专利名称：基于级联全通滤波器的毫米波副载波光脉冲信号发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及基于级联全通滤波器的毫米波副载波光脉冲信号发生器。本 发明可应用于光纤无线通信技术，微波光子学技术等工作中。
背景技术：
随着移动通信技术的发展，人们对包括声音，数据，图像和影视等多媒 体的需求也越来越迫切，为提高信息容量和通信速率，必须利用比微波更高 频率的毫米波射频信号。Radio over Fiber (RoF)技术是一种微波通信和光 通信相结合的技术，能解决通信系统信息容量和传输速率的问题。在这一技 术中，基站与中心局之间的信息传输仍然采用光纤；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 收后转化为毫米波射频信号被发射出去。因此毫米波信号发生器在这一技术 中是一个关键器件；尤其是因为基站数量巨大，低成本、高可靠性的毫米波 发生器是研究开发的热点。
对毫米波副载波信号发生器的研究工作，己经有不少报道，提出了多种 技术方案。在先技术之一[H. Schmuch, Comparison of optical millimeter-wave system concepts with regard to chromatic dispersion, Electron. Lett.， 31(21), pi 848， 1995]，提出从激光器输出的光波经过一个Mach-Zehnder调制器，携带传输信 息的毫米波射频信号直接加载在Mach-Zehnder调制器上，这样输出的光波形 成一个双边带调制的光学信号。在光学接收器上，每个边带与中心频率发生 拍频，产生毫米波频段的射频信号。但是这种双边带调制的光学信号在光纤 中传输时，色散效应对不同的频率成分产生不同的相位，使产生的两个拍频 的射频信号具有不同的相位，以至射频信号功率随着传输距离和载波频率呈 现周期性变化，影响射频信号传输。
在先技术之二[Ye Qing et al.， Generation of millimeter-wave sub-carrieroptical pulse by using a Fabry-Perot interferometer, Chinese Optics Lett, 5(1), p8， 2007]提出,利用超短脉冲激光器产生超短脉冲，入射通过Fabry-Perot干涉仪产
生脉冲重复频率为毫米波频率的脉冲信号，然后通过光纤耦合器耦合进入光 纤传输。此方法简单易行，但脉冲能量转化效率低。
发明内容
本发明的目的是针对上述在先技术存在的问题，提出一种基于级联全通 滤波器的毫米波副载波信号发生器，该器件具有低成本，设计加工简单，能 量转化效率高的特性。
本发明的技术解决方案如下
一种基于级联全通滤波器的毫米波副载波光脉冲信号发生器，其特点在 于由依次连接的具有准直耦合输出的超短脉冲光纤激光器、级联全通滤波器、 光纤耦合器和传输光纤构成。
所述的级联全通滤波器是级联的GT腔滤波器，由两个平行设置的第一 GT腔、第二 GT腔和相对位置的调节机构构成，每一个GT腔由具有高反射 率的高反射面和低反射率的低反射面包覆的具有一定厚度的平行平板介质所 组成，所述的第一 GT腔的低反射面和第二 GT腔的低反射面相对且有一定距 离和错位，以调节控制在两个GT腔级联的次数。
所述的GT腔的低反射面的低反射率的取值范围为0.5 0.382。
所述的第一 GT腔或第二 GT腔具有距离调节机构，在所述的调节机构的 驱动下，改变所述的第二GT腔与第一GT腔之间的距离，调节级联的级次。
所述的第一 GT腔具有腔面平移的调节机构，以改变第二 GT腔与第一 GT腔相对的错位而不改变二者之间的距离，调节级联的级次。
所述的级联全通滤波器是级联的光波导环行谐振器，其构成是在同一衬 底上制备多个波导谐振腔，单个谐振腔由直波导和一个环形波导组成，两波 导相切，在相切点处构成一个光波导耦合器，光波互相耦合，实现光波的分 束传输，其分束比决定于直波导和圆波导在相切处的距离，和相切点延伸的长度。
