CN113098609B - 一种40GHz毫米波信号的光学产生装置 - Google Patents

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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)、光隔离器(2)，第一光纤耦合器(3)，第一布里渊光纤(4)、光环形器(5)、第一掺铒光纤放大器(6)，第二布里渊光纤(7)，第二光纤耦合器(8)，第二掺铒光纤放大器(9)，第三光纤耦合器(10)，光电探测器(11)，窄线宽可调激光器输出的激光作为布里渊泵浦光，通过在第一布里渊光纤发生两次受激布里渊散射和第二布里渊光纤发生两次受激布里渊散射，借助掺铒光纤放大器的放大作用，可产生四阶斯托克斯光，四阶斯托克斯光与布里渊泵浦光拍频经光电转换后可得毫米波信号。该毫米波信号产生装置结构简单，成本低，在微波光子及光纤传感中均具有应用价值。

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，具体为一种光学产生40GHz毫米波信号的装置。
背景技术
微波光子学是将无线通信和光纤通信相结合，其研究内容由微波技术领域和光纤技术领域组成，其中最主要的部分由两方面组成，一方面是通过光纤通信技术向开发高频微波频段技术发展,研究各种光纤器件，如产生具有良好相干性的光源的激光器，及一系列的光调制器、放大器、光电探测器的结构和性能以及光纤传输链路中的各种问题，另一方面是关于微波信号的光学生成和处理问题,其中包括微波光子生成器、微波光子放大器、微波光子滤波器。
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。
目前报道的10GHz、20GHz和30GHz的微波信号的产生方法非常多，Zhen Wang,Tianshu Wang等人(Applied Optics Vol.56,No.26,September 10 2017)通过两卷20Km的布里渊增益光纤，和两个镱铒共掺的光纤放大器实现了频率间隔为0.259nm的9个优化的布里渊斯托克斯通道，通过单倍、双倍和三倍布里渊频率间隔的激光与泵浦光的拍频分别产生了10.5GHz、21.48GHz、31.77GHz的微波信号并对其产生的拍频微波信号进行了研究，其3dB线宽分别为16.4MHz、15.2MHz和12.8MHz，而对40GHz的微波信号的报道却很少。
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，包括窄线宽可调激光器(1)、光隔离器(2)，第一光纤耦合器(3)，第一布里渊光纤(4)、光环形器(5)、第一掺铒光纤放大器(6)，第二布里渊光纤(7)，第二光纤耦合器(8)，第二掺铒光纤放大器(9)，第三光纤耦合器(10)，光电探测器(11)，窄线宽可调激光器通过光隔离器与第一光纤耦合器A端的A1端口相连，第一光纤耦合器B端的B1端口与第一布里渊光纤的一端相连，第一光纤耦合器A端的A2端口与光环形器的第一端口(51)连接，光环形器的第二端口(52)通过第一掺铒光纤放大器连接第一布里渊光纤的另一端，光环形器的第三端口(53)与第二布里渊光纤的一端连接，光环形器的第四端口(54)与第三光纤耦合器C端的C1端口连接，第二光纤耦合器D端的D1端口通过第二掺铒光纤放大器与第二布里渊光纤的另一端连接，第二光纤耦合器C端的C2端口与第三光纤耦合器E端的E1端口连接，第一光纤耦合器B端的B2端口与第三光纤耦合器E端的E2端口连接，第三光纤耦合器F端的F1端口连接光电探测器。
一种40GHz毫米波信号的光学产生装置，窄线宽可调激光器输出的激光用作布里渊泵浦光(BP)，一部分BP经光隔离器由第一光纤耦合器的A1端口输入，经B1端口进入第一布里渊光纤的一端，当BP功率足够时，发生受激布里渊散射，产生背向传输的频率下移布里渊频率的一阶斯托克斯光(S1)，S1经过第一光纤耦合器从光环形器的第一端口(51)输入，经第二端口(52)输出进入第一掺铒光纤放大器放大，放大的S1进入第一布里渊光纤的另一端，当S1功率足够大时，将发生受激布里渊散射，产生背向传输的频率下移布里渊频率的二阶斯托克斯光(S2),S2从光环形器的第二端口(52)输入，经第三端口(53)输出，进入第二布里渊光纤的一端，当S2功率足够大时，将发生受激布里渊散射，产生背向传输的频率下移布里渊频率的三阶斯托克斯光(S3)，S3从光环形器的第三端口(53)输入，经第四端口(54)输出，由第二光纤耦合器进入第二掺铒光纤放大器中进行放大，放大的S3进入第二布里渊光纤的另一端，当放大后的S3足够大时，发生受激布里渊散射，产生背向传输的频率下移布里渊频率的四阶斯托克斯光(S4)，S4经过第二光纤耦合器由第三光纤耦合器的E1端口输入，另一部分BP光经第一光纤耦合器输入进入第三光纤耦合器的E2端口与E1端口输入的S4经第三光纤耦合器的F1端口输出至光电探测器，在光电探测器的输出端可以获得毫米波信号。
