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1、第卷 第12期 激光与红外ol.，o.12201年12月 LSER & FRRED December，201文章编号:1001-508(201)12-1521-0 光纤及光通讯技术基于光纤布拉格光栅的超宽带信号产生方法分析税奇军，唐炳华(四川文理学院智能制造学院，四川达州635000)摘 要:超宽带信号因其具有穿透小尺度障碍物、高时间分辨力和高速数据传输率等特点，被广泛应用于传感器网络、医疗监控、精准导航、车载雷达等民用和军用系统中，基于全光分析方法产生超宽带信号已经成为目前国内外的研究热点。在以光纤布拉格光栅为核心器件的系统模型上进行了理论和仿真分析，在系统的光电探测器输出端产生了半高宽约为
2、1 ps，功率谱密度小于-5 dB/ z的超宽带信号。并分析了单模光纤长度对产生的超宽带信号的影响。关键词:超宽带信号;光纤布拉格光栅;光电探测器;功率谱密度中图分类号:T929. 11 文献标识码: DO:10. 3969/ j. iss. 1001-508. 201. 12. 012Aaysis of UW B siga geeatig metod basedo fibe Bagg gatigSU Qi-ju，TG Big-hua(stitute of itelliget maufacturig，Sichua Uiersity of rts ad Sciece，Dazhou 635000，
3、Chia)Abstact:Ultra-widebad sigal has bee widely used i ciil ad military systems such as sesor etworks，medicalmoitorig，precisio aigatio ad ehicle radar，because of its capacity of peetratig small-scale obstacles，hightemporal resolutio ad high-speed rate of data trasfer. The researches o ultra-widebad
4、sigal geeratig methodbased o the all-optical aalysis hae become a research hotspot at home ad abroad. Based o the theoretical adsimulatig aalysis of the system model with optical fiber Bragg gratig as its core deice，this research shows that thehalf-high width of ultra-widebad sigal produced by the p
5、hotodetector is about 1 ps，ad the power spectral desityis less tha - 5 dB/ z. d the effect of sigle-mode fiber legth o ultra-widebad sigal has also bee aa-lyzed.Key ods:ultra-widebad;fiber Bragg gratig;photodetector;power spectral desity基金项目:四川省教育厅自然科学基金项目(o. 15ZB0320)资助。作者简介:税奇军(195 - )，男，副教授，硕士，主要
6、从事光通信及微波光电子学研究。 E-mail:qijushui126. com收稿日期:201-03-2;修订日期:201-05-101 引 言与传统信号相比，超宽带信号因其具有高时间分辨力、高数据传输速率和穿透小尺度障碍物等特点，被广泛应用于无线个人区域网络、传感器网络、成像系统、精准导航、车载雷达系统和医疗监控等民用和军用系统中1 -。 2002年，美国联邦通信委员会确定了超宽带信号的工作频率段，相对于传统的窄带通信系统，超宽大通信系统的功率受到了极大的限制。为了弥补传输信号功率受限的不足，在超宽带信号通信系统中脉冲整形技术显得尤为关键。目前采用电和光的方式产生超宽带信号主要集中在单峰和双
7、峰高斯脉冲。利用电的方式产生超宽带信号主要有两种方法:(1)将基带信号和本振信号混频之后移至超宽带信号万方数据中心频率;(2)直接在超宽带信号频率附近产生，这两种方法中的超宽带脉冲可以经过滤波器产生或者直接将基带信号在所需频率段合成超宽带信号。文献提出了一种脉冲发射器和发射天线集成的整体设计，该方案利用330 ps补偿脉冲位置调制获得了最小宽度为35 ps的脉冲;文献5利用COS脉冲形成器、脉冲整形器和延迟器通过滤波之后产生了超宽带脉冲，但是功率效率不高;文献6 9提出了基于光谱整形和时频转换的超宽带信号的光学产生方法，其主要原理是利用宽带相干光源(锁模激光器)通过整形之后形成所需要的时域波形
8、，再通过色散光纤或反射啁啾光纤传输，文献9将两个互补的光学滤波器放在一个干涉仪的两臂产生单峰和双峰超宽带脉冲，但产生的信号中包含不符合标准的频率分量并且该系统受环境影响很大;文献10利用光栅和透镜装置组成f系统，采用两个长焦透镜色散频率分量并用空间光调制器调制频率分量振幅，但该系统尺寸大、损耗高。文献11将飞秒激光器产生的脉冲分割成所需要的脉冲宽度，将光脉冲耦合进入非线性光纤，采用连续激光器产生交叉调制相位，光纤布拉格光栅作为鉴频器，在反射谱的线性部分或正交边沿锁定探测光产生单峰和双峰超宽带脉冲，但该系统需要用电滤波器滤掉不需要的低频分量并且成本很高。本文提出一种利用光学方法产生超宽带信号的装
