CN100536261C - 单偏振双波长光纤光栅激光器产生微波、毫米波的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单偏振双波长光纤光栅激光器产生微波、毫米波的装置，该装置Y分器一字端(41)接入保偏光纤光栅(11)，Y分器一字端的输出与探测器(51)连；在Y分器分叉臂(42)接入有源光纤(21)，有源光纤另一端接入一宽带光纤光栅(12)，与保偏光栅(11)构成一个谐振腔；在Y分器分叉臂(43)接入有源光纤(22)，有源光纤(22)另一端接入一宽带光纤光栅(13)，与保偏光栅(11)构成另一谐振腔；在宽带光纤光栅(12)和(13)后面各用一耦合器把泵浦光(31)和(32)耦合进有源光纤(21)和(22)，分别产生单偏振激光，通过光纤端(41)进入探测器(51)，在探测器差频产生微波或毫米波。

Description

单偏振双波长光纤光栅激光器产生微波、毫米波的装置

技术领域

本发明涉及光纤微波通信(RoF：Radio on/over Fiber)、微波光子、光纤传感、光纤激光器、光纤通信以及雷达等领域。适用于利用单偏振双波长光纤光栅激光器产生微波、毫米波。

背景技术

微波光子技术将微波学和光学融合在一起，成为一个全新的技术领域，通常称为Microwave Photonics(简称MWP)。光子技术和微波、毫米波的集成在远程通信的发展上打开了一个神奇的、充满希望的领域。光技术和电波技术相融合，利用光纤具有的低损耗、大容量、无感应、重量轻、易于搬运等特点，在传统的微波技术中引入光技术，可组成信息社会的基础网络，充分利用光纤的宽带宽、无线的自由，达到个别技术不断发展也无法实现的通信***高功能化和高度化，提供最后1公里的最佳解决途径。这种在无线/移动通信***的接入***中、在军用的天线远程控制以及智能交通***中把光纤通信和微波通信结合的***就是光纤微波通信(RoF：Radio on/over Fiber)。RoF技术在无线/移动通信***中应用，可将基站端的基带处理、调制、混频功能后移到基站控制器端集中处理，而基站端只保留光电转换、滤波和放大功能，这样可大大降低基站的成本，在未来的密集微蜂窝通信***中，由于基站数量众多，采用RoF技术可大大降低***的成本。微波光纤通信***，光域上的微波光子信号处理。比起传统基于电子设备的微波信号处理，微波光子信号处理具有时间带宽积高、抗电磁干扰、线路和设备间的串扰小、调谐方便的优点外，微波光子信号处理技术是在光域上对微波信号处理，它能与RoF传输***天然匹配，中间无需光电和电光转换设备。电处理器的带宽限制了高带宽的光电信号的处理，以光子取代电子，在较高的速率处理信号，这样就可以避免电子瓶颈。微波光子集中了射频波和光纤的优点，在射频波和光纤之间的透明转换。微波提供了低成本可移动无线连接方式，而光纤提供了低损宽带连接，该连接方式不受电的影响。在光纤中实现射频波的带通传输，无衰减，无信道间的相互干扰。

毫米波信号的光方式产生具有很大的吸引力，因为现存的***都面临频率带宽短缺的问题。对高速数据传输的需要愈来愈迫切，目前多种毫米波的光方式产生方法业已被论证，毫米波的光方式产生有其特有的优点：可以实现的宽频域载波信号范围和光纤连接的低损传输能力。

远程架设天线，天线与收信机通过光纤相连接，光纤取代传统的同轴电缆，称为光远程天线。它的长处是天线不用配置放大器，不用供电，天线与收信机完全电气绝缘，作为EMC(Electro Magnetic Compatibility电磁兼容)应用的电场传感器倍受注目。若干条光纤和天线阵列状排列，组成光控制阵列天线，控制向天线传输的微波信号的振幅和相位，形成天线发射的电波射束并进行射束扫描。与使用同轴电缆、波导管向天线传输微波、毫米波的方法相比，天线***设备不仅小型化、轻量化，而且还能形成更加理想的电波射束，微波的相位控制可采用各种光信号处理技术。

光纤技术在相控阵雷达中已应用多年，目前这类雷达的工作频率范围为不大于18GHz，并且正逐步向毫米波扩展。在相控阵雷达中采用光纤微波传输有利于隔离辐射阵元，控制阵元的相对相位，处理各种电子战环境下的回波信号。然而，这类概念的付诸实现需要成百上千个微波辐射阵元，甚至需要很多高频光电器件。

