CN106785812B - 基于受激布里渊散射放大效应的光电振荡器及调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于受激布里渊散射放大效应的光电振荡器及调节方法，涉及光电技术领域，其包括第一激光器、环形器、光纤单元、第二激光器、相位调制器、可调谐衰减器、光电探测器单元、可调滤波器、耦合器以及电放大器。其中，由所述第二激光器输出的激光经所述相位调制器产生的多频信号，与由所述第一激光器输出的激光信号在光纤单元中产生的背向布里渊散射信号发生受激布里渊散射放大，被放大的多频信号经衰减、光电转换及滤波再由耦合器分为两路信号，一路信号作为反馈信号输入相位调制器，另一路信号作为微波信号输出。本发明通过改变第一激光器的输出波长，进而改变反馈信号的频率以获取所需的多频信号，最后实现可调谐的微波信号输出。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，具体而言，涉及一种基于受激布里渊散射放大效应的光电振荡器及调节方法。
背景技术
目前，可调谐微波信号源是卫星通信系统、雷达系统和传感系统等必须且重要的信号源。随着信息技术的高速发展以及数据传输业务的迅速增加，对信号源的带宽要求随之增加。与传统的微波信号源相比，光电振荡器在高频信号产生方面具有较大的优势，且信号具有较低的相位噪声，因此，引起研究人员的高度重视。
部分研究者利用光纤中的受激布里渊散射效应，对光电振荡器中单边带调制光信号的载波进行相移，通过将光调制信号的载波与正一阶边带或载波与负一阶边带在光探测器处拍频，实现微波信号在光电振荡器环形腔中相移量的改变，同时配合可调微波滤波器，最终实现光电振荡器输出信号频率的宽带连续可调谐。
另有部分研究者利用微波源移频结合光纤布里渊效应获得可调谐的微波信号输出。
最新的研究结果是，利用硅基波导作为振荡器的储能元件，在波导中产生受激布里渊散射效应，结合光注入分布反馈激光器进行移频，通过改变温度控制系统的温度和激光器的波长实现输出微波信号的可调谐性。
以上这些研究成果在微波信号的产生方面具有一定的实用性，取得了一定的进展。但是，目前报道的方案中，都是使用的一个激光器，该激光器的调谐性质限制了输出微波信号的调谐性能，限制了这些光电振荡器微波信号源的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于受激布里渊散射放大效应的光电振荡器及调节方法，其能够有效的改善上述问题。
本发明的实施例是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供了一种基于受激布里渊散射放大效应的光电振荡器，其包括第一激光器、环形器、光纤单元、第二激光器、相位调制器、可调谐衰减器、光电探测器单元、可调滤波器、耦合器以及电放大器；从所述第一激光器输出的光束经过所述环形器进入所述光纤单元，并在所述光纤单元中产生背向布里渊散射信号；从所述第二激光器输出的光束经过所述相位调制器调制形成多频信号进入所述光纤单元，所述多频信号中与所述背向布里渊散射信号频率相同的信号在所述光纤单元中和所述背向布里渊散射信号发生背向布里渊散射放大效应，其功率被放大；被放大的多频信号经过所述环形器进入所述可调谐衰减器，经所述可调谐衰减器衰减后的多频信号经所述光电探测器单元转换为电信号；所述电信号经过所述可调滤波器滤波，再经过所述耦合器分为两路信号，其中一路信号作为反馈信号经过所述电放大器放大进入所述相位调制器，另一路信号作为微波信号输出。
在本发明较佳的实施例中，所述第一激光器为波长和功率均可调谐的激光器。
在本发明较佳的实施例中，所述第二激光器为波长和功率均可调谐的窄线宽激光器。
在本发明较佳的实施例中，所述第二激光器为固定波长的窄线宽激光器。
在本发明较佳的实施例中，所述光纤单元为单模光纤。
在本发明较佳的实施例中，所述光纤单元为色散位移光纤。
在本发明较佳的实施例中，所述光纤单元为高非线性光纤。
在本发明较佳的实施例中，所述光电探测器单元为光电探测器或平衡探测器。
