CN104932121A - 一种基于多波长光纤激光器与啁啾布拉格光栅的微波光子滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多波长光纤激光器与啁啾布拉格光栅的微波光子滤波器,属于微波光子滤波器领域,特别是自由频谱范围倍增的微波光子滤波器。光纤激光器中,由保偏光纤、偏振控制器和耦合器构成的Sagnac环光滤波器具有波长选择和切趾的作用,再通过选择合适的稳频装置得到稳定且功率基本相等的多波长输出。光纤布拉格光栅阵列作为延时单元,其各个光栅的反射波长分别对应于多波长激光器输出的波长,相邻光栅间的中心距离相等,使各抽头间产生的延时差相等。引入啁啾布拉格光栅使抽头间的延时差减小,在主旁瓣抑制比保持不变的情况下,获得了自由频谱范围扩增的射频响应,大大提高了自由频谱范围。
Description
技术领域
本发明属于微波光子滤波器领域,特别是自由频谱范围倍增的微波光子滤波器。
背景技术
微波光子学作为一门新兴学科,在光信号处理与微波工程之间建立了一座互通的桥梁。微波光子学在低损耗、抗电磁干扰、宽带处理、可重构性与可调谐性等方面与传统电子学方法相比存在显著优势,突破了电子设备的瓶颈,在近几年吸引了更多学者的关注。光学微波信号处理、光生微波、光控相控阵列天线、光载无线是微波光子学的不同应用,微波光子滤波器由于其独特的性质,在射电天文学与雷达系统中有显著应用。
采用延迟线结构的微波光子滤波器是最基本的一种滤波器结构,多波长光源通过光电调制器将射频信号调制到每个光载波上,载波通过延时线部分处理,之后通过光电探测器的非相干转换输出。激光器阵列作为多波长光源可实现滤波器的可调谐性与可重构性,但需要多个激光器,结构复杂,成本较高。多波长激光器作为光源可有效的降低微波光子滤波器系统的复杂度,节约成本。对光源进行整形可有效改善滤波器的频率响应,延时单元中引入啁啾布拉格光栅可以增大自由频谱范围。
发明内容
本发明的目的主要是解决现有微波光子滤波器存在的自由频谱范围小的问题,提出了一种基于多波长光纤激光器与啁啾布拉格光栅的微波光子滤波器,在结构中利用功率稳定的多波长激光器输出作为光源,降低了系统的复杂度,使用光谱整形器对输出光源进行切趾,改变了光源抽头系数。在光纤布拉格光栅阵列作为延时单元的基础上,引入啁啾布拉格光栅,利用光纤布拉格光栅阵列和啁啾布拉格光栅对延时的影响,在不改变主旁瓣抑制比和精细度的情况下扩大了自由频谱范围。
本发明采用的技术方案是:
一种基于多波长光纤激光器与啁啾布拉格光栅的微波光子滤波器,其特征在于:包括多波长光纤激光器、光谱整形器、1:99光耦合器C、光谱分析器、相位调制器、射频信号发生器、光环形器A、啁啾布拉格光栅、光环形器B、光纤布拉格光栅阵列、光电探测器、射频信号分析器。
其中,由多波长光纤激光器输出的多波长激光经光谱整形器整形后进入光耦合器C,光耦合器C两个输出端的功率比为1:99,1%的光经光耦合器进入光谱分析仪,观察激光器输出的谱形,99%的光经耦合器进入相位调制器将射频信号发生器产生的射频信号调制到光上,载有射频信号的光载波从光环形器A的第一个端口进入,经第二个端口的啁啾布拉格光栅反射后,从第三个端口出射进入另一光环形器B,经其第二个端口的光纤布拉格光栅阵列反射后,从第三个端口出射,经光电探测器实现光信号到电信号的转换,转换的电信号进入射频信号分析器进行分析。
多波长光纤激光器包括作为泵浦的掺铒光纤放大器、抑制腔内模式竞争并提高输出激光的稳定性的单模光纤、保证激光在环形腔内单向传输的光隔离器、用来优化激光的偏振态的偏振控制器B、用于多波长激光输出的耦合器和用于对波长选择和功率切趾作用的Sagnac环,耦合器两个输出端的功率比为10:90,多波长光纤激光器产生的激光由耦合器B输出功率占10%的端口输出。
其中,Sagnac环由保偏光纤、偏振控制器A、耦合器A构成,优选耦合器A两个输出端的功率比为50:50。单模光纤长度的取值范围为3—25km,保偏光纤长度的取值范围为4—15m,其双折射系数为5.1×10-4。
进一步的,选取单模光纤长度取值为15km,保偏光纤长度取值为11m。
光谱整形器连接在多波长光纤激光器的输出端来对输出激光功率进行切趾,改变各抽头的系数,光谱整形器的窗函数选择汉宁窗。
啁啾布拉格光栅的色散斜率为2.1ns/nm。光纤布拉格光栅阵列相邻光栅的中心距离相等,间隔为0.2m。多波长光纤激光器产生的激光中心波长为1545nm,波长间隔为0.43nm;光纤布拉格光栅阵列中各光栅的反射波长分别为1543.3nm、1543.7nm、1544.2nm、1544.6nm、1545.0nm、1545.4nm、1545.8nm、1546.3nm、1546.7nm,对应于相应的多波长激光输出位置,且反射率均为100%。