微波可以通过电域的模拟电路或者数字电路得到，频率局限在几GHz以下，难以产生更高频率微波或者毫米波。

光学方法产生微波、毫米波是一项微波光子学的关键技术。利用光电技术产生微波频率的传统方法是基于两个可调谐的频率相近的激光束，这就要求激光器具有非常好的频率稳定性。另一种方法是在复杂的光学整合电路中，频移射频调制激光器频率，但是该方法仅限于产生低频信号(＜1GHz)。最近，又研究了很多用于产生微波信号的新方法：有将光纤环共振腔作为频率调制器，利用光纤的布里渊散射作用产生相位调制的微波信号；有采用两个或多个固态微芯片温度和电压调谐激光器的干涉产生动态可调谐、低噪声的微波毫米波信号，频率从几GHz到100GHz；有采用布拉格光栅取代马赫曾德干涉仪作为滤波器，产生毫米波；还有基于非啁啾高斯脉冲在传输过程中的色散和非线性效应产生复杂频率的微波毫米波。这些产生方法，结构复杂，稳定性差，产生的效率不高。

发明内容

为了克服已有的微波、毫米波电的方法或者光学方法产生的不足，本发明提供一种利用单偏振双波长光纤光栅激光器产生微波、毫米波的装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

单偏振双波长光纤光栅激光器产生微波、毫米波的装置，其构成的器件之间的连接为：

在Y分器的一字端接入一个保偏光纤光栅，Y分器的一字端的输出端与探测器连接；

在Y分器的一个分叉臂接入有源光纤，在有源光纤的另一端接入一个宽带光纤光栅；

在Y分器的另一个分叉臂接入有源光纤，在有源光纤的另一端接入一个宽带光纤光栅；

两个宽带光纤光栅的反射谱互相隔开，或有较弱的重叠部分，其重叠部分对应的反射率比保偏光纤光栅的反射率至少低1dB；

在宽带光纤光栅后面利用耦合器把一个泵浦光耦合进有源光纤中；

在宽带光纤光栅后面利用耦合器把另一泵浦光耦合进有源光纤中；

保偏光纤光栅和一个分叉臂上的有源光纤、宽带光纤光栅和保偏光纤光栅和另一个分叉臂上的有源光纤、宽带光纤光栅构成两个谐振腔，在一个泵浦光或另一泵浦光的作用下，分别产生单偏振的激光，产生的激光通过光纤端输出单偏振的双波长激光；

产生的双波长单偏振激光的功率不要求相同，其差值可以为任意的值。

输出的单偏振双波长激光通过Y分器进入探测器；双波长激光在探测器差频产生微波或者毫米波。

两个有源光纤还可采用保偏的有源光纤。有源光纤可以为掺铒、或掺镱、或掺钬、或镱铒共掺、或掺钍、或掺镨、或掺钕光纤。

Y分器也可以采用其他的光纤耦合器。

Y分器的分光比为50∶50或其他的任意分光比。在其他的分光比条件下，可以通过改变有源光纤的长度或者泵浦功率的方法来保证产生微波或者毫米波对双波长激光功率的需求

两个宽带光纤光栅，采用普通的非保偏光纤制作或采用保偏光纤制作的光纤光栅。

有源光纤的长度根据掺杂浓度和泵浦光功率来定；有源光纤保证在给定的泵浦功率下，选择适当的有源光纤长度和适当的掺杂浓度构成的谐振腔的增益满足激光器的谐振条件即可的。因此有源光纤的长度选择由泵浦光功率、有源掺杂浓度以及构成腔的损耗来决定。

两个宽带光纤光栅，采用普通的非保偏光纤制作或采用保偏光纤制作的光纤光栅；对光纤光栅、保偏光纤光栅的长度没有特殊要求。

本发明的有益效果：

微波可以通过电域的模拟电路或者数字电路得到，但是频率局限在几GHz以下，难以产生更高频率微波或者毫米波。已有的光学方法产生微波或者毫米波的方法，结构复杂，稳定性差，产生的效率不高。

而本发明采用比保偏有源光纤价格低得多的普通有源光纤作为增益介质，只需要一个保偏光纤光栅，保证每个腔谐振在一个偏振态上。每个偏振态的激光谐振腔是独立的，不需要偏振控制。由于光纤激光器谐振腔的一端采用了宽带的光栅，使之与窄带保偏光纤的反射峰对准谐振更容易，降低了对光栅的要求，比通常的双波长激光器更容易实现，输出更稳定的单偏振态，稳定的双波长输出到探测器中，双波长在探测器中差频产生微波或者毫米波，具有更高的性价比。本发明降低了对有源光纤的一致性要求，使有源光纤长度等特性的不一致不会引起单偏振双波长激光器的实质性的影响，从而不会影响微波或者毫米波的产生。本发明为全光纤结构。本发明还具有受环境影响小、结构紧凑、易于实施等特点。

附图说明

图1为单偏振双波长光纤光栅激光器产生微波、毫米波的装置示意图。

图2为单偏振双波长光纤光栅激光器产生微波、毫米波的装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图1和图2对本发明作进一步描述。

