CN101551571A - 基于光差拍技术的频率合成器及频率合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光差拍技术的频率合成器及频率合成方法，该频率合成器主要包括：依序连接组成频率合成的光纤激光器，光电探测器、可调谐带通滤波器。本发明通过将光纤激光器输出的多纵模激光输入到光电探测器，激光纵模在光电探测器处发生差拍，产生一系列等频率间隔的正弦波电信号，然后通过调节可调谐带通滤波器选取某一频率的电信号。由于激光纵模数量众多，因此纵模差拍产生的电信号频率范围非常宽，可以从兆赫兹变化到上百吉赫兹。本发明具有体积小，结构简单，方法简便、工作频带宽的特点。该发明属于现代通信系统及仪器仪表测量领域。

Description

基于光差拍技术的频率合成器及频率合成方法

(一)技术领域：

本发明涉及现代通信系统，仪器仪表测量领域，特别是一种基于光差拍技术的频率合成器及频率合成方法，主要用作现代通信系统、雷达、仪器仪表测量等领域的信号源。

(二)背景技术：

频率合成器在无线电通信系统及仪器仪表测量领域有着广泛的应用。例如在无线通信系统的收发信机中，频率合成器的主要任务是产生频率变换的本振信号。目前基于电学的方法实现频率合成的方法有直接频率合成、间接频率合成和直接数字频率合成。直接频率合成是用一个或几个参考频率源经过谐波发生器变成一系列谐波，再通过倍频、分频等方法，产生所需的频率。采用这种方法的频率合成器体积大、成本高、结构复杂。间接频率合成技术采用锁相环路实现频率合成，它的缺点是分辨率受频率转换时间的限制。直接数字频率合成是一种把一系列数字信号通过数/模转换器转换成模拟量形式的信号合成技术，它的缺点是工作频带窄，通常在30MHz～300MHz以下。因此基于光学的方法实现体积小、结构简单、工作频带宽的频率合成器成为研究的热点。

(三)发明内容：

本发明的目地是提供一种基于光差拍技术的频率合成器及频率合成方法。它利用光差拍技术，通过简单的结构产生一系列等频率间隔的正弦波电信号。

本发明的技术方案：一种基于光差拍技术的频率合成器，其特征在于它是由光纤激光器、光电探测器、可调谐带通滤波器所构成，其中光纤激光器的输出端口与光电探测器的输入端口相连接，光电探测器的输出端口接可调谐带通滤波器。

上述所说的光纤激光器是环行腔或线性腔的多纵模光纤激光器。

上述所说的光电探测器的截止频率高于频率合成器的最高工作频率，至少为1GHz。

上述所说的可调谐带通滤波器是一滤波器组，调谐范围应覆盖频率合成器的整个工作频带，且每个滤波器的3dB带宽小于纵模间隔。

上述所说的光纤激光器为环行腔掺铒光纤激光器，其中，波分复用光耦合器的端口(a)与半导体泵浦激光器(LD)的输出端相连接，端口(b)与掺铒光纤相连接，端口(c)与耦合器的端口(h)相连接；环行器的端口(d)与掺铒光纤的另一端相连接，端口(e)依次与偏振控制器和光纤布喇格光栅相连接，端口(f)与耦合器的端口(g)相连接；耦合器的端口(i)与光电探测器的输入端口相连接。

上述所说的与波分复用光耦合器端口(c)连接的耦合器是9∶1或8∶2或5∶5的耦合器。

上述所说的与波分复用光耦合器端口(a)连接的半导体泵浦激光器(LD)是波长为980nm或1480nm的半导体泵浦激光器。

上述所说的一种基于光差拍技术的频率合成器的频率合成方法，其特征在于它包括以下几个步骤：

①根据分辨率Δv的要求，搭建光纤激光器，若搭建环形腔结构光纤激光器，其腔长L应满足： $\mathrm{\Δv}=\frac{c}{\mathrm{nL}},$ 若搭建线性腔结构的光纤激光器其腔长应满足 $\mathrm{\Δv}=\frac{c}{2\mathrm{nL}};$

②根据频率合成器的工作范围选择截止频率高于频率合成器的最高工作频率的光电探测器，然后将光纤激光器产生的稳定的多纵模激光输入到光电探测器，激光纵模将会在光电探测器处发生差拍，产生一系列频率间隔为Δv正弦波电信号；

