CN105141258A - 一种微波变频方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波光子领域，特别是涉及一种微波变频方法及装置，包括光纤激光器、偏振光分束器、电光调制器、偏振控制器、光纤耦合器和光电探测器，所述光纤激光器、偏振光分束器、电光调制器依次连接后耦合至所述光纤耦合器一输入端，所述偏振光分束器和偏振控制器相连接后耦合至所述光纤耦合器另一输入端，所述光纤耦合器输出端与所述光电探测器相连接，所述光电探测器输出被转换后的变频信号。该发明无需提供传统变频方式中的微波本振信号源，可实现宽带微波信号至中频信号的转变。

Description

一种微波变频方法及装置

技术领域：

本发明涉微波光子领域，特别是涉及一种微波变频方法及装置，主要用于雷达通信和光载无线电传输等领域。

背景技术

用光学的手段产生高质量的微波信号，将光纤传输、高速光电子器件与微波信号在空间的辐射传输相互融合，已经成为下一代无线通信的发展方向。光生微波技术是利用激光器、光电探测器等器件，通过光学方式产生微波信号。目前最常用的光生微波技术是光拍频法，光拍频法产生的微波信号主要依赖与两个频率相近的相干窄线宽激光器。目前，基于光拍频法的光生微波装置可以分为两类：

一种是使用两个独立激光器进行拍频产生微波信号，其中一个激光器频率固定，另一个激光器频率可调，利用光锁相环将两个激光器的相位进行锁定，但是这种方法技术难度较大不利于实用。

另一种是使用同一个激光器通过相关技术手段产生两个频率的激光，使得微波信号直接输出，利用改变线型腔光纤激光器的双折射效应从而改变两个激光频率间隔实现微波信号的调谐，但是这种对激光器光纤施加应力的方法具有随机性，不利于自动化控制，并且整个激光器易受环境因素影响，难于实现拍频信号的调谐并且两个波长激光在腔内的增益均衡不容易保证。

发明内容

本发明的目的是提供一种微波变频方法及装置，基于光纤激光器双波长特性,将光纤激光器应用于微波光子变频系统，利用激光器产生的双波长间隔差为变频系统提供所需的本振频率。充分利用光纤激光器的两路相干性极强的光谱和拍频噪声小的特点，将其中一路波长信号送入电光调制器，经携带传送数据的微波/毫米波调制后，利用光纤介质传送至远端；而另一路波长信号无需经过调制，仅对其偏振态进行处理后直接送入远端，提供光子变频本振。最终两路信号在光电探测器中拍频，产生所需要的混频信号，实现微波光子变频。光纤激光器施加一个侧向压力,改变输出激光的拍频实现本振信号的宽带可调，从而完成宽带微波信号至中频信号的转变。此装置无需提供传统变频方式中的微波本振信号源，在光学领域完成微波信号变频功能。

为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种微波变频方法：其特征在于，包括以下步骤：

(1)980nm半导体泵浦激光器作为泵浦源发出980nm泵浦光；

(2)980nm泵浦光通过波分复用器的的公共端输出至增益光纤的低反射率光纤光栅端对其进行泵浦，由于本征双折射存在,增益光纤中的两个固有双折射的方向分别为x和y，在这两个偏振方向对应的偏振模式波长分别为：

λ_x＝2n_xΛ，λ_y＝2n_yΛ

式中，n_x、n_y分别对应两个偏振模式传播的两个偏振方向的折射率，Λ为光纤光栅的光栅周期，两个偏振模式混频后产生的拍频信号Δv：

$v_x=\frac{c}{{\mathrm{\λ}}_x}=\frac{c}{2n_x\mathrm{\Λ}},v_y=\frac{c}{{\mathrm{\λ}}_y}=\frac{c}{2n_y\mathrm{\Λ}}$

$\mathrm{\Δ}v=v_x-v_y=c\frac{{\mathrm{\λ}}_y-{\mathrm{\λ}}_x}{{\mathrm{\λ}}_x{\mathrm{\λ}}_y}=c\frac{(n_y-n_x)}{2n_y{n}_x\mathrm{\Λ}}$

