CN101540469B - 一种可调谐高频微波信号的光学产生方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调谐高频微波信号的光学产生方法和装置。本发明方法利用径向应力使得相移布拉格光纤光栅的一个窄带透射峰分裂为两个，来实现双波长激光器，进而拍频产生可调谐高频微波信号。实现该方法的装置包括波长为980nm的泵浦光源、三端口980nm/1550nm光波分复用器、均匀布拉格光纤光栅、相移布拉格光纤光栅、三端口光环形器和掺铒增益光纤和光电探测器，其中均匀布拉格光纤光栅、相移布拉格光纤光栅、三端口光环形器、掺铒增益光纤构成了激光谐振腔。本发明方法利用的光栅都属于一般光栅结构，相对于电学微波信号产生方法，装置结构简单，易于实现，并易于产生可调谐的微波信号。

Description

一种可调谐高频微波信号的光学产生方法和装置

技术领域

本发明属于微波光子学技术领域，涉及高频微波信号的产生技术，特别是适用于在无线通信和有线通信相结合的光纤无线系统(RoF系统)中的应用，具体涉及了一种采用光学方法产生可调谐高频微波信号的方法，以及实现该方法的装置。

背景技术

在光纤无线系统中，通常将数字信号调制在高频载波信号上，然后再通过光调制在光纤中传输，从而提高系统带宽和通信速率。光纤无线系统为下一带无线通信提供了很好的解决方案。在该系统中，高频载波信号对于系统带宽和通信速率的提高非常关键。目前高频微波信号产生的方法主要通过电学方法来实现。采用传统电学方法来产生微波信号由于受到“电子瓶颈”的制约，很难产生高频微波信号，即使可以产生，其装置结构比较复杂，成本相对较高。而利用两个相位相关、波长间距为所需微波信号频率的光波进行拍频来得到微波信号的光学方法，易得到高频率的微波信号。现有的光学产生方法中有采用两个波长不同的激光器，进行拍频得到微波信号的方法。但是由于两个孤立的激光器之间相位是不相关的，很难得到稳定的微波信号。因此采用该方法需要较为复杂的锁相装置来关联激光器相位。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可调谐高频微波信号的光学产生方法，本发明同时提供了实现该方法的设备。

本发明方法利用光纤的弹光效应和相移布拉格光纤光栅的窄带透射峰，并且采用径向应力使得相移光栅的窄带透射峰分裂成两个来实现双波长激光器，从而进行拍频得到微波信号。该方法包括以下步骤：

1、将波长为980nm的泵浦光通过三端口980nm/1550nm光波分复用器耦合进入激光谐振腔；所述的激光谐振腔包括均匀布拉格光纤光栅、相移布拉格光纤光栅、三端口光环形器、掺铒增益光纤；均匀布拉格光纤光栅和相移布拉格光纤光栅均为通过紫外光在光纤中形成的折射率调制的光纤器件，其中均匀布拉格光纤光栅的光谱上表现为一个反射峰，相移布拉格光纤光栅在光谱上表现为在反射带中产生一个窄带透射峰；均匀布拉格光纤光栅对于980nm的光完全透射，且其反射峰波长与相移布拉格光纤光栅的透射峰相匹配；

2、对相移布拉格光纤光栅施加径向应力，在径向应力作用下，相移布拉格光纤光栅所在的光纤在x轴和y轴上的有效折射率均发生改变，在x轴的有效折射率变化量为(Δn_eff)_x，

${\left(\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{eff}}\right)}_x=-\frac{{n_{\mathrm{eff}}}^3}{2Y}\{(p_{11}-2\mathrm{\υ}{p}_{12}){\mathrm{\σ}}_x+[(1-\mathrm{\υ})p_{12}-\mathrm{\υ}{p}_{11}\left]\right[{\mathrm{\σ}}_y+{\mathrm{\σ}}_z\left]\right\}---\left(1\right)$