本发明提出的基于级联全通滤波器的毫米波副载波光脉冲信号发生器， 具有明显的优点和特点。与在先技术之一和类似技术相比，本发明提出的方 案结构简单，系统稳定，易于设计制备和操作；与在先技术之二相比，本发
4明提出的方案能量利用效率高，脉冲串包络波形改善。
图l是单个G-T腔产生脉冲串的示意图。 图2是单个光波导环光脉冲串的示意图。 图3是单个GT腔不同反射率时输出光脉冲串的包络波形图。 图4是对7 = 0.5时，不同级联个数的输出光脉冲包络波形图。 图5是对7 = 0.382时，不同级联个数的输出光脉冲包络波形。 图6是本发明基于级联G-T滤波器光信号发生器实施例1的结构示意图。 图7是本发明基于级联G-T滤波器光信号发生器实施例2的结构示意图。 图8是本发明基于级联G-T滤波器光信号发生器实施例3的结构示意图。 图9是本发明基于级联光波导环形谐振腔光信号发生器实施例4的结构 示意图。
具体实施例方式
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l，图1是单个G-T腔产生脉冲串的示意图。单个G-T腔由 两个平行反射镜组成，前面一片是低反射镜，后面一片是高反射镜，镜片之 间是无色散介质。i 和A分别为G-T腔低反射镜和高反射镜的反射率，i 产l， 7 <1。"为GT腔的介质的折射率，d为G-T腔内介质的厚度。单个G-T腔产 生脉冲序列的原理是，当一个窄脉宽光脉冲入射到G-T腔时，由于在两腔面 上的反射和腔内的时延，将产生一个脉冲串。其重复频率为戶c/2^/cos沃6 为入射脉冲在G-T腔内的折射角。
图2是单个光波导环光脉冲串的示意图。光波导环行谐振器是按照产生 毫米波脉冲序列的要求设计，产生的毫米波脉冲序列通过光纤耦合器耦合进 入光纤，最后通过一段传输光纤传输出去。在单个光波导环形谐振器中，光 脉冲在光纤耦合器上分束，经过光纤环延时，也将产生脉冲串，如图2所示。 其重复频率为戶c/"eZ，式中"e#为光波导的有效折射率，丄为单个光波导环的周长。设计脉冲重复频率/为所要求的毫米波频率，得到的脉冲串就是一 个脉冲重复频率为毫米波频率的脉冲包络。在忽略材料损耗的理想情况下， 产生的脉冲串的总能量等于入射脉冲的能量，因此上述两种结构都属于全通 滤波器。
单个G-T腔输出的脉冲串包络取决于i ,如下式所示
A, = R, AjM = T2Rj-2 ( 1 )
其中r=i-j ， 乂为脉冲序号。除了第一个输出脉冲外，毫米波脉冲幅度包络 衰减变化满足expH/Q,其中^^(/"lni "y1。可见，当i 比较高时，除了第一 个反射脉冲，大多数脉冲序列是比较小的，脉冲包络衰减比较慢；当及比较 低时，第一个脉冲比较小，但是衰减比较快。因此不同的反射率决定产生不 同的毫米波脉冲包络。如图3所示。
为了调整和改善产生的脉冲包络，本发明提出级联全通滤波器的结构。 我们采用级联的GT腔就是将两个相同的GT腔相对平行放置，以一定角度入 射的光脉冲进入第一个全通滤波器，产生脉冲重复频率为毫米波频率的脉冲 包络，然后入射到另外一个相同的平行放置的GT腔，通过控制在两个GT腔 内反射的次数，以此达到级联的目的。每个脉冲将产生它自己的脉冲包络伴 随着相同的重复频率和固定相位关系，此后两个或多个脉冲包络将相互叠加 产生一个脉冲包络，因此达到调整和改善输出的脉冲串包络形状的作用，以 便有利于高速光电探测器探测。图4描绘了 1-6个级联全通滤波器产生的脉冲 包络的计算结果。其中及=0.5，对于两个全通滤波器级联，4:/^w;对于三 个级联^ = (1+2+-+7')#+2。该图表明从l-6个全通滤波器级联，脉冲包络逐步 趋于对称分布，有明显的优化。图5描绘了反射率减小为i = 0.382时，1-4 个级联全通滤波器产生的脉冲包络。表明设计不同反射率和不同级联个数， 可以明显改善所产生的毫米波脉冲包络。因此我们设计级联的GT腔， 一般低 反射镜的反射率为0.5—0.382，在两个GT腔内来回反射2-4次为宜。对于光 波导环级联个数2-4个为宜。
