專利名稱：利用多波長布里淵激光器產(chǎn)生微波信號的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電子以及微波光子學(xué)領(lǐng)域，涉及了一種利用多波長布里淵激光器產(chǎn) 生微波信號的裝置和方法，適用于無線通信和雷達(dá)通信系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著信息技術(shù)的突飛猛進，信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，人們的生產(chǎn)生活、國家的國防建 設(shè)等方面對信息的需求量與日俱增。其中，無線通信作為通信常用工具，在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、語音、 軍工中均有廣泛應(yīng)用。采用高頻微波和毫米波信號作為載波，系統(tǒng)容量將得到大幅度的提 升。由于電子瓶頸的制約，微波信號源向30 70GHz高頻段的發(fā)展對傳統(tǒng)微波器件而言是 很大的挑戰(zhàn)，而利用光學(xué)方法產(chǎn)生微波信號成為一條產(chǎn)生高頻微波信號的重要途徑。高頻 微波的光學(xué)產(chǎn)生有多種方案，如兩個注入式鎖定、相位式鎖定激光器，雙波長激光器，光強 度或光相位調(diào)制等等。其中，利用布里淵激光器產(chǎn)生的斯托克斯光與泵浦光通過拍頻產(chǎn)生微波信號是基 本方法之一，它可以提供大約IOGHz的窄線寬微波信號源。但由于受激布里淵效應(yīng)信道間 隔IOGHz的固定性，導(dǎo)致了大于IOGHz的高頻微波信號的獲得變得困難。因此，采取有效方 法獲得穩(wěn)定的多波長布里淵光纖激光器，將產(chǎn)生的高階斯托克斯光與泵浦光進行拍頻，從 而提高微波信號的輸出頻率是十分重要的。多波長布里淵光纖激光器還是滿足波分復(fù)用技術(shù)要求的研究熱點，該多波長光源 具有室溫下穩(wěn)定輸出、線寬極窄、波長通帶可調(diào)、閾值低、功率譜平坦等優(yōu)勢，是超密集波分 復(fù)用系統(tǒng)的理想光源。在此背景下，對于多波長布里淵光纖激光器的研究變得更為迫切。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種利用多波長布里淵激光器產(chǎn)生微波信號 的裝置及和利用該裝置產(chǎn)生微波信號方法。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為利用多波長布里淵激光器產(chǎn)生微波信號的裝置包括可調(diào)窄帶光源、第一隔離器、 第一三端口耦合器、第二三端口耦合器、第二隔離器、摻鉺光纖放大器、第一光纖環(huán)形器、單 模光纖、Sagnac環(huán)形鏡、第二光纖環(huán)形器、光纖布拉格光柵、四端口耦合器、光電探測器。可調(diào)窄帶光源與第一隔離器的輸入端光連接，第一隔離器的輸出端與第一三端口 耦合器的單端口端的端口光連接，第一三端口耦合器的雙端口端的一個端口與第二三端口 耦合器的雙端口端的一個端口光連接，第一三端口耦合器的雙端口端的另一個端口與四端 口耦合器一端的一個端口光連接；第二三端口耦合器的單端口端的端口與第一光纖環(huán)形器的1 口光連接，第一光纖 環(huán)形器的3 口與摻鉺光纖放大器的輸入端光連接，摻鉺光纖放大器的輸出端與第二隔離器 的輸入端光連接，第二隔離器輸出端與第二三端口耦合器的雙端口端的另一個端口光連 接；
