CN101188342A - 利用线型腔双波长光纤激光产生微波、毫米波发的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用线型腔双波长光纤激光产生微波、毫米波发的装置，该装置选择有源光纤(21)和(22)，中间接入保偏光纤光栅(11)；另两端分别接入宽带光纤光栅(12)(13)，宽带光纤光栅的反射谱互相隔开，或有较弱的重叠部分。利用耦合器把泵浦光(31)和(32)耦合进有源光纤中。两个宽带光栅反射峰分别对准保偏光纤光栅的一个反射峰，每个宽带光栅只与保偏光纤光栅的一个偏振态的反射峰构成谐振腔，产生单偏振双波长激光。双波长激光输入光电探测器(51)和(52)，在光电探测器内差频产生两路微波或者毫米波。

Description

利用线型腔双波长光纤激光产生微波、毫米波发的装置

技术领域：

本发明涉及利用线型腔双波长光纤光栅激光器实现双路微波、毫米波的装置及其实现方法。适用于光纤微波通信(RoF：Radio on/over Fiber)、微波光子、光纤传感、光纤激光器、光纤通信以及雷达等领域。

背景技术

微波光子技术将微波学和光学融合在一起，成为一个全新的技术领域，通常称为Microwave Photonics(简称MWP)。光子技术和微波、毫米波的集成在远程通信的发展上打开了一个神奇的、充满希望的领域。光技术和电波技术相融合，利用光纤具有的低损耗、大容量、无感应、重量轻、易于搬运等特点，在传统的微波技术中引入光技术，可组成信息社会的基础网络，充分利用光纤的宽带宽、无线的自由，达到个别技术不断发展也无法实现的通信系统高功能化和高度化，提供最后1公里的最佳解决途径。这种在无线/移动通信系统的接入系统中、在军用的天线远程控制以及智能交通系统中把光纤通信和微波通信结合的系统就是光纤微波通信(RoF：Radio on/over Fiber)。RoF技术在无线/移动通信系统中应用，可将基站端的基带处理、调制、混频功能后移到基站控制器端集中处理，而基站端只保留光电转换、滤波和放大功能，这样可大大降低基站的成本，在未来的密集微蜂窝通信系统中，由于基站数量众多，采用RoF技术可大大降低系统的成本。微波光纤通信系统，光域上的微波光子信号处理。比起传统基于电子设备的微波信号处理，微波光子信号处理除了具有时间带宽积高、抗电磁干扰、线路和设备间的串扰小、调谐方便的优点外，微波光子信号处理技术是在光域上对微波信号处理，它能与RoF传输系统天然匹配，中间无需光电和电光转换设备。电处理器的带宽限制了高带宽的光电信号的处理，以光子取代电子，在较高的速率处理信号，这样就可以避免电子瓶颈。微波光子集中了射频波和光纤的优点，在射频波和光纤之间实现透明转换。微波提供了低成本可移动无线连接方式，而光纤提供了低损宽带连接，该连接方式不受电的影响。在光纤中实现射频波的带通传输，无衰减，无信道间的相互干扰。

毫米波信号的光方式产生具有很大的吸引力，因为现存的系统都面临频率带宽短缺的问题。对高速数据传输的需要愈来愈迫切，目前多种毫米波的光方式产生方法业已被论证，毫米波的光方式产生有其特有的优点：可以实现的宽频域载波信号范围和光纤连接的低损传输能力。

远程架设天线，天线与收信机通过光纤相连接，光纤取代传统的同轴电缆，称为光远程天线。它的长处是天线不用配置放大器，不用供电，天线与收信机完全电气绝缘，作为EMC(Electro Magnetic Compatibility电磁兼容)应用的电场传感器倍受注目。若干条光纤和天线阵列状排列，组成光控制阵列天线，控制向天线传输的微波信号的振幅和相位，形成天线发射的电波射束并进行射束扫描。与使用同轴电缆、波导管向天线传输微波、毫米波的方法相比，天线外围设备不仅小型化、轻量化，而且还能形成更加理想的电波射束，微波的相位控制可采用各种光信号处理技术。

