基于光纤激光器的微波光子移相器研究进展

摘要微波光子移相器是微波光子学领域中一种重要的信号处理技术，该技术采用电信号或射频信号经调制器控制光信号，再通过光器件调节光信号的相位响应，从而实现光信号在电子学领域中的移相，这种技术具有线性度高、可调谐性好、覆盖率广等优点.本文简要阐述了微波光子移相器产生的机理，总结报道了几种典型的微波光子移相技术及其应用进展，指出微波光子移相器作为一种重要的微波信号光处理方法，有望引发微波光子学领域的一次革新.关键词布拉格光栅；移相器；微波；光纤激光器

中图分类号TP9291

文献标志码A

0引言

在微波电子学以及超快速光学迅速发展的背景下，微波光子学作为一个崭新的领域应运而生，其主要研究的对象为工作在微波、毫米波甚至是太赫兹波段的光子器件及其相关应用，研究内容包括测量，超快信号高速信号的产生、处理、转换和分配，以及宽带光链路上微波信号的传输[12].随着通信技术的发展，特别是光通信技术的飞速发展，微波光子学被广泛地应用于微波与光波之间.它通过光学技术实现了射频（RF）信号的产生、分布、控制、探测以及分析测量等，克服了电学域中抽样速度有限的瓶颈，为高频宽带信号处理提供了更有前景的解决方案，使得很多在微波上无法实施的设备和系统成为现实[3].移相器作为主要的微波频移元件，具有频带宽、抗电磁干扰强、损耗低、质量轻和体积小等优点，已在通信、仪器和微波频率测量系统中广泛应用并逐渐成为研究的主要方向[4].

本文首先介绍微波光子移相器的基本原理，其次介绍光纤激光器在微波光子移相器中的运用，最后着重介绍分布式布拉格（DBR）光纤激光器在微波光子移相器中的应用研究.

1微波光子移相器的基本特性及应用

微波光子移相器主要用于相控阵天线和模拟信号处理，它为相控阵天线系统中的每个天线元件提供适当的相位反馈，而且扫描天线方向可控.它的特点是设置微波信号的相位，且不影响振幅.微波光子移相器可分3个部分，首先微波信号通过电光转换模块转换成光信号，然后在光处理模块对光信号进行移相，最后通过光电转换模块将光移相转换成微波移相，从而实现微波光子移相，如图1所示.

近年来，国内外关于微波光子移相器的报道很多，采用的技术主要有光学真延时技术[56]、外差混频技术[78]、矢量和技术[911]等.基于光实时延迟技术的微波光子移相器研究最早，但其结构通常由多个延迟单元组成，调相较为复杂.外差混频会引入随机相位噪声，稳定性

欠佳.基于矢量和技术的微波光子移相器的研究主要通过改变两个通道的振幅来实现相位移，但是存在可控相移范围小、输出微波幅度波动大等问题.从光器件角度的研究集中在光纤激光器、光信号处理器上.例如基于非线性环镜内交叉相位调制实现180°移相[12]，载波与边带信号拍频产生微波信号，而相移直接转化成微波信号的移相；基于Brillouin散射产生窄带增益和谐波损耗的特性[13]，通过调节泵功率可实现240°相移；基于单边带调制完成光相移到RF相移的直接映射[1417]，单边带调制过程中用到90°混合耦合器，因此移相带宽性能差.尽管可以用滤波的方法实现单边带调制，但信号能量急剧衰落，系统信噪比较高.基于双驱动平行MZM[1820]结构实现移相，虽然实现了360°线性稳定移相，但对驱动信号的要求比较高.这些方法均不能實现宽带可调移相，虽然有些能满足，但系统复杂，且需要光带通滤波器[21].Yang等[22]用傅氏光处理器控制两个RF调制边带的幅度和相位，实现宽带360°连续移相.Peng等[23]用分布反馈（DFB）激光器实现了875 GHz微波信号101°移相.Li[24]提出基于DBR光纤激光器同时产生微波信号和实现360°相移，该方法性能好、成本低、易操作、可行性强.

由于光纤激光器具有光束质量好、调谐方便的优势，它在微波光子移相中的应用备受重视.以下介绍几种不同类型的光纤激光器在微波光子移相器中的应用.

2光纤激光器在微波光子移相器中的研究

光纤激光器在高速通信中占有重要地位.它有许多应用，如长度标准、时间测量、干涉传感器、相干光通信等.将光纤光栅（FBG）插入光纤激光器，激光腔不再依赖大量光元件，而向简单紧凑、强大的全光纤激光腔方向发展.此外，FBG波长的调谐能力增强了系统的功能，如激光波长的调谐性、偏振选择性、开关性.FBG全光调谐提供更快的潜在开关速度，且保持鲁棒性.它在相控阵天线、微波光子延迟线滤波器、超宽带信号发生器、光电振荡器、微波光子任意波形发生器、微波光子移相器等方面已得到广泛的应用[25].

21基于TFBG光纤激光器的微波光子移相器的研究

基于TFBG光纤激光器的微波光子移相器是基于倾斜光纤光栅（TFBG）的耦合模理论，通过外部控制TFBG的透射谱实现的.不同于普通光纤折射率受光纤长度的影响，TFBG折射率的变化存在一定的倾斜度，它会影响透射谱.而TFBG透射谱中存在两种耦合模，一种是前后导模之间的耦合，另一种是前后导模与包层模之间的耦合，相应的谐振波长都与折射率有关.根据KramersKronig关系，幅度变化会引起相位改变，从而引入群延时.那么在包层模谐振带宽内，只要微调谐振波长，就会产生移相和群延时.当光载波单边带信号输入TFBG，且注入泵浦光时，只要调节泵浦功率，那么谐振波长发生移动，从而产生移相.为了得到更好的移相效果，可在特殊光纤中写入TFBG，增强其吸收能力.当光载单边带信号输入TFBG后，通过合理设置载频和泵浦参数，对载波进行移相.当载波和边带信号经过光电探测器后，产生微波信号，其相移来自载波的相移.

这种方法具有结构简单、耦合性强、增益平坦的优势，且受温度影响小、效率高.此外也可以用级联FBG和长周期FBG结构多包层谐振的方式进行移相，但是系统复杂度高、效率低.

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