CN101197624B - 基于双频光纤激光器的毫米波副载波光发射器 - Google Patents

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Abstract

一种基于双频光纤激光器的毫米波副载波光发射器，包括：一泵浦源；一隔离器的输入端与泵浦源的输出端相连接，用于隔离进入泵浦源的光，对泵浦源起到保护作用；一有源谐振腔的输入端与隔离器的输出端相连接，提供光学增益和反馈，产生双纵模激光；一信息加载模块的输入端与有源谐振腔的输出端相连接；一单模光纤的一端与信息加载模块连接，用于传输信号，实现长距离通信；一光电探测器的输入端与单模光纤的另一端相连接，用于把光信号转换为电信号；一放大器与光电探测器的输出端相连接，用于放大光电探测器产生的电信号；一发射天线与放大器的输出端相连接。

Description

基于双频光纤激光器的毫米波副载波光发射器
技术领域
本发明属于毫米波副载波光纤通信(ROF)领域，特别涉及一种基于双频光纤激光器的毫米波副载波光发射器。
背景技术
光纤通信技术以低传输损耗可以提供海量的带宽和超高的速率，而无线通信可以提供灵活的接入方式，结合两者的优势发展更高速率、更高容量的通信技术，就是最近几年备受人们关注的ROF(Radio Over Fiber)技术，同时，ROF系统还可以用于实现对移动终端、建筑内、地下等环境的无缝接入，消除各种通信盲区；作为决定整体通信质量的“最后一公里”的接入技术可以也采用ROF系统实现。因此，ROF技术被广泛看好作为未来本地网中的重要应用技术。其中，用光波传送毫米波副载波信号技术由于不同基站之间干扰小、频带宽以及高频信号的处理和控制集中到中心局从而简化基站功能、降低基站成本等优点而成为研究热点。
毫米波副载波光纤通信系统中涉及的关键器件与技术包括低噪声毫米波副载波光信号的产生、毫米波光信号的无色散传输、超高速光调制与解调以及高速探测接收技术等，其中毫米波光信号发射模块是ROF系统中最重要的部分，常用三种方案包括外调制法、低频传输和频率转换法、光外差法。外调制法[H.Schmuck，Comparison fo optical millimeter-wavesystem concepts with regard to chromaticdispersion，Electron.Lett.，1995，31(21)：1848-1849]，从激光器输出的光波经过一个M-Z调制器(MZI)，携带传输信息的毫米波射频(RF)信号直接加载到MZI上，这样输出光波形成一个双边带调制的光学信号，在光学接收器上，每个边带与中心频率发生拍频，产生所需要的毫米波频段的射频信号，这种方法存在色散效应，需要采用单边带调制、光纤光栅色散补偿和光学相位共轭等方法补偿，技术比较复杂。频率转化法[Konstantin Kojucharow，et al，Millimeter-wave signal propertiesresulting form electrooptical upconversion.IEEETrans.Microwave Theroy Technol.，2001，49(10)：1977-1985]，在光纤中传输频率较低的副载波，然后在基站实现频率的上转换，达到毫米波波段的高频载波，这种方法由于需要在基站中增加一个频率上转化器和相关的毫米波电路设备，增加了基站的复杂性和成本。光外差法[U.Gliese，et al，Chromatic dispersion in fiber-optic microwave andmillimeter-wave links.IEEE Trans.MicrowaveTheory Technol.，1996，44(0)：1716-1724]，是传输两个频率差等于毫米波频率的窄线宽在基站通过外差产生毫米波信号，可以克服光纤的色散效应，又可以简化基站的结构和成本，是主流技术方案。但由于一般采用两个分立半导体激光器，拍频毫米波信号存在较大的相位噪声，这将对系统性能造成很大影响，所以需要采用辅助光注入锁定技术、光学锁相环技术等进行消除，有较高的技术难度，且使得成本的提高。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于双频光纤激光器的毫米波副载波光发射器，其可针对外差法毫米波副载光通信的技术要求，克服上述技术复杂性，降低成本。同时该激光器具有窄线宽、低噪声等优点，从源头上解决相位噪声问题，通过同一谐振腔产生的双频激光自外差产生拍频毫米波，实现低成本毫米波副载波信号发射。
本发明的技术解决方案如下：
本发明一种基于双频光纤激光器的毫米波副载波光发射器，其特征在于，包括：
一泵浦源，用于泵浦有源光纤；
一隔离器，该隔离器的输入端与泵浦源的输出端相连接，用于隔离进入泵浦源的光，对泵浦源起到保护作用；
一有源谐振腔，该有源谐振腔输入端与隔离器的输出端相连接，提供光学增益和反馈，产生双纵模激光；
一信息加载模块，该信息加载模块的输入端与有源谐振腔的输出端相连接；
一单模光纤，单模光纤的一端与信息加载模块连接，用于传输信号，实现长距离通信；
一光电探测器，该光电探测器的输入端与单模光纤的另一端相连接，用于把光信号转换为电信号；
一放大器，该放大器与光电探测器的输出端相连接，用于放大光电探测器产生的电信号；
