CN101572375A - 利用单纵模双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置 - Google Patents

Abstract

一种利用单纵模双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置及其工作方法，该装置包括：依序连接组成该装置的泵浦激光器，波分复用光耦合器，超短线性谐振腔，光隔离器及高速光电探测器，其中的超短线性谐振腔包括依次连接的低反射率光纤光栅，有源光纤，高反射率光纤光栅。本发明利用两个光纤光栅作为激光器的反射镜，选取一段长度适合的有源光纤作为激光器的增益介质，组成超短线性谐振腔，利用超短线性谐振腔的选频特性以及光纤光栅的波长选择特性，实现激光的单纵模双波长输出，后将单纵模双波长激光耦合进高速光电探测器中，经拍频产生微波、毫米波信号。该发明具有结构简单、成本低廉、所产生微波、毫米波信号带宽窄、噪声低等特点。

Description

利用单纵模双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置

(一)技术领域：

本发明涉及光纤通信和光纤传感领域，特别是一种利用单纵模双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置，主要用于光纤通信、光纤传感、雷达和射频光纤传输(Radio-over-fiber)等领域。

(二)背景技术：

光子产生微波、毫米波信号在光纤通信和光纤传感领域有着广泛的应用，例如在宽带无线接入网络，雷达，射频光纤传输(Radio-over-fiber)系统中，该技术都有着极其重要的应用。这种技术的优点是利用光子技术，代替传统的由较低频率电信号倍频生成毫米波信号的方法，产生微波、毫米波信号，而且，该信号可以通过损耗极低的单模光纤进行传输，在传输链路中加入掺铒光纤放大器后能够实现信号的远距离传输。目前利用光子技术产生微波、毫米波信号，一是基于相位整形技术产生微波、毫米波信号，但这种方法很难获得窄带、高质量的微波、毫米波信号；二是基于外部调制技术，利用强度调制器或相位调制器将激光源倍频产生微波、毫米波信号，但这方法需要高质量的参考信号源；三是基于光外差技术，将从不同激光源发出的两束激光先进行相位锁定以减少相位噪声，然后拍频产生微波、毫米波信号；但这种方法也需要高质量的参考信号源，然而，在实际应用中，特别是在无线通信与雷达系统中，毫米波产生装置一般用作本地振荡器，并没有可以利用的参考信号源。为避免使用高质量参考信号源，研究者提出了利用一个单纵模双波长激光器替代两个激光器的方案。因此，如何实现激光的单纵模双波长输出，然后将单纵模双波长激光耦合进高速光电探测器中，通过拍频产生微波、毫米波信号是光纤通信和光纤传感领域中的重要课题。

(三)发明内容：

本发明的目的是提供一种利用单纵模双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置，它集中射频波和光波技术的优点，通过简单的结构产生带宽窄、噪声低的微波、毫米波信号。

本发明的技术方案：一种利用单纵模双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置，其特征在于它是由泵浦激光器、波分复用光耦合器、超短线性谐振腔，光隔离器和高速光电探测器所构成，所说的超短线性谐振腔包括依次连接的低反射率光纤光栅、一段长度适合的有源光纤和高反射率光纤光栅，其中波分复用光耦合器的端口(a)与泵浦激光器的输出端相连接，端口(c)与超短线性谐振腔中的低反射率光纤光栅相连接，波分复用光耦合器的端口(b)与光隔离器的入光端口相连接；光隔离器的出光端口接高速光电探测器。

上述所说的泵浦激光器采用波长与有源光纤能级结构相匹配的适合的半导体激光器或固体激光器；所说的波分复用光耦合器采用与泵浦激光器的波长相适应的波分复用光耦合器。

上述所说的与有源光纤能级结构相匹配的适合的半导体激光器或固体激光器的波长采用980nm。

上述所说的与泵浦激光器的波长相适应的波分复用光耦合器的波长采用980/1550nm。

上述所说的超短线性谐振腔是腔长L由所产生的微波、毫米波信号的频率Δv决定的超短线性谐振腔，即满足 $\mathrm{\Δv}=\frac{c}{2\mathrm{nL}}.$

上述所说的超短线性谐振腔的连接方式是依次连接低反射率光纤光栅、有源光纤、高反射率光纤光栅。

上述所说的有源光纤是在给定泵浦功率条件下，可以提供足够增益使得在超短腔结构中能够产生激光的高浓度掺铒光纤、铒镱共掺光纤或其它掺杂光纤。

上述所说的低反射率光纤光栅是均匀布拉格光纤光栅，或是镀上反射膜的各种反射镜；所说的高反射率光纤光栅是均匀布拉格光纤光栅，或是镀上反射膜的各种反射镜，高反射率光纤光栅应当具有不小于90％的反射率，保证光在超短腔结构中谐振并产生激光。

