基于光纖激光器的微波光子移相器研究進展

尚海燕　王岫鑫　呂廣娜

摘要微波光子移相器是微波光子學領域中一種重要的信號處理技術，該技術采用電信號或射頻信號經調制器控制光信號，再通過光器件調節光信號的相位響應，從而實現光信號在電子學領域中的移相，這種技術具有線性度高、可調諧性好、覆蓋率廣等優點.本文簡要闡述了微波光子移相器產生的機理，總結報道了幾種典型的微波光子移相技術及其應用進展，指出微波光子移相器作為一種重要的微波信號光處理方法，有望引發微波光子學領域的一次革新.關鍵詞布拉格光柵；移相器；微波；光纖激光器

中圖分類號TP9291

文獻標志碼A

0引言

在微波電子學以及超快速光學迅速發展的背景下，微波光子學作為一個嶄新的領域應運而生，其主要研究的對象為工作在微波、毫米波甚至是太赫茲波段的光子器件及其相關應用，研究內容包括測量，超快信號高速信號的產生、處理、轉換和分配，以及寬帶光鏈路上微波信號的傳輸[12].隨著通信技術的發展，特別是光通信技術的飛速發展，微波光子學被廣泛地應用于微波與光波之間.它通過光學技術實現了射頻（RF）信號的產生、分布、控制、探測以及分析測量等，克服了電學域中抽樣速度有限的瓶頸，為高頻寬帶信號處理提供了更有前景的解決方案，使得很多在微波上無法實施的設備和系統成為現實[3].移相器作為主要的微波頻移元件，具有頻帶寬、抗電磁干擾強、損耗低、質量輕和體積小等優點，已在通信、儀器和微波頻率測量系統中廣泛應用并逐漸成為研究的主要方向[4].

本文首先介紹微波光子移相器的基本原理，其次介紹光纖激光器在微波光子移相器中的運用，最后著重介紹分布式布拉格（DBR）光纖激光器在微波光子移相器中的應用研究.

1微波光子移相器的基本特性及應用

微波光子移相器主要用于相控陣天線和模擬信號處理，它為相控陣天線系統中的每個天線元件提供適當的相位反饋，而且掃描天線方向可控.它的特點是設置微波信號的相位，且不影響振幅.微波光子移相器可分3個部分，首先微波信號通過電光轉換模塊轉換成光信號，然后在光處理模塊對光信號進行移相，最后通過光電轉換模塊將光移相轉換成微波移相，從而實現微波光子移相，如圖1所示.

近年來，國內外關于微波光子移相器的報道很多，采用的技術主要有光學真延時技術[56]、外差混頻技術[78]、矢量和技術[911]等.基于光實時延遲技術的微波光子移相器研究最早，但其結構通常由多個延遲單元組成，調相較為復雜.外差混頻會引入隨機相位噪聲，穩定性

欠佳.基于矢量和技術的微波光子移相器的研究主要通過改變兩個通道的振幅來實現相位移，但是存在可控相移范圍小、輸出微波幅度波動大等問題.從光器件角度的研究集中在光纖激光器、光信號處理器上.例如基于非線性環鏡內交叉相位調制實現180°移相[12]，載波與邊帶信號拍頻產生微波信號，而相移直接轉化成微波信號的移相；基于Brillouin散射產生窄帶增益和諧波損耗的特性[13]，通過調節泵功率可實現240°相移；基于單邊帶調制完成光相移到RF相移的直接映射[1417]，單邊帶調制過程中用到90°混合耦合器，因此移相帶寬性能差.盡管可以用濾波的方法實現單邊帶調制，但信號能量急劇衰落，系統信噪比較高.基于雙驅動平行MZM[1820]結構實現移相，雖然實現了360°線性穩定移相，但對驅動信號的要求比較高.這些方法均不能實現寬帶可調移相，雖然有些能滿足，但系統復雜，且需要光帶通濾波器[21].Yang等[22]用傅氏光處理器控制兩個RF調制邊帶的幅度和相位，實現寬帶360°連續移相.Peng等[23]用分布反饋（DFB）激光器實現了875 GHz微波信號101°移相.Li[24]提出基于DBR光纖激光器同時產生微波信號和實現360°相移，該方法性能好、成本低、易操作、可行性強.

