da r e af r o mb a s i cp h y s i c st oo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n a m o n gw h i c ht h ew g mc a v i t ya n dm i c r o s t r i pl i n eb a s e dt e c h n o l o g yf o r o p t i c a lr e c e i v i n gi sar e c e n tb r e a k t h r o u g h i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，f i r s t l y w ei n t r o d u c et h eh i s t o r y ，t h e o r ya n da p p l i c a t i o n so fw g mr e s o n a t o ri n d e t a i l - t h e nw ed i s c u s st h ee x p e r i m e n t a ld e s i g na n da d j u s t m e n tt e c h n i q u e s o fap r i s mc o u p l e dw g mr e s o n a t o r t h ei n p u ta n do u t p u to ft h el i g h tb e a m a r er e a l i z e db yt w oc o l l i m a t o r s w es t u d i e dt h ec h a n g eo fo p t i c a ls p e c t r u m u n d e rd i f f e r e n tg a ps i z e s ，i n c i d e n ta n g l e s ，r e c e i v i n gp o s i t i o n sa n d r e c e i v i n ga n g l e s e s p e c i a l l yw ef i n dt h a tb yc h a n g i n gt h er e c e i v i n g p o s i t i o na n dr e c e i v i n ga n g l e ，n o to n l yt h eqv a l u e o ft h er e f l e c t e d s p e c t r u m i s d i f f e r e n t ，b u t a l s ot h er e s o n a n tf r e q u e n c i e sc h a n g e a c c o r d i n g l y ，w h i c hm e a n sw ef i n dan e wm e t h o dt or e a li z eat u n a b l ef i l t e r t h i sp h e n o m e n o ni se x p l a i n e du s i n gc o u p l em o d et h e o r yt o g e t h e rw i t hh i g h l e v e lw g mt h e o r y o u rs t u d yo fw g mr e s o n a t o ri sf o rt h er e a l i z a t i o no f aw g mr e s o n a t o rb a s e do p t i c a lr e c e i v e r ，t h e r e f o r ew ea l s op a ya t t e n t i o n t os o m ep r o b l e m si nt h ed e s i g no fm i c r o s t r i pl i n ef o ro p t i c a lr e c e i v i n g t e c h n o l o g y b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ew o r ko fp r e d e c e s s o r s ，w ep r o p o s e d t w oo p t i m i z a t i o ns t r a t e g i e si no r d e rt om a k es u r et h e r ei so n l yah a l f w a v e l e n g t ho fp u r es t a n d i n gw a v eo fr ff i e l do nt h ew g mr e s o n a t o r ：e x t e n d t h em i r o s t r i pl i n eo u t s i d et h ew g