附图说明
图1是40GHz毫米波信号的光学产生装置结构示意图。
图中的附图标记解释为：1-窄线宽可调激光器，2-光隔离器，3-第一光纤耦合器，4-第一布里渊光纤，5-光环形器，6-第一掺铒光纤放大器，7-第二布里渊光纤，8-第二光纤耦合器，9-第二掺铒光纤放大器，10-第三光纤耦合器，11-光电探测器，A1-第一光纤耦合器A端的A1端口，A2-第一光纤耦合器A端的A2端口，B1-第一光纤耦合器B端的B1端口，B2-第一光纤耦合器B端的B2端口，51-光环形器(5)的1端口，52-光环形器(5)的2端口，53-光环形器(5)的3端口，54-光环形器(5)的4端口，C1-第二光纤耦合器(8)C端的C1端口，C2-第二光纤耦合器(8)C端的C2端口，D1-第二光纤耦合器(8)D端的D1端口，E1-第三光纤耦合器(10)E端的E1端口，E2-第三光纤耦合器(10)E端的E2端口，F1-第三光纤耦合器(10)F端的F1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。
一种光学产生40GHz毫米波信号的装置，包括窄线宽可调激光器(1)、光隔离器(2)，第一光纤耦合器(3)，第一布里渊光纤(4)、光环形器(5)、第一掺铒光纤放大器(6)，第二布里渊光纤(7)，第二光纤耦合器(8)，第二掺铒光纤放大器(9)，第三光纤耦合器(10)，光电探测器(11)，窄线宽可调激光器通过光隔离器与第一光纤耦合器A端的A1端口相连，第一光纤耦合器B端的B1端口与第一布里渊光纤的一端相连，第一光纤耦合器A端的A2端口与光环形器的第一端口(51)连接，光环形器的第二端口(52)通过第一掺铒光纤放大器连接第一布里渊光纤的另一端，光环形器的第三端口(53)与第二布里渊光纤的一端连接，光环形器的第四端口(54)与第三光纤耦合器C端的C1端口连接，第二光纤耦合器D端的D1端口通过第二掺铒光纤放大器与第二布里渊光纤的另一端连接，第二光纤耦合器C端的C2端口与第三光纤耦合器E端的E1端口连接，第一光纤耦合器B端的B2端口与第三光纤耦合器E端的E2端口连接，第三光纤耦合器F端的F1端口连接光电探测器。
所述窄线宽可调激光器输出的激光用作布里渊泵浦光(BP)，一部分BP经光隔离器由第一光纤耦合器的A1端口输入，经B1端口进入第一布里渊光纤的一端，当BP功率足够时，发生受激布里渊散射，产生背向传输的频率下移布里渊频率的一阶斯托克斯光(S1)，S1经过第一光纤耦合器从光环形器的第一端口(51)输入，经第二端口(52)输出进入第一掺铒光纤放大器放大，放大的S1进入第一布里渊光纤的另一端，当S1功率足够大时，将发生受激布里渊散射，产生背向传输的频率下移布里渊频率的二阶斯托克斯光(S2),S2从光环形器的第二端口(52)输入，经第三端口(53)输出，进入第二布里渊光纤的一端，当S2功率足够大时，将发生受激布里渊散射，产生背向传输的频率下移布里渊频率的三阶斯托克斯光(S3)，S3从光环形器的第三端口(53)输入，经第四端口(54)输出，由第二光纤耦合器进入第二掺铒光纤放大器中进行放大，放大的S3进入第二布里渊光纤的另一端，当放大后的S3足够大时，发生受激布里渊散射，产生背向传输的频率下移布里渊频率的四阶斯托克斯光(S4)，S4经过第二光纤耦合器由第三光纤耦合器的E1端口输入，另一部分BP光经第一光纤耦合器输入进入第三光纤耦合器的E2端口与E1端口输入的S4经第三光纤耦合器的F1端口输出至光电探测器，在光电探测器的输出端可以获得毫米波信号。
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泵浦激光器，一个1550nm/980nm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。
所述第一布里渊光纤和第二布里渊光纤具有相同布里渊频率值(为10GHz)，光纤长度均为25km。
所述光电探测器为带宽为50GHz的光电探测器。
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 (4)

