CN110417477B - 一种40GHz毫米波信号的光学产生装置 - Google Patents

一种40GHz毫米波信号的光学产生装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种40GHz毫米波信号的光学产生装置，包括窄线宽可调激光器(1)、第一光环形器(2)、第一布里渊增益光纤(3)、第一掺铒光纤放大模块(4)，第二光环形器(5)、第二布里渊增益光纤(6)、光纤耦合器(7)、第二掺铒光纤放大模块(8)，光电探测器(9)，窄线宽可调激光器输出的激光用作布里渊泵浦光，通过在第一布里渊增益光纤和第二布里渊增益光纤分别发生两次受激布里渊散射，利用两个掺铒光纤放大模块的线性放大作用，可以产生四阶布里渊斯托克斯光，四阶斯托克斯光与第一布里渊增益光纤中的传输泵浦光拍频，可以在光电探测器上得到毫米波信号。该光生毫米波信号方法与结构简单，成本低，在光无线通信、微波光子及光纤传感中均具有应用潜力。

Description

一种40GHz毫米波信号的光学产生装置
技术领域
本发明涉及光纤激光技术及微波光子技术，具体为一种40GHz毫米波信号的光学产生装置。
背景技术
随着无线通信及移动互联网技术及应用的全球化，无线接入正朝着超宽带、超高速及超大容量的第五代移动通信技术(5G)发展。由于无线频谱资源的有限性及无线频段的日益拥挤，为扩充无线通信的容量，就要求提高系统工作频率，向更高的微波/毫米波频段扩展。2017年6月8日，工信部正式发布《公开征集在毫米波频段规划第五代国际移动通信系统(5G)使用频率的意见》(下文简称《意见》)，提出我国的5G在毫米波频段拟使用24.75～27.5GHz频段、37～42.5GHz频段，也就是26GHz频段、39GHz频段。随着工作频率的提高，无线传输损耗也越大，因此微波/毫米波信号不适合不能长距离传输。随着光纤及光电子器件技术的发展，光纤传输与无线传输逐渐走向融合并形成一门新兴学科技术-微波光子技术。微波光子技术之一允许微波/毫米波信号在光纤中进行传输，这样的传输链路称作光纤无线(Radio-over-Fiber，ROF)链路。由于光纤传输具有抗干扰性强、高带宽及传输损耗小等特点，ROF链路非常适合用于高频微波/毫米波信号的远距离传输。
用光学方法获得微波/毫米波信号源是ROF链路系统中的一项关键技术，它可以大大降低系统成本和复杂性，相对电学方法，光学方法更容易获得高带宽、高速的微波/毫米波信号。常用的光生毫米波信号方法有直接调制法、外调制法和光学外差法等。其中光学外差方法以其优异的性能成为微波/毫米波光学产生的有效方法。光学外差技术主要基于双波长光波拍频原理：当不同波长的两束光波合束后同时入射到一个高速光电探测器时，双波长光波的拍频信号可以通过高速光电探测器变换为射频信号，射频信号的频率大小取决于双波长光波的两个光波频率差。
发明内容
本发明提出一种产生40GHz毫米波信号的双波长拍频方法与装置，它可为未来5G无线接入网络系统所需的39GHz频段毫米波载波信号提供可选方案。本发明的方法与实现的装置结构简单，成本低。相对先有技术，不需要高功率光放大器，不需要电的放大器，高速电光调制器，不需要多个激光器，大大降低了系统成本，简化了系统结构。
本发明为实现上述目的采用以下技术方案：
一种40GHz毫米波信号的光学产生装置，其特征在于，包括窄线宽可调激光器(1)、第一光环形器(2)、第一布里渊增益光纤(3)、第一掺铒光纤放大模块(4)，第二光环形器(5)、第二布里渊增益光纤(6)、光纤耦合器(7)、第二掺铒光纤放大模块(8)，光电探测器(9)，窄线宽可调激光器(1)的输出端与第一光环形器(2)的第一端口(21)相连，第一光环形器的第二端口(22)与第一布里渊增益光纤(3)的一端相连，第一光环形器的第三端口(23)与第一掺铒光纤放大模块(4)的一端相连，第一掺铒光纤放大模块的另一端与第二光环形器的第一端口(51)相连，第二光环形器的第二端口(52)与第三端口(53)之间连接第二布里渊增益光纤(6)，第二光环形器的第四端口(54)连接光纤耦合器(7)A端的A1端口,光纤耦合器B端的B1端口连接第二掺铒光纤放大模块(8)的一端，第二掺铒光纤放大模块的另一端连接第一布里渊增益光纤的另一端，光纤耦合器A端的A2端口连接一个光电探测器(9)。