由于光纖激光器具有光束質量好、調諧方便的優勢，它在微波光子移相中的應用備受重視.以下介紹幾種不同類型的光纖激光器在微波光子移相器中的應用.

2光纖激光器在微波光子移相器中的研究

光纖激光器在高速通信中占有重要地位.它有許多應用，如長度標準、時間測量、干涉傳感器、相干光通信等.將光纖光柵（FBG）插入光纖激光器，激光腔不再依賴大量光元件，而向簡單緊湊、強大的全光纖激光腔方向發展.此外，FBG波長的調諧能力增強了系統的功能，如激光波長的調諧性、偏振選擇性、開關性.FBG全光調諧提供更快的潛在開關速度，且保持魯棒性.它在相控陣天線、微波光子延遲線濾波器、超寬帶信號發生器、光電振蕩器、微波光子任意波形發生器、微波光子移相器等方面已得到廣泛的應用[25].

21基于TFBG光纖激光器的微波光子移相器的研究

基于TFBG光纖激光器的微波光子移相器是基于傾斜光纖光柵（TFBG）的耦合模理論，通過外部控制TFBG的透射譜實現的.不同于普通光纖折射率受光纖長度的影響，TFBG折射率的變化存在一定的傾斜度，它會影響透射譜.而TFBG透射譜中存在兩種耦合模，一種是前后導模之間的耦合，另一種是前后導模與包層模之間的耦合，相應的諧振波長都與折射率有關.根據KramersKronig關系，幅度變化會引起相位改變，從而引入群延時.那么在包層模諧振帶寬內，只要微調諧振波長，就會產生移相和群延時.當光載波單邊帶信號輸入TFBG，且注入泵浦光時，只要調節泵浦功率，那么諧振波長發生移動，從而產生移相.為了得到更好的移相效果，可在特殊光纖中寫入TFBG，增強其吸收能力.當光載單邊帶信號輸入TFBG后，通過合理設置載頻和泵浦參數，對載波進行移相.當載波和邊帶信號經過光電探測器后，產生微波信號，其相移來自載波的相移.

這種方法具有結構簡單、耦合性強、增益平坦的優勢，且受溫度影響小、效率高.此外也可以用級聯FBG和長周期FBG結構多包層諧振的方式進行移相，但是系統復雜度高、效率低.

基于TFBG器件的微波光子移相器在光纖傳感、光通信領域有著廣泛的應用，例如信道監控、偏振相關器件、折射率傳感器、全光纖化的信號解調等.目前，國外以渥太華大學的Hiva Shahoei團隊[26]對此研究處于領先地位，國內南開大學[27]、暨南大學[28]和天津理工大學[29]在此方面的研究比較先進.

22基于保偏FBG光纖激光器的微波光子移相器的研究

基于保偏FBG光纖激光器的微波光子移相器是通過保偏FBG器件實現的，它的基本原理是在保偏光纖中寫入FBG，使得這種器件的光譜對輸入信號分別在快軸、慢軸進行不同的偏振選擇.基于保偏FBG反射譜中存在兩個獨立且偏振正交的反射帶，當調制光信號輸入時，它分別在快慢軸上對其反射，反射回來的兩路光信號經偏振分析后，拍頻產生移相的微波信號.或是基于保偏FBG在快軸、慢軸上的兩個獨立傳輸阻帶，當帶載波的光單邊帶信號輸入后，在輸出端得到兩個正交偏振的光信號，一個是有載波的信號，一個是無載波的信號.這兩個正交的信號通過可調裝置后輸入檢偏器，然后拍頻.此方法關鍵在于調節輸入激光的中心波長，使得它和保偏FBG的頻譜響應相對應.

這種方法調諧方便、頻帶寬、偏振串擾低、噪聲小、可靠性好、免維護，可廣泛用于航天、航空、航海業制造等國民經濟的各個領域.

