CN101794954A - 单纵模双波长环形腔可调谐光生微波源 - Google Patents

单纵模双波长环形腔可调谐光生微波源 Download PDF

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刘建国
祝宁华
谢亮
陈伟
客建红
王礼贤
吴徐明
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Abstract

一种单纵模双波长环形腔可调谐光生微波源，包括一半导体泵浦源；一波分复用器的第一端与半导体泵源连接；一正交可调谐单纵模双波长相移光纤光栅的一端与波分复用器的第二端连接；一掺铒光纤，该掺铒光纤的一端与正交可调谐单纵模双波长相移光纤光栅的另一端连接；一隔离器，该隔离器的输入端与掺铒光纤的另一端连接；一环行器，该环行器的第一端口与隔离器的输出端连接；一布拉格光栅，该布拉格光栅与环行器第二端口连接；一耦合器，该耦合器的第一端与环行器的第三端口连接，该耦合器的第二端连接与波分复用器的第三端连接；一偏振控制器，该偏振控制器的一端与耦合器的第三端连接；一光电探测器，该光电探测器的一端与偏振控制器的另一端连接。

Description

单纵模双波长环形腔可调谐光生微波源
技术领域
本发明属于微波光子学领域，更具体的说是利用正交简并单纵模双波长环形腔可调谐激光产生低相位噪声、窄线宽、可调谐微波源。
背景技术
光载无线通信(ROF)系统，无线传感网络，卫星通信系统，相控阵微波雷达、都需要高频、窄线宽、低相位噪声可调谐的微波源。但是基于电子学方法产生的微波源由于受到元器件性能的限制，很难产生高频、低成本、高稳定性的微波。基于拍频效应的光生微波方法由于可产生高频、窄带宽、低相位噪声微波信号源近几年受到了高度重视。
光生微波的方法主要分为以下三类：(I)分立锁相光生微波法，由不同光源发射的两束不同频率的激光，入射到光电探测器上，基于差频效应，产生了频率等于两束激光频率差的微波。但是由于两束激光具有随机相位，因此为降低相位噪声，产生稳定微波源，必须利用锁相环或注入锁定的方式锁定激光的相位，从而大大的增加了系统的复杂性和成本。(II)外调制光生微波法，一束激光经过外调制产生边带(强度调制或相位调制)，利用边带的差频效应可以得到基频偶数倍的高频微波，由于这方法利用同一束激光边带拍频产生微波，边带之间具有频率相干性，不需要相位锁定，但需要高质量的参考微波信号。(III)单纵模双波长光生微波法，在同一个谐振腔内同时产生两个纵模，利用双纵模的拍频产生微波，由于两个纵模利用了相同的谐振腔，因此其相位一致，无需锁定。此方法简单，但如果利用半导体激光产生微波不但插入损耗高，而且不易与ITU-T波长对准。
综上所述，如何实现可调谐、低相位噪声、窄线宽、低插入损耗的光生高频微波源是迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种单纵模双波长环形腔可调谐光生微波源，其可解决微波源频率低、相位噪声高、线宽宽、不易调谐的问题。
本发明提供一种单纵模双波长环形腔可调谐光生微波源，包括：一半导体泵浦源；一波分复用器，该波分复用器的第一端与半导体泵源连接；一正交可调谐单纵模双波长相移光纤光栅，该正交可调谐单纵模双波长相移光纤光栅的一端与波分复用器的第二端连接；一掺铒光纤，该掺铒光纤的一端与正交可调谐单纵模双波长相移光纤光栅的另一端连接；一隔离器，该隔离器的输入端与掺铒光纤的另一端连接；一环行器，该环行器的第一端口与隔离器的输出端连接；一布拉格光栅，该布拉格光栅与环行器第二端口连接；一耦合器，该耦合器的第一端与环行器的第三端口连接，该耦合器的第二端连接与波分复用器的第三端连接；一偏振控制器，该偏振控制器的一端与耦合器的第三端连接；一光电探测器，该光电探测器的一端与偏振控制器的另一端连接。
其中泵浦源是中心波长为980nm的半导体激光器，或是中心波长为1480nm的半导体激光器。
其中正交可调谐单纵模双波长相移光纤光栅和布拉格光栅是利用紫外曝光相位掩模法写在了光敏光纤上，或者是写制在载氢的普通单模光纤上。