第二方面，本发明实施例还提供了一种基于受激布里渊散射放大效应的光电振荡器调节方法，应用于如上所述的基于受激布里渊散射放大效应的光电振荡器，所述方法包括：获取第一激光信号和第二激光信号；由所述第一激光信号获取背向布里渊散射信号；由所述第二激光信号获取经过相位调制的多频信号；获取经受激布里渊散射放大后的多频信号；将放大后的多频信号进行衰减获取衰减后的多频信号；将衰减后的多频信号转换为电信号进行滤波形成滤波信号；将所述滤波信号分为两路信号，将其中一路信号作为反馈信号进行放大并对所述第二激光信号进行相位调制，将另一路信号作为微波信号输出。
在本发明较佳的实施例中，所述方法还包括：调节第一激光信号的波长以改变背向布里渊散射信号的频率，进而改变反馈信号的频率；获取经反馈信号相位调制后的多频信号；获取可调谐的微波信号并输出。
相对于现有技术中只使用一个激光器输出激光信号并通过对激光信号进行直接调制来输出微波信号的光电振荡器，本发明实施例提供的基于受激布里渊散射放大效应的光电振荡器利用布里渊散射信号可以放大与其频率相同的信号特点，结合相位调制器可以产生多频信号和光电振荡器的低噪声特点，通过设置第一激光器和第二激光器，使由所述第二激光器输出的激光经所述相位调制器产生的多频信号，与由所述第一激光器输出的激光信号在光纤单元中产生的背向布里渊散射信号发生受激布里渊散射放大，经过放大后的多频信号进一步经过衰减、光电转换及滤波，再由耦合器分为两路信号，其中一路信号作为反馈信号输入相位调制器，另一路信号作为微波信号输出。通过设置反馈电路，使得仅需调节第一激光器的输出波长，即可改变背向布里渊散射信号的频率，进而改变多频信号中与背向布里渊散射信号发生受激布里渊散射放大的信号频率，再经过反馈电路获得放大后的反馈信号并输入相位调制器，改变相位调制器输出的多频信号的频率分布，这样就可以选择性的放大从相位调制器输出的多频信号中的某一频率信号，最终获取可调谐的微波信号输出。因此，本发明提供的光电振荡器及调节方法不仅能够产生高精度微波信号，而且能够获得带宽可调谐的微波信号，且通过反馈电路进行相位调制，省去了昂贵的外部设备，简化了光电振荡器的结构，缩小了体积，节省了成本，大大降低了电磁干扰，使可调谐微波信号的获取变得更为简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明第一实施例中的基于受激布里渊散射放大效应的光电振荡器的结构示意图；
图2为本发明第一实施例中相位调制器输出的多频信号光谱；
图3为本发明第一实施例中光电振荡器输出的微波信号的频谱示意图；
图4为本发明第一实施例中获得的连续可调谐的微波信号的频谱示意图；
图5为本发明第二实施例中基于受激布里渊散射放大效应的光电振荡器调节方法的流程框图；
图6为本发明第二实施例中获取可调谐微波信号输出的流程框图。
图标：100-第一激光器；110-环形器；120-光纤单元；130-第二激光器；140-相位调制器；150-可调谐衰减器；160-光电探测器单元；170-可调滤波器；180-耦合器；190-电放大器；1000-基于受激布里渊散射放大效应的光电振荡器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，“输入”、“输出”、“反馈”、“形成”等术语应理解为是描述一种光学、电学变化或光学、电学处理。如“形成”仅仅是指光信号或电信号通过该元件、仪器或装置之后发生了光学上或电学上的变化，使得所述光信号或所述电信号受到处理，进而获得实施技术方案或解决技术问题所需要的信号。
在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述光电振荡器各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的光路方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。
第一实施例
请参照图1，本实施例提供一种基于受激布里渊散射放大效应的光电振荡器1000，其包括第一激光器100、环形器110、光纤单元120、第二激光器130、相位调制器140、可调谐衰减器150、光电探测器单元160、可调滤波器170、耦合器180以及电放大器190。
