CN104113378A - 半导体光放大器的可调谐微波信号源的装置与方法 - Google Patents

Abstract

半导体光放大器的可调谐微波信号源的装置，包括直流源(100)、半导体光放大器(101)、光隔离器(102)、光滤波器(103)、光放大器(104)、马赫曾德尔干涉仪(105)、光纤(111)、光电探测器(112)，电放大器(113)和耦合器(114)并依次连接；从马赫曾德尔干涉仪(105)输出信号光经光纤后进入到光电探测器，经光电探测器转换的电信号进入到的电放大器，放大后的电信号经耦合器分出两束信号，一束进入到调制器，另一路信号作为微波信号(115)输出。本发明提出的一种半导体光放大器的可调谐微波信号源的装置与方法，使用半导体光放大器获得宽带自发辐射谱，可以获得宽带的高频微波信号。

Description

半导体光放大器的可调谐微波信号源的装置与方法

技术领域

本发明涉及一种半导体光放大器的可调谐微波信号源的装置与方法，主要应用于无线传感网、光纤通信及微波光子学等技术领域。 

背景技术

科技的高速发展使得信息的交互量飞速增加，通信的容量剧增，个人或终端对带宽的需求似乎永无满足，接入的灵活、便捷也成为不可缺少的要素。因此，无线与宽带成为通信和信息系统的发展趋势。宽带的要求在有线传输或接入上由光纤给出了优良的解决方案，而灵活性的提升还需依靠无线通信方式的天生优势，与此同时，要尽可能保证通信的容量。为提高无线通信系统的带宽并实现高速通信，必然要采用更高频率且有足够质量保证的高频载波，因此高频载波源或微波源在通信与信息系统中起着至关重要的作用。另外，高频微波信号源在现代多个领域有着重要的应用，例如，雷达系统、超宽带脉冲无线电系统、光电测量、探测以及成像等领域。因此，高质量的可调微波信号在雷达、传感和无线通信等领域有着广阔的应用前景。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。目前获得微波信号的产生主要集中在光注入，光锁相，外调制器倍频及光电振荡器等方法上，取得了一定的成果。如高士明等提出的发明专利，授权号: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，授权号：CN200910155858.4，采用布里渊散射与泵浦光的差频获得微波信号，王如刚等人提出的发明专利(公布号：CN102856778A)，采用布里渊散射方法获得可调谐微波信号。但是，这些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，而且系统的体积都比较大，不适用于目前小型化和高集成化的发展趋势。 

发明内容

本发明目的是：克服现有技术的以上缺点，为了获得高频宽带可调谐的微波信号等问题，本发明提供一种半导体光放大器的可调谐微波信号源的装置与方法，提出的装置与方法不仅能够产生高频微波信号，而且能够获得多带宽可调谐的微波信号源。 

本发明的目的是这样实现的：半导体光放大器的可调谐微波信号源的装置，其特征 是包括直流源100、半导体光放大器101、光隔离器102、光滤波器103、光放大器104、马赫曾德尔干涉仪105、光纤111、光电探测器112，电放大器113和耦合器114并依次连接；马赫曾德尔干涉仪105的构成是，其中第二耦合器106、长度可调光纤延迟线107、可调衰减器108、第三耦合器109依次连接构成一分臂，调制器110并联第二耦合器106与第三耦合器109两输出端之间构成另一分臂；从马赫曾德尔干涉仪105输出信号光经光纤111后进入到光电探测器112，经光电探测器112转换的电信号进入到的电放大器113，放大后的电信号经耦合器114分出两束信号，一束进入到调制器110，另一路信号作为微波信号115输出。 

所述的光滤波器103是宽带光滤波器，其作用是使半导体光放大器101的自发辐射谱平坦化。 

所述的光源为半导体光放大器101的输出的宽带光谱，也可以是其它结构的宽带光源。 

所述微波信号的可调谐性，通过调节可调光延迟线107的长度来获得可调谐的微波信号。 

所述光电探测单元112可以是平衡探测器，也可以是其它种类的光电探测器。 

所述可调光纤延迟线107也可以使用其它具有调节马赫泽德尔干涉仪105臂长的器件。 

所述光纤111可以是普通单模光纤，也可以是其它具有大色散数值的色散位移光纤等中的一种。 

所述调制器110可以是相位调制器、强度调制器或者偏振调制器等的一种。 

所述可调衰减器108的作用是为了平衡马赫泽德尔干涉仪105两个分臂的功率值。 

半导体光放大器的可调谐微波信号源的方法，通过调节可调光延迟线107长度，控制马赫泽德尔干涉仪的两个臂长，从而产生共振频率，输出微波信号的频率是由马赫泽德尔干涉仪两个分臂(两个环形腔)的长度决定，所述微波信号的可调谐性，通过调节可调光延迟线107的长度来获得可调谐的微波信号。具体可以描述为： 

当不考虑反馈，且若调制器110被频率为Ω的微波信号所驱动，那么调制器110输出的光信号强度可以表示为： 

P(t)∝V_bias+V_RFcos(Ωt) 