式中，c为真空中的光速，实际光纤中n_x、n_y和光纤折射率纤芯平均折射率n_o的差别很小，所以光纤激光器由本征双折射而引起的拍频为：

$\mathrm{\Δ}v=c\frac{{\mathrm{\λ}}_y-{\mathrm{\λ}}_x}{{\mathrm{\λ}}_x{\mathrm{\λ}}_y}=\frac{c}{n_o\mathrm{\λ}}B,B=n_y-n_x$

式中，B定义为光纤的双折射，外加应力可以有效改变普通光纤双折射，随即改变拍频大小，实现对光纤激光器双频的调谐，间接为微波信号提供变频所需本振信号源；

(3)低反射率光纤光栅、增益光纤和高反射率光纤光栅依次连接组成超短线性谐振腔，所述超短线性谐振腔的腔长L_eff由所产生的微波、毫米波信号的频率Δv决定，满足：

$\mathrm{\Δ}v=\frac{c}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}},\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2n_{eff}{L}_{eff}},L_{eff}=L_0+L{1}_{eff}+L{2}_{eff},{\mathrm{Li}}_{eff}=Li\frac{\sqrt{R}}{2\arctan \sqrt{R}},i=1,2$

式中，n_eff为光纤光栅的有效折射率，L1_eff、L2_eff分别是低反射率光纤光栅和高反射率光纤光栅的有效长度，L1、L2分别是低反射率光纤光栅和高反射率光纤光栅的长度，L₀是两个光纤光栅之间的距离，R是光纤光栅的反射率，L_eff为10mm；

(4)将步骤(2)中产生的正交单纵模激光由波分复用器分路端输出到偏振光分束器，偏振光分束器的两个输出端分别输出波长为λ_x、λ_y的激光信号，波长为λ_x的激光信号和微波信号通过电光调制器后，输出信号可以表示为E₁(t)＝E₁cos(ω₁t+φ₁)，波长为λ_y的激光信号通过偏振控制器后输出信号为E₂(t)＝E₂cos(ω₂t+φ₂)，式中E₁,E₂表示每束光的电场振幅强度，ω₁,ω₂表示光信号频率，φ₁,φ₂表示光信号初始相位，t表示时间；

(5)将步骤(4)中产生的单纵模双波长激光耦合进光电探测器拍频后的电流为：

I_RF＝Acos[(ω₁-ω₂)t+(φ₁-φ₂)]

其中A表示微波电流最大振幅，拍频输出的微波信号频率为两列光信号的频率差，从而实现微波光子变频。在本发明中，由于单纵模双波长激光器的谐振腔为超短线性谐振腔，纵模间隔大，两个波长的频率之差落在了微波、毫米波波段，且两个波长来自于同一激光谐振腔，相位相关，所以，将单纵模双波长激光耦合进光电探测器后，就会在光电探测器处拍频产生所需要的变频信号。

一种微波变频装置，包括光纤激光器、偏振光分束器、电光调制器、偏振控制器、光纤耦合器和光电探测器，其特征在于，所述光纤激光器输出端与所述偏振光分束器输入端连接，所述偏振光分束器一输出端与所述电光调制器一输入端连接，外部微波信号与所述电光调制器另一输入端相连，所述电光调制器输出端耦合至所述光纤耦合器一输入端，所述偏振光分束器另一输出端连接至所述偏振控制器输入端，所述偏振控制器输出端耦合至所述光纤耦合器另一输入端，所述光纤耦合器输出端与所述光电探测器输入端相连接，所述光电探测器输出端输出被转换后的变频信号。

优选地，所述光纤激光器包括泵浦源、光隔离器、波分复用器和超短线性谐振腔，所述超短线性谐振腔包括依次连接的低反射率光纤光栅、增益光纤和高反射率光纤光栅，所述超短线性谐振腔的腔长L_eff由所产生的微波、毫米波信号的频率Δv决定，满足：