其中正交可调谐单纵模双波长相移光纤光栅是通过电控压电陶瓷伸缩，或者是利用加载在相移光栅上的侧向应力实现精确调谐。
其中掺铒光纤是有源介质，或者是掺镱光纤、铒镱共掺光纤、掺钬光纤、掺铥光纤光纤或半导体光放大器。
其中偏振控制器用来调谐输出光的双折射，或者利用空间光学的检偏器或保偏光纤来实现。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
单纵模双波激光是简并的正交模式，利用了相同的掺铒光纤作为增益介质，在相同的谐振腔内实现了谐振，从而大幅度降低了微波信号的相位噪声。
利用单纵模激光进行拍频，大幅度降低了微波信号的线宽。
通过调节压电陶瓷的驱动电流，实现了微波信号的电调谐。
实现了光纤化的微波信号源，大幅度降低了插入损耗，更有利于实现与ROF等系统的集成。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，下面根据附图和实施例对本发明进行详细说明，其中：
图1是单纵模双波长环形腔可调谐光生微波源结构框图；
图2是相移光纤光栅光谱示意图；
图3是相移光纤光栅可调谐双折射封装示意图；
图4是双折射相移光纤光栅光谱与偏振态示意图；
图5是布拉格光纤光栅的的反射光谱示意图；
图6是双波长激光光谱与偏振态示意图；
图7是正交偏振双波长激光在由偏振控制器所形成光纤长轴上的投影示意图，
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供了一种单纵模双波长可调谐光生微波源，包括：
一半导体泵浦源1，该泵浦源是中心波长为980nm的半导体激光器，或是中心波长为1480nm的半导体激光器；
一波分复用器2，该波分复用器2的第一端与半导体泵源1连接；
一正交可调谐单纵模双波长相移光纤光栅3，该正交可调谐单纵模双波长相移光纤光栅3的一端与波分复用器2的第二端连接，其光谱示意图如图2所示；该正交可调谐单纵模双波长相移光纤光栅是通过电控压电陶瓷伸缩，或者是利用加载在相移光栅上的侧向应力实现精确调谐。本案例中相移光栅是通过压电陶瓷伸缩实现调谐的，调谐封装示意图如图3所示，首先将相移光栅与一段参考光纤平行粘贴于无机硬框架顶板内侧，然后将压电陶瓷与平板固定在无机硬框架内并与光栅紧挨在一起，当注入驱动电流控制压电陶瓷伸长时，相移光栅受到一个侧向的压力，产生双折射效应，由于双折射光纤相移光栅长短轴的有效折射率发生了变化，而周期没变，因此在其透射谱内会出现正交的双透射峰，其光谱图和偏振态示意图如图4所示；
一段掺铒光纤4，其一端与正交可调谐单纵模双波长相移光纤光栅3连接；掺铒光纤4可由掺镱光纤，铒镱共掺光纤，掺钬光纤，掺铥光纤光纤，半导体光放大器代替；
一隔离器5，其端口1与掺铒光纤4连接；
一环行器6，该环行器6的第一端口与隔离器5的输出端连接；
一布拉格光栅7，一布拉格光栅7，该布拉格光栅7与环行器6第二端口连接；该布拉格光栅的周期与正交可调谐单纵模双波长相移光纤光栅3的周期相同。他们是利用紫外曝光相位掩模法写在了光敏光纤上，或者是写制在载氢的普通单模光纤上；布拉格光栅7的反射光谱图如图5所示，其作用在谐振腔内仅滤出正交可调谐单纵模双波长相移光纤光栅3的透射谱中所对应的二阶正交简并模式，最终实现正交简并单纵模双波长激光的激射，其光谱图和偏振态如图6所示，通过调节压电陶瓷的驱动电流，改变了其伸缩量，也就是改变了加载在偏振相移光栅上的压力，从而改变了光栅双折射的大小，进而实现了单纵模双波长激光波长差的调谐；
一耦合器8，该耦合器8的第一端与环行器6的第三端口连接，该耦合器8的第二端连接与波分复用器2的第三端连接；
一偏振控制器9，该偏振控制器9的一端与耦合器8的第三端连接；光纤双折射的调谐是由偏振控制器9来实现的，或者利用空间光学的偏振控制片或保偏光纤来实现；调谐偏振控制器9，使光纤偏振的方向与由耦合器8分离出来的单纵模双波长激光正交激光成45°角，从而两正交偏振光在光纤长轴上具有相同的振动分量，其振动投影示意图如图7所示；