9、置，产生的信号既符合FCC标准并且传输功率最大化，该系统几乎不受环境因素影响。利用光纤布拉格光栅(FBG)进行脉冲整形，单模色散光纤实现频域到时域的转换，采用双臂结构和平衡探测获得符合标准的超宽带脉冲。2 系统模型及理论分析基于FBG产生的超宽带信号系统如图1所示。其主要由激光器、FBG、分路器、衰减器、延迟器、隔离器、掺饵光纤放大器和单模光纤等组成。光从激光器输出进入单模光纤，经过掺饵光纤放大器放大之后进入第一个光纤布拉格光栅，通过隔离器防止信号的前后干扰，光经过耦合器分成两路，一路经过第二个光纤布拉格光栅，另外一路经过衰减器和延迟器，两路信号经过平衡探测之后产生所需要的超宽带信号。图1 基
10、于FBG的超宽带信号系统模型Fig. 1 model of UB sigalig system based o FBG从激光器发出的光信号功率谱密度为:ps() = sech2(a( - 0) (1)其中，a为常数;0是中心频率。忽略传输延迟，单模光纤的传输函数可以表示为12:SF() = ep( - f( 12 2 ( - 0)2 + 16 3( - 0)3) (2)其中， f是光纤长度;2 = d2()d2 = -20D2c和3 =d3()d3 = (202c)2Dp分别是二阶和三阶色散系数，对于单模光纤在长度比较小的情况下可以忽略三阶色散; 0表示中心波长;c表示传输速率。 FBG1使发
11、射光谱变得平坦，其理想传输函数为:FBG1() =1ps()， (c -2 ，c +2 )0， 其他 (3)实际的FBG的传输函数和式(3)有一定的误差，可以通过选择合适的光栅切趾减小这种误差得到理想的光谱。 FBG2的理想传输函数可以由理想的超宽带脉冲映射得到，其表达式为:FBG2() = 1 + p(2c ) ()其中， 是一常数。上、下支路输出信号的光谱表达式为:E1() = 1ps()SF()FBG1()FBG2()(5)E2() = 2ps()SF()FBG1()e- (6)其中， 1表示上支路的所有损耗;2表示下支路的所有损耗(可以通过衰减器调节来平衡上、下支路功率)。经过平衡探测
12、之后的信号表达式为:fout(t) = e1(t) 2 - e2(t) 2 ()其中， e1(t)和e2(t)分别表示上、下支路的时域表达式。2251激光与红外 第卷万方数据3 仿真结果及分析在仿真中激光器发射的信号光谱如图2所示，其工作的中心波长为1552. 5 m。单模光纤长度为5km时，经过平衡探测之后的信号波形如图3所示。由图3可以发现在经过平衡探测之后产生了近似高斯函数二阶微分的超宽带doublet信号，其半高宽约为1 ps。图为该信号的频谱图，由图可以发现其功率谱密度小于-5 dB/ z，符合FCC的要求。图2 发射信号的光谱Fig. 2 Spectra of trasmittig
13、 sigal图3 光纤长度为5 km时输出端信号波形Fig. 3 Sigal waeform of fiber legth of 5 km为了分析光纤长度对产生信号的影响，将单模光纤长度增加到10 km，经过平衡探测之后信号的波形和频谱图如图5、图6所示。由图5、图6可以发现:随着光纤距离的增加，相对于短距离的信号脉冲展宽，这是由于长距离光纤色散增加的原因;信号的功率谱密度随着光纤距离增加而降低，这是由于传输损耗增大的缘故，由此限制了该信号的传输距离。图 光纤长度为5 km时的信号频谱Fig. Sigal spectrum of fiber legth of 5 km图5 光纤长度为10 km
14、时输出端信号波形Fig. 5 Sigal waeform of fiber legth of 10 km图6 光纤长度为10 km时的信号频谱Fig. 6 Sigal spectrum of fiber legth of 10 km3251激光与红外 o.12 201 税奇军等 基于光纤布拉格光栅的超宽带信号产生方法分析万方数据 结 论采用激光器、FBG、分路器、衰减器、延迟器、隔离器、掺饵光纤放大器和光电探测器等器件搭建了一种产生超宽带信号的系统。通过对系统的理论和仿真分析在系统的输出端产生了近似高斯函数二阶微分的超宽带doublet信号，其半高宽约为1 ps，其功率谱密度小于- 5 dB/
15、 z，符合FCC的要求，随着系统中单模光纤长度的改变，光电探测器输出的信号半高宽和功率谱密度随之改变，该方案为基于光学方法产生超宽带信号提供了一定的参考。参考文献:1 S Roy，J R Foerster， S Somayazulu，et al. Ultrawidebadradio desig:The promise of high-speed，short rage wire-less coectiity J . roc. EEE， 200， 92 ( 2 ):295 -311.2 D D etzloff， Chadrakasa. Gaussia pulse geer-ators for su
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