專利名稱：光纖光柵毫米波轉(zhuǎn)換器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及副載波光纖通信，特別是一種光纖光柵毫米波轉(zhuǎn)換器及其制備方法。主要應(yīng)用于微微蜂窩高速移動通信系統(tǒng)中毫米波波段調(diào)制。
背景技術(shù)：
隨著移動通信的迅速發(fā)展，對通信容量的需求越來越高。為提高信息容量，無線通信的電磁波的頻率必須進(jìn)一步提高。從目前的微波波段提高到毫米波波段，是下一代無線通信發(fā)展最有希望的目標(biāo)，受到各國科技界的重視。在這一技術(shù)中，移動通信基站與中心局之間的信息傳輸仍然采用光纖；但是在光纖中傳送的光波是一個毫米波調(diào)制的光波，信息被載在毫米波副載波上。在基站上，光波被接收后轉(zhuǎn)化為毫米波，直接從自由空間發(fā)射出去，到用戶的手機(jī)。因此毫米波發(fā)生器在這一技術(shù)中是一個關(guān)鍵元件；尤其是因?yàn)榛緮?shù)量巨大，低成本、高可靠性的毫米波發(fā)生器是研究開發(fā)的熱點(diǎn)。
對毫米波副載波發(fā)生器的研究工作，已經(jīng)有不少報道。一種技術(shù)路線是采用一臺單頻激光器產(chǎn)生的第一單頻光束及其經(jīng)過移頻產(chǎn)生的第二個單頻光束在光纖中合波后由于拍頻產(chǎn)生相當(dāng)移頻量的毫米波調(diào)制。在先技術(shù)之一，R.P.Braun等在[IEEE Photonics Technol.Lett.，Vol.10，No.5，1998，p728]提出光注入鎖定(OIL)方法。在先技術(shù)之二，A.C.Bordonalli等[J.Lightwave Technol.，Vol.17，No.2，1999，p328]在OIL技術(shù)基礎(chǔ)上改進(jìn)，提出光注入鎖相環(huán)(OIPLL)方法。它采用一個主激光器和一個副激光器；兩者之間的光頻差通過一個移頻鎖相環(huán)鎖定。OIL和OIPLL方法具有副載波頻率穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。但是構(gòu)成都比較復(fù)雜，成本比較高。另一種技術(shù)路線是采用兩個半導(dǎo)體激光器進(jìn)行拍頻。在先技術(shù)之三，T.Taniguchi and N.Sakurai在2004年Optical Fiber Communi-cation Conference，paper FE1中提出，采用兩個獨(dú)立的激光器實(shí)現(xiàn)兩步拍頻的方法，產(chǎn)生毫米波載波。它也具有低成本的優(yōu)勢。但是由于采用兩臺獨(dú)立激光器，其頻率穩(wěn)定性的影響還有待檢驗(yàn)。在先技術(shù)之四，[U Gliese et.al.，IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORYAND TECHNIQUES，VOL.46，NO.5，MAY 1998，p458]提出基于遠(yuǎn)端外差探測技術(shù)實(shí)現(xiàn)多功能光纖微波鏈路的方案。其基本思想是在中心局產(chǎn)生的兩激光光波通過光纖傳送后，在遠(yuǎn)端的基站轉(zhuǎn)換為微波。這一方案在總體布局上提出了一種新的思路；但是仍然要求在中心局用兩臺激光器，互相穩(wěn)頻鎖定，仍有較高的技術(shù)難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對毫米波副載波光通信的技術(shù)要求，為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種光纖光柵毫米波轉(zhuǎn)換器及其制備方法，該光纖光柵毫米波轉(zhuǎn)換器是一種無源器件，將激光器發(fā)出的信號光脈沖入射到一個特殊設(shè)計的光纖光柵上，由于該光纖光柵的色散作用，產(chǎn)生兩個頻率分量的光波并拍頻，使一個典型的高斯型光脈沖，轉(zhuǎn)換為一個光脈沖內(nèi)部的幅度被毫米波調(diào)制的光脈沖。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種光纖光柵毫米波轉(zhuǎn)換器，其特征在于它由一環(huán)形器和一光纖光柵構(gòu)成，所述的環(huán)形器有三個端口，其中一端口連接所述的光纖光柵，該光纖光柵是一具有兩個峰值波長的光纖光柵。