一发射天线，该发射天线与放大器的输出端相连接。
其中所述的有源谐振腔包括：依次串接的制作在普通单模光纤上的大宽带光栅、掺杂光纤、制作在保偏光纤上的光栅。
其中所述的信息加载模块包括：两波分复用器，该两波分复用器为1×2波分复用器，其中一波分复用器的一输入端与另一波分复用器的一输出端连接，在该两波分复用器的另一端之间串接有一电光调制器，用于分配不同波长的光进入不同的通道，并对其中一个通道加载信号。
其中所述的电光调制器还连接有一信号发生器，用于产生所需要的调制信号，从而实现毫米波副载。
本发明的突出优点：
1、本发明采用的双频光纤激光器，具有窄线宽、低噪声的特点，从源头上解决相位噪声问题；
2、本发明采用同一谐振腔产生的双频激光频差稳定，自外差后产生拍频毫米波信号，实现低成本毫米波副载波光发射；
3、本发明的结构简单，稳定性高，易于推广应用。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1为本发明的基于双频光纤激光器的毫米波副载波光发射器的结构示意图；
图2为有源谐振腔选频的光谱图；
图3为制作在保偏光纤的光栅的反射谱实测图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1所示，本发明一种基于双频光纤激光器的毫米波副载波光发射器，包括：
一泵浦源1，用于泵浦有源光纤；
一隔离器2，该隔离器2的输入端与泵浦源1的输出端相连接，用于隔离进入泵浦源的光，对泵浦源起到保护作用；
一有源谐振腔3，该有源谐振腔3输入端与隔离器2的输出端相连接，提供光学增益和反馈，产生双纵模激光；
其中所述的有源谐振腔3包括：依次串接的制作在普通单模光纤上的大宽带光栅31、掺杂光纤32、制作在保偏光纤上的光栅33；
一信息加载模块4，该信息加载模块4的输入端与有源谐振腔3的输出端相连接；
其中所述的信息加载模块4包括：两波分复用器41，该两波分复用器41为1×2波分复用器，其中一波分复用器41的一输入端与另一波分复用器41的一输出端连接，在该两波分复用器41的另一端之间串接有一电光调制器43，用于分配不同波长的光进入不同的通道，并对其中一个通道加载信号；其中所述的电光调制器43还连接有一信号发生器42，用于产生所需要的调制信号，从而实现毫米波副载；
一单模光纤5，单模光纤5的一端与信息加载模块4连接，用于传输信号，实现长距离通信；
一光电探测器6，该光电探测器6的输入端与单模光纤5的另一端相连接，用于把光信号转换为电信号；
一放大器7，该放大器7与光电探测器6的输出端相连接，用于放大光电探测器产生的电信号；
一发射天线8，该发射天线8与放大器7的输出端相连接。
请再参阅图1所示，本发明一种基于双频光纤激光器的毫米波副载波光发射器，其中泵浦源1产生的波长为980nm的泵浦光先通过隔离器2，目的是防止反射的980nm的光对泵浦源的损害，然后经过制作在普通单模光纤上的大宽带光栅31、掺杂光纤32和制作在保偏光纤上的光栅33构成的有源谐振腔，输出为频率ω1，ω2的光波，它们被波分复用器41分开，进入不同的通道。其中一个频率通过电光调制器43和信号发生器42加载所需的调制信号。两个光信号的电场强度分别可以描述为：
E1(t)＝m(t)E01exp[j(ω1t-Φ1)]+c.c.
E2(t)＝E02exp[j(ω2t-Φ2)]+c.c.
式中m(t)为幅度调制的信号，E01，E01为电场强度的振幅，ω1，ω2，Φ1和Φ2分别为双频光波的角频率和初始相位。这两个光波信号经过波分复用器41，通过单模光纤5传输到基站，在光电探测器6上经外差转化为毫米波射频信号，其相应的输出电流i(t)可以描述成：
i(t)∝m(t-τR)cos[(ω2-ω1)t-(Φ2-Φ1)]
这里τR表示由光纤色散引入的时延，它对数据信号不引入误差。由于信号比较微弱，需要经放大器7放大，通过发射天线8发射出去，被用户接收。
工作过程中，保偏光纤由于不同偏振态的折射率差别比较大，所以经紫外光照射而制作在其上面的光栅的反射谱中存在两个峰，图3为制作在保偏光纤的光栅的反射谱实测图，双峰对应的波长分别为1533.517nm，1534.112nm，整个栅区长度为1.2cm。因为制作在普通单模光纤上的光栅的反射峰的线宽要大于制作在保偏光纤的光栅双峰的间距，所以它反射率较高，不适合作为双频激光器的输出端，应与泵浦源相连。当泵浦光功率达到一定值并且满足激光振荡条件时，激光从制作在保偏光纤上的光栅端输出。图2为有源谐振腔选频的光谱图，虚线为制作在普通单模光纤上的光栅的反射谱，粗实线为制作在保偏光纤上的反射谱，细实线满足有源谐振腔驻波条件而选择的频率，同时满足光栅布拉格反射条件和谐振腔驻波要求的ω1，ω2才会激射出激光。因为双频的激光是在同一谐振腔中产生，所以当外界环境有扰动时，激光的两个频率变化量相同，从而差频后得到的毫米波频率保持不变。采用这种结构的光纤激光器输出波长可以覆盖C波段，激光带宽为＜50KHz。
在制作过程中可以控制双纵模激光的波长和波长间隔，所以通过外差得到的毫米波的频率可调，用于满足实际应用中的需要，电光调制器主要调制的是光强，属于强度调制。
实验中得到了的毫米波频率为7.5GHz，波长为4毫米，双纵模激光器的波长分别为1533.536nm，1534.124nm，带宽＜50KHz。