实施例1

一种单偏振双波长光纤光栅激光器产生微波、毫米波的装置，其构成的器件之间的连接为：

在分光比为50∶50的Y分器的一字端41接入一个2cm长的保偏光纤光栅11，Y分器的一字端41的输出端与探测器51连接；

在分光比为50∶50的Y分器的一个分叉臂42接入1m长的有源光纤21，在有源光纤21的另一端接入一个宽带光纤光栅12；

在分光比为50∶50的Y分器的另一个分叉臂43接入有源光纤22，在有源光纤22的另一端接入一个宽带光纤光栅13；

两个宽带光纤光栅的反射谱互相隔开，或有较弱的重叠部分，其重叠部分对应的反射率比保偏光纤光栅的反射率至少低1dB；

在宽带光纤光栅12后面，利用耦合器把泵浦光31耦合进1m长的有源光纤21中；

在宽带光纤光栅13后面，利用耦合器把泵浦光32耦合进1m长的有源光纤22中；

保偏光纤光栅11、有源光纤21、宽带光纤光栅12和保偏光纤光栅11、有源光纤22、宽带光纤光栅13构成两个谐振腔，在泵浦光31或32的作用下，分别产生单偏振的激光，产生的激光通过光纤端41输出单偏振的双波长激光；

图2中111为保偏光纤光栅的一个反射峰，112为保偏光纤光栅的另外一个反射峰。121为一个宽带光纤光栅12的反射峰，131为一个宽带光纤光栅13的反射峰。保偏光纤光栅的反射峰111与宽带光纤光栅121、有源光纤21构成一个谐振腔。保偏光纤光栅的另外一个反射峰112与宽带光纤光栅131、有源光纤22构成一个谐振腔。这两个腔在泵浦激光的作用下谐振，产生两个单偏振波长的激光。

输出的单偏振双波长激光通过分光比为50∶50的Y分器41进入探测器51；双波长激光在探测器51通过差频产生微波或者毫米波。

Y分器的分光比还包括其他的任意分光比。在其他的分光比条件下，可以通过改变有源光纤的长度或者泵浦功率的方法来保证产生微波或者毫米波对双波长激光功率的需求。

有源光纤的长度并不仅仅在实施例中的具体1m；有源光纤的长度根据掺杂浓度和泵浦光功率来定，有源光纤保证在给定的泵浦功率下，选择适当的有源光纤长度和适当的掺杂浓度构成的谐振腔的增益满足激光器的谐振条件即可的。因此有源光纤的长度选择由泵浦光功率、有源掺杂浓度以及构成腔的损耗来决定。

实施例2

一种单偏振双波长光纤光栅激光器产生微波、毫米波的装置，其构成的器件之间的连接为：

在分光比为50∶50的Y分器的一字端41接入一个3cm长的保偏光纤光栅11，Y分器的一字端41的输出端与探测器51连接；

在分光比为50∶50的Y分器的一个分叉臂42接入2m长的保偏有源光纤21，保偏有源光纤可以为掺铒、或掺镱、或掺钬、或镱铒共掺、或掺钍，在保偏有源光纤21的另一端接入一个宽带光纤光栅12；

在分光比为50∶50的Y分器的另一个分叉臂43接入保偏有源光纤22，在保偏有源光纤22的另一端接入一个宽带光纤光栅13；

两个宽带光纤光栅的反射谱互相隔开，或有较弱的重叠部分，其重叠部分对应的反射率比保偏光纤光栅的反射率至少低1dB；

在宽带光纤光栅12后面，利用耦合器把泵浦光31耦合进2m长的保偏有源光纤21中；

在宽带光纤光栅13后面，利用耦合器把泵浦光32耦合进2m长的保偏有源光纤22中；

保偏光纤光栅11、保偏有源光纤21、宽带光纤光栅12和保偏光纤光栅11、有源光纤22、宽带光纤光栅13构成两个谐振腔，在泵浦光31或32的作用下，分别产生单偏振的激光，产生的激光通过光纤端41输出单偏振的双波长激光；

图2中111为保偏光纤光栅的一个反射峰，112为保偏光纤光栅的另外一个反射峰。121为一个宽带光纤光栅12的反射峰，131为一个宽带光纤光栅13的反射峰。保偏光纤光栅的反射峰111与宽带光纤光栅121、保偏有源光纤21构成一个谐振腔。保偏光纤光栅的另外一个反射峰112与宽带光纤光栅131、保偏有源光纤22构成一个谐振腔。这两个腔在泵浦激光的作用下谐振，产生两个单偏振波长的激光。

