CN101807773A - 利用多波长布里渊激光器产生微波信号的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种利用多波长布里渊激光器产生微波信号的装置和方法，现有的装置比较困难获得高频。本发明的装置包括可调窄带光源、两个隔离器、三个耦合器、掺铒光纤放大器、两个光纤环形器、Sagnac环形镜、光纤布拉格光栅、光电探测器。可调窄带光源与隔离器光连接，隔离器与耦合器光连接，耦合器的输出分别与另外耦合器光连接，其中的一光路上设置有掺铒光纤放大器、两个光纤环形器、Sagnac环形镜。利用该装置产生微波信号方法为：可调窄带光源发出的泵谱光经隔离器以及耦合器后分为两路泵谱光，一路泵谱光输出单通道高阶斯托克斯光后与另一路泵谱光进行拍频获得高频微波信号。本发明改变泵浦光波长可以使多波长通带连续可调。

Description

利用多波长布里渊激光器产生微波信号的装置和方法

技术领域

本发明属于光电子以及微波光子学领域，涉及了一种利用多波长布里渊激光器产生微波信号的装置和方法，适用于无线通信和雷达通信系统。

背景技术

随着信息技术的突飞猛进，信息产业的高速发展，人们的生产生活、国家的国防建设等方面对信息的需求量与日俱增。其中，无线通信作为通信常用工具，在数据业务、语音、军工中均有广泛应用。采用高频微波和毫米波信号作为载波，系统容量将得到大幅度的提升。由于电子瓶颈的制约，微波信号源向30～70GHz高频段的发展对传统微波器件而言是很大的挑战，而利用光学方法产生微波信号成为一条产生高频微波信号的重要途径。高频微波的光学产生有多种方案，如两个注入式锁定、相位式锁定激光器，双波长激光器，光强度或光相位调制等等。

其中，利用布里渊激光器产生的斯托克斯光与泵浦光通过拍频产生微波信号是基本方法之一，它可以提供大约10GHz的窄线宽微波信号源。但由于受激布里渊效应信道间隔10GHz的固定性，导致了大于10GHz的高频微波信号的获得变得困难。因此，采取有效方法获得稳定的多波长布里渊光纤激光器，将产生的高阶斯托克斯光与泵浦光进行拍频，从而提高微波信号的输出频率是十分重要的。

多波长布里渊光纤激光器还是满足波分复用技术要求的研究热点，该多波长光源具有室温下稳定输出、线宽极窄、波长通带可调、阈值低、功率谱平坦等优势，是超密集波分复用系统的理想光源。在此背景下，对于多波长布里渊光纤激光器的研究变得更为迫切。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种利用多波长布里渊激光器产生微波信号的装置及和利用该装置产生微波信号方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案为：

利用多波长布里渊激光器产生微波信号的装置包括可调窄带光源、第一隔离器、第一三端口耦合器、第二三端口耦合器、第二隔离器、掺铒光纤放大器、第一光纤环形器、单模光纤、Sagnac环形镜、第二光纤环形器、光纤布拉格光栅、四端口耦合器、光电探测器。

可调窄带光源与第一隔离器的输入端光连接，第一隔离器的输出端与第一三端口耦合器的单端口端的端口光连接，第一三端口耦合器的双端口端的一个端口与第二三端口耦合器的双端口端的一个端口光连接，第一三端口耦合器的双端口端的另一个端口与四端口耦合器一端的一个端口光连接；

第二三端口耦合器的单端口端的端口与第一光纤环形器的1口光连接，第一光纤环形器的3口与掺铒光纤放大器的输入端光连接，掺铒光纤放大器的输出端与第二隔离器的输入端光连接，第二隔离器输出端与第二三端口耦合器的双端口端的另一个端口光连接；

第一光纤环形器的2口与单模光纤的一端光连接，单模光纤的另一端与Sagnac环形镜输入端光连接，Sagnac环形镜输出端与第二光纤环形器的1口光连接，第二光纤环形器的2口与光纤布拉格光栅光连接，第二光纤环形器的3口与四端口耦合器一端的另一个端口光连接，四端口耦合器另一端的一个端口与光电探测器的输入端光连接。