本发明的优点和有益效果:
本发明提出了一种基于多波长光纤激光器与啁啾布拉格光栅的微波光子滤波器。利用多波长激光输出作为光源,降低了结构的复杂度。在光纤布拉格光栅阵列为延时单元的基础上,与啁啾光纤布拉格光栅结合,通过合理控制光纤布拉格光栅阵列距离及啁啾布拉格光栅色散斜率,能实现自由频谱范围的扩增,同时主旁瓣抑制比保持不变。啁啾布拉格光栅也可应用于其他微波光子滤波器的延时单元中,以进一步减小延时差,从而扩大自由频谱范围。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1为该微波光子滤波器结构示意图。
图2为多波长光纤激光器的波长输出图。
图3为该滤波器引入啁啾布拉格光栅前后频率响应图。
图1中:1.掺铒光纤放大器,2.单模光纤,3.保偏光纤,4.光隔离器,5.偏振控制器A,6.偏振控制器B,7.耦合器A,8.耦合器B,9.Sagnac环,10.多波长光纤激光器,11.光谱整形器,12.光耦合器C,13.光谱分析仪,14.相位调制器,15.射频信号发生器,16.光环形器A,17.啁啾布拉格光栅,18.光环形器B,19.光纤布拉格光栅阵列,20.光电探测器,21.射频信号分析器。
具体实施方式
如图1所示,本发明包括多波长光纤激光器10、光谱整形器11、1:99光耦合器C12、光谱分析器13、相位调制器14、射频信号发生器15、光环形器A16、啁啾布拉格光栅17、光环形器B18、光纤布拉格光栅阵列19、光电探测器20、射频信号分析器21。其中,多波长光纤激光器10包括掺铒光纤放大器1、单模光纤2、光隔离器4、偏振控制器B6、耦合器8和由保偏光纤3、偏振控制器5、耦合器A7构成的Sagnac环9。其连接关系为:由掺铒光纤放大器1、单模光纤2、光隔离器4、偏振控制器B6、光耦合器B8、Sagnac环9相连接构成的多波长光纤激光器10产生多波长激光从光耦合器B8输出,经光谱整形器11整形后进入光耦合器C12,光耦合器C12两个输出端的功率比为1:99,1%的光经光耦合器C12进入光谱分析仪13,观察激光器输出的谱形,99%的光经光耦合器C12进入相位调制器14,将射频信号发生器15产生的射频信号调制到光上,载有射频信号的光载波从光环形器A16的第一个端口进入,经第二个端口的啁啾布拉格光栅17反射后,从第三个端口出射进入另一光环形器B18,经其第二个端口的光纤布拉格光栅阵列19反射后,第三个端口出射,经光电探测器20实现光信号到电信号的转换,转换的电信号进入射频信号分析器21进行分析。
本发明中,多波长光纤激光器10作为滤波器的光源来产生多抽头。其结构中,掺铒光纤放大器1作泵浦,单模光纤2抑制腔内模式竞争并提高输出激光的稳定性,光隔离器4保证激光在环形腔内单向传输,由保偏光纤3、偏振控制器A5、耦合器A7构成的Sagnac环9光滤波器起波长选择和功率切趾作用,偏振控制器B6用来优化激光的偏振态,产生的多波长由耦合器B8的输出功率占10%端口输出。其中,耦合器A7两个输出端的功率比为50:50,耦合器B8两个输出端的功率比为10:90。
多波长光纤激光器10中单模光纤2长度为15km,保偏光纤3长度为11m,产生的激光中心波长在1545nm左右,波长间隔为0.43nm。光谱整形器11的窗函数优选汉宁窗。啁啾布拉格光栅17的色散斜率为2.1ns/nm,光纤布拉格光栅阵列19中各光栅的反射率相同,均为100%反射,反射波长分别位于1543.3nm、1543.7nm、1544.2nm、1544.6nm、1545.0nm、1545.4nm、1545.8nm、1546.3nm、1546.7nm,对应于相应的多波长激光输出位置,相邻光栅之间的间隔为0.2m。
在不引入啁啾布拉格光栅17时,该滤波器通过光纤布拉格阵列产生的延时差为ΔT0=2nΔL/c(c为真空中的光速,n为光纤的折射率,ΔL为相邻两光栅的中心距离)。自由频谱范围FSR可以表示为:FSR0=1/ΔT0。若啁啾布拉格光栅17的群时延可以表示为t=T0-|DCFBGλ|(T0为常数,DCFBG为啁啾布拉格光栅17的色散系数,λ为波长位置),则加入啁啾布拉格光栅17后每个抽头的群时延可以表示为ti=τ0+iΔT0+T0-|DCFBG(λ+iΔλ)|。抽头间的延时差ΔT1=ΔT0-|DCFBGΔλ|,相应的相比较,FSR1>FSR0,引入加啁啾布拉格光栅17后FSR增大了。
