CN101247180B - 基于光纤受激布里渊散射的微波信号频率变换方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤受激布里渊散射的微波信号频率变换方法及装置。激光器的光载波分成两部分，一部分通过串接一个或一个以上受激布里渊散射装置产生一级或高级次的斯托克斯光，另一部分光载波经强度调制器调制了待转换微波信号后，两部分光合并；或者激光器的光波经过放大接第一环行器的第一端，第一环行器的第二端经第一光纤后与经强度调制器调制了待转换微波信号后的第一环行器的第三端通过耦合器合并。第一环行器第三端和耦合器之间接入一个或一个以上受激布里渊散射装置可实现更高频频率变换。合并后接入光电探测器发生拍频，得到转换后微波信号。该方法均采用标准光纤元器件，利用同一方法即可实现频率上下变换。

Description

基于光纤受激布里渊散射的微波信号频率变换方法及装置

技术领域

本发明涉及光电子及微波光子学技术，尤其是涉及一种基于光纤受激布里渊散射的微波信号频率变换方法及装置。

背景技术

随着信息时代的到来，通信成为社会生产和生活中必不可少的重要工具。数据、语音、视频和多媒体等多种形式的信息成几何级数迅速增长，客观上对通信***的带宽提出了更高的要求。自从二十世纪七十年代光纤的性能能够满足商用化的要求开始，干线网广泛采用光纤通信的方式，而在城域网内主要采用无线通信和宽带通信。随着无线通信网络向宽带化、个人化、分组化和综合化的方向发展，无线通信和宽带通信的融合成为未来发展的必然趋势，以便同时支持电话业务、数据业务、宽带多媒体业务等多种综合业务。对于无线通信***来说，为了获得更高的数据传输速率，必须提高无线载波的工作频率。目前大多数无线通信业务的工作频率都集中在5GHz以下，随着信息量的增大，人们对无线频谱的需求也日益增加，具有更高工作频率的通信***成为一种极具潜力的选择。但是，高频微波由大气的吸收、建筑物的反射等引起的损耗很大，传输较为困难。最近提出的光纤无线传输(Radio over Fiber，RoF)技术不但是一种干线网和城域网之间的有效接入方式，而且可以解决高频微波无线通信***存在的问题。所谓光纤无线传输技术，是指使用光纤代替大气作为传输媒质传送高频微波宽带信号：在中心站将下行信号通过电光调制元件调制到光载波上并通过光纤传输到远端的基站，在基站处解调并馈送至天线发送给客户；反过来，远端基站通过天线从客户处接收上行信号，通过电光转换实现信号对光载波的调制，接收到的信息同样调制在光载波上通过光纤传送回中心站，通过光电探测获得传送的上行信号。光纤无线传输***充分结合了光纤传输和无线通信技术的优势，能实现大网络容量、低成本的高频微波信号光纤传输，并且支持超过1Gb/s的超宽带无线接入***。

研究表明，在光纤无线***中，光纤中传输的微波会受到光纤色散等因素的影响而发生畸变和失真，而且微波频率越高受到的影响越大。为了既保证微波信号的高工作频率，又避免光纤传输色散的影响，在中心站和基站之间采用低频副载波进行传播，而在基站处进行微波信号频率的上下变换是一种行之有效的方法。微波信号的频率变换可以通过光纤中的受激布里渊散射(StimulatedBrillouin Scattering，SBS)效应实现。受激布里渊散射是一种非线性效应，当入射到光纤中的光强超过布里渊阈值时能量会向低频的斯托克斯光转移，同时释放出声学声子。由于布里渊频移处于微波段，如果将低频/高频微波调制到斯托克斯光或光载波上，然后再与光载波或斯托克斯光进行光学拍频即可获得需要的高频/低频微波信号，实现微波信号频率的上/下变换。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光纤受激布里渊散射的微波信号频率变换方法及装置，是利用光纤中的受激布里渊散射效应实现高频微波信号的频率上下变换，使光载波在光纤中发生受激布里渊散射产生斯托克斯光，将待转换的低频/高频微波信号加载在光载波或斯托克斯光上并进行光学拍频，既可实现微波信号的频率上/下变换。

本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：

一、一种基于光纤受激布里渊散射的微波信号频率变换方法：

使光载波在光纤中发生受激布里渊散射产生斯托克斯光，将待转换的微波信号加载在光载波或斯托克斯光上并进行光学拍频，实现微波信号的频率变换。

将光载波分成两部分，一部分光载波入射到光纤中发生受激布里渊散射产生斯托克斯光，待转换的低频/高频微波信号加载在斯托克斯光或另一部分光载波上，通过光学拍频实现微波信号的频率上/下变换。