在y轴的有效折射率变化量为(Δn_eff)_y，

${\left(\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{eff}}\right)}_y=-\frac{{n_{\mathrm{eff}}}^3}{2Y}\{(p_{11}-2\mathrm{\υ}{p}_{12}){\mathrm{\σ}}_y+[(1-\mathrm{\υ})p_{12}-\mathrm{\υ}{p}_{11}\left]\right[{\mathrm{\σ}}_x+{\mathrm{\σ}}_z\left]\right\}---\left(2\right)$

其中，Y为光纤的杨氏模量，υ为泊松系数，p₁₁和p₁₂为弹光张量分量，σ_x，σ_y和σ_z是在x，y和z方向上的应力分量，n_eff为光纤原有效折射率；对于光纤，当施加应力时其有效折射率的改变在x轴和y轴是不同的，对相移布拉格光纤光栅施加应力，其窄带透射峰由于所在光纤在不同方向上的不同有效折射率改变，分裂成两个窄带透射峰；

3、波长为980nm的泵浦光在激光谐振腔内首先经过均匀布拉格光纤光栅，完全透射后进入掺铒增益光纤，受激跃迁辐射，产生波长为1530～1570nm的荧光；荧光通过三端口光环形器进入相移布拉格光纤光栅的一端，经过施加有径向应力的相移布拉格光纤光栅，由相移布拉格光纤光栅的两个窄带透射峰滤波得到两个波长，再由相移布拉格光纤光栅的另一端进入三端口光环形器，然后耦合至掺铒增益光纤，进入均匀布拉格光纤光栅后，一部分反射回激光谐振腔，另一部分透过均匀布拉格光纤光栅经过三端口980nm/1550nm光波分复用器进入光电探测器；获得的双波长激光输出在光电探测器上拍频得到高频微波信号输出。

4、通过改变施加在相移布拉格光纤光栅径向应力的大小，改变相移布拉格光纤光栅两个窄带透射峰之间的波长间隔，获得频率可以调谐的高频微波信号。

实现上述方法的装置包括波长为980nm的泵浦光源、三端口980nm/1550nm光波分复用器、均匀布拉格光纤光栅、相移布拉格光纤光栅、三端口光环形器、掺铒增益光纤和光电探测器。波长为980nm的泵浦光源与三端口980nm/1550nm光波分复用器的980nm端口光连接，三端口980nm/1550nm光波分复用器的公共端与均匀布拉格光纤光栅的一端光连接，均匀布拉格光纤光栅的另一端与掺铒增益光纤的一端光连接，掺铒增益光纤的另一端与三端口光环形器的第二端口光连接，三端口光环形器的第一端口与相移布拉格光纤光栅的一端光连接，相移布拉格光纤光栅的另一端与三端口光环形器的第三端口光连接，光电探测器的光口与三端口980nm/1550nm光波分复用器的1550nm端口光连接，在光电探测器的电口获得产生的高频微波信号；相移布拉格光纤光栅与径向应力施加装置配合连接。

所述的径向应力施加装置包括平行设置的基板，压板和夹紧装置，相移布拉格光纤光栅位于基板与压板之间。

本发明方法中用到的光栅都属于一般光栅结构，相对于电学微波信号产生方法，装置结构简单，易于实现，并易于产生可调谐的微波信号。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，波长为980nm的泵浦光1与三端口980nm/1550nm光波分复用器2的980nm端口连接，三端口980nm/1550nm光波分复用器2的1550/980nm公共端与布拉格光纤光栅3的一端光连接，布拉格光纤光栅3的另一端与掺铒光纤4的一端光连接，掺铒光纤4的另一端与三端口光环形器5的第二端口光连接，三端口光环形器5的第一端口与相移布拉格光纤光栅6的一端光连接，相移布拉格光纤光栅6的另一端与三端口光环形器5的第三端口光连接，光电探测器8的光口与三端口980nm/1550nm光波分复用器2的1550nm端口光连接。相移布拉格光纤光栅6放置在径向应力施加装置7上。