Claims (4)

1.一种基于双频光纤激光器的毫米波副载波光发射器，其特征在于，包括：
一泵浦源，用于泵浦有源光纤；
一隔离器，该隔离器的输入端与泵浦源的输出端相连接，用于隔离进入泵浦源的光，对泵浦源起到保护作用；
一有源谐振腔，该有源谐振腔输入端与隔离器的输出端相连接，提供光学增益和反馈，产生双纵模激光；
一信息加载模块，该信息加载模块的输入端与有源谐振腔的输出端相连接；
一单模光纤，单模光纤的一端与信息加载模块的输出端连接，用于传输信号，实现长距离通信；
一光电探测器，该光电探测器的输入端与单模光纤的另一端相连接，用于把光信号转换为电信号；
一放大器，该放大器与光电探测器的输出端相连接，用于放大光电探测器产生的电信号；
一发射天线，该发射天线与放大器的输出端相连接。
2.如权利要求1所述的基于双频光纤激光器的毫米波副载波光发射器，其特征在于，其中所述的有源谐振腔包括：依次串接的制作在普通单模光纤上的大宽带光栅、掺杂光纤、制作在保偏光纤上的光栅。
3.如权利要求1所述的基于双频光纤激光器的毫米波副载波光发射器，其特征在于，其中所述的信息加载模块包括：两波分复用器，该两波分复用器为1×2波分复用器，其中一波分复用器的双口端中的一接头端与另一波分复用器的双口端中的一接头端连接，在该两波分复用器的双口端中的另一接头端之间串接有一电光调制器，用于分配不同波长的光进入不同的通道，并对其中一个通道加载信号。
4.如权利要求3所述的基于双频光纤激光器的毫米波副载波光发射器，其特征在于，其中所述的电光调制器还连接有一信号发生器，用于产生所需要的调制信号，从而实现毫米波副载。
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