CN103840365A - 基于多波长布里渊激光器的可调谐微波信号产生的装置与方法 - Google Patents

Abstract

基于多波长布里渊激光器的可调谐微波信号产生的装置，包括多波长布里渊激光器单元（100）、滤波器（113、114）、耦合器（115）、光电探测器（116）等组成。激光器单元产生的激光经耦合器分成两束光，其中一路光作为泵浦光，经可调衰减器后进入到移频单元，移频单元包括两个环形器和光纤单元。移频单元输出的信号光经光纤放大器放大后作为布里渊环形腔激光单元的泵谱信号。布里渊环形腔激光单元包括环形器、偏振控制器、光纤单元和耦合器；布里渊环形腔激光单元输出的光进入到耦合器，从耦合器一个端口输出的信号光作为多波长激光器的泵谱光继续循环泵谱，耦合器的另一个端口作为多波长布里渊激光器输出，输出的多波长激光经滤波器单元进行滤波及差频探测，差频信号通过光电探测器转换为微波信号输出。

Description

基于多波长布里渊激光器的可调谐微波信号产生的装置与方法

技术领域

本发明涉及一种基于多波长布里渊激光器的可调谐微波信号产生的装置与方法，主要应用于无线传感网、光纤通信系统以及微波光子学等技术领域。

背景技术

随着信息技术的迅速发展，数据业务呈爆炸式增长，在此过程中，就需要产生、传输、交换和获取大量的高速信息。目前，基于数字电子的技术已经逼近电子器件的处理极限，出现了带宽的限制和交换系统的电子瓶颈等问题，进一步提高设备处理速度的难度越来越大，因此，提出了建立全光信息系统的要求。高质量的微波信号源是全光信息系统的核心器件，微波光子学技术将射频技术的可移动性和光纤技术的大带宽、低损耗和小体积等优点有机地结合起来，有效地解决电子瓶颈的限制，因此，光学技术在微波信号的产生等方面显示出电子技术无法比拟的优势，充分利用光学技术的带宽优势实现高速全光信息技术就显得非常重要。在光纤系统中，传输的微波信号会受到光纤色散等因素的影响而发生畸变和失真，且微波频率越高受到的影响越大。因此，目前获得微波信号的产生主要集中在微波移频调制的方法和光外差等方法上。在微波移频调制的方法中，必须使用高速调制器等，限制了高频微波信号的产生，而且价格很昂贵。如高士明等提出的发明专利，CN20081006124.7，采用微波源和电光调制器的方法获得了11GHz的微波信号。有的学者提出了通过布里渊散射，结合光外差法获得微波信号的方案，如傅娇娇等提出的发明专利，CN200910155858.4，采用布里渊散射与泵浦光的差频获得微波信号。但是，产生微波信号的可调谐范围较小，限制其在雷达等领域的应用，且系统比较复杂，增加了系统的成本。

发明内容

本发明目的是：克服现有技术的上述缺点，为了获得高频宽带可调谐的微波信号等问题，本发明提供一种基于多波长布里渊激光器的可调谐微波信号产生的装置与方法，提出的装置与方法不仅能够产生高频微波信号，频率精确且稳定，而且能够获得带宽可调谐的微波信号源；该装置成本低，输出的微波信号稳定。

本发明的目的是这样实现的：基于多波长布里渊激光器的可调谐微波信号产生的装置，包括多波长布里渊激光器单元100、第一与第二耦合器113、116、第一与第二滤波器114、115、光电探测器117。多波长布里渊激光的输出经耦合器113分为两束光，分别经第一滤波器114和第二滤波器115滤波，滤波后的两束光在第二耦合器116上耦合，通过光电探测器117转换为微波信号输出。