窄线宽可调激光器输出的激光用作布里渊泵浦光BP，BP从第一光环形器的第一端口输入，从第二端口输出，注入第一布里渊增益光纤的一端并与第一布里渊增益光纤发生布里渊散射，当BP功率足够时，发生受激布里渊散射，产生频率下移布里渊频移频率的背向传输的一阶斯托克斯光S1，S1从第一光环形器的第二端口输入，从第三端口输出，进入第一掺铒光纤放大模块放大，放大的S1进入第二光环形器的第一端口，并从第二光环形器的第二端口输出，注入第二布里渊增益光纤的一端并与第二布里渊增益光纤发生布里渊散射，当S1功率足够时，发生受激布里渊散射，产生频率下移布里渊频移频率的背向传输的二阶斯托克斯光S2，S2进入第二光环形器的第二端口，从第三端口输出，注入第二布里渊增益光纤的另一端并与第二布里渊增益光纤发生布里渊散射，当S2功率足够时，发生受激布里渊散射，产生频率下移布里渊频移频率的背向传输的三阶斯托克斯光S3,S2局限在第二光环形器内部进行传输，S3从第二光环形器的第四端端口输出，进入光纤耦合器A端的A1端口，然后从B端的B1端口输出，进入第二掺铒光纤放大模块进行放大，放大后的S3注入第一布里渊增益光纤的另一端，并与第一布里渊增益光纤发生布里渊散射，当S3功率足够时，发生受激布里渊散射，产生频率下移布里渊频移频率的背向传输的四阶斯托克斯光S4，S4与从第一布里渊增益光纤传输过来的剩余布里渊泵浦光进入光纤耦合器B端的B1端口，从光纤耦合器A端的A2端口输出至光电探测器，在光电探测器上可以获得拍频的毫米波信号。
附图说明
图1是40GHz毫米波信号的光学产生装置原理示意图。
图中的附图标记解释为：1-窄线宽可调激光器，2-第一光环形器，3-第一布里渊增益光纤，4-第一掺铒光纤放大模块，5-第二光环形器，6-第二布里渊增益光纤，7-光纤耦合器，8-第二掺铒光纤放大模块，9-光电探测器，21-第一光环形器的第一端口，22-第一光环形器的第二端口,23-第一光环形器的第三端口，41-第二光环形器的第一端口,42-第二光环形器的第二端口，43-第二光环形器的第三端口，44-第二光环形器的第四端口，A1-光纤耦合器A端的端口，A2-光纤耦合器的A端的端口，B1-光纤耦合器B端的端口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的说明。
一种40GHz毫米波信号的光学产生装置，其特征在于，包括窄线宽可调激光器(1)、第一光环形器(2)、第一布里渊增益光纤(3)、第一掺铒光纤放大模块(4)，第二光环形器(5)、第二布里渊增益光纤(6)、光纤耦合器(7)、第二掺铒光纤放大模块(8)，光电探测器(9)，窄线宽可调激光器(1)的输出端与第一光环形器(2)的第一端口(21)相连，第一光环形器的第二端口(22)与第一布里渊增益光纤(3)的一端相连，第一光环形器的第三端口(23)与第一掺铒光纤放大模块(4)的一端相连，第一掺铒光纤放大模块的另一端与第二光环形器的第一端口(51)相连，第二光环形器的第二端口(52)与第三端口(53)之间连接第二布里渊增益光纤(6)，第二光环形器的第四端口(54)连接光纤耦合器(7)A端的A1端口,光纤耦合器B端的B1端口连接第二掺铒光纤放大模块(8)的一端，第二掺铒光纤放大模块的另一端连接第一布里渊增益光纤的另一端，光纤耦合器A端的A2端口连接一个光电探测器(9)。
窄线宽可调激光器输出的激光用作布里渊泵浦光(BP)，BP从第一光环形器的第一端口输入，从第二端口输出，注入第一布里渊增益光纤的一端并与第一布里渊增益光纤发生布里渊散射，当BP功率足够时，发生受激布里渊散射，产生频率下移布里渊频移频率的背向传输的一阶斯托克斯光(S1)，S1从第一光环形器的第二端口输入，从第三端口输出，进入第一掺铒光纤放大模块放大，放大的S1进入第二光环形器的第一端口，并从第二光环形器的第二端口输出，注入第二布里渊增益光纤的一端并与第二布里渊增益光纤发生布里渊散射，当S1功率足够时，发生受激布里渊散射，产生频率下移布里渊频移频率的背向传输的二阶斯托克斯光(S2)，S2进入第二光环形器的第二端口，从第三端口输出，注入第二布里渊增益光纤的另一端并与第二布里渊增益光纤发生布里渊散射，当S2功率足够时，发生受激布里渊散射，产生频率下移布里渊频移频率的背向传输的三阶斯托克斯光(S3),S2局限在第二光环形器内部进行传输，S3从第二光环形器的第四端端口输出，进入光纤耦合器A端的A1端口，然后从B端的B1端口输出，进入第二掺铒光纤放大模块进行放大，放大后的S3注入第一布里渊增益光纤的另一端，并与第一布里渊增益光纤发生布里渊散射，当S3功率足够时，发生受激布里渊散射，产生频率下移布里渊频移频率的背向传输的四阶斯托克斯光(S4)，S4与从第一布里渊增益光纤传输过来的剩余布里渊泵浦光进入光纤耦合器B端的B1端口，从光纤耦合器A端的A2端口输出至光电探测器，在光电探测器上可以获得拍频的毫米波信号。