mr e s o n a t o ra r e a ，a n ds h o r t e nt h ep a r t o ft h eli n eo nt o po ft h ew g mr e s o n a t o r k e y w o r d s ：w h i s p e r i n gg a l l e r ym o d e ，m i c r or e s o n a t o r ，o p t i c a l f i l t e r e l e c t r i co p t i c a lm o d u l a t o r 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 随着互联网的持续高速发展，高效率的数据和通信接口技术成为今天很多信息 系统的关键环节。而蜂窝电话系统的大范围普及以及个人数字助理( p d a ) 市场的 持续增长，又使得人们对宽带接入的要求已经从桌面电脑系统扩展到室内无线系 统和小范围无线系统( m i c r oc e llw i r e l e s ss y s t e m ) 。这一切都使得低耗高效的 射频信号接收机成为无线系统的一个关键部件。为了满足这个需求，传统的电子 学手段一直在不断地改进。例如，图1 是传统的毫米波无线接收机的电子学解决 方案。该结构由一个模拟射频前端和数字信号处理模块组成，大部分能量消耗在 模拟微波集成电路上。例如n e c 开发的6 0 g h z 射频收发前端模块，该模块功耗 1 2 w ，其中0 4 w 用于接收 1 。它代表了当前的电子学解决方案的发展水平，如 果要更多地降低功耗和体积，势必要求全新的系统设计手段。 图1 传统无线接收机结构示意图。该结构由微波集成电路模块中的模拟电子电路和数字信 号处理模块组成。电磁场被射频天线接收后经过边带滤波，放大，输出的信号与一个本地振 荡器的本振信号一起进入混频器，输出的信号再次经过滤波获得基带信号。 基于光电子学的室内无线系统解决方案将有可能比纯电子学的方式更加高效， 因为如果采用光电子学的方案，随着光电器件的不断发展，将有很大潜力降低整 机的重量、体积和功耗。而且经过电光转换后，电信号转变成光信号，其后所有 的滤波，混频，放大，都可以在光域进行，最后再通过光电转换回电信号，这一 浙江大学硕士学位论文 过程减少了各种微波频段的干扰，频谱资源也相当丰富。因此，研究利用光子学 手段接收微波信号具有极大的理论和实际意义。在这个领域，国外科研界已经取 得了先进的成果。例如图2 是最近由南加州大学l e v i 教授的小组提出的微波光 电子学射频接收机示意图。电磁场由射频天线接收并馈入微波光子调制器。电光 调制器通过电光效应直接将射频信号调制到由d f b 激光器提供的2 0 0 t h z 光载波 信号上。调制器输出的相位调制信号经过m a c h - z h e n d e r 结构转换成幅度调制信 号。转换到光频段后，信号经诸如全光处理，然后由p i n 光电探测器进行幅度解 调，下变频到基带。 a n 托j 臻虿嚣燃茹端鬻黼裂嚣簇嚣嚣麓罗麓 搀蠲鹾p f o 嘶嘁i | | 戳黼一l 一一翻 鹰 撸： - ( 糊| 朝cl d s p d i 证i i a l 一疗 h o s t i a t e r f a c e 萋i ；e l e c 妊。n i 姆= = = 。一。睦= _ ；_ 卜 黼 罐 l i ”二 一 曩 ：韵m a b l ed f b 曩 i a t e g r a t 。 l h t 竺 鎏淑墼鲢誊 m i c r o p h o t o n i cc i r c u i t s 图2 ，采用微波光子学器件的外插式无线接收机。电磁场由射频天线接收并馈入微波光子调 制器。电光调制器直接将射频信号调制到光载波信号上。调制器输出的相位调制信争经过 m a c h z h e n d e r 结构转换成幅度调制信号。转换到光频段后，信号经全光处理，然后由p i n 光电探测器f 变频到基带。 图3 是该微波光子接收天线的实际结构图，图中的m i c r o p h o t o n i cr e s o n a t o r 是由铌酸锂材料制成的球盘形回音壁模谐振腔。当光从棱镜耦合进谐振腔后，在 其中形成的回音壁模( w h i s p e r i n gg a l l e r ym o d e ) 具有能量集中于腔壁，q 值高 的特性。电磁场被天线接收后经过微带线导引，馈入回音壁模谐振腔上方的半环 形微带谐振器，该微带谐振器下方的电磁场通过铌酸锂材料的电光特性对回音壁 模谐振腔内的光场进行调制。由于回音壁光场的能量集中于腔壁，且要在腔内绕 行多圈，所以这个过程中受电磁场调制的效率非常高。 4 浙江大学硕士学位论文 嚣硪- w a v e i 雌眦s i g n a 【 b a s e - b a n d o u t p u t s p l i t t e r c o m b i n e r 图3 光子接收天线结构详图。