所述的光纖光柵是在長度方向的折射率呈升余弦函數(shù)包絡(luò)調(diào)制的莫爾條紋分布的光纖光柵。
本發(fā)明所述的光纖光柵的制備有多種方法，可以采用變跡莫爾條紋光柵的方法制備，即所述的光纖光柵是在一光纖上采用紫外光光刻的方法來制備在長度方向的折射率呈升余弦函數(shù)包絡(luò)調(diào)制的莫爾條紋分布的光纖光柵，然后將該光纖光柵與環(huán)形器的一個端口相連。
本發(fā)明具有突出的優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明是一個無源的色散器件，不同于現(xiàn)有技術(shù)采用的雙激光光源，或一個主激光器加上一個移頻激光的有源器件方案。結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定可靠。
2、光纖光柵制作工藝穩(wěn)定、成熟，價格低廉，易于推廣應(yīng)用。
3、光纖光柵體積小、重量輕，與光纖兼容，連接方便。


圖1是本發(fā)明光纖光柵毫米波轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)和基本原理示意2是產(chǎn)生毫米波轉(zhuǎn)換的光纖光柵的一個典型傳輸譜圖3是采用光纖光柵毫米波轉(zhuǎn)換器的通信系統(tǒng)整體示意4是設(shè)計的光纖光柵折射率調(diào)制幅度分布5是通過所設(shè)計的光纖光柵反射后經(jīng)環(huán)形器輸出端輸出的光脈沖波形具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
先請參閱圖1，圖1是本發(fā)明光纖光柵毫米波轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)和基本原理示意圖，由圖可見，本發(fā)明光纖光柵毫米波轉(zhuǎn)換器是由一環(huán)形器2和一光纖光柵3構(gòu)成的，所述的環(huán)形器2有第一端口21、第二端口22和第三端口23，所述的第二端口22連接所述的光纖光柵3，所述的光纖光柵3是一具有兩個峰值波長的光纖光柵。
所述的光纖光柵3是在長度方向的折射率呈升余弦函數(shù)包絡(luò)調(diào)制的莫爾條紋分布的光纖光柵。
本發(fā)明的基本原理如圖1所示。圖中以t為標(biāo)識的曲線為光脈沖的時域波形；以λ為標(biāo)識的曲線為光脈沖的頻域譜線型。信號光脈沖從光纖1輸入，進(jìn)入環(huán)形器2的第一端口21，從環(huán)形器第二端口22出射，進(jìn)入光纖光柵3，經(jīng)光纖光柵3反射后回到環(huán)形器2的第二端口22，然后從環(huán)形器2的第三端口23出射，從光纖4向下行方向輸出。
本發(fā)明設(shè)計的光纖光柵3，其功能是使入射的單一峰值的光譜線型光波，轉(zhuǎn)換為具有兩個峰值的光譜線型光波；相應(yīng)的兩個峰值的光波發(fā)生拍頻，從而使原來的單一峰值的光脈沖轉(zhuǎn)換為一個脈沖內(nèi)的光波幅度被相應(yīng)拍頻調(diào)制的光脈沖。本發(fā)明提出的光纖光柵3，可以采用變跡莫爾條紋光柵的方法制備，即光纖光柵的折射率調(diào)制為莫爾條紋經(jīng)升余弦變跡，其傳輸譜線與逆工程設(shè)計所要求的光纖光柵的傳輸譜線基本一致(波形和峰間距)。