所述窄线宽可调激光器，线宽低于1MHz，且输波长和功率均可调谐。
所述第一掺铒光纤放大模块和第二掺铒光纤放大模块均由一个980nm或1480nm泵浦激光器，一个1550nm/980nm或1550nm/1480nm波分复用器，一段6m长掺铒光纤连接而成。
所述第一掺铒光纤放大模块和第二掺铒光纤放大模块均为可双向放大的掺铒光纤放大模块。
所述第一布里渊增益光纤和第二布里渊增益光纤为具有相同布里渊频移值(约为10GHz)的单模光纤，长度均在15km左右。
所述光电探测器为带宽为50GHz的高速光电探测器。
以上对本发明的工作过程进行了详细说明，对本领域的普通技术人员来说，依据本发明提供的思想，在具体实施的方式上可能有改变之处，这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种40GHz毫米波信号的光学产生装置，其特征在于，包括窄线宽可调激光器(1)、第一光环形器(2)、第一布里渊增益光纤(3)、第一掺铒光纤放大模块(4)，第二光环形器(5)、第二布里渊增益光纤(6)、光纤耦合器(7)、第二掺铒光纤放大模块(8)，光电探测器(9)；
窄线宽可调激光器(1)的输出端与第一光环形器(2)的第一端口(21)相连，第一光环形器的第二端口(22)与第一布里渊增益光纤(3)的一端相连，第一光环形器的第三端口(23)与第一掺铒光纤放大模块(4)的一端相连，第一掺铒光纤放大模块的另一端与第二光环形器的第一端口(51)相连，第二光环形器的第二端口(52)与第三端口(53)之间连接第二布里渊增益光纤(6)，第二光环形器的第四端口(54)连接光纤耦合器(7)A端的A1端口,光纤耦合器B端的B1端口连接第二掺铒光纤放大模块(8)的一端，第二掺铒光纤放大模块的另一端连接第一布里渊增益光纤的另一端，光纤耦合器A端的A2端口连接一个光电探测器(9)；
窄线宽可调激光器输出的激光用作布里渊泵浦光BP，BP从第一光环形器的第一端口输入，从第二端口输出，注入第一布里渊增益光纤的一端并与第一布里渊增益光纤发生布里渊散射，当BP功率足够时，发生受激布里渊散射，产生频率下移布里渊频移频率的背向传输的一阶斯托克斯光S1，S1从第一光环形器的第二端口输入，从第三端口输出，进入第一掺铒光纤放大模块放大，放大的S1进入第二光环形器的第一端口，并从第二光环形器的第二端口输出，注入第二布里渊增益光纤的一端并与第二布里渊增益光纤发生布里渊散射，当S1功率足够时，发生受激布里渊散射，产生频率下移布里渊频移频率的背向传输的二阶斯托克斯光S2，S2进入第二光环形器的第二端口，从第三端口输出，注入第二布里渊增益光纤的另一端并与第二布里渊增益光纤发生布里渊散射，当S2功率足够时，发生受激布里渊散射，产生频率下移布里渊频移频率的背向传输的三阶斯托克斯光S3,S2局限在第二光环形器内部进行传输，S3从第二光环形器的第四端口输出，进入光纤耦合器A端的A1端口，然后从B端的B1端口输出，进入第二掺铒光纤放大模块进行放大，放大后的S3注入第一布里渊增益光纤的另一端，并与第一布里渊增益光纤发生布里渊散射，当S3功率足够时，发生受激布里渊散射，产生频率下移布里渊频移频率的背向传输的四阶斯托克斯光S4，S4与从第一布里渊增益光纤传输过来的剩余布里渊泵浦光进入光纤耦合器B端的B1端口，从光纤耦合器A端的A2端口输出至光电探测器，在光电探测器上可以获得拍频的毫米波信号。
2.根据权利要求1所述的40GHz毫米波信号的光学产生装置，其特征在于，第一布里渊增益光纤和第二布里渊增益光纤的布里渊频移频率值相同。
3.根据权利要求1所述的40GHz毫米波信号的光学产生装置，其特征在于，第一掺铒光纤放大模块和第二掺铒光纤放大模块均为可双向放大的掺铒光纤放大模块，并且两个掺铒光纤放大模块在光路中的位置可以进行优化放置。
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