[发明专利]新型同轴结构光纤射频天线

说明书

技术领域

本发明属于光纤光子技术领域，涉及一种新型同轴结构光纤射频天线。

背景技术

随着互联网的持续高速发展，高效的通信和数据接入已成为目前信息系统的关键环节。而蜂窝电话系统的大范围普及以及个人手持通信设备市场的持续增长，又使得人们对宽带接入的要求已经从桌面电脑系统扩展到室内无线系统和小范围无线系统。这一切都使得低耗高效的射频信号接收机成为无线系统的一个关键部件。为了满足这个需求，传统的电子学手段一直在不断地改进，但如果要更多地降低功耗和体积，势必要求全新的系统设计手段。基于光电子学的室内无线系统解决方案将有可能比纯电子学的方式更加高效，因为如果采用光电子学的方案，将有很大潜力降低整机的重量、体积和功耗。而且经过电光转换后，电信号转变成光信号，其后所有的滤波，混频，放大，都可以在光域进行，最后再通过光电转换回电信号，这一过程减少了各种微波频段的干扰，频谱资源也相当丰富。因此，研究利用光电子学手段接收微波信号具有极大的理论和实际意义，光子射频接收机也应运而生。电磁波由射频天线接收并馈入微波光子调制器。电光调制器通过电光效应直接将射频信号调制到激光器提供的光载波上。

但光子接收机的实现受到了电光调制器灵敏度的限制，目前商用Mach-Zehnder电光调制器一般要几百毫瓦的驱动功率。除非很强的信号，天线接收的微波毫米波信号必须经预放、功放处理后才能驱动调制器。因此提高微波与光波作用的效率是一个关键，这对于推动其在移动通信、无线接入系统中的广泛应用具有重要意义。于是不断有人提出新的设计方案，比如基于电吸收调制器结构的光子天线、基于LiNbO3微腔的光子微波接收机、天线耦合的电光调制器、成介质谐振天线的全介质光子射频接收机等。综合光子微波接收技术的研究发展趋势，提高微波信号的调制灵敏度是个关键，与天线技术结合是个重要的发展之路。

表面等离激元(surface plasmon polaritons, SPPs)是在金属与介质界面上的一种电子和光子混合激发态。SPPs是一种表面波，它的电磁场被约束在金属与介质界面的附近范围内。这种强有力的场约束，一方面使界面局部处的场产生增强效应，同时又使SPPs 对传播表面的变化有高度的敏感性。改变金属表面的结构，SPPs 的性质也随之变化，由此可以设计亚波长尺寸的光子功能元器件。目前，SPPs 在纳米光学、新型光源（基于增强的非线性效应）、高灵敏的生物和化学传感等领域显示出巨大的应用前景。

由于SPPs的局域性，它在高性能调制器中也具有非常重要的应用前景。SPPs可与结合电光材料，构成一个简单的高速电光调制器。采用谐振金属光栅可大大改善调制系数。这些调制器中，大都是采用棱镜耦合来激发SPPs。基于电光材料的电光效应通过外加电压改变材料的折射率，从而改变SPP的耦合波长，造成不同波长反射光强的变化。

将光纤技术和表面等离激元波共振效应结合一起，不仅具有SPP高灵敏度的特点，而且发挥了光纤本身的诸多优点，近年来受到了广泛的关注。用光纤纤芯取代棱镜作为耦合器件结构，激发SPPs，对光纤周围环境的变化十分敏感。1993年Jorgenson等人首先提出基于波长调制的光纤SPP传感器件，在多模光纤中部剥除包层，然后镀上金属薄膜，利用光波全内反射时的倏逝场激发SPPs。对于多模光纤而言，激励模式越多，产生的共振峰越宽，因此要获得高的探测精度和信噪比，必须减少光纤的模式。对单模光纤进行侧面抛磨后，沉积上金属膜用于SPP传感，不仅能够得到更窄的共振峰，同时灵敏度也有很大的提高。但是由于单模光纤芯径较小，所以加工复杂，光源耦合精度要求更高，为了增强光纤导模与SPP的相互耦合，还必须对光纤进行弯曲，以提高共振峰的深度，这将会使得光纤更加脆弱，系统可靠性变差。对单模光纤进行拉锥，增强倏逝场的穿透深度。当纤芯直径小到一定程度，导模能量大部分泄露到包层，在拉锥的均匀部分对称覆盖上金属薄膜，实现SPP激励。与普通单模光纤相比，由于不需要对包层进行抛磨或者腐蚀，增强了光纤的牢固性，也不需要对光纤进行弯曲，装置相对简单。如果在锥腰均匀部分单侧或者非对称沉积上金属薄膜会产生多个共振峰，可用来调节测量范围。