光纤技术在相控阵雷达中已应用多年，目前这类雷达的工作频率范围为不大于18GHz，并且正逐步向毫米波扩展。在相控阵雷达中采用光纤微波传输有利于隔离辐射阵元，控制阵元的相对相位，处理各种电子战环境下的回波信号。然而，这类概念的付诸实现需要成百上千个微波辐射阵元，甚至需要很多高频光电器件。

微波可以通过电域的模拟电路或者数字电路得到，频率局限在几GHz以下，难以产生更高频率微波或者毫米波。

光学方法产生微波、毫米波是一项微波光子学的关键技术。利用光电技术产生微波频率的传统方法是基于两个可调谐的频率相近的激光束，这就要求激光器具有非常好的频率稳定性。另一种方法是在复杂的光学整合电路中，频移射频调制激光器频率，但是该方法仅限于产生低频信号(＜1GHz)。最近，又研究了很多用于产生微波信号的新方法：有将光纤环共振腔作为频率调制器，利用光纤的布里渊散射作用产生相位调制的微波信号；有采用两个或多个固态微芯片温度和电压调谐激光器的干涉产生动态可调谐、低噪声的微波毫米波信号，频率从几GHz到100GHz；有采用布拉格光栅取代马赫曾德干涉仪作为滤波器，产生毫米波；还有基于非啁啾高斯脉冲在传输过程中的色散和非线性效应产生复杂频率的微波毫米波。这些产生方法，结构复杂，稳定性差，产生的效率不高。

发明内容

为了克服已有的微波、毫米波电的方法或者光学方法产生的不足，本发明提供利用线型腔双波长光纤激光产生微波、毫米波发的装置。

本发明目的的实现是通过以下技术方案；

利用线型腔双波长光纤激光产生微波、毫米波发的装置，构成该装置的器件之间的连接：

两个有源光纤通过保偏光纤光栅连接；

在两个有源光纤的另外两端各接入一个宽带光纤光栅；

两个宽带光纤光栅的反射谱互相隔开，或有较弱的重叠部分，重叠部分对应的反射率比保偏光纤光栅的反射率至少低1dB；

在两个宽带光纤光栅的后面，分别利用耦合器把第一泵浦光和第二泵浦光耦合进有源光纤中；

保偏光纤光栅的两个反射峰分别与两个宽带光纤光栅(形成不同波长的激光谐振腔)，产生激光，在第一线型腔或/和第二线型腔端部输出单偏振双波长激光；

输出的单偏振双波长激光通过第一线型腔的输出端进入第一光电探测器；输出的单偏振双波长激光通过第二线型腔的输出端进入第二光电探测器，双波长激光在第一光电探测器或/和第二光电探测器差频产生微波或者毫米波，得到单路或双路微波或者毫米波。

两个有源光纤选用掺铒、或掺镱、或掺钬、或镱铒共掺、或掺钍、或掺镨、或掺钕光纤。

两个有源光纤或为保偏光纤。

本发明的有益效果具体如下：

微波可以通过电域的模拟电路或者数字电路得到，但是频率局限在几GHz以下，难以产生更高频率微波或者毫米波。已有的光学方法产生微波或者毫米波的方法，结构复杂，稳定性差，产生的效率不高。

而本发明采用比保偏有源光纤价格低得多的普通有源光纤作为增益介质，只需要一个保偏光纤光栅，保证每个腔谐振在一个偏振态上。每个偏振态的激光谐振腔是独立的，不需要偏振控制。由于光纤激光器谐振腔的一端采用了宽带的光栅，使之与窄带保偏光纤的反射峰对准谐振更容易，降低了对光栅的要求，比通常的双波长激光器更容易实现，输出更稳定的单偏振态，稳定的双波长输出到光电探测器中，双波长在光电探测器中差频产生微波或者毫米波，具有更高的性价比。本发明降低了对有源光纤的一致性要求，使有源光纤长度等特性的不一致不会引起单偏振双波长激光器的实质性的影响，从而不会影响微波或者毫米波的产生。本发明为全光纤结构。本发明还具有受环境影响小、结构紧凑、易于实施等特点。