具体的产生方法包括以下步骤：

将波长为980nm的泵浦光通过三端口980nm/1550nm光波分复用器耦合进入激光谐振腔，该激光谐振腔包括均匀布拉格光纤光栅、相移布拉格光纤光栅、三端口光环形器、掺铒增益光纤；均匀布拉格光纤光栅和相移布拉格光纤光栅均为通过紫外光在光纤中形成的折射率调制的光纤器件，其中均匀布拉格光纤光栅的光谱上呈现一个反射峰，而相移布拉格光纤光栅在光谱上表现为在反射带中产生一个窄带透射峰；均匀布拉格光纤光栅对于980nm的光完全透射，且其反射峰波长与相移布拉格光纤光栅的透射峰相匹配。

对相移布拉格光纤光栅施加径向应力，在径向应力作用下，相移布拉格光纤光栅所在的光纤在x轴和y轴上的有效折射率均发生改变，在x轴的有效折射率变化量为(Δn_eff)_x，

${\left(\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{eff}}\right)}_x=-\frac{{n_{\mathrm{eff}}}^3}{2Y}\{(p_{11}-2\mathrm{\υ}{p}_{12}){\mathrm{\σ}}_x+[(1-\mathrm{\υ})p_{12}-\mathrm{\υ}{p}_{11}\left]\right[{\mathrm{\σ}}_y+{\mathrm{\σ}}_z\left]\right\}---\left(1\right)$

在y轴的有效折射率变化量为(Δn_eff)_y，

${\left(\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{eff}}\right)}_y=-\frac{{n_{\mathrm{eff}}}^3}{2Y}\{(p_{11}-2\mathrm{\υ}{p}_{12}){\mathrm{\σ}}_y+[(1-\mathrm{\υ})p_{12}-\mathrm{\υ}{p}_{11}\left]\right[{\mathrm{\σ}}_x+{\mathrm{\σ}}_z\left]\right\}---\left(2\right)$

其中，Y为光纤的杨氏模量，υ为泊松系数，p₁₁和p₁₂为弹光张量分量，σ_x，σ_y和σ_z是在x，y和z方向上的应力分量，n_eff为光纤原有效折射率；对于普通光纤，当施加应力时其有效折射率的改变在x和y方向上时不同的，对相移布拉格光纤光栅施加应力，其窄带透射峰由于所在光纤在不同方向上的不同有效折射率将分裂成两个窄带透射峰。

波长为980nm的泵浦光在激光谐振腔内首先经过均匀布拉格光纤光栅，完全透射后进入掺铒增益光纤，受激跃迁辐射，产生波长为1530～1570nm的荧光；荧光通过三端口光环形器进入相移布拉格光纤光栅的一端，经过施加有径向应力的相移布拉格光纤光栅，由相移布拉格光纤光栅的两个窄带透射峰滤波得到两个波长，再由相移布拉格光纤光栅的另一端进入三端口光环形器，然后耦合至掺铒增益光纤，进入均匀布拉格光纤光栅后，一部分反射回激光谐振腔，另一部分透过均匀布拉格光纤光栅经过三端口980nm/1550nm光波分复用器进入光电探测器。获得的双波长激光输出在光电探测器上拍频得到高频微波信号输出。

通过改变施加在相移布拉格光纤光栅径向应力的大小，改变相移布拉格光纤光栅两个窄带透射峰之间的波长间隔，获得频率可以调谐的高频微波信号。

Claims (2)

1.一种可调谐高频微波信号的光学产生方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤(1)将波长为980nm的泵浦光通过三端口980nm/1550nm光波分复用器耦合进入激光谐振腔；所述的激光谐振腔包括均匀布拉格光纤光栅、相移布拉格光纤光栅、三端口光环形器、掺铒增益光纤；均匀布拉格光纤光栅和相移布拉格光纤光栅均为通过紫外光在光纤中形成的折射率调制的光纤器件，其中均匀布拉格光纤光栅的光谱上表现为一个反射峰，相移布拉格光纤光栅在光谱上表现为在反射带中产生一个窄带透射峰；均匀布拉格光纤光栅对于980nm的光完全透射，且其反射峰波长与相移布拉格光纤光栅的透射峰相匹配；