上述所说的高速光电探测器的频率范围由所产生的微波、毫米波信号的频率决定，应当不小于10GHz。

上述所说的利用单纵模双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置产生的微波、毫米波信号的频率应当大于1GHz。

上述所说的利用单纵模双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置的工作方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)选择泵浦激光器，用于泵浦有源光纤；

(2)选择具有三个端口(a)、(b)和(c)的光波分复用光耦合器，用于将泵浦光和信号光耦合进有源光纤，其波长与泵浦激光器的波长相适应；

(3)选择一段长度适合的有源光纤，由泵浦光激励，作为增益介质，它在给定泵浦功率条件下，可以提供足够增益使得在超短腔结构中能够产生激光；

(4)选择一个低反射率光纤光栅，并选择一个高反射率光纤光栅，高反射率光纤光栅应当具有不小于90％的反射率，保证光在超短腔结构中谐振并产生激光；低反射率的光纤光栅与高反射率的光纤光栅分别作为谐振腔的前反射镜和后反射镜，用于提供光学反馈，产生激光；

(5)利用有源光纤、低反射率光纤光栅和高反射率光纤光栅组成超短线性谐振腔；

(6)超短线性谐振腔的连接方式是依次连接低反射率光纤光栅、有源光纤、高反射率光纤光栅；

(7)超短线性谐振腔的腔长L由所产生的微波、毫米波信号的频率Δv决定，满足 $\mathrm{\Δv}=\frac{c}{2\mathrm{nL}};$

(8)选择一个光隔离器，用于隔离反射光；

(9)选择高速光电探测器，将单纵模双波长激光耦合进高速光电探测器后，拍频产生微波、毫米波信号，其频率范围由所产生的微波、毫米波信号的频率决定，不小于10GHz；

(10)将以上选择的器件依次连接，完成装置的安装；

(11)打开泵浦激光器，调节其功率至产生单纵模双波长激光，并使激光保持稳定状态；

(12)打开高速光电探测器，单纵模双波长激光经过高速光电探测器后，拍频产生微波、毫米波信号。

本发明的原理：本案采用两个光纤光栅作为激光器的反射镜，选取长度适合的有源光纤作为激光器的增益介质，为激光器提供足够的增益，组成线性谐振腔。在线性谐振腔中，激光的纵模间隔定义为：

$\mathrm{\Δc}=\frac{c}{2\mathrm{nL}}$

其中，c是真空中的光速，n是有效折射率，L是谐振腔腔长。由公式可知，谐振腔的腔长L越短，激光的纵模间隔Δv越大，越易于实现单纵模。本发明中，构造了超短线性谐振腔，利用超短线性谐振腔的选频特性和光纤光栅的波长选择特性，在光栅的反射带宽内只有两个单纵模起振，形成了激光的单纵模双波长输出。双波长的频率之差即为激光的纵模间隔。

根据拍频原理，若两束激光的频率之差落在微波、毫米波波段，且具有固定的相位关系，则在光电探测器处产生差拍得到微波、毫米波信号，其信号的频率为两光波的频率之差。在本发明中，由于单纵模双波长激光器的谐振腔为超短线性谐振腔，纵模间隔大，两个波长的频率之差落在了微波、毫米波波段，且两个波长来自于同一激光谐振腔，相位相关，所以，将单纵模双波长激光耦合进光电探测器后，就会在光电探测器处拍频产生微波、毫米波信号。

减少谐振腔腔长L，可以增加纵模间隔Δv，从而提高产生的微波、毫米波信号的频率。利用谐振腔腔长短的单纵模双波长激光器，就可以在光电探测器处拍频产生相应高频率的微波、毫米波信号。并且，由于单纵模双波长激光的线宽窄、相位相关，所以产生的微波、毫米波信号具有带宽窄、噪声低的特点。

本发明的优越性在于：1、用两个光纤光栅作为激光器的反射镜，并以一段长度适合的有源光纤作为激光器的增益介质，组成超短线性谐振腔，利用超短线性谐振腔的选频特性以及光纤光栅的波长选择特性，实现激光的单纵模双波长输出，然后将单纵模双波长激光耦合进高速光电探测器中，通过拍频产生微波、毫米波信号；2、该发明集中射频和光波技术优点，具有结构简单，成本低廉，所产生的微波、毫米波信号带宽窄、噪声低等优点。

(四)附图说明：

图1是本发明所涉利用单纵模双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置的结构示意图。

其中：(1)为泵浦激光器，(2)为波分复用光耦合器，(3)为超短线性谐振腔，(4)为有源光纤，(5)为低反射率光纤光栅，(6)为高反射率光纤光栅，(7)为光隔离器，(8)为高速光电探测器。