电磁场经天线接收后馈入w g m 腔上方的微带谐振器。光从棱 镜耦合到谐振腔，经过微带谐振器下方时受到微波信号调制，输出的相位调制光信号经过 m a c h z h e n d e r 结构转为幅度调制信号输出 1 2 国外相关研究进展 从图3 可以看出，l e v i 小组设计的微波光子学接收机的核心器件是一个球盘 型回音壁模谐振腔。回音壁模( w h i s p e r i n gg a l l e r ym o d e ) 一词，在历史上最 早由l o r dr a y l e i g h 于1 9 1 0 年提出 2 。他在研究声音的传播过程中发现高频 声波能够紧贴凹状建筑物，比如圣保罗大教堂的圆形拱顶表面反射前进，因此把 这种现象命名为回音壁模。之后w a i t 于1 9 6 7 年研究了w g m 模在介质圆柱中的传 播 3 ，a r n a u d 于1 9 8 1 开展了射频波段的介质谐振腔的研究 4 。 目前对回音壁模的研究主要集中于盘状或者球状结构谐振腔中的电磁场振荡。 盘状谐振腔的优势在于其中的场可以当作二维空间中的电磁场问题来考虑，便于 标准的光刻蚀工艺处理，并且模式的耦合与激励能够比较精确的计算。但是，刻 蚀的平整度限制了盘状结构的q 值在1 0 4 左右。盘状滤波器的主要应用有1 ) 光无 源滤波器。例如与盘状类似的环状结构就是集成波分复用器件的核心部件，波长 交换，路由，以及滤波都是研究的中心问题 5 ，6 。2 ) 半导体激光器。在半径为 浙江大学硕士学位论文 o 9 9 i n 的盘状微腔滤波器中，q 值能够达到1 0 4 ，再加上光场能量高度集中于盘 内壁附近，这种结构便构成良好的激光谐振腔 7 。3 ) 电光调制器。由于盘状结 构q 值高、能量集中，如果构成腔的材料是电光材料，那么可以用来制作高效率 的电光调制器 8 受h i l l 和b r e n n e r 在1 9 8 0 年代晚期对空气中悬浮微小液滴的研究启发 9 ， 科学家于1 9 8 7 年对基于球状结构的熔融石英微腔的光学w g m 谐振器进行了实验 研究 1 0 。相对于盘状结构，球状结构的加工以及模式的激励较困难，但是在球 状结构品质因数比较高，1 0 8 的q 值已经有报道 1 1 。球状结构常应用于1 ) 无源 滤波器。2 m j , l i 理工学院的v a h a l a 教授所领导的研究小组用球状谐振腔实现了高 q 窄带滤波器以及波长分插复用器，信道间隔在若干g h z 1 2 。2 ) 传感器。微腔 谐振器的外表面倏逝波场对谐振q 值影响很大，另外谐振腔的谐振频率对外界温 度，压力，拉力都敏感，因此诸如由拉力控制的微腔谐振器等传感装置已经有实 验实现 1 3 。3 ) 基础物理领域。例如量子非破坏性测量 1 4 ，又比如利用微腔 周围稳定轨道上的偶极予力捕捉原子 1 5 。 回音壁模谐振腔的研究中一个重要问题是如何有效的激励谐振腔中的模式振 荡。回音壁模式激励的基本原理是利用谐振腔外表面的倏逝模场与激励场的交互 作用实现能量向腔内转换。现在仍然缺乏一种简单且易于集成到光纤器件中的耦 合机制，虽然科学家在不断对如何改变这种现状进行理论研究，在实际实验中采 用的仍然是现有的激励方式：平板波导耦台，头部倾斜式抛光光纤耦合，光纤锥 耦合，棱镜耦合等。其中头部倾斜式抛光光纤由于形状已经固定，所以无法调整 耦合系数；光纤锥耦合的效率最高，能够达到9 9 8 1 6 ，1 7 ，而且通过改变腔 与锥的相对位置来调整耦合系数，但由于光纤锥直径只在1 0 t i m ，所以对准，稳 定性都成问题；棱镜耦合相对最容易对准也最稳定 8 ，1 8 ，当然其缺点是耦合 系数不能达到1 0 0 。 本文所关注的回音壁模应用领域是前面提及的电光调制技术和相应的微波光 子接收技术。在这个方面，国外已经利用基于w g m 谐振腔的电光调制技术实现了 1 0 0 m s 数据传输 1 9 ，以及中频分别为8 7 g h z 和1 4 6 g h z 的零差频接收机并且 进行了1 0 m s ，5 0 m s ，1 0 0 m s 无线链路数据传输实验 2 0 ，2 1 。 6 浙汀大学硕+ 学位论文 1 3 本文的主要工作 l e v i 小组的研究成果已经送往美国航空航天局进入实用阶段，从该小组发 表的论文来看，其性能确实非常优越，因此，在研究生阶段，我对这种光子射频 信号接收机进行了大量的理论和实验研究工作。总结起来，我做的工作主要有阿 个部分： 1 在我们的实验中，采用棱镜耦合的方式，在一个直径为4 一，厚度为l m m 的柱 状b k 7 玻璃谐振腔中激励起了回音壁模。我们研究了回音壁模本身频谱特性，验 证了回音壁模谐振腔的高q 特性( 在实验r 1 _ i 测得q = 5 7 ) ( 1 0 4 ) 。高q 回音壁模的 实现，为以后进一步实现电光调制以及光子接收打下了基础。通过调节各种耦合 参数，诸如棱镜与腔的间隙，入射角度，接收角度，接收位置，并且记录剌应条 件下的频谱，我们在发现棱镜与谐振腔的间隙能够对光谱的0 值起到调节作用， 而调节接收角度和接收位置除了能够改变光潜的q 值以外，还能改变接收光谱的 谐振峰，这一特性说明我们实现的谐振腔具有频率可调性。 