一光电探测器10，该光电探测器与偏振控制器9连接，该光电探测器10接收到具有相同振动分量的单纵模双波长激光，拍频产生微波信号；由于单纵模双波激光是简并的正交模式，利用了相同的掺铒光纤作为增益介质，在相同的谐振腔内实现了谐振，从而大幅度降低了微波信号的相位噪声；本发明利用单纵模激光进行拍频，大幅度降低了微波信号的线宽；通过调节压电陶瓷的驱动电流，实现了微波信号的电调谐；本发明实现了光纤化的微波信号源，大幅度降低了插入损耗，更有利于实现与ROF等系统的集成。
本发明的框图结构如图1所示，泵浦源1发出的泵浦光经过波分复用器2耦合到正交可调谐单纵模双波长相移光纤光栅3上，正交可调谐单纵模双波长相移光纤光栅3是利用紫外曝光法在光敏光纤上写制相移Bragg光栅，其光谱示意图如图2所示。正交可调谐单纵模双波长相移光纤光栅3的调谐封装示意图如图3所示，首先将相移光栅与一段参考光纤平行粘贴于无机硬框架顶板内侧，然后将压电陶瓷与平板固定在无机硬框架内并与光栅紧挨在一起，当注入驱动电流控制压电陶瓷伸长时，相移光栅受到一个侧向的压力，产生双折射效应，由于双折射光纤相移光栅长短轴的有效折射率发生了变化，而周期没变，因此在其透射谱内会出现正交的双透射峰，其光谱图和偏振态示意图如图4所示。布拉格光栅7的反射光谱图如图5所示，其作用在谐振腔内仅滤出3的透射谱中所对应的二阶正交简并模式，最终实现正交简并单纵模双波长激光的激射，其光谱图和偏振态如图6所示。
调谐偏振控制器9，使光纤偏振的方向与由耦合器8分离出来的单纵模双波长激光正交激光成45°角，从而两正交偏振光在光纤长轴上具有相同的振动分量，其振动投影示意图如图7所示。光电探测器10接收到具有相同振动分量的单纵模双波长激光，拍频产生微波信号。通过调节压电陶瓷的驱动电流，改变了其伸缩量，也就是改变了加载在偏振相移光栅上的压力，从而改变了光栅双折射的大小，进而实现了单纵模双波长激光波长差的调谐，最终达到了对微波信号频率的调谐。整个系统为了实现稳定性，利用了温控系统进行稳频。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种单纵模双波长环形腔可调谐光生微波源，包括
一半导体泵浦源；
一波分复用器，该波分复用器的第一端与半导体泵源连接；
一正交可调谐单纵模双波长相移光纤光栅，该正交可调谐单纵模双波长相移光纤光栅的一端与波分复用器的第二端连接；
一掺铒光纤，该掺铒光纤的一端与正交可调谐单纵模双波长相移光纤光栅的另一端连接；
一隔离器，该隔离器的输入端与掺铒光纤的另一端连接；
一环行器，该环行器的第一端口与隔离器的输出端连接；
一布拉格光栅，该布拉格光栅与环行器第二端口连接；
一耦合器，该耦合器的第一端与环行器的第三端口连接，该耦合器的第二端连接与波分复用器的第三端连接；
一偏振控制器，该偏振控制器的一端与耦合器的第三端连接；
一光电探测器，该光电探测器的一端与偏振控制器的另一端连接。
2.根据权利要求1所述的单纵模双波长环形腔可调谐光生微波源，其中泵浦源是中心波长为980nm的半导体激光器，或是中心波长为1480nm的半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的单纵模双波长环形腔可调谐光生微波源，其中正交可调谐单纵模双波长相移光纤光栅和布拉格光栅是利用紫外曝光相位掩模法写在了光敏光纤上，或者是写制在载氢的普通单模光纤上。
4.根据权利要求1或3所述的单纵模双波长环形腔可调谐光生微波源，其中正交可调谐单纵模双波长相移光纤光栅是通过电控压电陶瓷伸缩，或者是利用加载在相移光栅上的侧向应力实现精确调谐。
5.根据权利要求1所述的单纵模双波长环形腔可调谐光生微波源，其中掺铒光纤是有源介质，或者是掺镱光纤、铒镱共掺光纤、掺钬光纤、掺铥光纤光纤或半导体光放大器。
6.根据权利要求1所述的单纵模双波长环形腔可调谐光生微波源，其中偏振控制器用来调谐输出光的双折射，或者利用空间光学的检偏器或保偏光纤来实现。
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