利用该装置产生微波信号方法为：首先可调窄带光源发出的泵谱光经第一隔离器以及第一三端口耦合器后分为两路泵谱光；然后其中的一路泵谱光经第二三端口耦合器、第二隔离器、掺铒光纤放大器、第一光纤环形器、单模光纤和Sagnac环形镜输出多级斯托克斯光，多级斯托克斯光经第二光纤环形器、光纤布拉格光栅滤波后输出单通道高阶斯托克斯光；最后单通道高阶斯托克斯光与另一路泵谱光进行拍频获得高频谱纯度的高频微波信号。

本发明的有益效果是：改变泵浦光波长可以使多波长通带连续可调；布里渊增益光纤长度较长，能有效抑制四波混频效应，使得等频率间隔的多波长信号通道的功率谱分布平坦；结构简单；室温下稳定输出；布里渊增益在单模光纤中提供了一个线宽较窄、与泵浦光信号具有准确频移、相位相关的斯托克斯光，其频率间隔只有10.8GHz，这为通过外差法实现高频微波信号输出提供了很好的光源。

附图说明

图1是本发明中装置的结构示意图；

图2是多波长布里渊掺铒光纤激光器的多波长输出光谱图；

图3是多波长布里渊掺铒光纤激光器的输出功率稳定性测量图；

图4是泵浦光和滤波后的(a)一阶(b)二阶(c)三阶(d)四阶斯托克斯波的谱域波形；

图5是泵浦光和(a)一阶(b)二阶(c)三阶(d)四阶斯托克斯波经过拍频得到的频谱图。

图中：1.可调窄带光源，2.第一隔离器，3.第一三端口耦合器，4.第二三端口耦合器，5.第二隔离器，6.掺铒光纤放大器，7.第一光纤环形器，8.单模光纤，9.Sagnac环形镜，10.第二光纤环形器，11.光纤布拉格光栅，12.四端口耦合器，13.光电探测器，14.频谱仪，15.光谱仪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种利用多波长布里渊激光器产生微波信号的装置包括可调窄带光源1、第一隔离器2、第一三端口耦合器3、第二三端口耦合器4、第二隔离器5、掺铒光纤放大器6、第一光纤环形器7、单模光纤8、Sagnac环形镜9、第二光纤环形器10、光纤布拉格光栅11、四端口耦合器12、光电探测器13，其中可调窄带光源1、第一隔离器2、第二三端口耦合器4、第二隔离器5、掺铒光纤放大器6、第一光纤环形器7、单模光纤8、Sagnac环形镜9构成了多波长布里渊激光器。

可调窄带光源1与第一隔离器2的输入端光连接，第一隔离器2的输出端与第一三端口耦合器3的a口光连接，第一三端口耦合器3的b口与第二三端口耦合器4的d口光连接，第一三端口耦合器3的c口与四端口耦合器12的g口光连接；

第二三端口耦合器4的e口与第一光纤环形器7的1口光连接，第一光纤环形器7的3口与掺铒光纤放大器6的输入端光连接，掺铒光纤放大器6的输出端与第二隔离器5的输入端光连接，第二隔离器5输出端与第二三端口耦合器4的f口光连接；

第一光纤环形器7的2口与单模光纤8的一端光连接，单模光纤8的另一端与Sagnac环形镜9输入端光连接，Sagnac环形镜9输出端与第二光纤环形器10的1口光连接，第二光纤环形器10的2口与光纤布拉格光栅11光连接，第二光纤环形器10的3口与四端口耦合器12的i口光连接，四端口耦合器12的h口与光电探测器13的输入端光连接。

利用该装置实现产生微波信号方法和原理为：

1、使用可调窄带光源作为泵浦光，经过第一隔离器输入到第一三端口耦合器的a口，并被分为b口和c口两路，第一三端口耦合器的功率比为70∶30；其中b口输出70％的泵浦光到达第二三端口耦合器的d口，d口经过第二三端口耦合器由e口输出，泵浦光从第一光纤环形器1口入，从第一光纤环形器2口出，并连接至10km长的单模光纤，其中第二三端口耦合器的d口和f口的功率比为50∶50；一旦到达单模光纤的输入泵浦光功率达到布里渊散射阈值，将在光纤内发生受激布里渊散射效应，受激布里渊散射将把绝大部分输入功率转换为后向、频率下移的斯托克斯光，其原理可描述为泵浦光、斯托克斯光通过声波进行的非线性作用，泵浦光通过电致伸缩产生声波，引起介质折射率的周期性调制，即形成布拉格光栅，并散射泵浦光。由于多普勒位移与以声速v_A移动的光栅有关，散射光产生了频率下移。由于在散射过程中遵守能量守恒，三个波之间的频率有如下关系：