本实施例中，所述第一激光器100为波长和功率均可调谐的安捷伦窄线宽可调谐激光器(Agilent lightwave measurement system 8164B)，其输出波长范围为1527.60～1565.5nm，输出功率范围为-13～6dBm。本实施例中，所述第一激光器100的输出波长设定在1550nm，输出功率设定为5dBm。
本实施例中，所述环形器110具有三个端口分别为A端口、B端口和C端口，其信号传输方向为逆时针方向传输。可以理解的是，从所述A端口进入环形器110的信号从所述B端口输出，从所述B端口进入环形器110的信号从所述C端口输出。
本实施例中，所述环形器110通过所述B端口与光纤单元120光耦合。从所述第一激光器100输出的窄线宽激光信号从环形器110的A端口输入，在环形器110内经逆时针方向传输从环形器110的B端口输出并进入光纤单元120内。进入光纤单元120内的激光信号在光纤单元120中产生背向布里渊散射信号，所述背向布里渊散射信号的传输方向和原激光信号的方向相反。
背向布里渊散射信号是由于激光信号在光纤单元120中发生了受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering，SBS)效应而产生的。由于进入光纤单元120内的激光信号的功率很高，其在光纤内部产生了强电场，通过发生电致伸缩效应，使得光纤介质发生了周期性的密度和介电常数的变化，进而感生出声波场，从而导致入射激光信号与声波场之间发生了相干散射，即产生了受激布里渊散射信号，其传播方向和原激光信号相反，因此称作背向布里渊散射信号。
本实施例中，所述光纤单元120为长度为21km的普通单模光纤，这样长度的普通单模光纤可以增强由第一激光器100输出的激光信号在光纤单元120中发生的受激布里渊散射效应。
本实施例中，所述第二激光器130为波长和功率均可调谐的安捷伦窄线宽可调谐激光器(N7714A多通道窄线宽激光器)，其输出波长范围为1527.60～1565.5nm，输出功率范围为-10～14dBm。本实施例中，第二激光器130的输出波长设置为1550nm，输出功率设置为10dBm。
本实施例中，所述相位调制器140为Photline 1550nm波段铌酸锂(LiNbO3)电光相位调制器140，型号为MPZ-LN-20，其能够通过将单频输入信号进行相位调制来输出按一定频率间隔分布的多频信号。
本实施例中，所述相位调制器140的输出端与所述光纤单元120光耦合。由所述第二激光器130输出的窄线宽激光信号从相位调制器140的光信号输入端输入，经相位调制器140调制输出具有一定频率间隔的多频信号。所述多频信号进入光纤单元120中，与所述背向布里渊散射信号相互作用，使得多频信号的功率被放大。
上说多频信号与背向布里渊散射信号的相互作用是基于受激布里渊散射效应中的放大效应。当强泵浦激光信号场入射到光纤单元120中时，光波场的电致伸缩效应开始起作用，使光纤材料介质内某些状态的声频振动(声子)得到极大增强，增强了的声波场又反过来增强对入射激光的散射作用，声波场、激光波场(第一激光器100输出的激光信号和相位调制器140输出的多频信号)、激光的散射光波场(背向布里渊散射信号)在介质中同时存在，互相耦合。当入射激光的强度达到阈值后，使介质内声波场与散射光波场的增强作用足以补偿各自的损耗作用，此时会产生感应声波场与布里渊散射光波场的受激放大或振荡效应。
可以理解的是，在本实施例中，进入光纤单元120内的多频信号中，频率与所述背向布里渊散射信号频率相同的信号会与所述背向布里渊散射信号发生受激布里渊散射放大效应，该信号与所述背向布里渊散射信号的能量转为为放大后的信号能量，即多频信号的整体功率被放大了。
由于受激布里渊散射的频移与人射光频的比值小于10-6，而且背向布里渊散射信号的强度很弱。因此为了加强受激布里渊散射效应，本实施例中都选用了高功率、窄线宽的信号源和高灵敏度、高精度的探测器。
