CN114336236A

CN114336236A - 基于自激前向布里渊光纤激光的超窄微波光子发生器

Info

Publication number: CN114336236A
Application number: CN202111346201.3A
Authority: CN
Inventors: 刘毅; 宁钰; 陈鹏飞; 顾源琦; 姚尧
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2021-11-15
Filing date: 2021-11-15
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2041-11-15
Also published as: CN114336236B

Abstract

本发明属于光学技术领域，公开了一种基于自激前向布里渊光纤激光的超窄微波光子发生器，包括掺铒光纤激光器，第一单模光纤，光隔离器，第一光耦合器、第一偏振控制器、第二单模光纤、可调光滤波器、第二光耦合器、第二偏振控制器和光电探测器；掺铒光纤激光器的输出端经光隔离器、第一光耦合器的a输入端，第一光耦合器的c输出端、可调光滤波器连接第二光耦合器的e输入端；第二光耦合器的f输出端经光电探测器光电转换产生拍频微波光子信号，g输出端经第二偏振控制器、第一单模光纤后连接掺铒光纤激光器的输入端；第一光耦合器的b输入端经第一偏振控制器、第二单模光纤后连接其d输出端；本发明可以实现小于1 Hz的超窄线宽的微波光子输出。

Description

基于自激前向布里渊光纤激光的超窄微波光子发生器

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种基于自激前向布里渊光纤激光的超窄微波光子发生器。

背景技术

前向布里渊散射在近年来被越来越多的学者所关注，由于其在单模光纤或光子晶体光纤中有着强烈的声光非线性相互作用，可被用来形成前向锁模激光器或微波光子振荡器。

2009年，Kang M S提出一种基于光子晶体光纤前向布里渊散射的人工拉曼振荡器，它可以通过紧密捕获二氧化硅-空气光子晶体光纤小核心中的千兆赫声振动来观察激光的强烈非线性前向散射。2017年London Y提出一种基于单模光纤的光机射频振荡器，实现频率为319 MHz，声模和纵模抑制比分别为40 dB和38 dB的射频振荡。2018年SiGang Y提出一种基于光子晶体光纤前向布里渊散射的光电振荡器，由1 um波段的光波激发，在1.237GHz的反馈回路中实现振荡，声模抑制比达到60 dB。

上述研究利用单模光纤或光子晶体光纤的前向布里渊散射形成光电振荡器产生微波光子。但对比几个实验装置可以发现，现有技术的微波光子手段具有以下缺陷：（1）需要泵浦光来泵浦激发前向布里渊散射；（2）需要Sagnac环进行前向布里渊散射光相位调制到强度调制的解调输出；（3）需要电光调制器来进行电光信号的转换。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种结构简单，控制方便、输出质量高的基于自激前向布里渊光纤激光的超窄微波光子发生器。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于自激前向布里渊光纤激光的超窄微波光子发生器，包括：掺铒光纤激光器，第一单模光纤，光隔离器，第一光耦合器、第一偏振控制器、第二单模光纤、可调光滤波器、第二光耦合器、第二偏振控制器和光电探测器；

所述掺铒光纤激光器的输出端经光隔离器连接第一光耦合器的a输入端，第一光耦合器的c输出端经可调光滤波器连接所述第二光耦合器的e输入端，第二光耦合器的f输出端用于输出微波光子信号，g输出端经第二偏振控制器、第一单模光纤后连接所述掺铒光纤激光器的输入端形成主环腔；所述掺铒光纤激光器输出的自激激光经光隔离器、第一光耦合器、可调光滤波器、所述第二光耦合器、第二偏振控制器、第一单模光纤返回所述掺铒光纤激光器；第二光耦合器的f输出端连接光电探测器，经光电探测器光电转换产生拍频微波光子信号；

所述第一光耦合器的b输入端经第一偏振控制器、第二单模光纤后连接其d输出端，进而形成副环腔；自激激光在主环腔内循环放大产生前向受激布里渊激光，受激布里渊激光在副环腔内不断循环实现边模抑制和超窄线宽输出；