本發(fā)明提出的思想可以用富里葉變換的方法進(jìn)行分析。假設(shè)入射光脈沖為一個典型的高斯波形脈沖，其1/e處的脈沖半寬度為τ。光場可以表示為Ein＝E0exp(-t2/τ2)exp(iω0t)；(1)其頻譜可由富里葉變換得到E~m(ω)=12π∫-∞∞Ein(t)exp(-iωt)dt=τ2E0exp[-(ω-ω0)2τ24]---(2)]]>光纖光柵是一個具有一定反射光譜特性的色散元件。入射光脈沖經(jīng)過光纖光柵反射后，其光譜將發(fā)生變化。根據(jù)上面敘述的物理思想，要求輸出光波的光強(qiáng)受到一個毫米波頻率的調(diào)制。可以寫出所要求的輸出光波的光場波形為Eout(t)＝E1exp[-t2/σ2]exp(iω0t)cos(wt)； (3)式中w為毫米波對應(yīng)的角頻率；cos(wt)描述光脈沖幅度的余弦調(diào)制。其中的脈沖包絡(luò)波形仍然為典型的高斯函數(shù)。由于經(jīng)過所述的光纖光柵反射后，脈沖寬度會發(fā)生變化，其1/e脈沖半寬度記為σ。這一脈沖波形的光譜，也可以由富里葉變換得到E~out(ω)=E12π∫-∞∞exp[-t2σ2]exp[i(ω0-ω)t]cos(wt)dt=E1σ2exp(-w2σ24)exp[-(ω-ω0)2σ24]cosh[w(ω-ω0)σ22]---(4)]]>根據(jù)光信號的傳輸理論，已知輸入光信號的光譜和輸出光信號的目標(biāo)光譜，色散元器件的傳輸函數(shù)應(yīng)滿足下面的關(guān)系E~out(ω)=HFBG(ω)E~in(ω)]]>由此可知，要求光纖光柵的傳輸譜為HFBG(ω)=E1σE0τexp(-w2σ24)exp[-Ω2(σ2-τ2)4]cosh(wΩσ22)---(5)]]>式中記Ω＝ω-ω0。這一傳輸譜是由一個高斯函數(shù)和一個雙曲正割函數(shù)相乘得到的。其典型曲線如圖2所示。圖中曲線的橫坐標(biāo)為頻偏，即光頻與中心頻率之差Ω＝ω-ω0。由圖可見，這一傳輸函數(shù)可以看作兩個不同峰值頻率的濾波器傳輸特性之和。由式(5)可以計算得到，這兩個峰值頻率的位置。因此，經(jīng)過具有該傳輸函數(shù)特性的光纖光柵反射后，出射的光脈沖，將成為幅度受到頻率為2w的毫米波調(diào)制的光脈沖。
為了獲得(5)式所描述的傳輸譜的光纖光柵，要對光纖光柵作逆工程設(shè)計，即從所要求的光纖光柵的傳輸譜出發(fā)，倒回去求出光纖光柵的折射率分布的結(jié)構(gòu)。由于所要求的傳輸譜可以看作兩個峰值頻率的濾波器傳輸特性之和，因此所述的光纖光柵是由兩個具有不同光柵周期的構(gòu)成的光纖光柵。采用莫爾條紋技術(shù)可以設(shè)計出上述要求的具有兩峰值波長的光纖光柵。本發(fā)明提出的方案是在莫爾光柵的基礎(chǔ)上，采用升余弦變跡(切趾)的方法，進(jìn)行逆工程設(shè)計，使所設(shè)計出的光纖光柵的傳輸譜線與所要求的光纖光柵的傳輸譜線一致(波形和峰間距)，從而獲得所需傳輸譜的光纖光柵的折射率調(diào)制分布的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
因此本發(fā)明光纖光柵毫米波轉(zhuǎn)換器的制備方法，先制備光纖光柵3，所述的光纖光柵3是在一光纖上采用紫外光光刻的方法來制備在長度方向的折射率呈升余弦函數(shù)包絡(luò)調(diào)制的莫爾條紋分布的光纖光柵，然后將該光纖光柵3與環(huán)形器2的第二端口22相連。
本發(fā)明提出的技術(shù)將改變移動通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體方案。系統(tǒng)總體的框圖如圖3所示。圖中虛線框5表示移動通信的中心局，虛線框7表示移動通信基站。它們之間由光纖鏈路6相互連接。一個中心局可能連接多個基站。需要傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)入電端機(jī)51，并直接上載到激光器52發(fā)出的光脈沖上。該光脈沖信號經(jīng)光纖6傳輸；到基站7后，經(jīng)過脈沖壓縮器71，脈沖被壓縮后，光譜展寬，達(dá)到系統(tǒng)確定的毫米波或微波頻率相應(yīng)的要求。壓縮的光脈沖1經(jīng)過環(huán)行器2，被光纖光柵3反射，再從環(huán)形器向下行方向輸出。此時一個單一波長的光脈沖已經(jīng)轉(zhuǎn)換為雙峰值波長的光脈沖，并已經(jīng)產(chǎn)生拍頻效應(yīng)。這一脈沖信號4注入到高速光電探測器72，得到拍頻的毫米波或微波電信號，從基站7的發(fā)射天線73發(fā)射出去，被手機(jī)用戶接收。