经过受激布里渊散射放大的多频信号进入环形器110的B端口，由环形器110的C端口输出后进入可调谐衰减器150。本实施例中，由于经过放大后的多频信号功率很高，超过了光电探测器单元160的检测范围，因此需要在光电探测器单元160之前加入可调谐衰减器150，对经过放大的多频信号进行功率衰减。由于多频信号中被放大的部分只有需要输出的频率的那部分信号，其他频率的信号(噪声)功率并不高，在进行功率衰减的同时，也滤除了部分噪声。
本实施例中，所述电探测器单元为50GHz的Finisar XPDV21x0RA光电探测器，其响应波长范围为1528～1564nm。经过可调谐衰减器150衰减之后的多频信号由光电探测器单元160的输入端输入，转换为电信号进入可调滤波器170的输入端。
本实施例中，可调滤波器170的型号为Santec OTF-300，其波长范围为1530～1570nm，带宽为0.3nm。可调滤波器170已经将多频信号中不需要的频率滤除，而输出所需要频率(经过受激布里渊散射放大的频率)的信号，该信号进入耦合器180内并分为两路信号输出。其中，一路信号作为反馈信号进入电放大器190的输入端进行放大，放大后的反馈信号由相位调制器140的电信号输入端口输入，用于驱动相位调制器140产生所需频率间隔的多频信号；而耦合器180输出的另一路电信号作为微波信号输出。
由于经过初始相位调制的多频信号有可能并不具有所需要的频率间隔，因此不经过反馈调制输出的微波信号也有可能不是所需要频率间隔的微波信号。此时通过调节第一激光器100的输出波长，即可相应改变光纤单元120中的背向布里渊散射信号的频率，就可以驱动相位调制器140产生所需的频率信号。因次，可以获得可调谐的微波信号输出。
请参照图2，具体从相位调制器140输出的多频信号的频谱如图2所示。从图2可以看出，在10MHz的范围内，多频信号有5个信号频率，这样的多频信号为微波信号的调谐性奠定基础。
请参照图3，由耦合器180输出的单一频率的微波信号频谱图如图3所示。从图3可以看出，微波信号的中心频率为22.05GHz。
请参照图4，当改变第一激光器100的输出波长时，输出的可调谐微波信号的频谱图如图4所示。从图4可以看出，输出的微波信号在0～40GHz的范围内连续可调，这样即可认为获得了可调谐的微波信号输出。
本实施例中，所选用的第一激光器100和第二激光器130都为波长和功率均可调谐的窄线宽激光器，相对于普通的可调谐激光器，其输出频率稳定、单色性强且噪声低，作为信号源可使光电振荡器中各路信号质量更高，输出的微波信号精度也更高。
在本发明的其他具体实施方案中，所述光纤单元120还可以是色散位移光纤或长度为5km的高非线性光纤，所述光电探测器单元160还可以是平衡探测器。
本实施例提供的基于受激布里渊散射放大效应的光电振荡器1000，利用当多频信号中的某一频率等于背向布里渊散射信号的频率时，多频信号将会产生放大效应，结合相位调制器140可以产生多频信号以及光电振荡器的低噪声特点，通过调节第一激光器100的输出波长来改变光纤中布里渊散射信号的波长，进而可以选择性的放大从相位调制器140输出的多频信号中的某一频率信号，最终获得可调谐的微波信号输出。该光电振荡器不仅能够产生高精度的微波信号，而且能够获得带宽可调谐的微波信号，其大大降低了电磁干扰，具有体积小、精度高、成本低廉和结构简单的优点。
第二实施例
请参照图5，本实施例提供了一种基于受激布里渊散射放大效应的光电振荡器调节方法，应用于本发明第一实施例提供的基于受激布里渊散射放大效应的光电振荡器。所述方法包括：
步骤S200：获取第一激光信号和第二激光信号；
步骤S210：由所述第一激光信号获取背向布里渊散射信号；
步骤S220：由所述第二激光信号获取经过相位调制的多频信号；
步骤S230：获取经受激布里渊散射放大后的多频信号；
步骤S240：将放大后的多频信号进行衰减获取衰减后的多频信号；
步骤S250：将衰减后的多频信号转换为电信号进行滤波形成滤波信号；
步骤S260：将所述滤波信号分为两路信号，将其中一路信号作为反馈信号进行放大并对所述第二激光信号进行相位调制，将另一路信号作为微波信号输出。
请参照图6，本实施例中，在进行步骤S260之后，还可以执行如下步骤：
步骤S270：调节第一激光信号的波长以改变背向布里渊散射信号的频率，进而改变反馈信号的频率；
步骤S280：获取经反馈信号相位调制后的多频信号；