$\mathrm{\Δ}v=\frac{c}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}},\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2n_{eff}{L}_{eff}},L_{eff}=L_0+L{1}_{eff}+L{2}_{eff},{\mathrm{Li}}_{eff}=Li\frac{\sqrt{R}}{2\arctan \sqrt{R}},i=1,2$

式中，n_eff为光纤光栅的有效折射率，L1_eff、L2_eff分别是低反射率光纤光栅和高反射率光纤光栅的有效长度，L1、L2分别是低反射率光纤光栅和高反射率光纤光栅的长度，L₀是两个光纤光栅之间的距离，R是光纤光栅的反射率；所述泵浦源输出端与所述光隔离器输入端相连接，所述光隔离器输出端与所述波分复用器的一输入端相连接，所述波分复用器的另一输入端与所述超短线性谐振腔的低反射率光纤光栅端连接，所述波分复用器的输出端输出激光。

优选地，所述光纤激光器还包括压电陶瓷、石英玻璃片和电压控制器，所述超短线性谐振腔设置在所述石英玻璃片之间，所述压电陶瓷与所述石英玻璃片一端相接，所述电压控制器与所述压电陶瓷相连接。

优选地，所述光电探测器为一只光电二极管。

优选地，所述光电探测器由两只光电二极管与合路器组成，所述两只光电二极管的输出端分别与所述合路器的两输入端连接。

优选地，所述光纤激光器为Er³⁺/Yb³⁺共掺光纤激光器。

优选地，所述泵浦源波长采用980nm。

优选地，所述波分复用器的波长采用与所述泵浦源的波长相适应的波分复用器，波长采用980/1550nm。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明是一种微波变频方法及装置，光纤激光器的引入，为微波光子变频提供了一种全新的本振提供方式，免去了对微波本振发生电路的设计。变频方案中仅采用一个电光调制器减小了光链路信号的插入损耗，提高了光子变频链路的增益。光电探测器采用双光电二极管相干探测方式使拍频信号相位噪声进一步减小，使所取得变频信号具有良好的信噪比。

附图说明

图1、光纤激光器结构示意图；

图2、可调光纤激光器结构示意图；

图3、光外差法产生微波信号示意图；

图4、本发明的微波变频装置图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。

图1所示为光纤激光器结构示意图，主要是由泵浦源、一对布拉格光纤光栅及基于Er³⁺/Yb³⁺共掺增益光纤的线性腔构成，在增益光纤的两端分别刻写周期相同、反射率不同的光栅，构成腔镜并实现精确波长选择，光学谐振腔长为光纤光栅有效长度与增益光纤长度之和。泵浦光源经过隔离器、波分复用器后，进入线性谐振腔，谐振腔中产生新的激光模式，并得到放大，经低反射率光纤布拉格光栅反射、增益光纤放大、高发射率光纤布拉格光栅反射后，实现稳定激光模式输出。低反光栅既是谐振腔的输入端，也是输出端，最终产生的单纵模激光由波分复用器分路端输出。

由于光纤生产工艺的影响，普通单模光纤中不可避免地存在光纤弯曲、纤芯椭圆度和光纤残余应力，造成了光纤的本征双折射。增益光纤固有本征双折射使光纤激光器输出的单纵模存在两个正交偏振模式，工作在两个偏振模式下的激光频率不同，两种模式混频会产生一个拍频信号。假设增益光纤中的两个固有双折射的方向分别为x和y方向，在这两个偏振方向对应的偏置模式波长为λ_x、λ_y。由光纤布拉格光栅条件，光纤激光器中的布拉格光栅的中心波长为：λ＝2n_effΛ，Λ为光纤光栅的光栅周期，n_eff为光纤光栅的有效折射率。则对应每个偏振模式的布拉格光栅中心波长分别为：λ_x＝2n_xΛ，λ_y＝2n_yΛ，n_x、n_y分别对应两个偏振模式传播的两个偏振方向的折射率，得到两个偏振模式混频后产生的拍频信号Δv：