③将光电探测器输出的一系列正弦波电信号输入到可调谐带通滤波器，调节可调谐带通滤波器选取所需频率的电信号。

本发明的原理：本案是利用一腔长为L的光纤激光器产生多纵模激光，根据腔的纵模在频率尺度上呈等距离排列的原理，环形腔结构的激光器其纵模间隔为：

$\mathrm{\Δv}=\frac{c}{\mathrm{nL}}$

线性腔结构的激光器其纵模间隔为：

$\mathrm{\Δv}=\frac{c}{2\mathrm{nL}}$

其中，c为光在真空的速度，L为激光器谐振腔的腔长，n为光纤的有效折射率。

将此多纵模激光垂直入射到光电探测器，由于每个激光纵模具有准单色性且相位相关，因此任意两个激光纵模在光电探测器表面形成相干光场，经光电探测器探测后输出一系列频率间隔为Δv的正弦波电信号，将该一系列的正弦波电信号输入到可调谐带通滤波器，通过调节可调谐带通滤波器选择取某一频率的信号。

本发明的优越性在于：它是一种基于光差拍技术的频率合成器及频率合成方法，它是将一光纤激光器输出的多纵模激光输入到一光电探测器，激光纵模在光电探测器表面形成相干光场，经光电探测器探测后能输出一系列等频率间隔的差拍信号，将该系列的差拍信号输入到可调谐带通滤波器，调节可调谐带通滤波器来选择取某一频率的差频信号。由于激光纵模数量众多，因此纵模差拍产生的电信号频率范围宽，可以从几兆赫兹变到上百吉赫兹。本发明具有体积小，结构简单，方法简便、工作频带宽的特点。

(四)附图说明：

附图1是本发明所涉一种基于光差拍技术的频率合成器的基本结构示意图。

附图2是本发明所涉一种基于光差拍技术的频率合成器中的光纤激光器结构示意图。

其中：(1)为光纤激光器，(2)为光电探测器，(3)为可调谐带通滤波器，(4)为半导体泵浦激光器(LD)，(5)为波分复用光耦合器，(6)为掺铒光纤，(7)为环行器，(8)为偏振控制器，(9)为光纤布喇格光栅，(10)为9∶1耦合器。

附图3是本发明所涉一种基于光差拍技术的频率合成器的光纤激光器实施例输出的光谱图。

附图4是本发明所涉一种基于光差拍技术的频率合成器的光电探测器实施例在宽频率带宽内的频域波形。

附图5是本发明所涉一种基于光差拍技术的频率合成器的光电探测器实施例在窄频率带宽内的频域波形。

附图6是本发明所涉一种基于光差拍技术的频率合成器的可调谐带通滤波器实施例所选取的某一频率的电信号。

(五)具体实施方式：

实施例：一种基于光差拍技术的频率合成器及频率合成方法(见图1)，其构成器件的连接方式为：光纤激光器(1)的输入端口与光电探测器(2)的输入端口相连接，光电探测器(2)的输出端口接可调谐带通滤波器(3)。

上述所说的光纤激光器(1)是环行腔多纵模光纤激光器。

上述所说的光电探测器(2)的截止频率高于频率合成器的最高工作频率，为10GHz。

上述所说的可调谐带通滤波器(3)是一滤波器组，调谐范围应覆盖频率合成器的整个工作频带，且每个滤波器的3dB带宽小于纵模间隔，为8MHz。

上述所说的光纤激光器(1)为环行腔掺铒光纤激光器，其中，波分复用光耦合器(5)的端口(a)与半导体泵浦激光器(LD)(4)的输出端相连接，端口(b)与掺铒光纤(6)相连接，端口(c)与9∶1耦合器(10)的端口(h)相连接；环行器(7)的端口(d)与掺铒光纤(6)的另一端相连接，端口(e)依次与偏振控制器(8)和光纤布喇格光栅(9)相连接，端口(f)与9∶1耦合器(10)的端口(g)相连接；9∶1耦合器(10)的端口(i)与光电探测器(2)的输入端口相连接(见图2)。