所述主环腔长度大于所述副环腔；所述第二偏振控制器用于调整自激激光和前向受激布里渊激光的偏振态一致，所述可调光滤波器用于选择自激激光的波长。

所述掺铒光纤激光器包括泵浦源，波分复用器和掺铒光纤，所述泵浦源的输出端与波分复用器的第一端口连接，所述波分复用器的第二端口连接光隔离器，第三端口连接掺铒光纤。

所述泵浦源波长为980 nm，波分复用器波长为980/1550 nm，掺铒光纤的长度为20m。

掺铒光纤激光器的增益为15 dB，波长范围为1528nm~1565nm。

所述第二光耦合器为2×2耦合器，其分光比为50:50。

所述光隔离器隔离度为50 dB。

所述的一种基于自激前向布里渊光纤激光的超窄微波光子发生器，还包括第三光耦合器、光谱分析仪和电学频谱仪，所述第三光耦合器用于将第二光耦合器的f输出端输出的信号分为两束，一束经光电探测器进行光电转换后发送至电学频谱仪检测微波光子拍频信号，另一束经光谱分析仪分析受激布里渊激光信号。

所述的光谱分析仪分辨率带宽为0.03 nm，视频带宽为1 kHz，采样点为1001个，所述电学频谱仪分辨率带宽和视频带宽均为0.03 kHz。

所述第一偏振控制器和第二偏振控制器的波长范围为800~1600 nm。

所述可调光滤波器，波长可调范围为1450 nm~1650 nm，带宽可调范围为50 pm~800 pm。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明提供了一种基于自激前向布里渊光纤激光的超窄微波光子发生器，其利用自激波长激发前向受激布里渊散射，利用双环游标效应并通过增益竞争和偏振模式选择声学模式，实现边模抑制和超窄线宽输出，无需相位解调及电光转换装置，即可以实现微波光子的产生；

2、本发明利用双环游标效应实现微波光子的边模抑制，得到22 dB声模抑制和36dB纵模抑制比的微波光子单纵模输出，且高次谐波相较于现有技术较弱。此外本发明中，外环腔采用km量级的单模光纤，从而保证高Q谐振腔，实现小于1 Hz的超窄线宽的微波光子输出。这一优点对于本发明在长距离通信的应用上发挥着重要作用。

附图说明

图1表示为本发明提出的一种基于自激前向布里渊光纤激光的超窄微波光子发生器的结构示意图；

图中：1-掺铒光纤放大器，2-第一单模光纤，3-光隔离器，4-第一光耦合器，5-第一偏振控制器、6-第二单模光纤，7-可调光滤波器，8-第二光耦合器，9-第二偏振控制器，10-第三光耦合器，11-光学频谱仪，12-光电探测器，13-电学频谱仪；

图2为超窄线宽微波光子信号的单纵模输出原理图；

图3为5 km主环腔和5 km+300 m双环腔的微波光子信号对比图；

图4为超窄线宽单纵模微波光子信号在电学频谱仪上的结果图。

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的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

实施例一

如图1所示，本发明实施例一提供了一种基于自激前向布里渊光纤激光的超窄微波光子发生器，包括：掺铒光纤激光器1，第一单模光纤2，光隔离器3，第一光耦合器4、第一偏振控制器5、第二单模光纤6、可调光滤波器7、第二光耦合器8、第二偏振控制器9和光电探测器12；所述掺铒光纤激光器1的输出端经光隔离器3连接第一光耦合器4的a输入端，第一光耦合器4的c输出端可调光滤波器7连接所述第二光耦合器8的e输入端，第二光耦合器8的f输出端用于输出微波光子信号，g输出端经第二偏振控制器9、第一单模光纤2后连接所述掺铒光纤激光器1的输入端；所述掺铒光纤激光器1输出的自激激光经光隔离器3、第一光耦合器4、可调光滤波器7、所述第二光耦合器8、第二偏振控制器9、第一单模光纤2返回所述掺铒光纤激光器1形成主环腔；第二光耦合器8的f输出端连接光电探测器12，光电探测器12的输出端连接电学频谱仪13；所述第一光耦合器4的b输入端经第一偏振控制器5、第二单模光纤6后连接其d输出端，进而形成副环腔；自激激光在主环腔内循环放大产生前向受激布里渊激光，受激布里渊激光在副环腔内不断循环实现边模抑制和超窄线宽输出；所述主环腔长度大于所述副环腔；所述第二偏振控制器9用于调整自激激光和前向受激布里渊激光的偏振态一致，所述可调光滤波器7用于选择自激激光的波长。所述第二光耦合器8的f输出端输出的自激激光和布里渊激光经所述光电探测器12拍频以及光电转换后产生微波光子信号，所述电学频谱仪13用于接收并分析所述拍频微波光子信号。