第一光纖環(huán)形器的2 口與單模光纖的一端光連接，單模光纖的另一端與Sagnac環(huán)形鏡輸入端光連接，Sagnac環(huán)形鏡輸出端與第二光纖環(huán)形器的1 口光連接，第二光纖環(huán)形 器的2 口與光纖布拉格光柵光連接，第二光纖環(huán)形器的3 口與四端口耦合器一端的另一個 端口光連接，四端口耦合器另一端的一個端口與光電探測器的輸入端光連接。利用該裝置產(chǎn)生微波信號方法為首先可調(diào)窄帶光源發(fā)出的泵譜光經(jīng)第一隔離器 以及第一三端口耦合器后分為兩路泵譜光；然后其中的一路泵譜光經(jīng)第二三端口耦合器、 第二隔離器、摻鉺光纖放大器、第一光纖環(huán)形器、單模光纖和Sagnac環(huán)形鏡輸出多級斯托 克斯光，多級斯托克斯光經(jīng)第二光纖環(huán)形器、光纖布拉格光柵濾波后輸出單通道高階斯托 克斯光；最后單通道高階斯托克斯光與另一路泵譜光進行拍頻獲得高頻譜純度的高頻微波 信號。本發(fā)明的有益效果是改變泵浦光波長可以使多波長通帶連續(xù)可調(diào)；布里淵增益 光纖長度較長，能有效抑制四波混頻效應(yīng)，使得等頻率間隔的多波長信號通道的功率譜分 布平坦；結(jié)構(gòu)簡單；室溫下穩(wěn)定輸出；布里淵增益在單模光纖中提供了一個線寬較窄、與泵 浦光信號具有準(zhǔn)確頻移、相位相關(guān)的斯托克斯光，其頻率間隔只有10. 8GHz，這為通過外差 法實現(xiàn)高頻微波信號輸出提供了很好的光源。


圖1是本發(fā)明中裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是多波長布里淵摻鉺光纖激光器的多波長輸出光譜圖；圖3是多波長布里淵摻鉺光纖激光器的輸出功率穩(wěn)定性測量圖；圖4是泵浦光和濾波后的(a) —階(b) 二階(C)三階(d)四階斯托克斯波的譜域 波形；圖5是泵浦光和(a) —階(b) 二階(C)三階(d)四階斯托克斯波經(jīng)過拍頻得到的 頻譜圖。圖中1.可調(diào)窄帶光源，2.第一隔離器，3.第一三端口耦合器，4.第二三端口耦合 器，5.第二隔離器，6.摻鉺光纖放大器，7.第一光纖環(huán)形器，8.單模光纖，9. Sagnac環(huán)形鏡，
10.第二光纖環(huán)形器，11.光纖布拉格光柵，12.四端口耦合器，13.光電探測器，14.頻譜儀， 15.光譜儀。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。如圖1所示，一種利用多波長布里淵激光器產(chǎn)生微波信號的裝置包括可調(diào)窄帶光 源1、第一隔離器2、第一三端口耦合器3、第二三端口耦合器4、第二隔離器5、摻鉺光纖放大 器6、第一光纖環(huán)形器7、單模光纖8、Sagnac環(huán)形鏡9、第二光纖環(huán)形器10、光纖布拉格光柵
11、四端口耦合器12、光電探測器13，其中可調(diào)窄帶光源1、第一隔離器2、第二三端口耦合 器4、第二隔離器5、摻鉺光纖放大器6、第一光纖環(huán)形器7、單模光纖8、Sagnac環(huán)形鏡9構(gòu) 成了多波長布里淵激光器。