CN101222102B - 线性腔保偏光纤激光器产生微波、毫米波的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波光子技术领域的线性腔保偏光纤激光器产生微波、毫米波的装置。该装置包括泵浦光、线性腔保偏光纤激光器及高速光电探测器。本发明集中射频波和光波技术优点，利用光纤光栅的波长选择特性，并利用保偏有源光纤作为激光器的增益介质，在保偏有源光纤两端写入均匀光纤光栅，或一端写入均匀光纤光栅，另一端镀上与光纤光栅波长对应的高反射膜，两个均匀保偏光纤光栅之间或均匀保偏光纤光栅与高反射膜之间的谐振构成激光腔。将泵浦光耦合进保偏有源光纤，激励保偏有源光纤与两个保偏光纤光栅或一个均匀保偏光纤光栅与高反射膜构成的激光器产生单偏振双波长激光。单偏振双波长激光耦合进高速光电探测器中，通过差频产生微波、毫米波信号。

Description

线性腔保偏光纤激光器产生微波、毫米波的装置

技术领域

本发明涉及线性腔保偏光纤激光器产生微波、毫米波的装置，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

对人类来说，21世纪留给我们的最大资产是电波和光融合的电磁波波段。换言之，现代通信的关键是“光和无线”。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。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，提供最后一公里的最佳解决途径。这种在无线/移动通信的接入系统中、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，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，而光纤提供了低损耗宽带连接，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。

微波在卫星通信和陆地移动通信中的应用日益普遍，而微波发生器在通信系统中占有十分重要的地位，是关键的核心部件。

微波可以通过电域的模拟电路或者数字电路得到，但频率局限在几个GHz以下，难以产生更高频率的微波、毫米波信号。

随着现存的系统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，利用光子方法产生微波、毫米波技术具有很大的吸引力，可以实现宽频域载波信号范围和光纤连接的低损传输，受到国内、外越来越多研究者的关注。其中基于1550nm波长窗口的光子技术对于利用光纤链路传输RF信号、光纤遥感和光纤测量设备等显得更为重要。从它的实现技术上来说，它主要采用超快光电转换器技术将光信号转换成电信号，例如，超快光电探测器等。宽带和大功率光电探测器的出现使得光子方法产生微波、毫米波信号技术变成可能，完全可以取代过去传统的电子RF信号发生器。从它的应用前景和研究意义来说，随着频率的增加，微波、毫米波的传输变得越来越困难，这也为光子技术在产生微波、毫米波信号中的应用提供了很好的舞台。

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、毫米波信号的新方法：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，频率从几个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，产生微波、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。

最近十年，微波光子学引起了世界各国的重视，现在专门的微波光子国际会议每年在北美、欧洲、亚太地区轮流召开。研制光学方法产生微波、毫米波的装置及其实现方法对未来通信的发展意义重大。

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，本发明提供一种利用光纤光栅的波长选择特性，和保偏有源光纤双折射不同的特点，产生偏振的双波长激光在高速探测器中差频产生微波、毫米波信号输出的装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：线性腔保偏光纤激光器产生微波、毫米波的装置，该装置包括泵浦光、线性腔保偏光纤激光器以及高速光电探测器；

所述线性腔保偏光纤激光器由保偏有源光纤制成，所述保偏有源光纤的两端分别写入均匀保偏光纤光栅，或着一端写入均匀保偏光纤光栅另一端镀上与所述均匀光纤光栅波长相对应的高反射膜，两端的均匀保偏光纤光栅之间或均匀保偏光纤光栅与高反射膜之间的谐振构成激光腔；所述一端的保偏光纤光栅、另一端的保偏光纤光栅/高反射膜、与保偏有源光纤一起构成线性腔保偏光纤激光器；

在保偏有源光纤的一侧，将泵浦光耦合进保偏有源光纤中，激励保偏有源光纤与两个均匀保偏光纤光栅或一个均匀保偏光纤光栅与高反射膜构成的谐振腔产生单偏振双波长激光，所述单偏振双波长激光耦合进所述高速光电探测器中，通过差频产生微波、毫米波信号。