1.一种40GHz毫米波信号的光学产生装置，包括窄线宽可调激光器(1)、光隔离器(2)，第一光纤耦合器(3)，第一布里渊光纤(4)、光环形器(5)、第一掺铒光纤放大器(6)，第二布里渊光纤(7)，第二光纤耦合器(8)，第二掺铒光纤放大器(9)，第三光纤耦合器(10)，光电探测器(11)，窄线宽可调激光器通过光隔离器与第一光纤耦合器A端的A1端口相连，第一光纤耦合器B端的B1端口与第一布里渊光纤的一端相连，第一光纤耦合器A端的A2端口与光环形器的第一端口(51)连接，光环形器的第二端口(52)通过第一掺铒光纤放大器连接第一布里渊光纤的另一端，光环形器的第三端口(53)与第二布里渊光纤的一端连接，光环形器的第四端口(54)与第二光纤耦合器C端的C1端口连接，第二光纤耦合器D端的D1端口通过第二掺铒光纤放大器与第二布里渊光纤的另一端连接，第二光纤耦合器C端的C2端口与第三光纤耦合器E端的E1端口连接，第一光纤耦合器B端的B2端口与第三光纤耦合器E端的E2端口连接，第三光纤耦合器F端的F1端口连接光电探测器。
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，窄线宽可调激光器输出的激光用作布里渊泵浦光(BP)，一部分BP经光隔离器由第一光纤耦合器的A1端口输入，经B1端口进入第一布里渊光纤的一端，当BP功率足够时，发生受激布里渊散射，产生背向传输的频率下移布里渊频率的一阶斯托克斯光(S1)，S1经过第一光纤耦合器从光环形器的第一端口(51)输入，经第二端口(52)输出进入第一掺铒光纤放大器放大，放大的S1进入第一布里渊光纤的另一端，当S1功率足够大时，将发生受激布里渊散射，产生背向传输的频率下移布里渊频率的二阶斯托克斯光(S2),S2从光环形器的第二端口(52)输入，经第三端口(53)输出，进入第二布里渊光纤的一端，当S2功率足够大时，将发生受激布里渊散射，产生背向传输的频率下移布里渊频率的三阶斯托克斯光(S3)，S3从光环形器的第三端口(53)输入，经第四端口(54)输出，由第二光纤耦合器进入第二掺铒光纤放大器中进行放大，放大的S3进入第二布里渊光纤的另一端，当放大后的S3足够大时，发生受激布里渊散射，产生背向传输的频率下移布里渊频率的四阶斯托克斯光(S4)，S4经过第二光纤耦合器由第三光纤耦合器的E1端口输入，另一部分BP光经第一光纤耦合器输入进入第三光纤耦合器的E2端口与E1端口输入的S4经第三光纤耦合器的F1端口输出至光电探测器，在光电探测器的输出端可以获得毫米波信号。
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，第一布里渊光纤和第二布里渊光纤的布里渊频率值相同。
4.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，掺铒光纤放大器为可双向放大的掺铒光纤放大器。
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Denomination of invention: An Optical Generation Device for 40GHz Millimeter Wave Signal

Granted publication date: 20220325

License type: Common License

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