具体地，本实施例中，掺铒光纤激光器1的增益为15 dB，波长范围为1528nm~1565nm。所述第二光耦合器4为2×2耦合器，其分光比为50:50。所述光隔离器3隔离度为50dB，其用来限制光的方向，实现单向光传输。所述第一偏振控制器5和第二偏振控制器9的波长范围为800~1600 nm，其用于调节光的偏振态。所述可调光滤波器7的波长可调范围为1450 nm~1650 nm，带宽可调范围为50 pm~800 pm，其用于选择合适的自激激光波长。

进一步地，本实施例的一种基于自激前向布里渊光纤激光的超窄微波光子发生器，还包括第三光耦合器10和光谱分析仪11，所述第三光耦合器10用于将第二光耦合器8的f输出端输出的微波光子信号分为两束，一束经光电探测器12进行光电转换后发送至电学频谱仪13检测微波光子拍频信号，另一束经光谱分析仪11分析双环腔内产生的前向布里渊激光。

具体地，本实施例中，采用的第一单模光纤2的长度为5km，第二单模光纤的长度为300m。

具体地，本实施例中，所述的光谱分析仪11分辨率带宽为0.03 nm，视频带宽为1kHz，采样点为1001个，用于直接分析由耦合器分束来的前向布里渊激光。所述电学频谱仪13分辨率带宽和视频带宽均为0.03 kHz，用于检测由光电探测器转换来的微波光子拍频信号。

具体地，如图1所示，本实施例中，所述掺铒光纤激光器1包括泵浦源1a，波分复用器1b和掺铒光纤1c，所述泵浦源1a的输出端与波分复用器1b的第一端口连接，所述波分复用器1b的第二端口连接光隔离器3，第三端口连接掺铒光纤1c，所述掺铒光纤1c连接第一单模光纤2。所述泵浦源1a波长为980 nm，波分复用器1b波长为980/1550 nm，掺铒光纤1c的长度为20m。

本发明实施例中，超窄线宽微波光子产生原理如下：

掺铒光纤激光器1发出的1550 nm自激激光，经光隔离器3沿逆时针方向打入第一单模光纤激发前向自发布里渊散射，在掺铒光纤激光器的放大作用下腔内功率不断增加，当达到阈值功率时，将产生前向受激布里渊散射。当腔内的前向受激布里渊增益大于损耗时，将产生前向受激布里渊激光，激光在由第二单模光纤6和第一偏振控制器5组成的副环腔内不断循环，实现边模抑制和超窄线宽输出，之后通过可调光滤波器7选择合适的自激波长，通过主环腔的偏振控制器9调整自激光和前向受激布里渊激光的偏振态一致。第二光耦合器8分光比为90:10，其分出10%的信号经第三光耦合器10均分为两部分，一部分输入到光谱分析仪11测量，另一部分经光电探测器10转换为电信号后，拍频产生微波光子信号经电学频谱仪13测量。

