專利名稱：新型同軸結(jié)構(gòu)光纖射頻天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖光子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種新型同軸結(jié)構(gòu)光纖射頻天線。
背景技術(shù)：
隨著互聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)高速發(fā)展，高效的通信和數(shù)據(jù)接入已成為目前信息系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而蜂窩電話系統(tǒng)的大范圍普及以及個(gè)人手持通信設(shè)備市場(chǎng)的持續(xù)增長(zhǎng)，又使得人們對(duì)寬帶接入的要求已經(jīng)從桌面電腦系統(tǒng)擴(kuò)展到室內(nèi)無線系統(tǒng)和小范圍無線系統(tǒng)。這一切都使得低耗高效的射頻信號(hào)接收機(jī)成為無線系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵部件。為了滿足這個(gè)需求，傳統(tǒng)的電子學(xué)手段一直在不斷地改進(jìn)，但如果要更多地降低功耗和體積，勢(shì)必要求全新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)手段。基于光電子學(xué)的室內(nèi)無線系統(tǒng)解決方案將有可能比純電子學(xué)的方式更加高效， 因?yàn)槿绻捎霉怆娮訉W(xué)的方案，將有很大潛力降低整機(jī)的重量、體積和功耗。而且經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換后，電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)，其后所有的濾波，混頻，放大，都可以在光域進(jìn)行，最后再通過光電轉(zhuǎn)換回電信號(hào)，這一過程減少了各種微波頻段的干擾，頻譜資源也相當(dāng)豐富。因此， 研究利用光電子學(xué)手段接收微波信號(hào)具有極大的理論和實(shí)際意義，光子射頻接收機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生。電磁波由射頻天線接收并饋入微波光子調(diào)制器。電光調(diào)制器通過電光效應(yīng)直接將射頻信號(hào)調(diào)制到激光器提供的光載波上。但光子接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)受到了電光調(diào)制器靈敏度的限制，目前商用Mach-Zehnder 電光調(diào)制器一般要幾百毫瓦的驅(qū)動(dòng)功率。除非很強(qiáng)的信號(hào)，天線接收的微波毫米波信號(hào)必須經(jīng)預(yù)放、功放處理后才能驅(qū)動(dòng)調(diào)制器。因此提高微波與光波作用的效率是一個(gè)關(guān)鍵，這對(duì)于推動(dòng)其在移動(dòng)通信、無線接入系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用具有重要意義。于是不斷有人提出新的設(shè)計(jì)方案，比如基于電吸收調(diào)制器結(jié)構(gòu)的光子天線、基于LiNb03微腔的光子微波接收機(jī)、 天線耦合的電光調(diào)制器、成介質(zhì)諧振天線的全介質(zhì)光子射頻接收機(jī)等。綜合光子微波接收技術(shù)的研究發(fā)展趨勢(shì)，提高微波信號(hào)的調(diào)制靈敏度是個(gè)關(guān)鍵，與天線技術(shù)結(jié)合是個(gè)重要的發(fā)展之路。表面等離激元(surface ρlasmon polaritons, SPPs)是在金屬與介質(zhì)界面上的一種電子和光子混合激發(fā)態(tài)。SPPs是一種表面波，它的電磁場(chǎng)被約束在金屬與介質(zhì)界面的附近范圍內(nèi)。這種強(qiáng)有力的場(chǎng)約束，一方面使界面局部處的場(chǎng)產(chǎn)生增強(qiáng)效應(yīng)，同時(shí)又使SPPs 對(duì)傳播表面的變化有高度的敏感性。改變金屬表面的結(jié)構(gòu)，SPPs的性質(zhì)也隨之變化，由此可以設(shè)計(jì)亞波長(zhǎng)尺寸的光子功能元器件。目前，SPPs在納米光學(xué)、新型光源(基于增強(qiáng)的非線性效應(yīng))、高靈敏的生物和化學(xué)傳感等領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用前景。