目前，國外渥太華大學的Li W.團隊[30]在此方向的研究起著引領作用，國內暨南大學的馮新煥團隊在此方向的研究比較先進[31].

23

基于啁啾FBG光纖激光器的微波光子移相器的研究

基于啁啾FBG光纖激光器的微波光子移相器是通過摻雜線性啁啾FBG器件實現的，它的基本原理是通過特殊的FBG寫入方法使得這種器件的反射帶具有平坦的幅度響應和非均勻相位響應.通過光調制和濾波得到帶載波的單邊帶調制信號，然后輸入摻雜線性啁啾FBG.而在泵浦的作用下，光纖啁啾FBG的折射率隨泵浦功率的變化而改變.若將泵浦注入啁啾FBG的某一端口，那么相位響應也會隨之變化.此時通過合理設置參數使得載波和邊帶光信號分別分布在啁啾FBG不同的相位響應區域內，使得在調節泵浦功率的過程中，載波相位發生改變，而邊帶相位不變，即用泵浦對光載波進行移相.同時，載波和邊帶信號用于在光電探測器產生的微波信號和載波相移轉換為微波信號的相移，從而實現微波光子相移.

該方法具有響應快、插入損耗低、穩定性好、操作簡單、抗干擾能力強、可實現均勻通道間距及理想信道傳輸濾波器等優點.此外，還可以用外部加熱或機械式方法對FBG進行調諧實現移相，但是在操作過程中，光纖的雙折射效應卻難以避免.

目前，國外以渥太華大學Yao Jianping團隊[32]對這種方法的研究比較先進，國內北京郵電大學翟文勝團隊[1920]基于線性啁啾FBG取得了最新研究成果，此方法在微波系統及雷達領域有很好的發展潛力.

綜上所述，采用FGB實現微波信號移相，均需外部光信號作為載波，而由FGB構成的光纖激光器可以直接作為光源，還可以產生微波信號，降低了系統的復雜性.在這些FBG構成的線性腔激光器中，DBR光纖激光器以其獨有的穩定性高、制作簡單、線寬窄、波動小等有利特性，在微波光子領域得到了最新的推廣應用.

3DBR光纖激光器在微波光子移相器中的研究

由于DBR光纖激光器具有雙頻、雙偏振的輸出特性，它的雙折射性對光相位具有很好的調諧性，所以被應用于微波光子移相器中.

31工作原理

如圖2所示，基于DBR光纖激光器實現微波信號的線性相移，其中PC為偏振控制器，WDM為波分復用器，PD為光電探測器.該光纖激光器是在Er/Yb共摻光纖中直接刻寫一對FBG得到，其中一個是高反光柵，另一個是低反光柵，中間有一定間隔.光柵寫入過程中，通過合理設計刻寫了7種不同參數的光纖激光器，相對應于不同的波長間隔，其頻率分布為16 ～37 GHz.980 nm泵浦光經WDM耦合輸入到光纖激光器中，然后激光器的反向輸出輸入相位調制器，接著調制后的光信號經檢偏器后到達PD處，最后到達示波器.

32結果與分析

在傳統的RF光子移相器中，一方面受光MZM非線性傳輸的影響，另一方面驅動信號的帶寬有限，通常RF信號會失真.本方案中用DBR光纖激光器取代了外部光MZM調制，RF信號是固有的，這就避免了非線性失真.

實驗中分別用7個DBR光纖激光器實現移相，結果都很接近，如圖3所示，是對29 GHz微波信號移相的波形.由于受光纖激光器功率的波動和人為因素帶來的影響，RF信號有約02 dBm的波動.

當偏置電壓在0～18 V范圍連續變化時，29 GHz微波信號產生0°～360°移相，如圖4所示.當光纖激光器的頻率在16～37 GHz逐漸變化時，分別測得180°、360°移相，如圖5所示.顯然，當偏置電壓從0 V逐漸增加到18 V時，微波信號相位可在0°～360°連續可調，即寬帶線性微波光子移相器.