图2是本发明所涉利用单纵模双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置的一个输出的光谱图。

图3是本发明所涉利用单纵模双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置的一个输出的电谱图。

(五)具体实施方式：

实施例：一种利用单纵模双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置(见图1)，其特征在于它是由泵浦激光器(1)、波分复用光耦合器(2)、超短线性谐振腔(3)，光隔离器(7)和高速光电探测器(8)所构成，所说的超短线性谐振腔(3)包括依次连接的低反射率光纤光栅(5)、一段长度适合的有源光纤(4)和高反射率光纤光栅(6)，其中波分复用光耦合器(2)的端口(a)与泵浦激光器(1)的输出端相连接，端口(c)与超短线性谐振腔(3)中的低反射率光纤光栅(5)相连接，波分复用光耦合器(2)的端口(b)与光隔离器(7)的入光端口相连接；光隔离器(7)的出光端口接高速光电探测器(8)。

上述所说的泵浦激光器(1)采用波长与有源光纤能级结构相匹配的适合的980nm半导体激光器；所说的波分复用光耦合器(2)采用与泵浦激光器(1)的波长相适应的980/1550nm波分复用光耦合器。

上述所说的超短线性谐振腔(3)是腔长L由所产生的微波、毫米波信号的频率Δv所决定的超短线性谐振腔，即满足 $\mathrm{\Δv}=\frac{c}{2\mathrm{nL}},$ 腔长L为10mm。

上述所说的超短线性谐振腔(3)的连接方式是依次连接低反射率光纤光栅(5)、有源光纤(4)、高反射率光纤光栅(6)。

上述所说的有源光纤(4)是在给定泵浦功率条件下，可以提供足够增益使得在超短腔结构中能够产生激光的高浓度掺铒光纤。

上述所说的低反射率光纤光栅(5)是均匀布拉格光纤光栅；所说的高反射率光纤光栅(6)是均匀布拉格光纤光栅，高反射率光纤光栅(6)的反射率是99％，保证光在超短腔结构中谐振并产生激光。

上述所说的高速光电探测器(8)的频率范围由所产生的微波、毫米波信号的频率决定，取10.7GHz。

上述所说的利用单纵模双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置产生的微波、毫米波信号的频率是10GHz(可见图3)。

上述所说的利用单纵模双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置的工作方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)选择980nm半导体泵浦激光器(1)，用于泵浦有源光纤(4)；

(2)选择具有三个端口(a)、(b)和(c)的980/1550nm光波分复用光耦合器(2)，用于将泵浦光和信号光耦合进有源光纤(4)，其波长与泵浦激光器(1)的波长相适应；

(3)选择一段长度适合的高浓度掺铒光纤作为有源光纤(4)，由泵浦光激励，作为增益介质，它在给定泵浦功率条件下，可以提供足够增益使得在超短腔结构中能够产生激光；

(4)选择一个均匀布拉格光纤光栅作为低反射率光纤光栅(5)，并选择一个均匀布拉格光纤光栅作为高反射率光纤光栅(6)，高反射率光纤光栅(6)的反射率为99％，保证光在超短腔结构中谐振并产生激光；低反射率的光纤光栅(5)与高反射率的光纤光栅(6)分别作为谐振腔的前反射镜和后反射镜，用于提供光学反馈，产生激光；

(5)利用高浓度掺铒光纤作为有源光纤(4)、低反射率光纤光栅(5)和高反射率光纤光栅(6)组成超短线性谐振腔(3)；

(6)超短线性谐振腔(3)的连接方式是依次连接低反射率光纤光栅(5)、有源光纤(4)、高反射率光纤光栅(6)；

(7)超短线性谐振腔(3)的腔长L由所产生的微波、毫米波信号的频率Δv决定，满足 $\mathrm{\Δv}=\frac{c}{2\mathrm{nL}},$ 腔长L为10mm；

(8)选择一个光隔离器(7)，用于隔离反射光；

(9)选择高速光电探测器(8)，将单纵模双波长激光耦合进高速光电探测器(8)后，拍频产生微波、毫米波信号，其频率范围由所产生的微波、毫米波信号的频率决定，取10.7GHz；

(10)将以上选择的器件依次连接，完成装置的安装；

(11)打开泵浦激光器(1)，调节其功率至产生单纵模双波长激光(可见图2)，并使激光保持稳定状态；

(12)打开高速光电探测器(8)，单纵模双波长激光经过高速光电探测器(8)后，拍频产生微波、毫米波信号(可见图3)。

实验中单纵模双波长光纤激光器输出激光的两个波长分别为1546.324nm，1546.407nm，得到的信号频率为10.46853GHz，带宽为30KHz。输出单纵模双波长激光的光谱见图2，输出微波、毫米波信号的电谱见图3。

Claims (10)