本实施例中，超窄线宽微波光子的前向布里渊散射R_0m模式频率原理如下：

单模光纤中的前向布里渊散射分为两种模式，分别为径向R_0m模式和扭转径向TR_2m模式，其中由R_0m模式引入的随机双折射远大于TR_2m模式，所以单模光纤内的R_0m散射效率更强，因此本发明利用光纤中的R_0m模式作为微波光子拍频信号的频率。对于R_0m模式，边界条件对应于自由纤维表面可以写成：

；（1-1）

其中，a表示声速比，

为y的零阶第一类贝塞尔函数，

表示y的二阶第一类贝塞尔函数，y表示特征值。

第m阶模式的特征频率为：

，a=V _s/V _d，且贝塞尔函数可以表示为共振频率的径向相关性，y _m是公式（1-1）的m阶零解。V _s 和V _d分别单模光纤内的横波声速和纵波声速。本实施例中，所采用的单模光纤，其包层直径为125μm，V_s=3740m/s，V_d=5996m/s。本发明中产生的微波光子频率为319.79MHz，是前向布里渊散射R_0m模式的七阶模式频率。

超窄线宽微波光子的单纵模输出原理如下：

本发明实现的超窄线宽微波光子单纵模输出是基于游标效应，即双环腔结构的有效自由光谱范围FSR为主环腔和副环腔的最小公倍数，可表示为：

FSR= n ₁ FSR ₁= n ₁ FSR ₂；（1-2）

其中FSR ₁和FSR ₂分别对应与主环腔和副环腔的有效自由光谱范围，n ₁和 n ₂为整数，分别表示对应的倍数，FSR的计算可以表示为：

FSR _m=c/nL _m，其中，m=1,2 ；（1-3）

其中L _m（m=1,2）分别表示主环和副环的腔长， n=1.4682是单模光纤的有效折射率，c表示光速。

通过计算得主环腔的FSR为41 kHz，副环腔的FSR为680 kHz。当双环腔的FSR超过前向受激布里渊Stokes增益带宽且增益大于损耗时。前向受激布里渊散射Stokes只能在满足主环腔和副环腔谐振条件的频率下同时振荡。

如图2所示，本发明实施例中的单纵模超窄线宽微波光子的输出原理图。图3为主环腔和双环腔的微波光子信号在不同频率范围下的对比图。图中a，b分别表示为主环腔和双环腔在200MHz频率范围的微波光子信号频谱图，对比可以看出其微波光子信号的声模抑制比达到22 dB，图中c，d分别表示为主环腔和双环腔在10 MHz频率范围的微波光子信号频谱图，对比可以看出双环腔结构的微波光子信号纵模以680 kHz的双环腔有效自由光谱被部分抑制。图中e，f分别表示为主环腔和双环腔在100kHz频率范围的微波光子信号频谱图，可以看出微波光子信号以41 kHz的单环腔有效自由光谱被很好抑制，纵模抑制比达到36dB。从图3得以看出，微波光子信号基于双环游标效应实现单纵模输出。图4为微波光子信号在电学频谱仪上的测量线宽，在200 Hz的频率范围下，319.79 MHz（R₀₇阶）微波光子信号的线宽在-20 dB处仅为13 Hz，是真实线宽的

倍。

本发明实施例提供了一种基于自激前向布里渊光纤激光的超窄微波光子发生器，相比现有的前向微波光子发生器必须由泵浦源激发光纤内的前向布里渊散射，并经过Sagnac环进行相位解调再利用电光调制器进行光电转换输出，上述所提供的一种基于自激前向布里渊光纤激光器的超窄线宽微波光子发生器，利用自激波长激发前向受激布里渊散射，在无需相位解调和电光转换的条件下，通过增益竞争和偏振控制选择声学模式，产生小于1 Hz的超窄线宽单纵模微波光子。其线宽超窄的优点，在通信领域尤其是长距离无线通信传输方面具有非常大的应用潜力。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种基于自激前向布里渊光纤激光的超窄微波光子发生器，其特征在于，包括：掺铒光纤激光器（1），第一单模光纤（2），光隔离器（3），第一光耦合器（4）、第一偏振控制器（5）、第二单模光纤（6）、可调光滤波器（7）、第二光耦合器（8）、第二偏振控制器（9）和光电探测器（12）；