所述多波长布里渊激光器单元100包括激光器101、第三耦合器102、可调衰减器103、第一环形器104、光纤单元105、第二环形器106、光纤放大器107和布里渊激光器单元108，其中布里渊激光器单元108是由偏振控制器109、第四耦合器110、第三环形器111和第二光纤单元112构成；激光器单元101产生的激光经第三耦合器102分成两束光，其中一路光作为多波长布里渊激光器的泵浦光，经可调衰减器103进入到移频单元中，移频单元包括上述第一环形器104、光纤单元105和第二环形器106，从第二环形器106输出的背向散射信号经光纤放大器单元107放大后作为布里渊环形腔激光器单元108的泵浦光，从布里渊激光器单元108输出的光信号与激光器101经耦合器102耦合后，分成两束光，一路光循环作为多波长布里渊激光器的泵谱信号，另一束光直接输出进入第一耦合器113。

在移频单元中，泵浦光首先进入第一环形器104的第一个端口，从第一环形器104的第二个端口进入到第一光纤单元105，该光在第一光纤单元105中产生背向散射光，背向散射光经第一环形器104的第三个端口进入到第二环形器106的第一个端口，从第二环形器106的第二个端口进入到光纤单元105，该光在光纤单元105中产生背向散射光，该背向散射光经第二环形器106的第三端口输出作为光放大器107的输入光，被放大的光作为布里渊环形腔激光器108的泵浦光；由光纤放大器107输出的光接入到第三环形器111的第一个端口，从第三环形器111的第二个端口进入到第二光纤单元112中，在第二光纤单元112中产生布里渊散射，通过第三环形器111的第三个端口输出，连接第四耦合器110，从第四耦合器110的一个输出端输出的信号按照顺时针方向在环形腔中循环放大，布里渊散射信号通过第四耦合器110的另一个分臂输出，输出的布里渊信号与激光单元101输出端在第三耦合器102上进行耦合，第三耦合器102的一个输出端继续作为多波长布里渊激光器的泵谱信号，多波长布里渊信号经第三耦合器102的另一个输出端输出，并连接且经第一耦合器113分成两束信号，该两束信号经第一和第二滤波器114、115滤波后，再经第二耦合器即3dB耦合器116耦合通过光电探测器117转换为微波信号输出。

所述的移频单元可以是一级或多级移频单元。所述移频单元中的可调衰减器103，通过调节其损耗值可以分别获得瑞利散射和受激布里渊散射信号，也可以通过控制激光器101的功率控制移频单元产生瑞利散射和受激布里渊散射信号输出。

基于多波长布里渊激光器的高频可调谐微波信号的方法，通过调节移频单元中的可调光衰减器103的损耗，改变光纤单元105中的泵浦光功率，当可调衰减器103的损耗较低，则泵浦光功率较高，产生的背向散射信号中受激布里渊占主要，布里渊激光器单元108的泵浦光频率即为f-2ν_B1，在布里渊激光器单元108中产生的光频率为f-2ν_B1-ν_B2，输出多波长布里渊激光器100的频率间隔为2ν_B1+ν_B2。

通过调节可调光衰减器103的损耗，改变光纤单元105中的泵浦光功率，当可调衰减器103的损耗较高，则泵浦光功率较低，产生的背向散射信号中瑞利散射信号占主要，布里渊激光器单元108的泵浦光为瑞利散射光，其频率为f，在布里渊激光器单元108中产生的光频率为f-ν_B2，输出多波长布里渊激光器的频率间隔为ν_B2。ν_B1ν_B2分别表示第一光纤和第二光纤的布里渊频移。

所述布里渊环形腔激光器单元108为单频布里渊激光器，也可以是其它结构的布里渊激光器单元。

所述微波信号的可调谐性，通过调节激光器101的泵浦波长来获得可调谐的微波信号。

所述微波信号的可调谐性，通过改变布里渊环形腔激光器单元108中增益光纤的布里渊频移获得可调谐的微波信号；改变增益光纤的布里渊频移可以是温度控制器，也可以是应力控制装置；温度或应力控制装置可以是单个也可以是多个装置组成。