其中，V_bias为加在调制器110上的直流偏压，V_RFcos(Ωt)为输入到调制器110的微波信号，可以看出调制器110输出的信号强度正比于驱动的射频信号强度，因此，光电振荡 器的响应可以表示为： 

$H\left(t\right)=\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}0.5h^m\mathrm{\δ}(t-m{\mathrm{\τ}}_1)*\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}0.5g^n\mathrm{\δ}(t-n{\mathrm{\τ}}_2)=\frac{1}{4}H\left(t\right)\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{h}^m{g}^n\mathrm{\δ}\left[t(m{\mathrm{\τ}}_1+n{\mathrm{\τ}}_2)\right]$

${\mathrm{\τ}}_i=\frac{L_i\×n}{c}(i=\mathrm{1,2})$

其中，δ(t)为狄拉克函数，h,g分别为马赫泽德尔干涉仪两个分臂的增益，τ_i和L_i分别为延迟的时间和两个分臂的长度，n为可调延迟线107的折射率，c为真空中的光速。产生的微波信号强度可以表示为： 

$I\left(f\right)\∝\mathrm{\ξ}{\mathrm{PV}}_{\mathrm{RF}}\left\{\mathrm{\δ}\right[(\mathrm{\ω}-\mathrm{\Ω})t]+\mathrm{\δ}[(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})t\left]\right\}*\underset{k=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\frac{(2k+1)\×{0.5}^{2k}\exp [-\mathrm{kj\ω}({\mathrm{\τ}}_1+{\mathrm{\τ}}_2)]}{[1-0.5\exp (-\mathrm{j\ω}{\mathrm{\τ}}_1)[1-0.5\exp (-\mathrm{j\ω}{\mathrm{\τ}}_2)]}\right\}$

其中，ξ为光电探测器110的响应度，P为光信号的峰值功率。可以看出输出微波信号的频率是由两个环形腔的长度决定，而且微波信号的频率可以通过改变可调延迟线107的长度进行调谐。 

具体而言，产生可调谐微波信号源的方法，半导体光放大器101产生的自发辐射光谱进入到光隔离器102，从光隔离器102输出的信号光经光滤波器103滤波后进入到光放大器104中，经光放大器104放大后的信号光进入马赫曾德尔干涉仪105；从马赫曾德尔干涉仪105输出信号光经光纤111后进入到光电探测器112，经光电探测器112转换的电信号进入到的电放大器113，放大后的电信号经耦合器114分出两束信号，一束进入到调制器110，另一路信号作为微波信号输出；通过调节可调延迟线107的长度，控制马赫泽德尔干涉仪的两个分臂臂长，获得可调谐的微波信号。 

耦合器114的80％信号输出端口进入到相位调制器的射频输入端口进行循环，微波信号经耦合器的20％端口输出。 

所述可调衰减器108用于平衡马赫泽德尔干涉仪105两个分臂的功率值。本发明采用马赫泽德尔干涉仪结构，通过控制马赫泽德尔干涉仪的分臂长度可以获得可调谐带宽的微波信号源。 

利用半导体光放大器产生宽带自发辐射谱，得到稳定的微波信号。 

本发明的有益效果是：本发明提出的一种半导体光放大器的可调谐微波信号源的装置与方法，使用半导体光放大器获得宽带自发辐射谱，可以获得宽带的高频微波信号；本发明通过设计出简单的光电振荡器结构，并通过控制马赫泽德尔干涉仪的分臂延迟线的长度，获得可调谐的微波信号源。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，而且能够获得可调谐微波信号；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是本发明实施例一的结构示意图。 

图2是本发明实施例二的结构示意图。 

图3是本发明半导体光放大器的自发辐射谱示意图。 

图4是本发明实施例获得的可调微波信号频谱示意图。 

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：本实施例提供一种半导体光放大器的可调谐微波信号源的装置与方法。如图1所示，本实施例包括直流源200，半导体光放大器201，其型号为SOA-S-OEC-1550，中心波长为1532nm，直流源200驱动半导体光放大器201，为了防止输出信号反射回半导体光放大器201，在其信号输出端连接光隔离器202，从光隔离器202输出的信号经滤波器203滤波后进入到掺铒光纤放大器204，其型号为KPS-BT2-C-30-PB-FA，放大后的信号进入到马赫泽德尔干涉仪205，马赫泽德尔干涉仪205包括耦合器206(50:50)、可调光纤延迟线207、可调光衰减器208，型号为Santec、耦合器209(50:50)和相位调制器210，其型号为EOSPACE，从耦合器209(50:50)耦合输出的信号进入到光纤211，光纤211为高非线性光纤，其色散参数为432ps²，光纤211输出的信号经光电探测器212(OCARO1046)转换为电信号，电信号经电放大器213放大后进入到耦合器214(80:20)，耦合器214的80％信号输出端口进入到相位调制器210的射频输入端口进行循环，微波信号经耦合器214的20％端口输出，输出信号经安捷伦频谱分析仪215进行测量分析，其型号为Agilent E4440A。测得的半导体光放大器自发辐射谱如图3所示，从图3可以看出其自发辐射谱的中心波长为1532.44nm，带宽为66.96nm，调节可调光纤延迟线207，其调谐范围0.1-20GHz，获得可调微波信号如图4所示。 