Ω_B＝ω_p-ω_s           (1)

式中，ω_p是泵浦光角频率，ω_s是斯托克斯光角频率，Ω_B是声波角频率。

v_B＝Ω_B/2л＝2nv_A/λ_p       (2)

其中v_B声波频率，n为在泵浦波长λ_p处的折射率，若取v_A＝5.96km/s，n＝1.45，对于石英光纤，在泵浦波长在1.56微米附近，v_B约为10.8GHz。

即在光纤环形器2口将接收到从单模光纤内后向传输，频谱下移为10.8GHz的一阶斯托克斯光λ₁，而泵浦光λ_p将前向传输至Sagnac环形镜。

2、反向传输的一阶斯托克斯光λ₁从第一光纤环形器2口入，从第一光纤环形器3口输出，经过掺铒光纤放大器被线性放大，通过第二隔离器，再次被耦合进入第二三端口耦合器的f口；再次从光纤环形器1口入，从光纤环形器2口出，到达10km长的单模光纤，如果被线性放大的斯托克斯光λ₁达到布里渊阈值，将再次在单模光纤内发生受激布里渊效应，产生后向传输的二阶斯托克斯光λ₂；斯托克斯光λ₁经过单模光纤到达Sagnac环形镜。

3、以上两步过程不断重复，只要掺铒光纤放大器提供足够的增益，光载波λ_p将不断激发出多级斯托克斯光，形成了等频率间隔(10.8GHz，0.088nm)多波长斯托克斯光输出，在单模光纤右侧一端将得到功率谱逐渐降低的泵浦光和多级斯托克斯光(λ_p，λ₁，λ₂，λ₃，……λ_m)；Sagnac光纤环镜由40∶60耦合器构造而成，将反射大部分等间隔多波长斯托克斯光，并耦合输出部分多级斯托克斯光；被反射回的泵浦光和斯托克斯光再次经光纤环形器2口到达光纤环形器3口，由掺铒光纤放大装置进行放大，在单模光纤内发生受激布里渊效应，由光纤环形镜和左侧的环形装置构成谐振腔，在腔内反复循环，即构造出一个多波长布里渊掺铒光纤激光器。

4、从Sagnac光纤环形镜耦合输出的多波长斯托克斯波经过第二光纤环形器，从1口进，2口出，利用光纤布拉格光栅将其进行滤波处理，滤出的高阶斯托克斯光将由第二光纤环形器的3口输出；由于光载波波长可调谐，可以通过调整泵浦光波长改变光栅所滤出斯托克斯波的阶数，如调整至短波方向可使滤出的斯托克斯波阶次变高；该光纤布拉格光栅滤波装置的3dB带宽约为0.1nm，可以滤出0.088nm通道间隔的多波长信号的某一个通道。

5、可调窄带光源1输出的泵浦光由第一三端口耦合器分成两路：其中一路将70％能量的光输入第一三端口耦合器d口，作为多波长布里渊掺铒光纤激光器的泵浦光，经光栅滤波后得到一个高阶的斯托克斯波；另一路将30％能量的光波作为光载波信号用来进行拍频。这两路光波最后在功率比为50∶50四端口耦合器处耦合输出，一部分到达高速光电探测器后拍频获得高频谱纯度的高频微波信号，输入到频谱仪14进行频谱观测和分析，另一部分到达光谱仪15同时进行谱域信号观测；

6、多波长斯托克斯光的频率间隔满足关系式：

v_m＝v_p+mv_B    (3)

其中v_p和v_m分别为泵浦光和第m阶斯托克斯光的频率，m为整数。经过拍频后获得的微波信号即为：

Δv＝|v_m-v_p|＝mv_B    (4)