圖3顯示了從中心局經(jīng)基站向手機(jī)用戶傳送信息的過程。反過來，手機(jī)信息向中心局傳送的過程也是一樣的。
根據(jù)本發(fā)明的思想，采用在莫爾光柵基礎(chǔ)上進(jìn)行變跡(切趾)技術(shù)的基本方案，采用傳輸矩陣法進(jìn)行模擬計算，進(jìn)行光纖光柵逆工程設(shè)計，可以得到響應(yīng)函數(shù)符合公式(5)光譜要求的光纖光柵的折射率分布。圖4為一個典型的設(shè)計結(jié)果的曲線。橫坐標(biāo)為光纖軸向的位置。該光纖光柵的設(shè)計長度為10.1mm。光柵的平均周期為537.05nm?？v坐標(biāo)為光纖光柵的折射率調(diào)制幅度。即以光纖有效折射率為基線，折射率的幅度變化。其最大的幅度為4×10-4。該光柵可以采用紫外激光光致折變技術(shù)和相位掩模版的方法進(jìn)行制備。
一個脈寬為1ps的1550nm波段入射激光脈沖，通過按圖4設(shè)計的折射率分布制備的光纖光柵反射后，脈沖波形將被調(diào)制，如圖5所示。圖中實(shí)線為輸出波形，虛線為目標(biāo)波形，調(diào)制頻率30GHz，在毫米波波段，波長為10毫米。
權(quán)利要求
1.一種光纖光柵毫米波轉(zhuǎn)換器，其特征在于它由一環(huán)形器(2)和一光纖光柵(3)構(gòu)成，所述的環(huán)形器(2)有第一端口(21)、第二端口(22)和第三端口(23)，第二端口(22)連接所述的光纖光柵(3)，該光纖光柵(3)是一具有兩個峰值波長的光纖光柵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵毫米波轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述的光纖光柵(3)是在長度方向的折射率呈升余弦函數(shù)包絡(luò)調(diào)制的莫爾條紋分布的光纖光柵。
3.一種光纖光柵毫米波轉(zhuǎn)換器的制備方法，其特征在于先在一光纖上采用紫外光光刻的方法制備在長度方向的折射率呈升余弦函數(shù)包絡(luò)調(diào)制的莫爾條紋分布的光纖光柵(3)，然后將該光纖光柵(3)與環(huán)形器(2)的第二端口(22)相連。
全文摘要
一種光纖光柵毫米波轉(zhuǎn)換器及其制備方法，所述的光纖光柵毫米波轉(zhuǎn)換器一種光纖光柵毫米波轉(zhuǎn)換器，其特征在于它由一環(huán)形器和一光纖光柵構(gòu)成，所述的環(huán)形器有第一端口、第二端口和第三端口，該第二端口連接所述的光纖光柵，所述的光纖光柵是一具有兩個峰值波長的光纖光柵。本發(fā)明所述的光纖光柵的制備有多種方法，可先在一光纖上采用紫外光光刻的方法來制備在長度方向的折射率呈升余弦函數(shù)包絡(luò)調(diào)制的莫爾條紋分布的光纖光柵，然后將該光纖光柵與環(huán)形器的一端口相連。本發(fā)明是一個無源的色散器件，制作工藝穩(wěn)定、成熟，光纖光柵體積小、重量輕，與光纖兼容，連接方便，工作穩(wěn)定可靠。
文檔編號G02B6/34GK1752781SQ20051003102
公開日2006年3月29日 申請日期2005年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月21日
發(fā)明者葉青, 瞿榮輝, 方祖捷 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所