2 如前所述，我们研究盘状谐振腔的目的是为了以其为基础实现高效率电光调制 器，我们研究了l e v i 小组的文献，虽然原有的微带谐振器设计考虑了各种微带 线形状和摆放方式对提高高次谐波调制效率的问题，但是我日j 发现了原有的微带 线设计上尚存在的一些值得改进的地方，主要有曲点： 首先是如果按照原来的半环形设计，微带线直接截断处并不能等效开路点，因 此微带线上的电磁场信号并不如其文献中所说的是纯驻波，而是同时存存行波成 分，这在仿真l i 也得以证明；如果微带谐振器上以行波成分为主，那么在对光信 号调制的过程中，就存在微波场相速度和光信号相速度不匹配导致调制效率降低 的问题，要提高调制效率，就需要降低行波成分，提高驻波比。 其次由于铌酸锂材料在光频段和微波频段的折射率不同，使得二r 环形微带线上 的电磁场不只半个驻波，从而相邻的半驻波由于反相而互相抵消调制效果，这是 一个明显的问题，然而在l e v i 小组的文献中未见到相应的讨论。 选l 此我们分别针对这阿个问题作出了自己的改进意见： l ，延哎微带线两端，使行波成分减小，驻波成分增加； 2 ，缩短微带线环形的长度，使其上只有半个驻波。 经过仿真设计，通过这两个改进，有效的解决丁前而l e v i 小组设计中的不足， 经过仿真设计，通过这两个改进，有效的解决丁前面l e v i 小组设计中的不足， 浙江大学硕士学位论文 提高了调制效率。 8 浙江大学硕士学位论文 第二章w g m 谐振腔理论分析 从波动光学的角度出发，回音壁模是柱坐标系或球坐标系下波动方程 ( v ；) 肛。 ( 20 1 ) 的特征解，又因为矢量e ，h 可以分解为六个标量分量，所以矢量波动方程( 2 0 1 ) 又可以归结标量波动方程 ( v 2 + 女2 ) m = 0 ( 2 。0 2 ) 下面我们先在柱坐标系情况下讨论( 2 0 2 ) 的求解。 2 1 盘状谐振腔中的场 z 图4 ，柱坐标系下回音壁模谐振腔结构 y 柱坐标系下，波动方程( 2 0 2 ) 展开为： 吾杀c r 争+ 吉等+ 雾搿蚪0泣1z ， 一_ ( r i 一，+ r i = 三- + _ 百一+ 庀。中= t z 1 ， rd rd rr d 廿d 应用分离变量法，o ( r 口z ) = r ( r ) q ( 口) z ( z ) 代入( 2 0 2 ) 化简有 a z 立+ 女! = 0( 2 1 2 ) z a 2 q 塑三+ m2 ：0( 2 1 3 ) e 2 ，z 宴+ r 罕+ ( 砰1 2m ：) r ：0 ( 2 1 4 ) d r 。d r 浙江大学硕士学位论文 p 回讨论各个卑爻量万程的觯： ( 2 1 2 ) 的解为z ( z ) 一e 2 晔，在盘状谐振腔中，由于有上下两个边界，所以盘 状谐振腔的场在z 方向谐振。 ( 2 1 3 ) 的解为a ( a 1 * e ”9 ， 从这个解可以看出，柱坐标系下场的等相位面 绕口方向波动前进，并且从0 从0 到2 z 过程中有2 m 个峰值 ( 2 1 4 ) 是一个贝塞尔方程，对于盘状谐振腔而言，其解分为r r 两种 情况 r ( r ) = 厶( k t _ 。k ，) ，。( t 一。) r r 为了便于讨论本征值问题，对r r 的区域，用指数衰减函数来近似第二类变态贝 赛尔函数，近似标准是取适当的参数毙。，让指数函数足( r ) e x p - y 。( ，一r 。) 韬f ：r = r d i 。处的函数值和函数变化率与( ka i r r ) 比( k t _ a i r g d 。) 相等 2 3 。 因为第二类变态贝塞尔函数具有性质 萼盟：v k v ( z ) 一k 。( z ) 所以r r 区域内场精确解的变化率： 写尹= 瓦蔷舂呼e ( t r ) 一b + i ( 也r ) ) 而r r 区域内近似解的变化率为： 1 d r a p _ p r o x = 一e x p - 。( 卜心。) 按照近似解的值和变化率在r = 心。都与精确解相等的标准，可以得到 = 志( 秭王 一面，t ) 一号k 陇一曲功 ( 2 1 5 ) 其中：k 叫2 。= 2 2 。一，砭。= 女；一留 即磕。+ 磋。= 碚( ，缸- 1 ) ( 2 1 6 ) 做这种近似之后，柱状腔在外部每一点上可以等效为倏逝平面波，其等效传播常 1 0 浙江大学硕士学位论文 数为- 。k 2 一。+ 尼。 柱状腔的谐振频率可以通过匹配半径处的内外切向场得到，例如对于t e 模式 h ：= 0 ， 啪) = 一等掣 在腔内外分别有： 叫) _ _ 等摘讹一沙k 札呦砌 日，( r ) = 一 磐( 一e 刖，) r r 。“a i r 令腔内外的e 和h 。在r = r d i ，t ：处相等，可以得到以下特征方程 去+ 警 诽一。) 巩。 一成。，汜， 上式与( 2 1 6 ) 联立求解即可以得到各个可能的模式的频率值。 ( 2 1 7 ) 的本征值m 由( 2 1 3 ) 得来，m 描述了场在绕圆柱一周有多少个峰值， 而对于同一个m ，方程( 2 1 7 ) 还有一系列根j ，( t 一。r ) ，这是贝赛尔函数的 多重零点性质决定的。这一系列根描述了同一m 值时可能存在的模式，这些模式 绕圆柱一周的峰值是相同的，不同的是半径方向从原点到圆柱壁处有多少个极 值a 通常所说的回音壁模是指对于某个m 值，p = l 的解j 。( k z 。r ) ，在腔内沿半 径方向只有一个峰值。而对于p = 2 ，3 ，4 的模式，可以称为高阶回音壁模。 各阶回音壁模的另外一个区别是求解出来的谐振频率和相应的等效传播常数 尾。= 砭。+ 虑不同，这一点在后面的实验中得到验证。 2 2 棱镜中的场 为了描述棱镜中的场，可以假设棱镜占据了整个上半部分的空间，这样不必讨论 浙江大学硕士学位论文 棱镜两斜边的反射折射。如图5 所示，投射到耦合区域的入射光束可以看作一系 列平面波分量的叠加，这里我们把问题简化为二维空间的有限光束，光束的宽度 在x 方向有限，在z 方向无限延伸。 图5 ，棱镜与谐振腔的耦合示意图 ( 训，z ) = e 气。( 口妒拈d 占 ( 2 2 1 ) 此处徊) 是某个平面波分量的场强，而毋m 。和毋一是平面波分量的角度上下 限，代表了光束的准直程度。对于某个具体的平面波分量，棱镜中的场是一个驻 波，而棱镜底边外的场是倏逝波场。而棱镜中入射光束通过激励起谐振腔中的回 音壁模场的过程，可以看作每个平面波分量分别激励回音壁模场的叠加。 2 3 平面波分量与回音壁模的耦合 为了描述入射光束中平面波分量与谐振腔中一个回音壁模的相互作用，需要应用 模式耦合理论 2 2 。由于平面波分量与回音壁模相互作用最强点只发生在棱镜底 边和圆柱腔侧面相切的点，因此我们计算出在这个相切点的耦合系数 2 3 ： 。一一雠毋m 2 五e e x p ( 一y ，矾1 “脚 d x 陋丧沁，+ 若础一趟， 心3 _ 。 一“。 # 曲 p 一一嬲j ，z ；。c8 一女岛 f l + r ) “( 1 一r ) 岛 4 痣。+ ( 2 3 2 ) 1 2 浙江大学硕士学位论文 此处e = 上z 。( z ) 改是腔中的场在z 方向的积分结果，并且 k = 磊k p r i j m 丽c o s 巧o + j 石y m w , ,庀p 咖c o s 一j 以“删 耻若警茫 7 谢”= 4 k 2 r s msin20 - k ； ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) h 脚p r s k n _ ) “和k , 枷d i s k - p r i s m 分别描述了在相切点处，棱镜到腔和腔到棱镜的能量转换 速率。为了从这两个能量转换速荤中计算出平面波分量和回音壁模在经过整个耦 合区域中的能量转换百分比，也即耦合系数，需要对_ 】f p r s i m 。“和嘤。，沿耦 j = ux = o 合区域方向积分。为了便于计算，积分路线采用曲线。( x ) = d o + 2 x _ k 。结果为： k 棚m u 托k = r p 黼m 女 x = 0 秽“- ) “= l c “。啪 瑚 p = 芦? 一脚p 。g 。j i 唧( - 警 唧( _ 警 ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) 2 4 棱镜与盘状谐振腔耦合可行性的仿真研究 为了验证棱镜耦合的可行性，我们用0 p t i f d t d 建立了一个简单的模型进行了仿 真，模型如下图： 晤臣 浙江大学硕士学位论文 图6 a o p t i f d t d 仿真模型 上图左边的长方形代表棱镜，折射率设定为n p 。= 3 4 ，圆形代表谐振腔 r t d 女= 2 2 ，腔半径民女= 9 1 m ，棱镜与腔相距d = o 0 5 t t m ，光束以4 5 。投射到 棱镜与腔的相切点处，仿真结果如下图： m 6 b ，仿真结果，图为电场在y 方向分量的强度分布图。 从上面的仿真图可以看出，光束从高折射率棱镜投射到与低折射率谐振腔交界处 后能够在谐振腔中激励起绕腔壁前进的谐振场，这证明了棱镜耦合的可行性。 t 4 浙江大学硕士学位论文 2 5 多次干涉模型 前面已经讨论过，谐振腔中场沿圆周方向运行前进。对于入射到耦合区域的平面 波分量，直接反射的能量以及在腔中绕行若干圈后耦合出来的能量相互作用，这 个多次干涉的过程可用图7 所示的涉模型描述： d e l a y 图中f = 2 ； r r a i , k c 是光绕腔一周的时延，是一周内的能量损耗。假设入射场 瓦( f ) = l a ( t ) 是简谐场：吃( f ) = p 一埘，由图7 中的场量关系可以得出输出场 艺。( f ) = 0 1 ( 1 ) 与入射场的关系为： 瓦沁户f 瓜= 一等鬻卜亿a 。 因此整个系统的传输函数： 叫埘刮孵= 一等等罐券f 汜蚰， 例如，假设k 。一，。