Δv为拍频后最终获得的微波信号，若v_B为10.8GHz，则获得的微波信号由光纤布拉格光栅滤出的斯托克斯波的阶次m决定，通过实验可以获得10.8GHz，21.6GHz，32.4GHz，43.2GHz的微波信号，随着滤出的斯托克斯光阶次的提高，理论上该方案有获得更高频微波信号的能力，且不依赖于任何电滤波装置。

实施例1：

当可调光源输出泵浦光中心波长为1560.585nm，泵浦光功率为8dBm，掺铒光纤放大器增益为16dBm，获得了14条斯托克斯线的多波长光纤激光器，如图2所示。每隔30分钟对该多波长光纤激光器输出光谱进行测量，该多波长激光器功率谱非常稳定，如图3所示。

实施例2

当可调光源输出泵浦光中心波长为1556.742nm，泵浦光功率为4dBm，掺铒光纤放大器增益为16dBm，即可以获得0.088nm间隔的多波长激光光源。设计光纤布拉格光栅的中心频率为1556.830nm，可以滤出一阶斯托克斯波。适当调整一阶斯托克斯波和泵浦光的光功率，使其保持近似相等，如图4(a)所示。再将一阶斯托克斯波和泵浦光通过高速光电探测器进行拍频，即可获得10.8GHz的微波信号。同理，调整泵浦源输出中心波长到1556.656nm，即控制二阶斯托克斯波刚好在光纤布拉格光栅的滤波范围内，光纤布拉格光栅的中心频率仍然为1556.830nm，经过光电探测器拍频即可获得21.6GHz的微波信号。利用泵浦光和滤波后的(a)一阶(b)二阶(c)三阶(d)四阶斯托克斯波的谱域波形如图4所示。试验本装置通过实验可获得10.8GHz，21.6GHz，32.4GHz，43.2GHz的微波信号，如图5所示。

本发明中，耦合器、光纤环形器、隔离器、放大器、光纤布拉格光栅、光电探测器、可调光源、单模光纤均可选用各种商业化元器件。

Claims (2)

1.利用多波长布里渊激光器产生微波信号的装置，包括可调窄带光源、第一隔离器、第一三端口耦合器、第二三端口耦合器、第二隔离器、掺铒光纤放大器、第一光纤环形器、单模光纤、Sagnac环形镜、第二光纤环形器、光纤布拉格光栅、四端口耦合器、光电探测器，其特征在于：可调窄带光源与第一隔离器的输入端光连接，第一隔离器的输出端与第一三端口耦合器的单端口端的端口光连接，第一三端口耦合器的双端口端的一个端口与第二三端口耦合器的双端口端的一个端口光连接，第一三端口耦合器的双端口端的另一个端口与四端口耦合器一端的一个端口光连接；

第二三端口耦合器的单端口端的端口与第一光纤环形器的1口光连接，第一光纤环形器的3口与掺铒光纤放大器的输入端光连接，掺铒光纤放大器的输出端与第二隔离器的输入端光连接，第二隔离器输出端与第二三端口耦合器的双端口端的另一个端口光连接；

第一光纤环形器的2口与单模光纤的一端光连接，单模光纤的另一端与Sagnac环形镜输入端光连接，Sagnac环形镜输出端与第二光纤环形器的1口光连接，第二光纤环形器的2口与光纤布拉格光栅光连接，第二光纤环形器的3口与四端口耦合器一端的另一个端口光连接，四端口耦合器另一端的一个端口与光电探测器的输入端光连接。

2.利用多波长布里渊激光器产生微波信号的方法，其特征在于该方法具体是：可调窄带光源发出的泵谱光经第一隔离器以及第一三端口耦合器后分为两路泵谱光；其中的一路泵谱光经第二三端口耦合器、第二隔离器、掺铒光纤放大器、第一光纤环形器、单模光纤和Sagnac环形镜输出多级斯托克斯光，多级斯托克斯光经第二光纤环形器、光纤布拉格光栅滤波后输出单通道高阶斯托克斯光；单通道高阶斯托克斯光与另一路泵谱光进行拍频获得高频谱纯度的高频微波信号。

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