$v_x=\frac{c}{{\mathrm{\λ}}_x}=\frac{c}{2n_x\mathrm{\Λ}},v_y=\frac{c}{{\mathrm{\λ}}_y}=\frac{c}{2n_y\mathrm{\Λ}}$

$\mathrm{\Δ}v=v_x-v_y=c\frac{{\mathrm{\λ}}_y-{\mathrm{\λ}}_x}{{\mathrm{\λ}}_x{\mathrm{\λ}}_y}=c\frac{(n_y-n_x)}{2n_y{n}_x\mathrm{\Λ}}$

式中，c为真空中的光速，实际光纤中n_x、n_y和光纤折射率纤芯平均折射率n_o的差别很小，所以光纤激光器由本征双折射而引起的拍频为：B＝n_y-n_x式中B定义为光纤的双折射，外加应力可以有效改变普通光纤双折射，随即改变拍频大小，实现对光纤激光器双频的调谐，间接为微波信号提供变频所需本振信号源。

跳模问题是制约光纤激光器实际应用的一个关键问题，这个问题来源于两个光纤布拉格光栅对形成的法布里-珀罗腔(F-P)结构。在这种F-P线性腔结构中，激光振荡的纵模间隔直接取决于F-P腔的长度。而对于光纤激光器来说，可能起振的纵模模式，还要受到两个滤波器光纤光栅带宽的限制。激光器的纵模间隔非常小，也远小于光纤光栅的带宽，因此在光纤光栅的带宽之内存存在着多个纵模，这些纵模都有可能受激起振。激光器内存在模间竞争，然而最终可能是唯一的模式在光纤光栅带宽内得到起振并输出激光，但当受到非常小的外界干扰，比如受到温度或应变梯度作用时，光纤光栅谱型畸变使激光器模式跳跃到临近的纵模上，这为光纤激光器带来了不稳定性。通过大幅度降低F-P腔的腔长，使纵模间隔足够大到可以和光纤光栅带宽匹配，从根本上消除这种不稳定的模间跳模以及多种模起振问题。换句话说，极短腔长的光纤激光器，能避免跳模问题，从而获得非常稳定的单纵模正交双偏振光纤激光器。

根据两个光纤光栅形成的F-P腔理论，F-P谐振腔的功率投射率可以表示为：

$T_{F-P}=\frac{{(1-R_g)}^2}{{(1-R_g)}^2+4R_g{\sin }^2({\mathrm{\βL}}_0-{\mathrm{\Φ}}_r)}$

式中R_g是光纤光栅的反射率，β是传输光基模HE₁₁的传输常数，L₀是两个光纤光栅之间的距离，Φ_r是两个光纤光栅的反射系数的相位。利用数值模拟F-P谐振腔内可能起振的纵模与低反射率的光纤光栅带宽之间的关系，可以观察到在低反射率光纤光栅的反射带宽内起振的纵模模式，选择短腔光纤激光器使光纤光栅带宽内有唯一的纵模起振，就能保证稳定的单纵模激光输出。实际情况中，光纤激光器的两个选频光纤光栅也会对内部增益放大有一定贡献。可以通过计算光纤激光器的有效腔长来更准确地描述单纵模输出特性。由一对光纤布拉格光栅组成的F-P腔的有效腔长，可以通过公式获得：

$\mathrm{\Δ}v=\frac{c}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}},\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2n_{eff}{L}_{eff}},L_{eff}=L_0+L{1}_{eff}+L{2}_{eff},{\mathrm{Li}}_{eff}=Li\frac{\sqrt{R}}{2\arctan \sqrt{R}},i=1,2$

式中n_eff是光纤纤芯的有效折射率，L1_eff、L2_eff分别是低反射率光纤光栅和高反射率光纤光栅的有效长度，L1、L2分别是低反射率光纤光栅和高反射率光纤光栅的长度，R是光纤光栅的反射率。当F-P腔长在10mm时，在低反射率光纤光栅的宽带范围内，多达4-7个纵模可以起振，在这种情况下，很难保证激光器起振后纵模的稳定性，无法避免跳模影响。从理论上可以预见当F-P腔长极短时，唯一纵模选择是可能的，这就避免了跳模现象。