所述掺铒光纤激光器（1）的输出端经光隔离器（3）连接第一光耦合器（4）的a输入端，第一光耦合器（4）的c输出端经可调光滤波器（7）连接所述第二光耦合器（8）的e输入端，第二光耦合器（8）的f输出端用于输出微波光子信号，g输出端经第二偏振控制器（9）、第一单模光纤（2）后连接所述掺铒光纤激光器（1）的输入端形成主环腔；所述掺铒光纤激光器（1）输出的自激激光经光隔离器（3）、第一光耦合器（4）、可调光滤波器（7）、所述第二光耦合器（8）、第二偏振控制器（9）、第一单模光纤（2）返回所述掺铒光纤激光器（1）；第二光耦合器（8）的f输出端连接光电探测器（12），经光电探测器12光电转换产生拍频微波光子信号；

所述第一光耦合器（4）的b输入端经第一偏振控制器（5）、第二单模光纤（6）后连接其d输出端，进而形成副环腔；自激激光在主环腔内循环放大产生前向受激布里渊激光，受激布里渊激光在副环腔内不断循环实现边模抑制和超窄线宽输出；

所述主环腔长度大于所述副环腔；所述第二偏振控制器（9）用于调整自激激光和前向受激布里渊激光的偏振态一致，所述可调光滤波器（7）用于选择自激激光的波长。

2.根据权利要求1所述的一种基于自激前向布里渊光纤激光的超窄微波光子发生器，其特征在于，所述掺铒光纤激光器（1）包括泵浦源（1a），波分复用器（1b）和掺铒光纤（1c），所述泵浦源（1a）的输出端与波分复用器（1b）的第一端口连接，所述波分复用器（1b）的第二端口连接光隔离器（3），第三端口连接掺铒光纤（1c）。

3.根据权利要求1所述的一种基于自激前向布里渊光纤激光的超窄微波光子发生器，其特征在于，所述泵浦源（1a）波长为980 nm，波分复用器（1b）波长为980/1550 nm，掺铒光纤（1c）的长度为20m。

4.根据权利要求1所述的一种基于自激前向布里渊光纤激光的超窄微波光子发生器，其特征在于，掺铒光纤激光器（1）的增益为15 dB，波长范围为1528nm~1565nm。

5.根据权利要求1所述的一种基于自激前向布里渊光纤激光的超窄微波光子发生器，其特征在于，所述第二光耦合器（4）为2×2耦合器，其分光比为50:50。

6.根据权利要求1所述的一种基于自激前向布里渊光纤激光的超窄微波光子发生器，其特征在于，所述光隔离器（3）隔离度为50 dB。

7.根据权利要求1所述的一种基于自激前向布里渊光纤激光的超窄微波光子发生器，其特征在于，还包括第三光耦合器（10）、光谱分析仪（11）和电学频谱仪（13），所述第三光耦合器（10）用于将第二光耦合器（8）的f输出端输出的信号分为两束，一束经光电探测器（12）进行光电转换后发送至电学频谱仪（13）检测微波光子拍频信号，另一束经光谱分析仪（11）分析受激布里渊激光信号。

8.根据权利要求7所述的一种基于自激前向布里渊光纤激光的超窄微波光子发生器，其特征在于，所述的光谱分析仪（11）分辨率带宽为0.03 nm，视频带宽为1 kHz，采样点为1001个，所述电学频谱仪（13）分辨率带宽和视频带宽均为0.03 kHz。

9.根据权利要求1所述的一种基于自激前向布里渊光纤激光的超窄微波光子发生器，其特征在于，所述第一偏振控制器（5）和第二偏振控制器（9）的波长范围为800~1600 nm。

10.根据权利要求1所述的一种基于自激前向布里渊光纤激光的超窄微波光子发生器，其特征在于，所述可调光滤波器（7），波长可调范围为1450 nm~1650 nm，带宽可调范围为50pm~800 pm。