所述微波信号的可调谐性，通过改变布移频单元中增益光纤的布里渊频移获得可调谐的微波信号；也可以改变增益光纤的布里渊频移可以是温度控制器，也可以是应力控制装置；温度或应力控制装置可以是单个也可以是多个装置组成。

所述微波信号的可调谐性，通过改变滤波单元中第一与第二滤波器单元114和115的中心波长获得可调谐的微波信号。

所述第一光纤105和第二光纤112都可以是单模光纤，也可以是其它光纤等中的一种。

所述光电探测单元116可以是平衡探测器，也可以是其它种类的光电探测器。

为了控制布里渊散射信号的质量，可以在布里渊散射信号的传输方向上增加了光隔离器112。

本发明的有益效果是：本发明提出的一种基于多波长布里渊激光器的高频可调谐微波信号的装置与方法，通过控制泵浦光的功率，可以获得多宽带的可调谐的高频微波信号；本发明通过设计出简单的多波长布里渊激光器，并通过控制其增益光纤的布里渊频移，获得可调谐的微波信号源。并且通过调节两个滤波器的中心波长选择获得稳定的微波信号。本发明通过调节可调谐衰减器的损耗、激光器的波长和温度控制器（或压力控制器）的温度来调节输出微波信号的频率；本发明设计出的微波信号的装置与方法不仅能够产生高频微波信号，而且能够获得多带宽可调谐微波信号，频率精确稳定；在本发明中不需要电子器件，大大降低了电磁干扰等，且具有成本低廉、结构简单的优点。

附图说明

图1是本发明的高频微波信号源结构示意图。

图2是本发明实施例一的结构示意图。

图3是本发明实施例二的结构示意图。

图4是本发明实施例获得的低频微波信号频谱。

图5是本发明实施例获得的高频微波信号频谱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明和描述。

实施例一：本实施例提供一种基于多波长布里渊激光器（通过现有激光器和布里渊原理的光纤设备均可以方便搭制）的高频可调谐微波信号源的装置及方法。如图2所示，本实施例包括激光器201，该激光器为可调谐激光器(Agilent lightwave measurementsystem8164B)，设置输出波长为1550nm，功率为8dBm，其输出的光被3dB耦合器202(50:50)分为两束，其中50％的一个端口的光进入到可调衰减器203，该衰减器为Santec可调衰减器，从可调衰减器203输出的信号进入到移频单元，从环形器206单元输出的背向散射信号经掺饵光纤放大器单元207放大后作为布里渊环形腔激光器单元108的泵浦光，从布里渊激光器单元208输出的光信号与激光器输出的信号光经耦合器202(50:50)耦合，从耦合器202(50:50)一个输出端口的信号继续作为多波长布里渊激光器的泵谱信号，移频单元包括环形器204、、普通单模光纤单元205和环形器206。经过可调衰减器203后的信号光进入到环形器104的第一个端口，从环形器204的第二个端口接到普通单模光纤205中，光纤205为10km的单模光纤，该光在光纤205中产生的背向散射光经环形器204的第三个端口进入到环形器206的第一个端口，从环形器206的第二个端口接到普通单模光纤205中，该光在光纤205中产生的背向散射光经环形器206的第三个端口输出光作为光放大器单元207的输入光，该放大器为KPS-BT2-C-30-PB-FA，最大输出功率30dBm，放大后的输出光作为布里渊激光器单元208的泵浦光。布里渊环形腔激光器单元208包括偏振控制器209、耦合器210(80:20)、环形器211、光纤212和温度控制器单元218组成。由掺饵光纤放大器207输出的光，进入到环形器211的第一个端口，从环形器的第二个端口进入到光纤单元212，普通单模光纤212的长度为10m，普通单模光纤单元212受温度控制器单元218控制，入射光在光纤212中产生背向布里渊散射光，通过环形器211的第三个端口输出，顺时针方向在环形腔中传输，为了控制布里渊散射信号的质量，也可以在布里渊散射信号的传输方向上增加了光隔离器，布里渊激光通过耦合器210的20％分臂输出。输出的布里渊激光与激光器201输出的光在耦合器202(50:50)上耦合，一路信号作为多波长布里渊激光器的泵谱信号继续循环，另一路信号输出多波长布里渊激光信号。耦合器202(50:50)输出多波长激光信号经3dB耦合分为两束信号，一路信号经FBG滤波器214滤波，另一路信号经可调滤波器215(Santec OTF-300)滤波，两路信号在3dB耦合器216上耦合后进入到光电探测器217，该探测器为u²t高速光探测器，带宽为50GHz，通过光电探测器217转换为微波信号输出，输出信号经安捷伦频谱分析仪(Agilent E4440A)进行测量分析。