由于SPPs的局域性，它在高性能調(diào)制器中也具有非常重要的應(yīng)用前景。SPPs可與結(jié)合電光材料，構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的高速電光調(diào)制器。采用諧振金屬光柵可大大改善調(diào)制系數(shù)。 這些調(diào)制器中，大都是采用棱鏡耦合來激發(fā)SPPs。基于電光材料的電光效應(yīng)通過外加電壓改變材料的折射率，從而改變SPP的耦合波長(zhǎng)，造成不同波長(zhǎng)反射光強(qiáng)的變化。將光纖技術(shù)和表面等離激元波共振效應(yīng)結(jié)合一起，不僅具有SPP高靈敏度的特點(diǎn)，而且發(fā)揮了光纖本身的諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來受到了廣泛的關(guān)注。用光纖纖芯取代棱鏡作為耦合器件結(jié)構(gòu)，激發(fā)SPPs，對(duì)光纖周圍環(huán)境的變化十分敏感。1993年Jorgenson等人首先提出基于波長(zhǎng)調(diào)制的光纖SPP傳感器件，在多模光纖中部剝除包層，然后鍍上金屬薄膜，利用光波全內(nèi)反射時(shí)的倏逝場(chǎng)激發(fā)SPPs。對(duì)于多模光纖而言，激勵(lì)模式越多，產(chǎn)生的共振峰越寬，因此要獲得高的探測(cè)精度和信噪比，必須減少光纖的模式。對(duì)單模光纖進(jìn)行側(cè)面拋磨后，沉積上金屬膜用于SPP傳感，不僅能夠得到更窄的共振峰，同時(shí)靈敏度也有很大的提高。但是由于單模光纖芯徑較小，所以加工復(fù)雜，光源耦合精度要求更高，為了增強(qiáng)光纖導(dǎo)模與SPP的相互耦合，還必須對(duì)光纖進(jìn)行彎曲，以提高共振峰的深度，這將會(huì)使得光纖更加脆弱，系統(tǒng)可靠性變差。對(duì)單模光纖進(jìn)行拉錐，增強(qiáng)倏逝場(chǎng)的穿透深度。當(dāng)纖芯直徑小到一定程度，導(dǎo)模能量大部分泄露到包層，在拉錐的均勻部分對(duì)稱覆蓋上金屬薄膜，實(shí)現(xiàn)SPP激勵(lì)。與普通單模光纖相比，由于不需要對(duì)包層進(jìn)行拋磨或者腐蝕，增強(qiáng)了光纖的牢固性，也不需要對(duì)光纖進(jìn)行彎曲，裝置相對(duì)簡(jiǎn)單。如果在錐腰均勻部分單側(cè)或者非對(duì)稱沉積上金屬薄膜會(huì)產(chǎn)生多個(gè)共振峰，可用來調(diào)節(jié)測(cè)量范圍。 利用光纖光柵技術(shù)實(shí)現(xiàn)SPPs的激發(fā)正受到越來越多的關(guān)注。其基本的原理是光纖光柵將在光纖芯層傳輸?shù)墓鈭?chǎng)模式耦合或泄漏到包層，利用包層模式激發(fā)SPPs，主要的優(yōu)點(diǎn)有不需要對(duì)包層進(jìn)行剝除，保證了光纖的可靠性，SPPs的共振特征與光纖的周期有關(guān)， 通過改變光柵的周期，能夠調(diào)節(jié)SPR的共振位置。采用長(zhǎng)周期光柵(LPGs)的可將纖芯模耦合到前向傳播的包層模?；贚PGs的相位匹配特性，能激發(fā)一個(gè)特定的包層模，其有效折射率受光纖表面金屬涂層等離激元共振的擾動(dòng)。在特制的光纖(纖芯比較大，包層較薄)上制作短周期布拉格光纖(FBG)，在包層金屬界面上存在非零的纖芯模場(chǎng)，也能激勵(lì)起SPP。 2007年，Yanina Y. Shevchenko等將傾斜式FBG刻寫在標(biāo)準(zhǔn)的單模通信光纖上，傾斜FBG 增強(qiáng)了纖芯模進(jìn)入包層，如果包層模的傳播常數(shù)的軸向分量等于SPP波，則激勵(lì)起SPPs。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服傳統(tǒng)光子微波接收技術(shù)的不足，提供一種新型同軸結(jié)構(gòu)光纖射頻天線。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為
新型同軸結(jié)構(gòu)光纖射頻天線包括上段光纖、下段光纖、光子接收單元、L型固定支架和固定底座。光子接收單元的一端與上段光纖的一端光連接，光子接收單元的另一端與下段光纖的一端光連接；固定底座設(shè)置在下段光纖和光子接收單元之間，L型固定支架的一端與固定底座連接，L型固定支架的另一端與上段光纖固定，下段光纖貫穿固定底座并且與固定底座固定，固定底座接地。所述的光子接收單元包括由內(nèi)至外的傾斜光纖光柵、第一金屬層、電光聚合物層、 第二金屬層；傾斜光纖光柵外包覆第一金屬層；第一金屬層與第二金屬層之間設(shè)置有電光聚合物層；第一金屬層與第二金屬層構(gòu)成一個(gè)同軸結(jié)構(gòu)的射頻波導(dǎo)；第一金屬層與固定底座的上表面相連。所述的傾斜光纖光柵、第一金屬層、電光聚合物層、第二金屬層同軸設(shè)置； 所述的傾斜光纖光柵中的光柵長(zhǎng)度大于IOmm ；