可調(diào)窄帶光源1與第一隔離器2的輸入端光連接，第一隔離器2的輸出端與第 一三端口耦合器3的a 口光連接，第一三端口耦合器3的b 口與第二三端口耦合器4的d口光連接，第一三端口耦合器3的c 口與四端口耦合器12的g 口光連接；第二三端口耦合器4的e 口與第一光纖環(huán)形器7的1 口光連接，第一光纖環(huán)形器 7的3 口與摻鉺光纖放大器6的輸入端光連接，摻鉺光纖放大器6的輸出端與第二隔離器5 的輸入端光連接，第二隔離器5輸出端與第二三端口耦合器4的f 口光連接；第一光纖環(huán)形器7的2 口與單模光纖8的一端光連接，單模光纖8的另一端與 Sagnac環(huán)形鏡9輸入端光連接，Sagnac環(huán)形鏡9輸出端與第二光纖環(huán)形器10的1 口光連 接，第二光纖環(huán)形器10的2 口與光纖布拉格光柵11光連接，第二光纖環(huán)形器10的3 口與四 端口耦合器12的i 口光連接，四端口耦合器12的h 口與光電探測器13的輸入端光連接。利用該裝置實現(xiàn)產(chǎn)生微波信號方法和原理為1、使用可調(diào)窄帶光源作為泵浦光，經(jīng)過第一隔離器輸入到第一三端口耦合器的a 口，并被分為b 口和c 口兩路，第一三端口耦合器的功率比為70 30;其中b 口輸出70% 的泵浦光到達(dá)第二三端口耦合器的d 口，d 口經(jīng)過第二三端口耦合器由e 口輸出，泵浦光從 第一光纖環(huán)形器1 口入，從第一光纖環(huán)形器2 口出，并連接至IOkm長的單模光纖，其中第 二三端口耦合器的d 口和f 口的功率比為50 50 ；一旦到達(dá)單模光纖的輸入泵浦光功率 達(dá)到布里淵散射閾值，將在光纖內(nèi)發(fā)生受激布里淵散射效應(yīng)，受激布里淵散射將把絕大部 分輸入功率轉(zhuǎn)換為后向、頻率下移的斯托克斯光，其原理可描述為泵浦光、斯托克斯光通過 聲波進行的非線性作用，泵浦光通過電致伸縮產(chǎn)生聲波，引起介質(zhì)折射率的周期性調(diào)制，即 形成布拉格光柵，并散射泵浦光。由于多普勒位移與以聲速vA移動的光柵有關(guān)，散射光產(chǎn) 生了頻率下移。由于在散射過程中遵守能量守恒，三個波之間的頻率有如下關(guān)系ΩΒ =ωρ-ω3(1)式中，ωρ是泵浦光角頻率，是斯托克斯光角頻率，0,是聲波角頻率。<formula>formula see original document page 5</formula>(2)其中νΒ聲波頻率，η為在泵浦波長入￡)處的折射率，若取 =5.961^/8，11=1.45， 對于石英光纖，在泵浦波長在1. 56微米附近，νΒ約為10. SGHz0即在光纖環(huán)形器2 口將接收到從單模光纖內(nèi)后向傳輸，頻譜下移為10.8GHz的一 階斯托克斯光X1，而泵浦光λ p將前向傳輸至Sagnac環(huán)形鏡。2、反向傳輸?shù)囊浑A斯托克斯光X1從第一光纖環(huán)形器2 口入，從第一光纖環(huán)形器3 口輸出，經(jīng)過摻鉺光纖放大器被線性放大，通過第二隔離器，再次被耦合進入第二三端口耦 合器的f 口 ；再次從光纖環(huán)形器1 口入，從光纖環(huán)形器2 口出，到達(dá)IOkm長的單模光纖，如果 被線性放大的斯托克斯光λ工達(dá)到布里淵閾值，將再次在單模光纖內(nèi)發(fā)生受激布里淵效應(yīng)， 產(chǎn)生后向傳輸?shù)亩A斯托克斯光λ 2 ；斯托克斯光λ工經(jīng)過單模光纖到達(dá)Sagnac環(huán)形鏡。3、以上兩步過程不斷重復(fù)，只要摻鉺光纖放大器提供足夠的增益，光載波λ ρ將 不斷激發(fā)出多級斯托克斯光，形成了等頻率間隔(10.8GHZ，0.088nm)多波長斯托克斯光輸 出，在單模光纖右側(cè)一端將得到功率譜逐漸降低的泵浦光和多級斯托克斯光(λρ，λ2， 入3，……λω) ；Sagnac光纖環(huán)鏡由40 60耦合器構(gòu)造而成，將反射大部分等間隔多波長 斯托克斯光，并耦合輸出部分多級斯托克斯光；被反射回的泵浦光和斯托克斯光再次經(jīng)光 纖環(huán)形器2 口到達(dá)光纖環(huán)形器3 口，由摻鉺光纖放大裝置進行放大，在單模光纖內(nèi)發(fā)生受激 布里淵效應(yīng)，由光纖環(huán)形鏡和左側(cè)的環(huán)形裝置構(gòu)成諧振腔，在腔內(nèi)反復(fù)循環(huán)，即構(gòu)造出一個 多波長布里淵摻鉺光纖激光器。