= 0 一= 0 6 ， 臼= o 1 ，根据2 4 2 画出的频谱图为： 图8 多次干涉模型的理论频谱曲线，t = 0 6 ， 口= 0 1露雌一舻一 豆p)it苫写e 浙江大学硕士学位论文 第三章w g m 光谱特性的实验研究 3 1 实验装置 实验中采用了两种棱镜，一开始采用的是腰长1 0 岫的等腰直角三角形将光耦合 到谐振腔中，棱镜材料为铌酸锂，在2 = 1 5 5 0 r l m 处铌酸锂的折射率为= 2 2 1 ， 亿= 2 1 4 。铌酸锂晶体的z 轴平行于棱镜的侧面。后来采用了l a f 4 玻璃等边三角 形棱镜，n = 1 7 5 。谐振腔是一个直径4 m m ，厚度1 衄的圆盘，材料为b k 7 玻璃，折 射率r r l 5 1 。棱镜侧面和圆盘侧面都经过光学抛光。光束从激光器出发通过一 个准直器聚焦后投射到棱镜底边与谐振腔的相切点，反射之后被另外一个准直器 接收然后送到光谱分析仪( a g i l e n t8 6 1 4 1 8 ) 或者光功率计分析( a g i l e n t8 1 6 3 a ) 。 实验装置图由图9 所示。 ( b ) 图9 ，棱镜耦合微腔谐振器，a ) 理论图示，b ) 实际装置 在实验装置中如何寻找到准确的入射角度是一个关键问题。理论上，为了实现 倏逝波耦合，入射角必需大于棱镜和腔之间的全反射角毋= a r c s i n ( n o p , n 。) 。为 了找到棱镜和腔之间的全反射角，可以用棱镜和空气的全反射角作为角度基准， 方法是用可见光源，例如红光作为入射光，以较小的入射角从棱镜一边入射，此 时红光会从底边折射出来。然后以增大入射角，底边红光的折射角慢慢增大，直 浙江大学硕士学位论文 到折射角增大n 9 0 度时，折射出来的光束已经接近平行棱镜底边，如图中04 所 示，此时的入射角度就是达到了棱镜和空气的全反射角0 。，图中相应的e 。的可 以通过角度关系计算出来： 0 1 = a r c s i n ( n a i r n 口m ) = 2 6 9 。 0 3 = a r c s i n ( n l m s i n0 2 ) n 。= a r c s i n ( n 3s i n ( 4 5 。e 1 ) ) = 4 3 3 。 相应的，光在棱镜和腔的介面上全反射时，可以计算出： o ? = 4 2 。 实验装置中o 。由一个带有角度刻度的旋转台控制，在找到棱镜和空气的全反射 角时，记录下刻度盘上的读数r e c 。= 3 8 8 1 。，然后刻度盘转动到 r e c 。一( 0 3 ，一0 3 ，) = 3 4 9 。，就达到棱镜和腔的全反射角。 、彰 厶 图9 c ，棱镜和空气的全反射角 图9 d 棱镜与腔的全反射角 在成功找到全反射角后，开始缓慢增大入射角度，步长为0 1 度左右，换用宽 带光源作为输入，在增大过程中，经过耦合区反射以后的光开始出现了被周期性 滤波的现象。根据谐振腔的尺寸和折射率，理论上在a = 1 5 5 0 n m 附近，描述滤波 的自由频谱宽度f s r 为a f s r = c ( n o ，2 z r ) = 1 5 8 g h z ，折算成波长 1 7 浙江大学硕士学位论文 璃- ：1 y i 3 2 计算机控制光谱扫描系统开发记录 3 _ 2 _ 1 系统介绍 在实验中，需要解决的一大问题就是光谱扫描的问题，如前文文所述，实验 中谐振腔的自由谱宽f s 为0 1 2 n m ，而实验室中的光谱分析仪的最高精度只能到 0 0 7 n m ，因此如果采用宽带光源一光谱分析仪的方法分析，得到的光谱曲线图精 度并不高。所以我们专门花了一段时间研究，最后采用了高精度的d f b 光源 i l x 3 7 0 0 b $ 1 ) 七功率j w 3 2 0 1 在计算机控制下进行逐点扫描的方法。如图所示： d l t e r 图1 1 计算机控制光谱扫描系统 计算机端采用l a b v i e w 作为控制软件。采用l a b v i e w 的原因首先是i l x3 7 0 0 浙江大学硕士学位论文 d f b 激光器本身已经提供了丰富的l a b v i e w 库函数，涵盖了d f b 激光器的各种控制 功能，其次是l a b v i e w 本身属于图形化高级语言，编程容易上手，而且提供了丰 富的接口函数，能够方便地控带 j o p i b ，串口等等各种通信接口。计算机与d f b 激光 器之间采用o p i b 接口连接，计算机与光功率计之间采用串口方式连接。 3 2 21 1 3 ( 3 7 0 0 bd f b 激光器简介及编程需解决的问题 下图是3 7 0 0 b 的前面板图 图1 2i l x3 7 0 0 b 前面板示意图 该激光器的输出波长在1 5 4 7 n m 附近有2 n m 的可调范围，调节原理是通过调节可变 热电阻的阻值实现激光器的温度变化，从而间接改变输出激光的波长。 激光器的参数可以通过前面板手动调整，同时激光器也带有g p i b 接口，可以受计 算机控制。实验中正是由计算机通过g p i b 改变热电阻的方法扫描输出激光的波 长。