图2所示为可调光纤激光器结构示意图，利用光纤激光器和压电陶瓷为核心实现光纤激光器双频间隔可调。固定装置和压电陶瓷之间有两片石英玻璃片，两表面光滑的玻璃片之间放置制作的有稳定激光输出的Er³⁺/Yb³⁺共掺光纤激光器，电压控制器为压电陶瓷提供电压，偏振光束分束器用于分立单纵模中正交的偏置模式。

压电陶瓷具有层叠式结构，在缓慢均匀加载正向电压时，压电陶瓷的伸长量与电压增加量近似线性，结构图中固定装置使压电陶瓷的伸长转化为出力，这种出力大小F与驱动电压V有线性关系：F＝KV，其K是一个与PZT材料弹性模量和封装工艺等性质相关的参量。

光纤激光器放置在石英玻璃片之间的位置不是随意的，首先确定玻璃片对光纤激光器施加的应力方向，用光纤旋转器将光纤激光器转动一个小角度，观察拍频的改变量，通过不断改变光纤的角度，找到拍频改变量为最大的方向，这是Er³⁺/Yb³⁺共掺光纤激光器本振双折射的慢轴方向，标记出这个方向。玻璃片对光纤激光器施加的应力方向和已标记的光纤内慢轴方向保持一致。

拍频信号与Er³⁺/Yb³⁺共掺光纤激光器的双折射直接相关，电压控制器为压电陶瓷提供精确的控制电压，使其出力与电压成线性关系，压电陶瓷出力会通过平滑的石英玻璃片给光纤激光器的线性腔施加一个侧向压力，这样就可以改变双频激光间隔，通过偏振光束分束器分立出两个波长频率的激光。由于预应力的存在，在没有驱动电压时，光纤激光器双频激光谱线之间有一定的间隔，改变压电陶瓷驱动电压，对光纤激光器施加侧向压力，力的方向通过慢轴方向，由于光弹效应，外来的压力使光纤产生诱导双折射，从而使光纤激光器的应力双折射增加，产生双频激光谱线间隔逐渐增大，从而实现对光纤激光器双频间隔的调谐。

图3为光外差法产生微波信号示意图，光电探测器利用器件的光电效应完成光信号到电信信号的转换，探测器输出电流随光强度变化而变化。微波光子系统要求光电探测器灵敏度高、带宽大以及输入光功率大，以扩大探测器的线性动态范围。前级电光调制器输出特性减小了信号幅度动态范围，在一定程度上保证光电探测器输入信号幅度位于其线性区域，信号幅度失真的程度被减弱。

光电探测器是光外差法产生微波信号的关键部件，由两个光源、光耦合器和光电探测器构成。两个光源信号表示为：E_i(t)＝E_icos(ω_it+φ_i)i＝1,2式中，E_i表示每束光的电场振幅强度，ω_i表示光信号频率，φ_i表示光信号初始相位，经过光电探测器拍频后的微波电流为：I_RF＝Acos[(ω₁-ω₂)t+(φ₁-φ₂)]，A表示微波电流最大振幅。，拍频输出的微波信号频率为两列光信号的频率差，利用光电探测器拍频方法可以获得微波信号源。

图4为本发明的微波变频装置图，包括光纤激光器、偏振光分束器、电光调制器、偏振控制器、光纤耦合器和光电探测器，其特征在于，所述光纤激光器输出端与所述偏振光分束器输入端连接，所述偏振光分束器一输出端与所述电光调制器一输入端连接，外部微波信号与所述电光调制器另一输入端相连，所述电光调制器输出端耦合至所述光纤耦合器一输入端，所述偏振光分束器另一输出端连接至所述偏振控制器输入端，所述偏振控制器输出端耦合至所述光纤耦合器另一输入端，所述光纤耦合器输出端与所述光电探测器输入端相连接，所述光电探测器输出端输出被转换后的变频信号。