输出的单偏振双波长激光通过分光比为50∶50的Y分器41进入探测器51；双波长激光在探测器51通过差频产生微波或者毫米波。

Y分器的分光比还包括其他的任意分光比。在其他的分光比条件下，可以通过改变有源光纤的长度或者泵浦功率的方法来保证产生微波或者毫米波对双波长激光功率的需求。

有源光纤的长度并不仅仅在实施例中的具体2m；有源光纤的长度根据掺杂浓度和泵浦光功率来定，有源光纤保证在给定的泵浦功率下，选择适当的有源光纤长度和适当的掺杂浓度构成的谐振腔的增益满足激光器的谐振条件即可的。因此有源光纤的长度选择由泵浦光功率、有源掺杂浓度以及构成腔的损耗来决定。

实施例3

一种单偏振双波长光纤光栅激光器产生微波、毫米波的装置，其构成的器件之间的连接为：

在任意分光比的Y分器或者耦合器的一字端41接入一个保偏光纤光栅11，Y分器或者耦合器的一字端41的输出端与探测器51连接；

在任意分光比的Y分器或者耦合器的一个分叉臂42接入适当长度的有源光纤21，在有源光纤21的另一端接入一个宽带光纤光栅12；

在任意分光比的Y分器或者耦合器另一个分叉臂43接入有源光纤22，在有源光纤22的另一端接入一个宽带光纤光栅13；

两个宽带光纤光栅的反射谱互相隔开，或有较弱的重叠部分，其重叠部分对应的反射率比保偏光纤光栅的反射率至少低1dB；

在宽带光纤光栅12后面，利用耦合器把泵浦光31耦合进有源光纤21中；

在宽带光纤光栅13后面，利用耦合器把泵浦光32耦合进有源光纤22中；

保偏光纤光栅11、有源光纤21、宽带光纤光栅12和保偏光纤光栅11、有源光纤22、宽带光纤光栅13构成两个谐振腔，在泵浦光31或32的作用下，分别产生单偏振的激光，产生的激光通过光纤端41输出单偏振的双波长激光；

输出的单偏振双波长激光通过任意分光比的Y分器或者耦合器41进入探测器51；双波长激光在探测器51通过差频产生微波或者毫米波。

有源光纤的长度根据掺杂浓度和泵浦光功率来定，有源光纤保证在给定的泵浦功率下，在考虑任意分光比的Y分器或者耦合器损耗的条件下，选择适当的有源光纤长度和适当的掺杂浓度构成的谐振腔的增益满足激光器的谐振条件即可的。有源光纤最短长度1cm，有源光纤的长度最大为：选择泵浦光功率、有源掺杂浓度以及任意分光比的Y分器或者耦合器等构成腔的损耗，在泵浦光的作用下，刚好能够产生激光时的有源光纤长度为最大有源光纤长度。

所选用的器件均可为通用器件。Y分器或采用耦合器。

有源光纤21和22为掺铒、或掺镱、或掺钬、或镱铒共掺、或掺钍光纤。

Claims (3)

1.一种单偏振双波长光纤光栅激光器产生微波、毫米波的装置，其特征在于：

在Y分器的一字端(41)与窄带保偏光纤光栅(11)的一端连接，窄带保偏光纤光栅(11)的另一端与探测器(51)连接；

在Y分器的一个分叉臂(42)接入第二有源光纤(21)，在第二有源光纤(21)的另一端接入第二宽带光纤光栅(12)；

在Y分器的另一个分叉臂(43)接入第一有源光纤(22)，在第一有源光纤(22)的另一端接入第一宽带光纤光栅(13)；

两个宽带光纤光栅的反射谱互相隔开，或有较弱的重叠部分，其重叠部分对应的反射率比窄带保偏光纤光栅的反射率至少低1dB；

在第二宽带光纤光栅(12)另一端，利用耦合器把第二泵浦光(31)耦合进第二有源光纤(21)中；

在第一宽带光纤光栅(13)另一端，利用耦合器把第一泵浦光(32)耦合进第一有源光纤(22)中；

窄带保偏光纤光栅(11)、第二有源光纤(21)、第二宽带光纤光栅(12)构成一个谐振腔，窄带保偏光纤光栅(11)、第一有源光纤(22)、第一宽带光纤光栅(13)构成另一个谐振腔，在第二泵浦光(31)或第一泵浦光(32)的作用下，分别产生单偏振的激光，产生的单偏振的激光通过窄带保偏光纤光栅(11)进入探测器(51)，在探测器(51)差频产生微波或者毫米波。

2.根据权利要求1所述的一种单偏振双波长光纤光栅激光器产生微波、毫米波的装置，其特征在于：第二有源光纤(21)和第一有源光纤(22)包括保偏的有源光纤。

3.根据权利要求1所述的一种单偏振双波长光纤光栅激光器产生微波、毫米波的装置，其特征在于：第二有源光纤(21)和第一有源光纤(22)为掺铒、或掺镱、或掺钬、或镱铒共掺、或掺钍、或掺镨、或掺钕光纤。

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