4、從Sagnac光纖環(huán)形鏡耦合輸出的多波長斯托克斯波經(jīng)過第二光纖環(huán)形器，從1口進，2 口出，利用光纖布拉格光柵將其進行濾波處理，濾出的高階斯托克斯光將由第二光 纖環(huán)形器的3 口輸出；由于光載波波長可調(diào)諧，可以通過調(diào)整泵浦光波長改變光柵所濾出 斯托克斯波的階數(shù)，如調(diào)整至短波方向可使濾出的斯托克斯波階次變高；該光纖布拉格光 柵濾波裝置的3dB帶寬約為0. lnm，可以濾出0. 088nm通道間隔的多波長信號的某一個通 道。5、可調(diào)窄帶光源1輸出的泵浦光由第一三端口耦合器分成兩路其中一路將70% 能量的光輸入第一三端口耦合器d 口，作為多波長布里淵摻鉺光纖激光器的泵浦光，經(jīng)光 柵濾波后得到一個高階的斯托克斯波；另一路將30%能量的光波作為光載波信號用來進 行拍頻。這兩路光波最后在功率比為50 50四端口耦合器處耦合輸出，一部分到達(dá)高速光 電探測器后拍頻獲得高頻譜純度的高頻微波信號，輸入到頻譜儀14進行頻譜觀測和分析， 另一部分到達(dá)光譜儀15同時進行譜域信號觀測；6、多波長斯托克斯光的頻率間隔滿足關(guān)系式<formula>formula see original document page 6</formula>(3)其中Vp和Vm分別為泵浦光和第m階斯托克斯光的頻率，m為整數(shù)。經(jīng)過拍頻后獲 得的微波信號即為<formula>formula see original document page 6</formula>(4)Δ ν為拍頻后最終獲得的微波信號，若vB為10. 8GHz，則獲得的微波信號由光纖布 拉格光柵濾出的斯托克斯波的階次m決定，通過實驗可以獲得10. 8GHz, 21. 6GHz，32. 4GHz， 43. 2GHz的微波信號，隨著濾出的斯托克斯光階次的提高，理論上該方案有獲得更高頻微波 信號的能力，且不依賴于任何電濾波裝置。實施例1 當(dāng)可調(diào)光源輸出泵浦光中心波長為1560. 585nm，泵浦光功率為8dBm，摻鉺光纖放 大器增益為16dBm，獲得了 14條斯托克斯線的多波長光纖激光器，如圖2所示。每隔30分 鐘對該多波長光纖激光器輸出光譜進行測量，該多波長激光器功率譜非常穩(wěn)定，如圖3所示。實施例2當(dāng)可調(diào)光源輸出泵浦光中心波長為1556. 742nm，泵浦光功率為4dBm，摻鉺光纖放 大器增益為16dBm，即可以獲得0. 088nm間隔的多波長激光光源。設(shè)計光纖布拉格光柵的 中心頻率為1556. 830nm，可以濾出一階斯托克斯波。適當(dāng)調(diào)整一階斯托克斯波和泵浦光 的光功率，使其保持近似相等，如圖4(a)所示。再將一階斯托克斯波和泵浦光通過高速 光電探測器進行拍頻，即可獲得10. 8GHz的微波信號。同理，調(diào)整泵浦源輸出中心波長到 1556. 656·，即控制二階斯托克斯波剛好在光纖布拉格光柵的濾波范圍內(nèi)，光纖布拉格光 柵的中心頻率仍然為1556. 830nm，經(jīng)過光電探測器拍頻即可獲得21. 6GHz的微波信號。利 用泵浦光和濾波后的(a) —階(b) 二階(c)三階(d)四階斯托克斯波的譜域波形如圖4所 示。試驗本裝置通過實驗可獲得10. 8GHz，21. 6GHz，32. 4GHz，43. 2GHz的微波信號，如圖5 所示。本發(fā)明中，耦合器、光纖環(huán)形器、隔離器、放大器、光纖布拉格光柵、光電探測器、可 調(diào)光源、單模光纖均可選用各種商業(yè)化元器件。