实施例二：本实施例提供一种半导体光放大器的可调谐微波信号源的装置与方法。如图2所示，本实施例包括直流源300，半导体光放大器301，其型号为SOA-S-OEC-1550，中心波长为1532nm，直流源300驱动半导体光放大器301，为了防止输出信号反射回半导体光放大器301，在其信号输出端连接光隔离器302，从光隔离器302输出的信号经滤波器303(傅立叶域可编程光处理器)滤波后进入到掺铒光纤放大器304，其型号为 KPS-BT2-C-30-PB-FA，放大后的信号进入到马赫泽德尔干涉仪305，马赫泽德尔干涉仪305包括耦合器306(50:50)、可调光纤延迟线307、可调光衰减器308，型号为Santec、耦合器309(50:50)和相位调制器310，其型号为EOSPACE，从耦合器309(50:50)耦合输出的信号进入到光纤311，光纤311为高非线性光纤，光纤311输出的信号经光电探测器312(OCARO1046)转换为电信号，电信号经电放大器313放大后进入到耦合器314(80:20)，耦合器314的80％信号输出端口进入到相位调制器310的射频输入端口进行循环，微波信号经耦合器314的20％端口输出，输出信号经安捷伦频谱分析仪315进行测量分析，其型号为Agilent E4440A。 

与图1结构的半导体光放大器的可调谐微波信号源的装置与方法相比，不同之处在于：滤波器303为傅立叶域可编程光处理器，光纤311为高非线性光纤。 

宽带光源，频谱宽：66.96nm或更宽；光滤波器是宽带光滤波器，带宽宽：30nm。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，所附的权利要求已包括这些变形和改进。 

Claims (10)

1.半导体光放大器的可调谐微波信号源的装置，其特征是包括直流源(100)、半导体光放大器(101)、光隔离器(102)、光滤波器(103)、光放大器(104)、马赫曾德尔干涉仪(105)、光纤(111)、光电探测器(112)，电放大器(113)和耦合器(114)并依次连接；马赫曾德尔干涉仪(105)的构成是，其中第二耦合器(106)、长度可调光纤延迟线107)、可调衰减器(108)、第三耦合器(109)依次连接构成一分臂，调制器(110)并联第二耦合器(106)与第三耦合器(109)两输出端之间构成另一分臂；从马赫曾德尔干涉仪(105)输出信号光经光纤(111)后进入到光电探测器，经光电探测器转换的电信号进入到的电放大器(113)，放大后的电信号经耦合器(114)分出两束信号，一束进入到调制器，另一路信号作为微波信号(115)输出。

2.根据权利要求1所述的半导体光放大器的可调谐微波信号源的装置，其特征在于：所述的光源为半导体光放大器的输出的宽带光源或其它的宽带光源。

3.根据权利要求1所述的半导体光放大器的可调谐微波信号源的装置，其特征在于：所述的光滤波器是宽带光滤波器，使半导体光放大器的自发辐射谱平坦化。

4.根据权利要求1所述的半导体光放大器的可调谐微波信号源的装置，其特征在于：所述可调光纤延迟线用其它具有调节马赫泽德尔干涉仪臂长的延迟线阵列代替。

5.根据权利要求1所述的半导体光放大器的可调谐微波信号源的装置，其特征在于：所述光电探测单元112是平衡探测器或其它种类的光电探测器。

6.根据权利要求1所述的半导体光放大器的可调谐微波信号源的装置，其特征在于：所述光纤是普通单模光纤，或是其它具有大色散数值的色散位移光纤等中的一种。

7.根据权利要求1所述的半导体光放大器的可调谐微波信号源的装置，其特征在于：所述调制器是相位调制器、强度调制器或者偏振调制器的一种。

8.根据权利要求1至7之一所述的装置的产生可调谐微波信号源的方法，其特征在于：半导体光放大器产生的自发辐射光谱进入到光隔离器，从光隔离器输出的信号光经光滤波器滤波后进入到光放大器中，经光放大器放大后的信号光进入马赫曾德尔干涉仪；从马赫曾德尔干涉仪输出信号光经光纤后进入到光电探测器，经光电探测器转换的电信号进入到的电放大器，放大后的电信号经耦合器分出两束信号，一束进入到调制器，另一路信号作为微波信号输出；通过调节可调延迟线的长度，控制马赫泽德尔干涉仪的两个分臂臂长，获得可调谐的微波信号。

9.根据权利要求8所述的半导体光放大器的可调谐微波信号源的方法，其特征在于：耦合器的80％信号输出端口进入到相位调制器的射频输入端口进行循环，微波信号经耦合器的20％端口输出。

10.根据权利要求8所述的半导体光放大器的可调谐微波信号源的方法，其特征在于：所述可调衰减器用于平衡马赫泽德尔干涉仪两个分臂的功率值。