上述所说的与波分复用光耦合器(5)端口(a)连接的半导体泵浦激光器(LD)(4)是波长为980nm的半导体泵浦激光器。

上述所说的一种基于光差拍技术的频率合成器的频率合成方法，其特征在于它包括以下几个步骤：

①根据分辨率Δv的要求，搭建环形腔结构的多纵模光纤激光器(1)，其腔长L应满足： $\mathrm{\Δv}=\frac{c}{\mathrm{nL}},$ 为20m(见图3)；

②根据频率合成器的工作范围选择截止频率高于频率合成器的最高工作频率的光电探测器(2)，然后将光纤激光器(1)产生的稳定的多纵模激光输入到光电探测器(2)，激光纵模将会在光电探测器处发生差拍，产生一系列频率间隔为Δv正弦波电信号(见图4、5)；

③将光电探测器(2)输出的一系列正弦波电信号输入到可调谐带通滤波器(3)，调节可调谐带通滤波器选取所需频率的电信号(见图6)。

图3为该环行腔掺铒光纤激光器(1)输出的激光谱图。图4及图5为采用10GHz高速光电探测器(2)输出的不同频率带宽内的频域波形。图6为可调谐带通滤波器(3)选择取的频率为10.49973GHz的正弦波电信号。

Claims (8)

1、一种基于光差拍技术的频率合成器，其特征在于它是由光纤激光器(1)、光电探测器(2)、可调谐带通滤波器(3)所构成，其中光纤激光器(1)的输出端口与光电探测器(2)的输入端口相连接，光电探测器(2)的输出端口接可调谐带通滤波器(3)。

2、根据权利要求1所说的一种基于光差拍技术的频率合成器，其特征在于所说的光纤激光器(1)是环行腔或线性腔的多纵模光纤激光器。

3、根据权利要求1所说的一种基于光差拍技术的频率合成器，其特征在于所说的光电探测器(2)的截止频率高于频率合成器的最高工作频率，至少为1GHz。

4、根据权利要求1所说的一种基于光差拍技术的频率合成器，其特征在于所说的可调谐带通滤波器(3)是一滤波器组，调谐范围应覆盖频率合成器的整个工作频带，且每个滤波器的3dB带宽小于纵模间隔。

5、根据权利要求2所说的一种基于光差拍技术的频率合成器，其特征在于所说的光纤激光器(1)为环行腔掺铒光纤激光器，其中，波分复用光耦合器(5)的端口(a)与半导体泵浦激光器(LD)(4)的输出端相连接，端口(b)与掺铒光纤(6)相连接，端口(c)与耦合器(10)的端口(h)相连接；环行器(7)的端口(d)与掺铒光纤(6)的另一端相连接，端口(e)依次与偏振控制器(8)和光纤布喇格光栅(9)相连接，端口(f)与耦合器(10)的端口(g)相连接；耦合器(10)的端口(i)与光电探测器(2)的输入端口相连接。

6、根据权利要求5所说的一种基于光差拍技术的频率合成器，其特征在于所说的与波分复用光耦合器(5)端口(c)连接的耦合器(10)是9∶1或8∶2或5∶5的耦合器。

7、根据权利要求5所说的一种基于光差拍技术的频率合成器，其特征在于所说的与波分复用光耦合器(5)端口(a)连接的半导体泵浦激光器(LD)(4)是波长为980nm或1480nm的半导体泵浦激光器。

8、根据权利要求1所说的一种基于光差拍技术的频率合成器的频率合成方法，其特征在于它包括以下几个步骤：

①根据分辨率Δv的要求，搭建多纵模光纤激光器(1)，若搭建环形腔结构的光纤激光器，其腔长L应满足： $\mathrm{\Δv}=\frac{c}{\mathrm{nL}},$ 若搭建线性腔结构的光纤激光器其腔长应满足 $\mathrm{\Δv}=\frac{c}{2\mathrm{nL}};$

②根据频率合成器的工作范围选择截止频率高于频率合成器的最高工作频率的光电探测器(2)，然后将光纤激光器(1)产生的稳定的多纵模激光输入到光电探测器(2)，激光纵模将会在光电探测器处发生差拍，产生一系列频率间隔为Δv正弦波电信号；

③将光电探测器(2)输出的一系列正弦波电信号输入到可调谐带通滤波器(3)，调节可调谐带通滤波器选取所需频率的电信号。

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