權(quán)利要求
利用多波長布里淵激光器產(chǎn)生微波信號的裝置，包括可調(diào)窄帶光源、第一隔離器、第一三端口耦合器、第二三端口耦合器、第二隔離器、摻鉺光纖放大器、第一光纖環(huán)形器、單模光纖、Sagnac環(huán)形鏡、第二光纖環(huán)形器、光纖布拉格光柵、四端口耦合器、光電探測器，其特征在于可調(diào)窄帶光源與第一隔離器的輸入端光連接，第一隔離器的輸出端與第一三端口耦合器的單端口端的端口光連接，第一三端口耦合器的雙端口端的一個端口與第二三端口耦合器的雙端口端的一個端口光連接，第一三端口耦合器的雙端口端的另一個端口與四端口耦合器一端的一個端口光連接；第二三端口耦合器的單端口端的端口與第一光纖環(huán)形器的1口光連接，第一光纖環(huán)形器的3口與摻鉺光纖放大器的輸入端光連接，摻鉺光纖放大器的輸出端與第二隔離器的輸入端光連接，第二隔離器輸出端與第二三端口耦合器的雙端口端的另一個端口光連接；第一光纖環(huán)形器的2口與單模光纖的一端光連接，單模光纖的另一端與Sagnac環(huán)形鏡輸入端光連接，Sagnac環(huán)形鏡輸出端與第二光纖環(huán)形器的1口光連接，第二光纖環(huán)形器的2口與光纖布拉格光柵光連接，第二光纖環(huán)形器的3口與四端口耦合器一端的另一個端口光連接，四端口耦合器另一端的一個端口與光電探測器的輸入端光連接。
2.利用多波長布里淵激光器產(chǎn)生微波信號的方法，其特征在于該方法具體是可調(diào)窄 帶光源發(fā)出的泵譜光經(jīng)第一隔離器以及第一三端口耦合器后分為兩路泵譜光；其中的一路 泵譜光經(jīng)第二三端口耦合器、第二隔離器、摻鉺光纖放大器、第一光纖環(huán)形器、單模光纖和 Sagnac環(huán)形鏡輸出多級斯托克斯光，多級斯托克斯光經(jīng)第二光纖環(huán)形器、光纖布拉格光柵 濾波后輸出單通道高階斯托克斯光；單通道高階斯托克斯光與另一路泵譜光進行拍頻獲得 高頻譜純度的高頻微波信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及了一種利用多波長布里淵激光器產(chǎn)生微波信號的裝置和方法，現(xiàn)有的裝置比較困難獲得高頻。本發(fā)明的裝置包括可調(diào)窄帶光源、兩個隔離器、三個耦合器、摻鉺光纖放大器、兩個光纖環(huán)形器、Sagnac環(huán)形鏡、光纖布拉格光柵、光電探測器?？烧{(diào)窄帶光源與隔離器光連接，隔離器與耦合器光連接，耦合器的輸出分別與另外耦合器光連接，其中的一光路上設(shè)置有摻鉺光纖放大器、兩個光纖環(huán)形器、Sagnac環(huán)形鏡。利用該裝置產(chǎn)生微波信號方法為可調(diào)窄帶光源發(fā)出的泵譜光經(jīng)隔離器以及耦合器后分為兩路泵譜光，一路泵譜光輸出單通道高階斯托克斯光后與另一路泵譜光進行拍頻獲得高頻微波信號。本發(fā)明改變泵浦光波長可以使多波長通帶連續(xù)可調(diào)。
文檔編號H01S3/30GK101807773SQ200910155858
公開日2010年8月18日 申請日期2009年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月29日
發(fā)明者傅嬌嬌, 周斌, 孫兵, 陳達(dá)如, 高士明 申請人:浙江大學(xué)