所述光纤激光器包括泵浦源、光隔离器、波分复用器和超短线性谐振腔，所述超短线性谐振腔包括依次连接的低反射率光纤光栅、增益光纤和高反射率光纤光栅，所述超短线性谐振腔的腔长L_eff由所产生的微波、毫米波信号的频率Δv决定，满足：

$\mathrm{\Δ}v=\frac{c}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}},\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2n_{eff}{L}_{eff}},L_{eff}=L_0+L{1}_{eff}+L{2}_{eff},{\mathrm{Li}}_{eff}=Li\frac{\sqrt{R}}{2\arctan \sqrt{R}},i=1,2$

式中，n_eff为光纤光栅的有效折射率，L1_eff、L2_eff分别是低反射率光纤光栅和高反射率光纤光栅的有效长度，L1、L2分别是低反射率光纤光栅和高反射率光纤光栅的长度，L₀是两个光纤光栅之间的距离，R是光纤光栅的反射率；所述泵浦源输出端与所述光隔离器输入端相连接，所述光隔离器输出端与所述波分复用器的一输入端相连接，所述波分复用器的另一输入端与所述超短线性谐振腔的低反射率光纤光栅端连接，所述波分复用器的输出端输出激光。

所述光纤激光器还包括压电陶瓷、石英玻璃片和电压控制器，所述超短线性谐振腔设置在所述石英玻璃片之间，所述压电陶瓷与所述石英玻璃片相接，所述电压控制器与所述压电陶瓷相连接。

所述光电探测器由一只光电二极管或由两只光电二极管与合路器组成，所述两只光电二极管的输出端分别与所述合路器的两输入端连接，光电探测器利用器件的光电效应完成光信号到电信信号的转换，用于将单纵模双波长激光耦合进高速光电探测器后，拍频产生变频信号。

所述光纤激光器为Er³⁺/Yb³⁺共掺光纤激光器。

所述泵浦源采用波长与增益光纤能级结构相匹配的适合的980nm半导体激光器；所说的波分复用器为具有三个端口采用与泵浦源的波长相适应的980/1550nm波分复用器。

所述增益光纤是在给定泵浦功率条件下，可以提供足够增益使得在超短腔结构中能够产生激光的高浓度掺镱、铒光纤。

所述低反射率光纤光栅是均匀布拉格光纤光栅；所说的高反射率光纤光栅是均匀布拉格光纤光栅，高反射率光纤光栅的反射率是99％，保证光在超短腔结构中谐振并产生激光。低反射率的光纤光栅与高反射率的光纤光栅分别作为谐振腔的前反射镜和后反射镜，用于提供光学反馈，产生激光。

本发明微波变频装置的工作原理为：

采用本发明微波变频装置进行变频时，泵浦源发出980nm泵浦光首先通过波分复用器的980nm端口进入到公共端，通过增益光纤的低反射率光纤光栅端对其进行泵浦，而光纤激光器将产生的1550nm单纵模激光通过波分复用器的分路端输出，输出的1550nm单纵模激光通过偏振光分束器后分成两束波长分别为λx、λy的线偏振光，波长为λx的线偏振光与微波信号通过电光调制器产生双边带信号输出至光纤耦合器一输入端；波长为λy的线偏振光通过偏振控制器产生不同偏振状态的光并输出至光纤耦合器的另一输入端；两路信号在光纤耦合器中耦合后输出至光电探测器，利用光电探测器进行光外差拍频，输出所需的变频信号。

实施例一

本实施例的一种微波变频装置，包括光纤激光器、偏振光分束器、电光调制器、偏振控制器、光纤耦合器和光电探测器，其特征在于，所述光纤激光器输出端与所述偏振光分束器输入端连接，所述偏振光分束器一输出端与所述电光调制器一输入端连接，外部微波信号与所述电光调制器另一输入端相连，所述电光调制器输出端耦合至所述光纤耦合器一输入端，所述偏振光分束器另一输出端连接至所述偏振控制器输入端，所述偏振控制器输出端耦合至所述光纤耦合器另一输入端，所述光纤耦合器输出端与所述光电探测器输入端相连接，所述光电探测器输出端输出被转换后的变频信号，所述光电探测器为一只光电二极管。