另外值得指出的是，由于激光器是通过温度控制的方法改变输出波长，所 以热电阻阻值的不稳定性成为需要编程考虑的一大问题，这种不稳定性体现在如 果当前稳定的热电阻阻值设定到某个新阻值后，实际的热电阻值稳定到新设定值 需要经过比较长时间( 1 9 钟左右) 的波动，因此如果增加阻值后立即读当时的光 功率值显然不准确，因为此时的实际热电阻值是波动的。所以在编程中采用的 方法是每改变一次阻值以后进入一个判断循环，每个很小的一个时间片( 例如 5 0 m s ) 就读取当前的实际电阻值，并且与上次循环中读到的实际电阻值比较，如 果连续有若干次( 比如3 0 次) 读到的实际电阻值都稳定不变，才判定实际阻值已 经稳定，这个时候才读取经过谐振腔后的光功率值。 浙江大学硕士学位论文 3 2 3 光功率计j w 3 2 0 1 简介及编程需解决的问题 j w 3 2 0 1 单通道台式光功率计是上海嘉慧公司开发设计的高精度、宽量程光功 率检测设各。该光功率计提供了串口通信方式，通信协议如下 j w 3 2 0 1 向计算机发送的数据格式：共1 8 个字节 ol2 34 78 1 11 2 1 51 6 1 7 0 。1 7 表示0 是第一个接受到的字节 o ：= 0 x 7 8 ，标记位 1 ：= x o r ，其余所有字节奇偶检验和 2 3 ：= a d 转换的结果( 低字节在前，高字节在后) 4 7 ：= p a r a 放大档的参数( 浮点数，低字节在前，高字节在后) 8 1 l ：= b 系数( 浮点数，低字节在前，高字节在后) 1 2 1 5 ：= k 系数( 浮点数，低字节在前，高字节在后) 1 6 ：= w a v e 波长标记 1 7 ：= a m p 放大档数( 如果返回为o x f f ，则表示数据读取出错，如果返 回0 x 8 8 ，则表示成功) 计算机向j w 3 2 0 1 发送的数据格式：共1 2 个字节 f fo o0 1 45 89 开始是两个固定的字节f f 0 0 0 ：= 功能字节0 2 为修正系数，0 3 为读取数据 l 一4 ：= k 系数浮点数( 高字节在前，低字节在后) 5 8 ：= b 系数浮点数( 高字节在前，低字节在后) 9 ：= x o r 是o 一8 的字节垂直异或检验码 从上面的通信协议可以看出，计算机每次向j w 3 2 0 1 发送的数据是固定的： o x f f0 00 30 00 00 00 00 00 00 00 00 3 然而从j w 3 2 0 1 返回的功率值是一个有固定格式的1 8 字节的数据段，需要在计算机 自己转换成实际的功率值。另外一个问题是在实际调试过程中发现从串口读取的 光功率计读数也会有粗大误差，也即经常会读出一些极大的值，或者负值。因此 2 0 浙江大学硕士学位论文 在l a b v i e w 中专门编写了一个o p t o p o w e r v i 子程序处理上述两个问题 3 2 4 计算祝l a b v i e w 圭程序分析 下面是计算机端l a b v i e w 主程序的前面板图 图1 3l a b v i e w 主程序前面板图 从前面板图中可以看到，程序有一个x y g r a p h 控件用来显示光功率谱曲线，r s t a r tp o i n t 和rs t o pp o i n t 控件指定热电阻扫描的上下限，p o i n t s 控件指定 在上下限范围内扫描的点数。图中的类似温度计的e q u a lt i m e 控件用来判断热 电阻是否稳定到设定值，这将在后面介绍。其它还有一些辅助控件不详细介绍。 下面介绍l a b v i e w 程序的内部机制，由于l a b v i e w 是图形化变成，所以我们对照程 序框图解释。 最外层是一个大的顺序执行结构，确保内部的动作每次只执行一个。 第一大步骤，查询或设置d f b 激光器的温度控制器( t e c ) 的控制模式。具体步骤是 以f a l s e 参数调用i l x3 7 0 0 b 提供的库函数t e c c o n t r o lm o d e v i ，返回值是当前t e c 控制状态，如果返回值是r ，则不做任何操作，如下图 浙江大学硕士学位论文 如果不是r 则以t r u e 参数调用t e c c o n t r o l m o d e v i 把控制模式设置为r 之所以要设置这一步骤，是因为i l x3 7 0 0 可以用激光器电流i 或者热电阻r 为扫描 参数，这里查询并设置r 的意思是确保d f b 激光器的扫描参数为热电阻值。 第二大步骤：查询并设置激光器的激光输出状态。以f a l s e 参数调用 t e c o u t p u t v i 函数返回当前的激光器输出状态，如果己经打开，则不作任何操作， 如下图： 塑垩奎兰翌主兰垡笙茎 否则以t r u e 参数调用t e c o u t p u t v i 函数，打开激光器输出 第三大步骤：开始逐点增加热电阻的阻值，达到间接增加输出光频率的目的。