4總結

雖然微波光子移相器的研究發展迅速，但還有很多方面有待完善.本文闡述的大多數方法都是基于光纖激光器；或是利用FBG獨特的光譜特性，采用泵浦或機械化方式改變光纖折射率，對光波引入相移；或是通過FBG相位響應進行移相，再通過相關技術將此移相轉換成RF移相，此方法的移相速度有待進一步提高；或是采用DBR光纖激光器的單縱模穩定輸出，同時產生微波信號及移相，但此方法帶寬有限，影響其在高速光通信中的應用.因此，如何進一步提高移相速度和帶寬，實現微波光子移相器的集成化和一體化，提高系統的可操作性和穩定性，實現具有高靈敏度、高分辨率的實時快速的微波光子移相，使其真正具有實用性，才是廣大科研工作者需要進一步努力的方向.

參考文獻

References

[1]Seeds A J，Williams K J.Microwave photonics[J].Journal of Lightwave Technology，2006，24（12）：46284641

[2]Capmany J，Novak D.Microwave photonics combines two worlds[J].Nature Photonics，2007，1（6）：319330

[3]Yao J P.Microwave photonics[J].Journal of Lightwave Technology，2009，27（3）：314335

[4]Zou X H，Lu B，Pan W，et al.Photonics for microwave measurements[J].Laser & Photonics Reviews，2016，10（5）：711734

[5]Lee S S，Udupa A H，Erlig H，et al.Demonstration of a photonically controlled RF phase shifter[J].IEEE Microwave and Guided Wave Letters，1999，9（9）：357359

[6]Chen H，Dong Y，He H，et al.Photonic radiofrequency phase shifter based on polarization interference[J].Optics Letters，2009，34（15）：23752377

[7]Xue X X，Zheng X P，Zhang H Y，et al.Tunable 360 ° photonic radio frequency phase shifter based on optical quadrature doublesideband modulation and differential detection[J].Optics Letters，2011，36（23）：46414643

[8]Liu W L，Li W Z，Yao J P.An ultrawideband microwave photonic phase shifter with a full 360° phase tunable range[J].IEEE Photonics Technology Letters，2013，25（12）：11071110

[9]Shahoei H，Li M，Yao J P.Continuously tunable time delay using an optically pumped linear chirped fiber Bragg grating[J].Journal of Lightwave Technology，2011，29（10）：14651472

[10]Wei Y F，Yuan C W，Huang S G，et al.Optical true timedelay for twodimensional phased array antennas using compact fiber grating prism[J].Chinese Optics Letters，2013，11（10）：100606100609

[11]Ghorbani K，Mitchell A，Waterhouse R B，et al.A novel wideband tunable RF phase shifter using a variable optical directional coupler[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，1999，47（5）：645648

[12]Dong Y，He H，Hu W S，et al.Photonic microwave phase shifter/modulator based on a nonlinear optical loop mirror incorporating a MachZehnder interferometer[J].Optics Letters，2007，32（7）：745747

[13]Pagani M，Marpaung D，Choi D Y，et al.Tunable wideband microwave photonic phase shifter using onchip stimulated Brillouin scattering[J].Optics Express，2014，22（23）：2881028818

[14]Pan S L，Zhang Y M.Tunable and wideband microwave photonic phase shifter based on a singlesideband polarization modulator and a polarizer[J].Optics Letters，2012，37（21）：44834485

[15]Zhang Y M，Wu H，Zhu D，et al.An optically controlled phased array antenna based on single sideband polarization modulation[J].Optics Express，2014，22（4）：37613765

[16]Wang M G，Yao J P.Tunable 360° photonic radiofrequency phase shifter based on polarization modulation and alloptical differentiation[J].Journal of Lightwave Technology，2013，31（15）：25842589

[17]Li W，Sun W H，Wang W T，et al.Optically controlled microwave phase shifter based on nonlinear polarization rotation in a highly nonlinear fiber[J].Optics Letters，2014，39（11）：32903293

[18]Shen J G，Wu G L，Zou W W，et al.Linear and stable photonic radio frequency phase shifter based on a dualparallel MachZehnder modulator using a twodrive scheme[J].Applied Optics，2013，52（34）：83328337