实施例二

本实施例的一种微波变频装置，包括光纤激光器、偏振光分束器、电光调制器、偏振控制器、光纤耦合器和光电探测器，其特征在于，所述光纤激光器输出端与所述偏振光分束器输入端连接，所述偏振光分束器一输出端与所述电光调制器一输入端连接，外部微波信号与所述电光调制器另一输入端相连，所述电光调制器输出端耦合至所述光纤耦合器一输入端，所述偏振光分束器另一输出端连接至所述偏振控制器输入端，所述偏振控制器输出端耦合至所述光纤耦合器另一输入端，所述光纤耦合器输出端与所述光电探测器输入端相连接，所述光电探测器输出端输出被转换后的变频信号，所述光电探测器由两只光电二极管与合路器组成，所述两只光电二极管的输出端分别与所述合路器的两输入端连接。

Claims (9)

1.一种微波变频方法：其特征在于，包括以下步骤：

(1)980nm半导体泵浦激光器作为泵浦源发出980nm泵浦光；

(2)980nm泵浦光通过波分复用器的的公共端输出至增益光纤的低反射率光纤光栅端对其进行泵浦，由于本征双折射的存在,增益光纤中的两个固有双折射的方向分别为x和y，在这两个偏振方向对应的偏振模式波长分别为λ_x、λ_y，即：

λ_x＝2n_xΛ，λ_y＝2n_yΛ

式中，n_x、n_y分别对应两个偏振模式传播的两个偏振方向的折射率，Λ为光纤光栅的光栅周期，两个偏振模式混频后产生的拍频信号Δv：

$v_x=\frac{c}{{\mathrm{\λ}}_x}=\frac{c}{2n_x\mathrm{\Λ}},v_y=\frac{c}{{\mathrm{\λ}}_y}=\frac{c}{2n_y\mathrm{\Λ}}$

$\mathrm{\Δ}v=v_x-v_y=c\frac{{\mathrm{\λ}}_y-{\mathrm{\λ}}_x}{{\mathrm{\λ}}_x{\mathrm{\λ}}_y}=c\frac{(n_y-n_x)}{2n_y{n}_x\mathrm{\Λ}}$

式中，c为真空中的光速，实际光纤中n_x、n_y和光纤折射率纤芯平均折射率n_o的差别很小，所以光纤激光器由本征双折射而引起的拍频为：

$\mathrm{\Δ}v=c\frac{{\mathrm{\λ}}_y-{\mathrm{\λ}}_x}{{\mathrm{\λ}}_x{\mathrm{\λ}}_y}=\frac{c}{n_o\mathrm{\λ}}B,B=n_y-n_x$

式中，B定义为光纤的双折射，外加应力可以有效改变普通光纤双折射，随即改变拍频大小，实现对光纤激光器双频的调谐；

(3)低反射率光纤光栅、增益光纤和高反射率光纤光栅依次连接组成超短线性谐振腔，超短线性谐振腔的腔长L_eff由所产生的微波、毫米波信号的频率Δv决定，满足：

$\mathrm{\Δ}v=\frac{c}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}},\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2n_{eff}{L}_{eff}},L_{eff}=L_0+L{1}_{eff}+L{2}_{eff},{\mathrm{Li}}_{eff}=Li\frac{\sqrt{R}}{2\arctan \sqrt{R}},i=1,2$

式中，n_eff为光纤光栅的有效折射率，L1_eff、L2_eff分别是低反射率光纤光栅和高反射率光纤光栅的有效长度，L1、L2分别是低反射率光纤光栅和高反射率光纤光栅的长度，L₀是两个光纤光栅之间的距离，R是光纤光栅的反射率；