附图说明

图1为利用线型腔双波长光纤激光产生微波、毫米波发的装置示意图。

图2为利用线型腔双波长光纤激光产生微波、毫米波发的装置中使用的光栅示意图。

具体实施方式

本发明的目的就是提供利用线型腔双波长光纤激光产生微波、毫米波发的装置，克服已有的电域或者光域产生微波或者毫米波的不足。

下面结合附图1和2对本发明作进一步描述。

实施例1：

利用线型腔双波长光纤激光产生微波、毫米波发的装置，构成该装置的器件之间的连接：

1.选择适当长度的掺铒有源光纤21和22，把掺铒有源光纤21和22用保偏光纤光栅11连接起来。

2.在掺铒有源光纤21和掺铒有源光纤22的另外两端分别接入宽带光纤光栅12和宽带光纤光栅13，宽带光纤光栅12和宽带光纤光栅13的反射谱互相隔开，没有重叠部分，或有较弱的重叠部分，即重叠部分对应的反射率比保偏光纤光栅的反射率至少低1dB。

3.在宽带光纤光栅12和宽带光纤光栅13的后面，分别利用耦合器把第一泵浦光3 1和第二泵浦光32耦合进掺铒有源光纤中。

4.保偏光纤光栅11的两个反射峰分别与宽带光纤光栅12和宽带光纤光栅13形成不同波长的激光谐振腔，产生激光，在第一线型腔41或者第二线型腔42端部输出单偏振双波长激光。

图2中111为保偏光纤光栅11的一个反射峰，112为保偏光纤光栅11的另外一个反射峰，121为一个宽带光纤光栅12的反射峰，以点画线区分，131为一个宽带光纤光栅13的反射峰，以虚线区分。保偏光纤光栅的反射峰111与宽带光纤光栅121、掺铒有源光纤21构成一个谐振腔，保偏光纤光栅的另外一个反射峰112与宽带光纤光栅131、掺铒有源光纤22构成一个谐振腔，这两个腔在泵浦激光的作用下谐振，产生两个单偏振波长的激光。产生的双波长单偏振激光的功率不要求相同，其差值可以为任意的值。

5.输出的单偏振双波长激光通过第一线型腔41的输出端进入第一光电探测器51；输出的单偏振双波长激光通过第二线型腔42的输出端进入第二光电探测器52，双波长激光在第一光电探测器51和第二光电探测器52差频产生微波或者毫米波，得到双路微波或者毫米波。

掺铒有源光纤的长度根据掺杂浓度和泵浦光功率来定，掺铒有源光纤保证在给定的泵浦功率下，选择适当的有源光纤长度和适当的掺杂浓度构成的谐振腔的增益满足激光器的谐振条件即可的。掺铒有源光纤最短长度1cm，掺铒有源光纤的长度最大为：选择泵浦光功率、有源掺杂吸收系数、有源光纤以及连接点等构成腔的损耗，在给定的泵浦光的作用下，刚好能够产生激光时的掺铒有源光纤长度。

实施例2：

利用线型腔双波长光纤激光产生微波、毫米波发的装置，构成该装置的器件之间的连接：

1.选择适当长度的掺镱保偏有源光纤21和22采用保偏有源光纤，把掺镱保偏有源光纤21和22用保偏光纤光栅11连接起来。

2.在掺镱保偏有源光纤21和保偏有源光纤22的另外两端分别接入宽带光纤光栅12和宽带光纤光栅13，宽带光纤光栅12和宽带光纤光栅13的反射谱互相隔开，或有较弱的重叠部分，即重叠部分对应的反射率比保偏光纤光栅的反射率至少低1dB。