所述的保偏有源光纤，为掺铒光纤、掺镱光纤、掺钬光纤、镱铒共掺光纤、掺钍光纤、掺镨光纤、或掺钕光纤。

所述的保偏有源光纤，其保偏方式为熊猫型、领结型、椭圆芯型、椭圆包层型、或光子晶体型。

所述保偏有源光纤，其长度为：在给定的泵浦功率下构成谐振腔的增益满足激光器的谐振条件时的长度。

所述保偏有源光纤，其最短长度为1cm，

最大长度为：选择泵浦光功率、有源掺杂吸收系数、保偏有源光纤以及连接点等构成腔的损耗，在给定的泵浦光作用下，刚好能够产生激光时的有源光纤长度。

所述的单偏振双波长激光的功率为相同或不同，其差值可为任意值。

所述的单偏振双波长激光的泵浦方式为采用端面泵浦，或侧面泵浦，或耦合器泵浦等。

所述保偏有源光纤双折射的大小决定保偏光纤激光器产生的双波长的波长差。

所述的单偏振的双波长激光，不需要加入偏振控制。

所述的微波、毫米波信号的频率大小范围为小于1000GHz。

本发明的有益效果具体如下：

本发明所述的线性腔保偏光纤激光器产生微波、毫米波的装置及其实现方法集中射频波和光波技术的优点，充分利用光纤光栅的波长选择特性，并利用保偏的有源光纤作为激光器的增益介质，在其两端写入均匀光纤光栅或者一端写入光栅，另外一端镀高反射膜，形成线性保偏光纤激光谐振腔。利用保偏光纤的双折射不同，写入的光纤光栅两个波长不同，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。产生单偏振的双波长激光在高速光电探测器中差频产生微波、毫米波信号，具有更高的性价比。

本发明所述的线性腔保偏光纤激光器产生微波、毫米波的方法，其为全光纤结构，与光纤微波系统兼容性好，结构紧凑、可以产生几个GHz到几百GHz(小于1000GHz)的微波信号，容易实现小型化和可集成化，且受环境影响小、成本低、易于实施，在通信、信号处理、雷达等领域具有广阔的应用前景。

附图说明

1、图1为线性腔保偏光纤激光器产生微波、毫米波的装置原理示意图的第一较佳实施例的结构示意图；

2、图2为线性腔保偏光纤激光器产生微波、毫米波的装置原理示意图的第二较佳实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明的目的就是提供利用线性腔保偏光纤激光器产生微波、毫米波的装置，克服已有的电域或者光域产生微波、毫米波信号的不足。

下面结合附图1、附图2和具体实施方式对本发明作进一步描述。

实施例1：

本发明设计了一种线性腔保偏光纤激光器产生微波、毫米波的装置。其结构如图1所示。

图1中保偏有源光纤的两端为两个均匀保偏光纤光栅

本线性腔保偏光纤激光器产生微波、毫米波的装置，包括泵浦光11、线性腔保偏光纤激光器以及高速光电探测器41；

该线性腔保偏光纤激光器由掺铒熊猫型保偏有源光纤31制成，在掺铒熊猫型保偏有源光纤31的两端分别写入均匀保偏光纤光栅21和22；均匀保偏光纤光栅21和22与掺铒熊猫型保偏有源光纤31一起构成线性腔保偏光纤激光器的谐振腔。

在掺铒熊猫型保偏有源光纤31的一侧，将泵浦光11端面耦合进掺铒熊猫型保偏有源光纤31中，在泵浦光11的激励下，掺铒熊猫型保偏有源光纤31在两个均匀保偏光纤光栅21和22的谐振作用下，产生单偏振的双波长激光。

产生的单偏振双波长激光的功率不要求相同，其差值可以为任意的值

掺铒熊猫型保偏有源光纤31双折射的大小决定保偏光纤激光器产生双波长的波长差

单偏振的双波长激光输入高速光电探测器41，在高速探测器41内差频产生微波或者毫米波。

实施例2：

本发明设计了一种线性腔保偏光纤激光器产生微波、毫米波的装置。其结构如图2所示。

图2中保偏有源光纤的一端为均匀光纤光栅，另一端为与光纤光栅波长相对应的高反射膜。

本线性腔保偏光纤激光器产生微波、毫米波的装置，包括泵浦光11、线性腔保偏光纤激光器以及高速光电探测器41；

该线性腔保偏光纤激光器由掺铒熊猫型保偏有源光纤31制成，在掺镱领结型保偏有源光纤的一端写入光纤光栅21，在掺镱领结型保偏有源光纤的另一端镀与光栅波长相对应的高反射膜51；均匀保偏光纤光栅21和高反射膜51与掺镱领结型保偏有源光纤31一起构成线性腔保偏光纤激光器的谐振腔。

在掺镱领结型保偏有源光纤31的一侧，将泵浦光11侧面泵浦耦合进保偏有源光纤31中，在泵浦光11的激励下，掺镱领结型保偏有源光纤31在均匀保偏光纤光栅21和高反射膜51的谐振作用下，产生单偏振的双波长激光。

产生的单偏振双波长激光的功率不要求相同，其差值可以为任意的值。

掺铒熊猫型保偏有源光纤31双折射的大小决定保偏光纤激光器产生双波长的波长差。

单偏振的双波长激光输入高速光电探测器41，在高速探测器41内差频产生微波或者毫米波。

实施例3：

采用实施例1或实施例2的步骤，一种线性腔保偏光纤激光器产生微波、毫米波的装置。

本发明由保偏有源光纤、泵浦、两个保偏光纤光栅或一个保偏光纤光栅加上与光栅波长相对应的高反射膜，以及高速光电探测器组成。

本发明选择的保偏有源光纤可为掺铒、或掺镱、或掺钬、或镱铒共掺、或掺钍、或掺镨、或掺钕光纤；其保偏方式可以采用熊猫型、或领结型、或椭圆芯型、或椭圆包层型、或光子晶体型。

