基于無源光纖環形腔雙折射的光生毫米波技術

(長江大學物理科學與技術學院，湖北 荊州434023）

充分利用光纖帶寬的射頻光纖(ROF）技術是目前研究的熱點之一。ROF技術是一種光和微波／毫米波相結合的通信技術，或者說是一種利用光纖鏈路傳輸射頻信號的技術。ROF技術在衛星遙測、移動通信、光纖接入網以及光纖到家系統中具有廣泛的應用前景。高性能微波／毫米波信號源是ROF系統的一項關鍵技術[1-5]。目前發展的用于光生微波／毫米波的技術主要有布里淵散射技術、諧波鎖模技術、MZ干涉調制技術、外差技術、注入鎖定四波混頻共軛技術、光纖布拉格光柵技術以及FP腔等。文獻[6-7]提出了一種基于單模光纖FP腔的光生微波／毫米波方案，下面筆者提出并理論研究一種基于無源光纖環形腔的光生毫米波方法，并討論單模光纖雙折射參數、環形腔的損耗、耦合系數對所產生毫米波信號頻率、強度的影響。

1 無源光纖環形腔產生毫米波的原理

假設環形腔腔長為l，光纖功率損耗系數為α，耦合器的功率耦合系數為（t，k）。環形腔結構圖如圖1所示，環形腔產生毫米波示意圖如圖2所示。設入射光為穩頻的單模激光，其幅度為E0，頻率為ω0，隨機初相位為φ（t），光波場可表示為：

圖1 環形腔結構圖

圖2 環形腔產生毫米波示意圖

定義耦合器的前向傳輸耦合系數為t，t′，交叉耦合系數k，k′，α為因損耗而對應的衰減系數的振幅，令γ＝exp（-αl）。為了滿足能量守恒，耦合系數必須滿足：

所以環形腔里的總電場為：

式中，φ為相位延時因子。設環形腔的有效折射率為n，光在真空中的波長為λ，則相位延時φ＝2πnl／λ。

設輸入前的偏振片和輸出時偏振光束分光鏡與光纖環形腔的激光傳輸方向的夾角為β和θ，光束單次在諧振腔中傳輸1周的2個偏振模的相位差為：

式中，φx（nx）和φy（ny）分別表示x方向和y方向的相位（有效折射率）。

單色光在諧振腔中m次往返，環形腔輸出的幅度可表述為：

當注入的單色光停止時，一部分光還會在環形腔中循環n次。光纖環形腔輸出的總電場為：

經過偏振分束鏡之后的電場為：

輸出的強度與入射光的強度I0比值為：

拍頻（即毫米波）信號為：

式中，E＊表示E的復共軛。圖3和圖4分別表示經輸出光纖環形腔和偏振分束鏡之后的輸出光性能。假設前向耦合系數t＝0．99，損耗因子γ＝0．999，偏振延遲分別為φx＝0，φy＝5π／72，m＝0，…，1000，n＝0，…，1500，β＝π／6，θ＝π／4，腔長l＝1m，輸入諧振腔的波長λ＝1550nm，經計算只運行1周的時間為10ns。

圖3 輸出X，Y偏振模的幅度-時間關系

圖4 光纖中輸出的毫米波信號的幅度-時間關系

2 數值計算結果與討論

圖5所示是前向耦合系數分別為0．985、0．99、0．995時輸出的毫米波信號與在環形腔中運行的時間之間的關系。通過比較分析可以得出輸出的毫米波信號的最大振幅隨著前向耦合系數的增大而減小，毫米波信號的脈沖個數隨著耦合系數的增加而增加，但是2個脈沖的間隔是相等的。

圖6表示損耗因子γ分別在0．995、0．999、1．001下，輸出的毫米波信號振幅與環形腔中運行時間關系。γ為1．001表示環形腔此時是有增益的。通過比較發現，損耗的增加會使輸出的毫米波信號相對振幅變大，而且脈沖序列也會隨著變多。這表明如果在環形腔中加入放大器，那么輸出的光信號強度會變大，而且還會得到更多的脈沖串，那么對于有源環形腔而言，可以通過改變增益的大小來獲得功率更強的毫米波信號，但是增益也不能無限大，當光強達到一定值后，環形腔中就會出現一些其他的非線性效應，從而使輸出的毫米波脈沖發生畸變。所以應該適當的選擇增益的大小。

圖5 t為0．985、0．99、0．995時毫米波信號輸出

圖6 γ為0．995、0．999、1．001時毫米波信號輸出

圖7分別為相位延遲因子在π／18、5π／72、π／12時，毫米波信號的輸出與光在環形腔運行時間的關系圖。隨著相位延遲的增加，信號的相對幅度變小，脈沖的序列卻在增加，而且脈沖的間隔也在減小，即毫米波的頻率變大。相位的延遲與雙折射是成比例的，當環形腔的腔長不變時，相位的延遲因子與折射率是成正比的。通過控制雙折射，就能控制所產生的毫米波。利用這一點也可以將環形腔的雙折射用于傳感，當有外界壓力作用于光纖上，通過測出所產生的毫米波的變化，通過他們之間的特定關系，就可以得到外力的大小。取折射率差在10-5到2．5×10-4之間變化，本征折射率n＝1．5，輸入的波長為λ＝1550nm。圖8表示2偏振光的折射率差與產生的毫米波的頻率之間的關系圖，從圖8可以清楚的發現，產生的毫米波與相位差成線性關系，當雙折射差為2．33×10-4時，可以得到30GHz的毫米波信號。

圖7 Δφ為π／18、5π／72、π／12時毫米波信號輸出

圖8 折射率差Δn與頻率f的關系

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