步骤S290：获取可调谐的微波信号并输出。
综上所述，本发明提供的基于受激布里渊散射放大效应的光电振荡器利用布里渊散射信号可以放大与其频率相同的信号特点，结合相位调制器可以产生多频信号和光电振荡器的低噪声特点，通过设置第一激光器和第二激光器，使由所述第二激光器输出的激光经所述相位调制器产生的多频信号，与由所述第一激光器输出的激光信号在光纤单元中产生的背向布里渊散射信号发生受激布里渊散射放大，经过放大后的多频信号进一步经过衰减、光电转换及滤波，再由耦合器分为两路信号，其中一路信号作为反馈信号输入相位调制器，另一路信号作为微波信号输出。通过设置反馈电路，使得仅需调节第一激光器的输出波长，即可改变背向布里渊散射信号的频率，进而改变多频信号中与背向布里渊散射信号发生受激布里渊散射放大的信号频率，再经过反馈电路获得放大后的反馈信号并输入相位调制器，改变相位调制器输出的多频信号的频率分布，这样就可以选择性的放大从相位调制器输出的多频信号中的某一频率信号，最终获取可调谐的微波信号输出。因此，本发明提供的光电振荡器及调节方法不仅能够产生高精度微波信号，而且能够获得带宽可调谐的微波信号，且通过反馈电路进行相位调制，省去了昂贵的外部设备，简化了光电振荡器的结构，缩小了体积，节省了成本，大大降低了电磁干扰，使可调谐微波信号的获取变得更为简单。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于受激布里渊散射放大效应的光电振荡器，其特征在于，包括第一激光器、环形器、光纤单元、第二激光器、相位调制器、可调谐衰减器、光电探测器单元、可调滤波器、耦合器以及电放大器；
从所述第一激光器输出的光束经过所述环形器进入所述光纤单元，并在所述光纤单元中产生背向布里渊散射信号；
从所述第二激光器输出的光束经过所述相位调制器调制形成多频信号进入所述光纤单元，所述多频信号中与所述背向布里渊散射信号频率相同的信号在所述光纤单元中和所述背向布里渊散射信号发生背向布里渊散射放大效应，其功率被放大；
被放大的多频信号经过所述环形器进入所述可调谐衰减器，经所述可调谐衰减器衰减后的多频信号经所述光电探测器单元转换为电信号；
所述电信号经过所述可调滤波器滤波，再经过所述耦合器分为两路信号，其中一路信号作为反馈信号经过所述电放大器放大进入所述相位调制器，另一路信号作为微波信号输出；
所述第一激光器和所述第二激光器均为波长和功率均可调谐的窄线宽激光器。
2.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射放大效应的光电振荡器，其特征在于，所述光纤单元为单模光纤。
3.根据权利要求2所述的基于受激布里渊散射放大效应的光电振荡器，其特征在于，所述光纤单元为色散位移光纤。
4.根据权利要求2所述的基于受激布里渊散射放大效应的光电振荡器，其特征在于，所述光纤单元为高非线性光纤。
5.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射放大效应的光电振荡器，其特征在于，所述光电探测器单元为光电探测器或平衡探测器。
6.一种基于受激布里渊散射放大效应的光电振荡器调节方法，其特征在于，应用于权利要求1至5中任一项所述的基于受激布里渊散射放大效应的光电振荡器，所述方法包括：
获取第一激光信号和第二激光信号；
由所述第一激光信号获取背向布里渊散射信号；
由所述第二激光信号获取经过相位调制的多频信号；
获取经受激布里渊散射放大后的多频信号；
将放大后的多频信号进行衰减获取衰减后的多频信号；
将衰减后的多频信号转换为电信号进行滤波形成滤波信号；
将所述滤波信号分为两路信号，将其中一路信号作为反馈信号进行放大并对所述第二激光信号进行相位调制，将另一路信号作为微波信号输出。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
调节第一激光信号的波长以改变背向布里渊散射信号的频率，进而改变反馈信号的频率；
获取经反馈信号相位调制后的多频信号；
获取可调谐的微波信号并输出。
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