实施例二：与图2实施例结构的基于多波长布里渊激光器的高频可调谐微波信号源的装置及方法相比，不同之处在于：多波长布里渊激光器单元300输出信号进入到光隔离器313，隔离器313的输出端连接光纤光栅单元314，光纤光栅314的输出端连接到光隔离器315，光隔离器315连接到光纤光栅316，输出信号进入到光电探测器317，通过光电探测器317转换为微波信号输出，输出信号经安捷伦频谱分析仪进行测量分析。

虽然本发明通过具体实施例进行了描述，但具体实施例和附图并非用来限定本发明。本领域技术人员可在本发明的精神的范围内，做出各种变形和改进，这些变形和改进并未超出本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.基于多波长布里渊激光器的可调谐微波信号产生的装置，其特征是包括多波长布里渊激光器单元（100）、第一与第二耦合器（113、116）、第一与第二滤波器（114、115）、光电探测器（117）；多波长布里渊激光的输出经耦合器（113）分为两束光，分别经第一滤波器（114）和第二滤波器（115）滤波，滤波后的两束光在第二耦合器（116）上耦合，通过光电探测器（117）转换为微波信号输出；

所述多波长布里渊激光器单元（100）包括激光器（101）、第三耦合器（102）、可调衰减器（103）、第一环形器（104）、第一光纤单元（105）、第二环形器（106）、光纤放大器（107）和布里渊激光器单元（108），其中布里渊激光器单元（108）是由偏振控制器（109）、第四耦合器（110）、第三环形器（111）和第二光纤单元（112）构成；激光器单元（101）产生的激光经第三耦合器（102）分成两束光，其中一路光作为多波长布里渊激光器的泵浦光，经可调衰减器103进入到移频单元中，移频单元包括上述第一环形器（104）、第一光纤单元（105）和第二环形器（106），从第二环形器（106）输出的背向散射信号经光纤放大器（107）放大后作为布里渊环形腔激光器单元（108）的泵浦光，从布里渊激光器单元（108）输出的光信号与激光器（101）经耦合器（102）耦合后，分成两束光，一路光循环作为多波长布里渊激光器的泵谱信号，另一束光直接输出进入第一耦合器（113）。

2.根据权利要求1所述的基于多波长布里渊激光器的可调谐微波信号产生的装置，其特征在于：

在移频单元中，泵浦光首先进入第一环形器的第一个端口，从第一环形器（104）的第二个端口进入到第一光纤单元（105），该光在第一光纤单元中产生背向散射光，背向散射光经第一环形器（104）的第三个端口进入到第二环形器（106）的第一个端口，从第二环形器（106）的第二个端口进入到第一光纤单元（105），该光在第一光纤单元中产生背向散射光，该背向散射光经第二环形器（106）的第三端口输出作为光纤放大器（107）的输入光，被放大的光作为布里渊环形腔激光器（108）的泵浦光；由光纤放大器（107）输出的光接入到第三环形器（111）的第一个端口，从第三环形器（111）的第二个端口进入到第二光纤单元（112）中，在第二光纤单元（112）中产生布里渊散射，通过第三环形器（111）的第三个端口输出，连接第四耦合器（110），从第四耦合器的一个输出端输出的信号按照顺时针方向在环形腔中循环放大，布里渊散射信号通过第四耦合器的另一个分臂输出，输出的布里渊信号与激光器（101）输出端在第三耦合器（102）上进行耦合，第三耦合器的一个输出端继续作为多波长布里渊激光器的泵谱信号，多波长布里渊信号经第三耦合器的另一个输出端输出，并连接且经第一耦合器（113）分成两束信号，该两束信号经第一和第二滤波器（114、115）滤波后，再经第二耦合器即3dB耦合器（116）耦合通过光电探测器（117）转换为微波信号输出。