以上分析基于入射脉冲为超短脉冲，产生的脉冲序列之间没有相互影响， 但如果入射脉冲有一定的脉冲宽度，毫米波调制光信号的消光比将有所下降。 经分析，消光比与入射脉冲宽度的关系为4/ r
其中:r为入射脉冲的宽度，/为所要求的毫米波频率。这一特性与在先技术之 四相同。
本发明基于级联全通滤波器毫米波副载波光脉冲信号发生器的实施例1的 结构示意图如图6所示。图中l和2为两个用厚度相等的平行平板光学玻璃 构成的第一 G-T滤波器和第二 G-T滤波器，其一面11和21蒸镀高反射率介 质膜，另一面12和22蒸镀上述理论计算要求的低反射率的介质膜。两个G-T 滤波器平行放置；并在上下方向偏移一个供光束入射的距离。第一 G-T滤波 器1固定放置，第二 G-T滤波器2可以通过微调机构3在左右方向移动。图 中4为超短脉冲激光光源，其发射光束准直后，以一定角度入射到第一 G-T 滤波器1的入射平面上。光束在第一 G-T滤波器1和第二 G-T滤波器2之间 来回反射，最后从第二G-T滤波器2反射输出。光束在两个G-T滤波器之间 反射的次数就是上述理论分析中级联的级次数。通过机械机构3使第二 G-T 滤波器2移动，可以改变在两G-T滤波器之间反射的次数。以达到优化脉冲 串包络形状的目的。图6中作为例子，画出了级联8次和4次的情况。从第 二 G-T滤波器2输出的光束，已实现将入射超短脉冲转换为一个具有一定包 络波形的、 一定重复频率的脉冲串。假设通信系统使用毫米波频率y^60GHz， 采用石英玻璃制备G-T滤波器，其折射率为"=1.45，入射角度很小，可以近 似为6~0，根据计算，设计加工石英平行平板的厚度为"=1.72附附。就可以获 得重复频率为60GHz的光信号脉冲包络。从第二 G-T滤波器2输出的脉冲重 复频率为毫米波频率的脉冲包络，经光纤准直器5耦合到传输光纤链路6中 传输出去。
本发明基于级联全通滤波器微波毫米波副载波光脉冲信号发生器实施例2 的结构示意图如图7所示。图中1和2为两个厚度相等的平行平板光学玻璃 构成的第一 G-T滤波器和第二 G-T滤波器，其两面反射率与实施例1 一样。 两个G-T滤波器平行放置；并在上下方向偏移一个供光束入射的距离。第二 G-T滤波器2固定放置，第一 G-T滤波器1通过机械机构31在上下方向移动。
7可以改变在两G-T滤波器之间反射的次数，如图中虚线所示，以达到优化脉 冲串包络形状的目的。超短脉冲激光光源4的发射光束准直后，与实施例1 同样地在第一 G-T滤波器1和第二 G-T滤波器2之间来回反射，最后从第二 G-T滤波器2反射输出。经光纤准直器5耦合到传输光纤链路6中传输出去。 上述技术方案中的G-T滤波器，可以采用石英玻璃制备，也可以采用光学玻 璃制备。
本发明基于级联全通滤波器毫米波副载波光脉冲信号发生器实施例3如图 8所示。图中13为一平行平板光学玻璃，可以采用熔石英玻璃或常规光学玻 璃制备。其两面蒸镀根据设计的低反射率介质膜131。 14和15为两个平板玻 璃，其表面之一蒸镀高反射率介质膜。另外一个表面可以仅仅作研磨处理。 两平板玻璃14和15的高反射率面141和151，通过两个厚度相等的空心隔离 块16和17与平板玻璃13粘合，安装时保证高、低反射率两平面之间平行。 平板玻璃14和15上制备两个圆孔或其他形状的缺口 142和152，作为光束输 入和输出的通道。在平板玻璃13和14之间，以及13和15之间，构成了两 个以空气为介质的G-T滤波器。当超短激光束从142 口入射时，将分别通过 两个G-T滤波器，并在平板玻璃13的两平面131上发生多次反射，最后从152 口输出，达到级联全通滤波器的效果。
本结构中的隔离块可采用低膨胀系数的材料制备，比如石英玻璃、微晶 玻璃或殷钢等，以保证厚度的温度稳定性。