3.在宽带光纤光栅12和宽带光纤光栅13的后面，分别利用耦合器把第一泵浦光31和第二泵浦光32耦合进保偏有源光纤中。

4.保偏光纤光栅11的两个反射峰分别与宽带光纤光栅12和宽带光纤光栅13形成不同波长的激光谐振腔，产生激光，在第一线型腔41和第二线型腔42端部输出双波长激光。

图2中111为保偏光纤光栅11的一个反射峰，112为保偏光纤光栅11的另外一个反射峰，121为一个宽带光纤光栅12的反射峰，以点画线区分，131为一个宽带光纤光栅13的反射峰，以虚线区分。保偏光纤光栅的反射峰111与宽带光纤光栅121、掺镱保偏有源光纤21构成一个谐振腔，保偏光纤光栅的另外一个反射峰112与宽带光纤光栅131、掺镱保偏有源光纤22构成一个谐振腔，这两个腔在泵浦激光的作用下谐振，产生两个单偏振波长的激光。产生的双波长单偏振激光的功率不要求相同，其差值可以为任意的值。

5.输出的单偏振双波长激光通过第一线型腔41的输出端进入和第一光电探测器51；或输出的单偏振双波长激光通过和第二线型腔42的输出端进入第二光电探测器52，双波长激光在第一光电探测器51或第二光电探测器52差频产生微波或者毫米波，得到单路微波或者毫米波。

掺镱保偏有源光纤的长度根据掺杂浓度和泵浦光功率来定，掺镱保偏有源光纤保证在给定的泵浦功率下，选择适当的掺镱保偏有源光纤长度和适当的掺杂浓度构成的谐振腔的增益满足激光器的谐振条件即可的。掺镱保偏有源光纤最短长度1cm，掺镱保偏有源光纤的长度最大为：选择泵浦光功率、有源掺杂吸收系数、有源光纤以及连接点等构成腔的损耗，在给定的泵浦光的作用下，刚好能够产生激光时的掺镱有源光纤长度。

有源光纤选用掺铒、或掺镱、或掺钬、或镱铒共掺、或掺钍、或掺镨、或掺钕光纤。

所用的器件和材料均为商用化器件和材料。

Claims (3)

1.利用线型腔双波长光纤激光产生微波、毫米波的装置，其特征在于，构成该装置的器件之间的连接：

有源光纤(21)和(22)用保偏光纤光栅(11)连接；

在有源光纤(21)和有源光纤(22)的另外两端分别接入宽带光纤光栅(12)和宽带光纤光栅(13)；

宽带光纤光栅(12)和宽带光纤光栅(13)的反射谱互相隔开；

在宽带光纤光栅(12)和宽带光纤光栅(13)的后面，利用耦合器把第一泵浦光(31)或/和第二泵浦光(32)耦合进有源光纤中；

保偏光纤光栅(11)的两个反射峰分别与宽带光纤光栅(12)和宽带光纤光栅(13)形成不同波长的激光谐振腔，产生激光，在第一线型腔(41)或者第二线型腔(42)端部输出单偏振双波长激光；

输出的单偏振双波长激光通过第一线型腔(41)的输出端进入光电探测器(51)；输出的单偏振双波长激光通过第二线型腔(42)的输出端进入第二光电探测器(52)，双波长激光在第一光电探测器(51)或/和第二光电探测器(52)差频产生微波或者毫米波，得到单路或双路微波或者毫米波。

2.根据权利1所述的线型腔双波长光纤激光器实现双路微波、毫米波发生器，其特征在于：有源光纤(21)和(22)选用掺铒、或掺镱、或掺钬、或镱铒共掺、或掺钍、或掺镨、或掺钕光纤。

3.根据权利1所述的线型腔双波长光纤激光器实现双路微波、毫米波发生器，其特征在于：有源光纤(21)和(22)或为保偏光纤。

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