(4)将步骤(2)中产生的正交单纵模激光由波分复用器分路端输出到偏振光分束器，偏振光分束器的两个输出端分别输出波长为λ_x、λ_y的激光信号，波长为λ_x的激光信号和微波信号通过电光调制器后，输出信号为E₁(t)＝E₁cos(ω₁t+φ₁)，波长为λ_y的激光信号通过偏振控制器后输出信号为E₂(t)＝E₂cos(ω₂t+φ₂)，式中E₁,E₂表示每束光的电场振幅强度，ω₁,ω₂表示光信号频率，φ₁,φ₂表示光信号初始相位，t表示时间；

(5)将步骤(4)中产生的单纵模双波长激光耦合进光电探测器拍频后的电流为：

I_RF＝Acos[(ω₁-ω₂)t+(φ₁-φ₂)]

其中A表示微波电流最大振幅，拍频输出的微波信号频率为两列光信号的频率差，从而实现微波光子变频。

2.一种微波变频装置，包括光纤激光器、偏振光分束器、电光调制器、偏振控制器、光纤耦合器和光电探测器，其特征在于，所述光纤激光器输出端与所述偏振光分束器输入端连接，所述偏振光分束器一输出端与所述电光调制器一输入端连接，外部微波信号与所述电光调制器另一输入端相连，所述电光调制器输出端耦合至所述光纤耦合器一输入端，所述偏振光分束器另一输出端连接至所述偏振控制器输入端，所述偏振控制器输出端耦合至所述光纤耦合器另一输入端，所述光纤耦合器输出端与所述光电探测器输入端相连接，所述光电探测器输出端输出被转换后的变频信号。

3.根据权利要求2所述的一种微波变频装置，其特征在于，所述光纤激光器包括泵浦源、光隔离器、波分复用器和超短线性谐振腔，所述超短线性谐振腔包括依次连接的低反射率光纤光栅、增益光纤和高反射率光纤光栅，所述超短线性谐振腔的腔长L_eff由所产生的微波、毫米波信号的频率Δv决定，满足：

$\mathrm{\Δ}v=\frac{c}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}},\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2n_{eff}{L}_{eff}},L_{eff}=L_0+L{1}_{eff}+L{2}_{eff},{\mathrm{Li}}_{eff}=Li\frac{\sqrt{R}}{2\arctan \sqrt{R}},i=1,2$

式中，n_eff为光纤光栅的有效折射率，L1_eff、L2_eff分别是低反射率光纤光栅和高反射率光纤光栅的有效长度，L1、L2分别是低反射率光纤光栅和高反射率光纤光栅的长度，L₀是两个光纤光栅之间的距离，R是光纤光栅的反射率；所述泵浦源输出端与所述光隔离器输入端相连接，所述光隔离器输出端与所述波分复用器的一输入端相连接，所述波分复用器的另一输入端与所述超短线性谐振腔的低反射率光纤光栅端连接，所述波分复用器的输出端输出激光。

4.根据权利要求3所述的一种微波变频装置，其特征在于，所述光纤激光器还包括压电陶瓷、石英玻璃片和电压控制器，所述超短线性谐振腔设置在所述石英玻璃片之间，所述压电陶瓷与所述石英玻璃片一端相接，所述电压控制器与所述压电陶瓷相连接。

5.根据权利要求2所述的一种微波变频装置，其特征在于，所述光电探测器为一只光电二极管。

6.根据权利要求2所述的一种微波变频装置，其特征在于，所述光电探测器由两只光电二极管与合路器组成，所述两只光电二极管的输出端分别与所述合路器的两输入端连接。

7.根据权利要求2所述的一种微波变频装置，其特征在于，所述光纤激光器为Er³⁺/Yb³⁺共掺光纤激光器。

8.根据权利要求3所述的一种微波变频装置，其特征在于，所述泵浦源波长采用980nm。

9.根据权利要求3所述的一种微波变频装置，其特征在于，所述波分复用器的波长采用与所述泵浦源的波长相适应的波分复用器，波长采用980/1550nm。