本发明在保偏有源光纤的两端分别写入相同的均匀光纤光栅，或一端写入均匀光纤光栅，另外一端镀上与光纤光栅波长相对应的高反射膜。

本发明用两个均匀保偏光纤光栅之间或均匀保偏光纤光栅与高反射膜之间的谐振构成激光腔。

本发明中均匀保偏光纤光栅之间或均匀保偏光纤光栅与高反射膜之间的保偏有源光纤长度根据保偏有源光纤的增益、本地损耗以及泵浦的功率大小来确定。

本发明中保偏有源光纤的长度保证在给定的泵浦功率下构成谐振腔的增益满足激光器的谐振条件即可。保偏有源光纤最短长度1cm，最大长度为：选择泵浦光功率、有源掺杂吸收系数、保偏有源光纤及连接点等构成腔的损耗，在给定的泵浦光作用下，刚好能够产生激光时的有源光纤长度。

本发明中，在保偏有源光纤的一侧，将泵浦光耦合进保偏有源光纤中，在泵浦光的激励下，保偏有源光纤在两个均匀保偏光纤光栅的谐振作用下或保偏光纤光栅与高反射膜之间的谐振作用下，产生单偏振的双波长激光。产生的单偏振双波长激光的功率不要求相同，其差值可以为任意的值。泵浦方式，可采用端面泵浦，或侧面泵浦，或耦合器泵浦等。

本发明中保偏有源光纤的双折射大小决定保偏光纤激光器产生双波长的波长差。

本发明中单偏振的双波长激光输入高速光电探测器，在探测器内差频产生微波或者毫米波。

本发明中，产生单偏振的双波长激光，不需要加入偏振控制。

本发明全光纤化，结构紧凑。可以产生几个GHz到几百GHz(小于1000GHz)的信号。

本发明提出一种有效的、可靠的、线性腔保偏光纤激光器产生微波、毫米波的装置，但系统的部件都是常用的部件。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；本领域的技术人员显然明白，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，任何对本发明做出各种修正与变更而不违背本发明的精神与范围。因此，本发明试图覆盖在权利所附权利要求及其等效技术方案的范围内提出的本发明的各种修正与变更。

Claims (6)

1.一种线性腔保偏光纤激光器产生微波、毫米波的装置，其特征在于：该装置包括泵浦光、线性腔保偏光纤激光器以及高速光电探测器；

所述线性腔保偏光纤激光器由保偏有源光纤制成，所述保偏有源光纤的两端分别写入均匀保偏光纤光栅，或者一端写入均匀保偏光纤光栅另一端镀上与所述均匀保偏光纤光栅波长相对应的高反射膜，两端的均匀保偏光纤光栅之间或均匀保偏光纤光栅与高反射膜之间的谐振构成激光腔；所述一端的保偏光纤光栅、另一端的保偏光纤光栅/高反射膜、与保偏有源光纤一起构成线性腔保偏光纤激光器；

在保偏有源光纤的一侧，将泵浦光耦合进保偏有源光纤中，激励保偏有源光纤与两个均匀保偏光纤光栅或一个均匀保偏光纤光栅与高反射膜构成的谐振腔产生单偏振双波长激光，所述单偏振双波长激光耦合进所述高速光电探测器中，通过差频产生微波、毫米波信号。

2.根据权利要求1所述的线性腔保偏光纤激光器产生微波、毫米波的装置，其特征在于，所述的保偏有源光纤为掺铒光纤、掺镱光纤、掺钬光纤、镱铒共掺光纤、掺钍光纤、掺镨光纤或掺钕光纤。

3.根据权利要求1所述的线性腔保偏光纤激光器产生微波、毫米波的装置，其特征在于，所述的保偏有源光纤，其保偏方式为熊猫型、领结型、椭圆芯型、椭圆包层型或光子晶体型。

4.根据权利要求1所述的线性腔保偏光纤激光器产生微波、毫米波的装置，其特征在于，所述的单偏振双波长激光的泵浦方式为采用端面泵浦、侧面泵浦或耦合器泵浦。

5.根据权利要求1所述的线性腔保偏光纤激光器产生微波、毫米波的装置，其特征在于，其特征在于，所述的单偏振的双波长激光，不需要加入偏振控制。

6.根据权利要求1所述的线性腔保偏光纤激光器产生微波、毫米波的装置，其特征在于，所述的微波、毫米波信号的频率大小范围为小于1000GHz。

Images