本发明在光源部分适当增加泵浦功率,调节偏振控制器A5以改善Sagnac滤波器谱型,调节偏振控制器B6优化输出激光的偏振态。多波长光纤激光器10环形腔中由于加入了15km的单模光纤2,输出的激光随着功率增大趋于稳定之时,自发调整输出谱型,产生了对称的多波长输出,功率在达到阈值之后继续增大,谱型保持不变。图2为多波长光纤激光器10的波长输出图。在多波长光纤激光器10后连接光谱整形器11,通过对其进行调节为输出的多波长激光加不同的窗,达到改变抽头系数的目的。采用色散系数为2.1ns/nm的啁啾布拉格光栅17和相邻光栅间中心距离为0.2m的光纤布拉格光栅阵列19相结合,与不引入啁啾布拉格光栅17时相比FSR增大了0.46GHz,并且主旁瓣抑制比保持不变,如图3所示。使用不同色散斜率的啁啾布拉格光栅17,就可以使FSR增大不同的值。
本发明提出的微波光子滤波器使用多波长激光器作光源,降低了系统的复杂性。在系统中引入啁啾布拉格光栅,使其与光纤布拉格阵列构成的延时单元相结合,增大了自由频谱范围。该微波光子滤波器结构简单、成本较低可广泛应用于通信、雷达系统中。
Claims (9)
1.一种基于多波长光纤激光器与啁啾布拉格光栅的微波光子滤波器,其特征在于:包括多波长光纤激光器(10)、光谱整形器(11)、光耦合器C(12)、光谱分析仪(13)、相位调制器(14)、射频信号发生器(15)、光环形器A(16)、啁啾布拉格光栅(17)、光环形器B(18)、光纤布拉格光栅阵列(19)、光电探测器(20)、射频信号分析器(21);
其中,由多波长光纤激光器(10)输出的多波长激光经光谱整形器(11)整形后进入光耦合器C(12),光耦合器C(12)两个输出端的功率比为1:99,1%的光经光耦合器(12)进入光谱分析仪(13),观察激光器输出的谱形,99%的光经光耦合器(12)进入相位调制器(14)将射频信号发生器(15)产生的射频信号调制到光上,载有射频信号的光载波从光环形器A(16)的第一个端口进入,经第二个端口的啁啾布拉格光栅(17)反射后,从第三个端口出射进入另一光环形器B(18),经其第二个端口的光纤布拉格光栅阵列(19)反射后,从第三个端口出射,经光电探测器(20)实现光信号到电信号的转换,转换的电信号进入射频信号分析器(21)进行分析。
2.根据权利要求1所述的微波光子滤波器,其特征在于:所述的多波长光纤激光器(10)包括:作为泵浦的掺铒光纤放大器(1)、抑制腔内模式竞争并提高输出激光的稳定性的单模光纤(2)、保证激光在环形腔内单向传输的光隔离器(4)、用来优化激光的偏振态的偏振控制器B(6)、用于多波长激光输出的耦合器B(8)和用于对波长选择和功率切趾作用的Sagnac环(9),耦合器B(8)两个输出端的功率比为10:90,多波长光纤激光器(10)产生的激光由耦合器B(8)输出功率占10%的端口输出。
3.根据权利要求2所述的微波光子滤波器,其特征在于:所述的Sagnac环(9)由保偏光纤(3)、偏振控制器A(5)、耦合器A(7)构成,耦合器A(7)两个输出端的功率比为50:50。
4.根据权利要求2所述的微波光子滤波器,其特征在于:所述的单模光纤(2)长度的取值范围为3—25km,保偏光纤(3)长度的取值范围为4—15m,其双折射系数为5.1×10-4。
5.根据权利要求4所述的微波光子滤波器,其特征在于:所述的单模光纤(2)长度取值为15km,保偏光纤(3)长度取值为11m。
6.根据权利要求1所述的微波光子滤波器,其特征在于:所述的光谱整形器(11)连接在多波长光纤激光器(10)的输出端来对输出激光功率进行切趾,改变各抽头的系数,光谱整形器(11)的窗函数选择汉宁窗。
7.根据权利要求1所述的微波光子滤波器,其特征在于:所述的光纤布拉格光栅阵列(19)相邻光栅的中心距离相等,间隔为0.2m。
8.根据权利要求1所述的微波光子滤波器,其特征在于:所述的啁啾布拉格光栅(17)的色散斜率为2.1ns/nm。
9.根据权利要求1或7所述的微波光子滤波器,其特征在于:所述的多波长光纤激光器(10)产生的激光中心波长为1545nm,波长间隔为0.43nm;光纤布拉格光栅阵列(19)中各光栅的反射波长分别为1543.3nm、1543.7nm、1544.2nm、1544.6nm、1545.0nm、1545.4nm、1545.8nm、1546.3nm、1546.7nm,对应于相应的多波长激光输出位置,且反射率均为100%。
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