所述的第一金屬層的厚度為20 50nm ； 所述的電光聚合物層的厚度為10 50μπι;所述的第二金屬層的厚度為100 IOOOnm ； 進(jìn)一步地說，所述的第一金屬層選用金或銀；
本發(fā)明的有益效果針對(duì)光子射頻天線的應(yīng)用，采用新穎同軸結(jié)構(gòu)，將光纖波導(dǎo)、表面等離激元波導(dǎo)和射頻波導(dǎo)巧妙地結(jié)合起來，利用表面等離激元技術(shù)實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)至光波的有效調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了微波接收與調(diào)制的結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的光子接收、調(diào)制和遠(yuǎn)距離傳送。并且使整個(gè)系統(tǒng)更為輕便緊湊，微波信號(hào)的調(diào)制靈敏度得到了提高，系統(tǒng)的功耗得到了明顯的降低。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中1、上段光纖，2、光子接收單元，3、L型固定支架，4、固定底座，5、下段光纖，6、射頻微波信號(hào)；
圖2為本發(fā)明中光子接收單元剖面示意圖； 圖3為本發(fā)明中光子接收單元截面示意圖中7、包層，8、第一金屬層，9、電光聚合物層，10、第二金屬層，11、柵區(qū)，12、纖芯； 圖4為本發(fā)明使用示意圖中13、寬帶光源，14、光纖，15、同軸光纖射頻天線，16、光譜分析儀，17、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。本發(fā)明的原理是采用同軸結(jié)構(gòu)，將光纖波導(dǎo)、等離激元波導(dǎo)和射頻同軸波導(dǎo)巧妙地結(jié)合起來。在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中寫入弱傾斜光纖光柵，在光纖光柵表面鍍20 50nm的金屬膜，外面涂覆電光聚合物。傾斜光纖光柵增強(qiáng)了纖芯模進(jìn)入包層，如果包層模的傳播常數(shù)的軸向分量等于表面等離激元波的傳播常數(shù)，則激勵(lì)起SPPs。由于SPP模、包層模、纖芯模之間的相位匹配，聚合物層介電常數(shù)的變化會(huì)引起纖芯反射模光譜的變化。電光聚合物外再鍍金屬層，內(nèi)外金屬層就構(gòu)成了一射頻同軸線，傳播TEM模。將接收到的射頻信號(hào)饋入同軸線，引起電光聚合物介電常數(shù)的變化，就可現(xiàn)射頻信號(hào)至光波的調(diào)制。參照?qǐng)D1，新型同軸結(jié)構(gòu)光纖射頻天線包括上段光纖1、下段光纖5、光子接收單元 2、L型固定支架3和固定底座4。光子接收單元的一端與上段光纖的一端光連接，光子接收單元的另一端與下段光纖的一端光連接；固定底座設(shè)置在下段光纖和光子接收單元之間，L 型固定支架的一端與固定底座連接，L型固定支架的另一端與上段光纖固定，下段光纖貫穿固定底座并且與固定底座固定，固定底座接地；光子接收單元在系統(tǒng)工作時(shí)作為線天線接收外界環(huán)境中的射頻微波信號(hào)6。參考圖2和圖3，光子接收單元包括由內(nèi)至外的傾斜光纖光柵、第一金屬層8、電光聚合物層9、第二金屬層10 ；傾斜光纖光柵外包覆第一金屬層；第一金屬層與第二金屬層之間設(shè)置有電光聚合物層；第一金屬層與第二金屬層構(gòu)成一個(gè)同軸結(jié)構(gòu)的射頻波導(dǎo)；第一金屬層與固定底座的上表面相連。傾斜光纖光柵中的纖芯12刻有長(zhǎng)度大于IOmm的柵區(qū)11， 纖芯12外有包層7，傾斜光纖光柵與上段光纖、下段光纖實(shí)為同一單模光纖制作所得。
光子接收單元的制作方法包括如下步驟先將一根單模光纖剝掉外面的保護(hù)層， 并將其置于110 140Mpa，130 150°C的條件下載氫48小時(shí)。利用波長(zhǎng)為248nm的KrF激光器，利用相位掩膜法刻寫傾斜光纖光柵?？虒憰r(shí)相位掩膜板與光纖的傾斜角為5 10°， 寫好的光纖光柵在130 150°C條件下退火24小時(shí)，趕出殘留在光纖中的氫。