步骤(2)对相移布拉格光纤光栅施加径向应力，在径向应力作用下，相移布拉格光纤光栅所在的光纤在x轴和y轴上的有效折射率均发生改变，在x轴的有效折射率变化量为(Δn_eff)_x，

${\left(\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{eff}}\right)}_x=-\frac{{n_{\mathrm{eff}}}^3}{2Y}\{(p_{11}-2\mathrm{\υ}{p}_{12}){\mathrm{\σ}}_x+[(1-\mathrm{\υ})p_{12}-\mathrm{\υ}{p}_{11}\left]\right[{\mathrm{\σ}}_y+{\mathrm{\σ}}_z\left]\right\}$

在y轴的有效折射率变化量为(Δ_neff)_y，

${\left(\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{eff}}\right)}_y=-\frac{{n_{\mathrm{eff}}}^3}{2Y}\{(p_{11}-2\mathrm{\υ}{p}_{12}){\mathrm{\σ}}_y+[(1-\mathrm{\υ})p_{12}-\mathrm{\υ}{p}_{11}\left]\right[{\mathrm{\σ}}_x+{\mathrm{\σ}}_z\left]\right\}$

其中，Y为光纤的杨氏模量，υ为泊松系数，p_11和p₁₂为弹光张量分量，σ_x，σ_y和σ_z是在x，y和z方向上的应力分量，n_eff为光纤原有效折射率；对相移布拉格光纤光栅施加应力后，其窄带透射峰分裂成两个窄带透射峰；

步骤(3)波长为980nm的泵浦光在激光谐振腔内首先经过均匀布拉格光纤光栅，完全透射后进入掺铒增益光纤，受激跃迁辐射，产生波长为1530～1570nm的荧光；荧光通过三端口光环形器进入相移布拉格光纤光栅的一端，经过施加有径向应力的相移布拉格光纤光栅，由相移布拉格光纤光栅的两个窄带透射峰滤波得到两个波长，再由相移布拉格光纤光栅的另一端进入三端口光环形器，然后耦合至掺铒增益光纤，进入均匀布拉格光纤光栅后，一部分反射回激光谐振腔，另一部分透过均匀布拉格光纤光栅经过三端口980nm/1550nm光波分复用器进入光电探测器；获得的双波长激光输出在光电探测器上拍频得到高频微波信号输出；

步骤(4)通过改变施加在相移布拉格光纤光栅径向应力的大小，改变相移布拉格光纤光栅两个窄带透射峰之间的波长间隔，获得频率可以调谐的高频微波信号。

2.实现如权利要求1所述方法的设备，包括波长为980nm的泵浦光源、三端口980nm/1550nm光波分复用器、均匀布拉格光纤光栅、相移布拉格光纤光栅、三端口光环形器、掺铒增益光纤和光电探测器，其特征在于：波长为980nm的泵浦光源与三端口980nm/1550nm光波分复用器的980nm端口光连接，三端口980nm/1550nm光波分复用器的公共端与均匀布拉格光纤光栅的一端光连接，均匀布拉格光纤光栅的另一端与掺铒增益光纤的一端光连接，掺铒增益光纤的另一端与三端口光环形器的第二端口光连接，三端口光环形器的第一端口与相移布拉格光纤光栅的一端光连接，相移布拉格光纤光栅的另一端与三端口光环形器的第三端口光连接，光电探测器的光口与三端口980nm/1550nm光波分复用器的1550nm端口光连接，在光电探测器的电口获得产生的高频微波信号；相移布拉格光纤光栅与径向应力施加装置配合连接；

所述的径向应力施加装置包括平行设置的基板，压板和夹紧装置，相移布拉格光纤光栅位于基板与压板之间。

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