本发明基于级联全通滤波器毫米波副载波光脉冲信号发生器实施例4的 结构示意图如图9所示。图中9为波导环形谐振腔，单个谐振腔由直波导和 一个环形波导组成，两波导相切，在相切点处构成一个光波导耦合器，光波 可以互相耦合，实现光波的分束传输，其分束比决定于直波导和圆波导在相 切处的距离，和相切点延伸的长度。91为波导器件的衬底。在同一衬底上可 以设计制备多个波导谐振腔，以达到改善脉冲串包络形状的目的。作为例子， 图中画了级联的四个波导环形谐振腔。根据需要可以设计加工不同个数的波 导环形谐振腔。92为输入耦合器，其作用是将由超短脉冲激光光源4发出的光束聚焦耦合到波导中。93为输出耦合器，其作用是将波导输出的光束聚焦 耦合到光纤中。超短激光脉冲在波导环形谐振腔中转换为一定重复频率的脉 冲串，其重复频率决定于波导环的长度。假设通信系统使用毫米波频率/ = 60GHz，波导的有效折射率为we#=1.45,可以计算出，波导环的长度应为3.45 毫米。本发明的波导材料可以采用硅基氧化硅波导，也可以采用有机聚合物 波导。
超短脉冲光源4输出的光束经过多个波导环形谐振腔后，输出脉冲串的 包络形状得到调整和优化。输出为脉冲重复频率为毫米波频率的光脉冲包络， 经光纤链路5传输出去。
本发明实施例l、 2、 3，采用常规光学工艺制作，价格低廉。实施例l和 实施例2还可以实现级联数量的调整，使用方便。实施例3的光学器件可以 一体化组合；空气腔的温度系数很小，稳定性较好。实施例4，采用光波导技 术，器件整体的体积重量很小，具有小型化、稳定可靠的优点。
总之，本发明具有低成本，设计加工简单，能量转化效率高的特性。
权利要求
1、一种基于级联全通滤波器的毫米波副载波光脉冲信号发生器，其特征在于由依次连接的具有准直耦合输出的超短脉冲光纤激光器(4)、级联全通滤波器、光纤耦合器(5)和传输光纤(6)构成。
2、 根据权利要求1所述的基于级联全通滤波器的毫米波副载波光脉冲信 号发生器，其特征在于所述的级联全通滤波器是级联的GT腔滤波器，由两个 平行设置的第一GT腔(1)、第二GT腔(2)和相对位置的调节机构(3)构 成，每一个GT腔由具有高反射率(Ri = 1)的高反射面(11)和低反射率(R<1) 的低反射面(12)包覆的具有一定厚度的平行平板介质所组成，所述的第一 GT腔(1)的低反射面(12)和第二GT腔(2)的低反射面(22)相对且有 一定距离和错位，以调节控制在两个GT腔级联的次数。
3、 根据权利要求2所述的基于级联全通滤波器的毫米波副载波光脉冲信 号发生器，其特征在于所述的GT腔的低反射面的低反射率(R)的取值范围 为0.5 0.382。
4、 根据权利要求2所述的基于级联全通滤波器的毫米波副载波光脉冲信 号发生器，其特征在于所述的第一GT腔(1)和第二GT腔(2)具有距离调 节机构(3)，在所述的调节机构(3)的驱动下，改变所述的第二GT腔(2) 与第一GT腔(1)之间的距离，调节级联的级次。
5、 根据权利要求2所述的基于级联全通滤波器的毫米波副载波光脉冲信 号发生器，其特征在于所述的第一GT腔(1)具有腔面平移的调节机构(31)， 以改变第二GT腔(2)与第一GT腔(1)相对的错位而不改变二者之间的距 离，调节级联的级次。
6、 根据权利要求1所述的基于级联全通滤波器的亳米波副载波光脉冲信 号发生器，其特征在于所述的级联全通滤波器是级联的光波导环行谐振器(9)，其构成是在同一衬底上制备多个波导谐振腔，单个谐振腔由直波导和 一个环形波导组成，两波导相切，在相切点处构成一个光波导耦合器，光波 互相耦合，实现光波的分束传输，其分束比决定于直波导和圆波导在相切处 的距离，和相切点延伸的长度。
全文摘要
一种基于级联全通滤波器的毫米波副载波光脉冲信号发生器，由依次连接的具有准直耦合输出的超短脉冲光纤激光器、级联全通滤波器、光纤耦合器和传输光纤构成。所述的全通滤波器为G-T滤波器，或光波导环形谐振腔。本发明具有低成本，设计加工简单，能量转化效率高的特性。
文档编号H04B10/12GK101562481SQ200910051609
公开日2009年10月21日 申请日期2009年5月20日 优先权日2009年5月20日
发明者青 叶, 徐钦峰, 方祖捷, 潘政清, 瞿荣辉, 蔡海文 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所