3.根据权利要求1或2所述的基于多波长布里渊激光器的可调谐微波信号产生的装置，其特征在于：所述的移频单元是一级或多级移频单元。

4.根据权利要求1或2所述的基于多波长布里渊激光器的可调谐微波信号产生的装置，其特征在于：所述移频单元中的可调衰减器（103），通过调节其损耗值可以分别获得瑞利散射和受激布里渊散射信号，或通过控制激光器（101）的功率控制移频单元产生瑞利散射和受激布里渊散射信号输出。

5.根据权利要求1所述的基于多波长布里渊激光器的可调谐微波信号产生的装置，其特征在于：所述布里渊环形腔激光器单元（108）为单频布里渊激光器，或其它结构的布里渊激光器单元。

6.根据权利要求1或2所述的基于多波长布里渊激光器的可调谐微波信号产生的装置，其特征在于：所述第一光纤（105）和第二光纤（112）都可以是普通单模光纤或其它种类的光纤，所述光电探测单元116可以是平衡探测器或其它种类的光电探测器；所述第一光纤（105）和第二光纤（112）是单模光纤或其它光纤中的一种。

7.根据权利要求1或2所述的基于多波长布里渊激光器的可调谐微波信号产生的装置，其特征在于：所述微波信号的可调谐是通过调节激光器（101）的泵浦波长来获得可调谐的微波信号。

8.根据权利要求1-7之一产生所述的基于多波长布里渊激光器的可调谐微波信号产生的装置，其特征是通过改变布里渊环形腔激光器单元112中增益光纤的布里渊频移获得可调谐的微波信号；改变增益光纤的布里渊频移是温度控制器或应力控制装置；温度或应力控制装置是单个或是多个装置组成。

9.根据权利要求1-8之一产生所述的基于多波长布里渊激光器的可调谐微波信号产生的装置，其特征是所述微波信号的可调谐性是通过改变滤波单元中第一与第二滤波器单元（114）和（115）的中心波长获得可调谐的微波信号。

10.根据权利要求1-9之一所述的基于多波长布里渊激光器的可调谐微波信号产生的方法，其特征是基于多波长布里渊激光器的高频可调谐微波信号的方法，通过调节移频单元中的可调光衰减器（103）的损耗，改变第一光纤单元（105）中的泵浦光功率，当可调衰减器的损耗较低，则泵浦光功率较高，产生的背向散射信号中受激布里渊占主要，布里渊激光器单元（108）的泵浦光频率即为f-2ν_B1，在布里渊激光器单元（108）中产生的光频率为f-2ν_B1-ν_B2，输出多波长布里渊激光器的频率间隔为2ν_B1+ν_B2；其中ν_B1为第一光纤（105）的布里渊频移，其中ν_B2为光纤（112）的布里渊频移；

通过调节可调光衰减器（103）的损耗，改变第一光纤单元（105）中的泵浦光功率，当衰减器（104）的损耗较高，则泵浦光功率较低，产生的背向散射信号中瑞利散射信号占主要，布里渊激光器单元（108）的泵浦光为瑞利散射光，其频率为f，在布里渊激光器单元中产生的光频率为f-ν_B2。

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