1、一种利用单纵模双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置，其特征在于它是由泵浦激光器(1)、波分复用光耦合器(2)、超短线性谐振腔(3)，光隔离器(7)和高速光电探测器(8)所构成，所说的超短线性谐振腔(3)包括依次连接的低反射率光纤光栅(5)、一段长度适合的有源光纤(4)和高反射率光纤光栅(6)，其中波分复用光耦合器(2)的端口(a)与泵浦激光器(1)的输出端相连接，端口(c)与超短线性谐振腔(3)中的低反射率光纤光栅(5)相连接，波分复用光耦合器(2)的端口(b)与光隔离器(7)的入光端口相连接；光隔离器(7)的出光端口接高速光电探测器(8)。

2、根据权利要求1所说的一种利用单纵模双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置，其特征在于所说的泵浦激光器(1)采用波长与有源光纤能级结构相匹配的适合的半导体激光器或固体激光器；所说的波分复用光耦合器(2)采用与泵浦激光器(1)的波长相适应的波分复用光耦合器。

3、根据权利要求2所说的一种利用单纵模双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置，其特征在于所说的与有源光纤能级结构相匹配的适合的半导体激光器或固体激光器的波长采用980nm。

4、根据权利要求2所说的一种利用单纵模双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置，其特征在于所说的与泵浦激光器(1)的波长相适应的波分复用光耦合器的波长采用980/1550nm。

5、根据权利要求1所说的一种利用单纵模双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置，其特征在于所说的超短线性谐振腔(3)是腔长L由所产生的微波、毫米波信号的频率Δv决定的超短线性谐振腔，即满足 $\mathrm{\Δv}=\frac{c}{2\mathrm{nL}}.$

6、根据权利要求5所说的一种利用单纵模双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置，其特征在于所说的超短线性谐振腔(3)的连接方式是依次连接低反射率光纤光栅(5)、有源光纤(4)、高反射率光纤光栅(6)。

7、根据权利要求6所说的一种利用单纵模双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置，其特征在于所说的有源光纤(4)是在给定泵浦功率条件下，可以提供足够增益使得在超短腔结构中能够产生激光的高浓度掺铒光纤、铒镱共掺光纤或其它掺杂光纤；所说的低反射率光纤光栅(5)是均匀布拉格光纤光栅，或是镀上反射膜的各种反射镜；所说的高反射率光纤光栅(6)是均匀布拉格光纤光栅，或是镀上反射膜的各种反射镜，高反射率光纤光栅(6)应当具有不小于90％的反射率，保证光在超短腔结构中谐振并产生激光。

8、根据权利要求1所说的一种利用单纵模双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置，其特征在于所说的高速光电探测器(8)的频率范围由所产生的微波、毫米波信号的频率决定，应当不小于10GHz。

9、根据权利要求1所说的一种利用单纵模双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置，其特征在于所说的利用单纵模双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置产生的微波、毫米波信号的频率应当大于1GHz。

10、一种根据权利要求1所说的利用单纵模双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置的工作方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)选择泵浦激光器(1)，用于泵浦有源光纤(4)；

(2)选择具有三个端口(a)、(b)和(c)的光波分复用光耦合器(2)，用于将泵浦光和信号光耦合进有源光纤(4)，其波长与泵浦激光器(1)的波长相适应；

(3)选择一段长度适合的有源光纤(4)，由泵浦光激励，作为增益介质，它在给定泵浦功率条件下，可以提供足够增益使得在超短腔结构中能够产生激光；

(4)选择一个低反射率光纤光栅(5)，并选择一个高反射率光纤光栅(6)，高反射率光纤光栅(6)应当具有不小于90％的反射率，保证光在超短腔结构中谐振并产生激光；低反射率的光纤光栅(5)与高反射率的光纤光栅(6)分别作为谐振腔的前反射镜和后反射镜，用于提供光学反馈，产生激光；

(5)利用有源光纤(4)、低反射率光纤光栅(5)和高反射率光纤光栅(6)组成超短线性谐振腔(3)；

(6)超短线性谐振腔(3)的连接方式是依次连接低反射率光纤光栅(5)、有源光纤(4)、高反射率光纤光栅(6)；

(7)超短线性谐振腔(3)的腔长L由所产生的微波、毫米波信号的频率Δv决定，满足 $\mathrm{\Δv}=\frac{c}{2\mathrm{nL}};$

(8)选择一个光隔离器(7)，用于隔离反射光；

(9)选择高速光电探测器(8)，将单纵模双波长激光耦合进高速光电探测器(8)后，拍频产生微波、毫米波信号，其频率范围由所产生的微波、毫米波信号的频率决定，不小于10GHz；

(10)将以上选择的器件依次连接，完成装置的安装；

(11)打开泵浦激光器(1)，调节其功率至产生单纵模双波长激光，并使激光保持稳定状态；

(12)打开高速光电探测器(8)，单纵模双波长激光经过高速光电探测器(8)后，拍频产生微波、毫米波信号。

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