[19]Zhai W S，Huang S，Gao X L，et al.Microwave photonic phase shifter using linear chirped fiber Bragg grating and optical phase modulator[C]∥Asia Communications and Photonics Conference，2016，DOI：101364/ACPC.2016.AF2A.3

[20]Zhai W S，Gao X L，Xu W J，et al.Microwave photonic phase shifter with spectral separation processing using a linear chirped fiber Bragg grating[J].Chinese Optics Express，2016，14（4）：1619

[21]Li W，Sun W H，Wang W T，et al.Photonicassisted microwave phase shifter using a DMZM and an optical bandpass filter[J].Optics Express，2014，22（5）：55225527

[22]Yang J，Chan E H，Wang X，et al.Broadband photonic microwave phase shifter based on controlling two RF modulation sidebands via a Fourierdomain optical processor[J].Optics Express，2015，23（9）：1210012110

[23]Peng P C，Wu F M，Jiang W J，et al.RF phase shifter using a distributed feedback laser in microwave transport systems[J].Optics Express，2009，17（9）：76097614

[24]Li Z H.Linear RF photonics phase shifter based on polarization sensitive optical phase modulator[C]∥IEEE International Conference on Communication Systems，2010：461464

[25]Wang C，Yao J P.Fiber Bragg gratings for microwave photonics subsystems[J].Optics Express，2013，21（19）：2286822884

[26]Shahoei H，Yao J P.Tunable microwave photonic phase shifter based on slow and fast light effects in a tilted fiber Bragg grating[J].Optics Express，2012，20（13）：1400914014

[27]Miao Y，Liu B，Zhang K，et al. Weakly tilted fibre Bragg grating inscription in allsolid photonic bandgap fibres[J].Electronics Letters，2011，47（4）：275277

[28]Feng X，Tam H Y，Wai P K A.Switchable multiwavelength erbiumdoped fiber laser with a multimode fiber Bragg grating and photonic crystal fiber[J].IEEE Photonics Technology Letters，2006，18（9）：10881090

[29]Lin W，Miao Y P，Zhang H，et al.Twodimensional magnetic field vector sensor based on tilted fiber Bragg grating and magnetic fluid[J].Journal of Lightwave Technology，2013，31（15）：25992605

[30]Li W Z，Zhang W F，Yao J P.A wideband 360° photonicassisted microwave phase shifter using a polarization modulator and a polarizationmaintaining fiber Bragg grating[J].Optics Express，2012，20（28）：2983829843

[31]Niu T，Wang X D，Chan Erwin H W，et al. Dualpolarization dualparallel MZM and optical phase shifter based microwave photonic phase controller[J].IEEE Photonics Journal，2016，8（4）：5501114.DOI：10.1109/JPHOT.2016.2593584

[32]Liu W L，Yao J P.Ultrawideband microwave photonic phase shifter with a 360° tunable phase shift based on an erbiumytterbium codoped linearly chirped FBG[J].Optics Letters，2014，39（4）：922924

[33]阿戈沃.非線性光纖光學原理及應用[M].北京：電子工業出版社，2010

Govind P Agrawal.Nonlinear fiber optics & applications of nonlinear fiber optics[M].Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2010

[34]Li Z H，Yu C Y，Dong Y，et al.Linear photonic radio frequency phase shifter using a differentialgroupdelay element and an optical phase modulator[J].Optics Letters，2010，35（11）：18811883

AbstractIn the field of microwave photonics，microwave photonic phase shifter plays a key role in signal processing technology.The main component of this technology is the modulator，which can be driven by electrical signal or radio frequency signal to control the optical signal.Then the phase response of the optical signal can be adjusted through optical device.Thus the phase shift of the optical signal can be achieved in the electronic domain.It has the advantages of high linearity，good tenability and wide band，etc.In this paper，the mechanism of microwave photonic phase shifter is introduced briefly，and then several typical schemes and their latest applications are summarized.It is pointed out that microwave photonic phase shifter is expected to lead to an innovation in the field of microwave photonics.

Key wordsfiber Bragg grating；phase shifter；microwave；optical fiber laser