采用化學(xué)鍍?cè)谥谱骱玫膬A斜光纖光柵表面鍍上一層20 50nm厚的金薄膜(也可選用銀薄膜)，然后采用溶液浸漬提拉法在金薄膜的外層包覆一層10 50μπι厚的電光聚合物。最后再采用化學(xué)鍍的方法在聚合物的外層鍍上一層厚度為100 IOOOnm的金屬薄膜層。參考圖4，寬帶光源13發(fā)出的光通過光纖14連接到同軸光纖射頻天線15的一端， 同軸光纖射頻天線15的另一端通過光纖14連接光譜分析儀16的輸入端，光譜分析儀16的數(shù)據(jù)輸出端口連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)17。系統(tǒng)工作時(shí)，同軸光纖射頻天線接收外界環(huán)境中的射頻微波信號(hào)6，射頻微波信號(hào)接收后會(huì)引起輸入到光譜分析儀的光頻譜發(fā)生變化，光譜分析儀將采集到的光譜信息發(fā)送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析后得到接收到的射頻微波信號(hào)的信息。
權(quán)利要求
1.新型同軸結(jié)構(gòu)光纖射頻天線，包括上段光纖、下段光纖、光子接收單元、L型固定支架和固定底座，其特征在于光子接收單元的一端與上段光纖的一端光連接，光子接收單元的另一端與下段光纖的一端光連接；固定底座設(shè)置在下段光纖和光子接收單元之間，L型固定支架的一端與固定底座連接，L型固定支架的另一端與上段光纖固定，下段光纖貫穿固定底座并且與固定底座固定，固定底座接地；所述的光子接收單元包括由內(nèi)至外的傾斜光纖光柵、第一金屬層、電光聚合物層、第二金屬層；傾斜光纖光柵外包覆第一金屬層；第一金屬層與第二金屬層之間設(shè)置有電光聚合物層；第一金屬層與第二金屬層構(gòu)成一個(gè)同軸結(jié)構(gòu)的射頻波導(dǎo)；第一金屬層與固定底座的上表面相連；所述的傾斜光纖光柵、第一金屬層、電光聚合物層、第二金屬層同軸設(shè)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型同軸結(jié)構(gòu)光纖射頻天線，其特征在于所述的傾斜光纖光柵中的光柵長(zhǎng)度大于10mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型同軸結(jié)構(gòu)光纖射頻天線，其特征在于所述的第一金屬層的厚度為20 50nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型同軸結(jié)構(gòu)光纖射頻天線，其特征在于所述的電光聚合物層的厚度為10 50 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型同軸結(jié)構(gòu)光纖射頻天線，其特征在于所述的第二金屬層的厚度為100 lOOOnm。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的新型同軸結(jié)構(gòu)光纖射頻天線，其特征在于所述的第一金屬層選用金或銀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型同軸結(jié)構(gòu)光纖射頻天線。本發(fā)明包括上段光纖、下段光纖、光子接收單元、L型固定支架和固定底座。光子接收單元的一端與上段光纖的一端光連接，光子接收單元的另一端與下段光纖的一端光連接；固定底座設(shè)置在下段光纖和光子接收單元之間，L型固定支架的一端與固定底座連接，L型固定支架的另一端與上段光纖固定，下段光纖貫穿固定底座并且與固定底座固定，固定底座接地。本發(fā)明利用表面等離激元技術(shù)實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)至光波的有效調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了微波接收與調(diào)制的結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的光子接收、調(diào)制和遠(yuǎn)距離傳送。
文檔編號(hào)H01Q13/08GK102222818SQ20111008978
公開日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2011年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月11日
發(fā)明者施學(xué)良, 池灝, 章獻(xiàn)民, 鄭史烈, 金曉峰 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)