这 一步由一个q 隰w h i l e 循环构成，每圈娩i l e 循环又要执行三个顺序小步骤： 小步隳一，以t r u e 值调用t e c r e f e r e n c e v i ，将当前热电阻值设定到根据初 值以及当前循环次数计算出来的热电阻值处。 浙江大学硕士学位论文 从上图中可以看出： 当前阻值一阻值f 限+ 当前循环数( 阻值上限一阻值下限) 总扫描点数 砂步骤二，进入一个小w h i l e 循环判断设定阻值后，激光器的热电阻是否已 经稳定到该设定值。判断方法是每圈小循环以f a l s e 参数调用t e c r e f e r e n c e v i ， 返回当前热电阻的实际值，并将当前实际值通过l a b v i e w 中的移位寄存器机制与 上次小循环测得的实际值比较，如果相等，则前面板中e q u a l t i m e 控件的值) j i l l ， 否则将e q u a l t i m e 控件值置0 。然后检查e q u a l t i m e 值是否等于一个阀值，比如5 0 次，如果等于5 0 ，则我们判定热电阻的阻值已经稳定在应该达到的计算值处，该 小循环结束。各种情况程序如下图： 2 4 浙江大学硕士学位论文 如果当前测量值与上次测量值不同，则e q u a l t i m e 置0 。 如果测量值与上次测量值相等，则e q u a l t i m e 加1 小步量雾! 三调用o p t o p o w e r v i 函数查询光功率计测得的功率值，并且将该值 浙江大学硕士学位论文 送到a v e r a g e p o w e r 数组控件中储藏起来，其中o p t o p o w e r v i 是自己写的一个 l a b v i e w 子程序，将在后面介绍。再把当前激光器的稳定热电阻值r 送到s t a b l e r 数组储藏起来。为了显示光功率谱，将s t a b l e r 数组作为x 坐标参数， a v e r a g e p o w e r 作为y 坐标参数送到前面板的x yg r a p h 控件显示，显示出来的就是 滤波器输出光功率值随输入激光器热电阻变化的曲线，而热电阻代表了输出的光 频率。同时还将显示的数据送到文件中保存在硬盘中，以便以后反复调用。如下 图。图中图标为“p o w ”的就是o p t o p o w e r v i 子程序。 3 2 50 p t o p o w e r v i 子程序分析 上面的l a b v i e w 程序主要是实现与i l x3 7 0 0d f b 激光器通信，保证热电阻稳定， 并且读取每个频率点的功率值等等功能。其中提到了o p t o p o w e r v i 子程序，这个 子程序就是自己编写的通过串口读取光功率计j w 3 2 0 1 功率值的子程序，程序框架 图如下： 第一步调用v i s ac o n f i g u r es e r i a lp o r t 控件设置串口参数 浙江大学硕士学位论文 麓萎蠡m e i l l e 氍# 糊i 魁 l。刮割 l 第二步v i s ao p e n 。v i s a 是l a b v i e w 中提供的一套与各种通信接口通信的接口 程序，在调用该接口程序的时候首先要执行，i s ao p e n 第三步进入一个循环，该循环的目的是为了解决光功率计的粗大误差问题，每读 一一个波长点的功率时要通过循环2 0 次读2 0 次该点的值，然后取平均，在这个过 程中还进行了若干判断，比如读出来的是否是一个数值，是否大于上次读出数值 的2 倍等等，下面将详细分析。 第一小步骤，向j w 3 2 0 1 写入固定命令字符数组。采用一个a r r a yc o n s t a n t 控件，里面放入0 x f f0 00 30 00 00 00 0 0 00 00 00 00 3 ，然后通过b y t ea r r a y t os t r i n g 控件转换成s t r i n g ，送到v i s aw r i t e 控件写入j w 3 2 0 1 。 浙江大学顽士学位论文 垂馨m 矗* m a 。m m m s 挈霉a z 产 。 fl 日订2 5 5 粤翳圈| 一 0 r e f e r e n c ed o w e r - l 0 燧童 0 0 副 鍪 0 0 u j 0 甄麟凸毓酣口瓤鬟口馘璀嘲】缸量扫镕叩耀加 i h a 矩w 口蝴卫锺撼口疆_ 口张型玎“口 第二小步骤，读出并处理功率计返回的数据。 乙襁魈- 6 ”碧“l l 分 离。露副拦事陆e p r e s e n t 敞d e o w e r lj 一 i 眵伊一j 璧趔划| j ! 懿”隧； 严甲镛! ：眨珍谢雾；= f 垆k 一j 协_ 陟卜。卜p陟r 。 面 多 酬删。帅。呐删。一刚。抓瓣。l 萨 为了把从光功率计返回的数据块还原成有意义的光功率数值，采用了c a l ld l l 的方法，也即用c 语言在v i s u a lc 环境中编写了一个动态链接库，然后在l a b v i e w 里面调用该动态链接库，对v i s a r