将光载波入射到光纤中发生受激布里渊散射产生斯托克斯光，待转换的低频/高频微波信号加载在斯托克斯光或剩余的光载波上，通过光学拍频实现微波信号的频率上/下变换。

二、一种基于光纤受激布里渊散射的微波信号频率变换装置：

装置1：

激光器的光载波通过第一耦合器分成两部分，一部分光载波通过串接一个或一个以上结构相同的受激布里渊散射装置，产生一级或高级次的斯托克斯光，另一部分光载波经强度调制器调制了待转换低频/高频微波信号后，两部分光通过第二耦合器合并，接入光电探测器进行拍频，得到高频/低频微波信号，光电探测器与频谱分析仪连接。

所述的受激布里渊散射装置包括光放大器、环行器和光纤；环行器的第一、第二端分别接光放大器的输出端和光纤，其中第一个装置中的光放大器的输入端接第一耦合器的一端，中间各个装置的光放大器的输入端均接上一个装置中环行器的第三端，最后一个装置中的环形器的第三端接第二耦合器的一个输入端。

装置2：

激光器的光波通过第一光放大器接第一环行器的第一端，第一环行器的第二端经第一光纤后与经强度调制器调制了待转换低频/高频微波信号后的第一环行器的第三端通过耦合器合并，接入光电探测器发生拍频，得到高频/低频微波信号，光电探测器与频谱分析仪连接。

在所述的第一环行器的第三端与耦合器间接一个或一个以上结构相同的受激布里渊散射装置，该装置包括光放大器、环行器和光纤；环行器的第一、第二端分别接光放大器的输出端和光纤，其中第一个装置中的光放大器的输入端接第一环行器的第三端，中间各个装置的光放大器的输入端均接上一个装置的环行器的第三端，最后一个装置中的环行器的第三端经强度调制器调制了待转换低频/高频微波信号后，接耦合器的一个输入端。

本发明具有的有益的效果是：

利用光纤受激布里渊散射在斯托克斯光和原始光载波之间产生的频率差实现微波信号频率的上下变换，涉及的均是标准化光纤元器件，实现方便，成本低廉，而且利用相同的方法既可以实现频率上变换，也可以实现频率下变换，为实现全双工光纤无线传输***提供了方便。

附图说明

图1为一种基于光纤受激布里渊散射微波信号频率变换的方案示意图。

图2为一种基于级联光纤受激布里渊散射更高频微波信号频率变换的方案示意图。

图3为另一种基于光纤受激布里渊散射微波信号频率变换的方案示意图。

图4为另一种基于级联光纤受激布里渊散射更高频微波信号频率变换的方案示意图。

图5为微波信号频率上变换的频谱示意图。

图6为微波信号频率下变换的频谱示意图。

图中1、激光器，2、光放大器，3、耦合器，4、环行器，5、光纤，6、强度调制器，7、光电探测器，8、频谱分析仪。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明的激光器1的光载波通过第一耦合器3分成两部分，一部分光载波通过串接一个或一个以上结构相同的受激布里渊散射装置，产生一级或高级次的斯托克斯光，另一部分光载波经强度调制器6调制了待转换低频/高频微波信号后，两部分光通过第二耦合器3合并，接入光电探测器7进行拍频，得到高频/低频微波信号，光电探测器7与频谱分析仪8连接。

如图2所示，所述的受激布里渊散射装置包括光放大器2、环行器4和光纤5；环行器4的第一、第二端分别接光放大器2的输出端和光纤5，其中第一个装置中的光放大器2的输入端接第一耦合器3的一端，中间各个装置的光放大器2的输入端均接上一个装置中环行器4的第三端，最后一个装置中的环形器4的第三端接第二耦合器3的一个输入端。

如图3所示，本发明的激光器1的光波通过第一光放大器2接第一环行器4的第一端，第一环行器4的第二端经第一光纤5后与经强度调制器6调制了待转换低频/高频微波信号后的第一环行器4的第三端通过耦合器3合并，接入光电探测器7发生拍频，得到高频/低频微波信号，光电探测器7与频谱分析仪8连接。

如图4所示，在图3所述的第一环行器4的第三端与耦合器3间接一个或一个以上结构相同的受激布里渊散射装置，该装置包括光放大器2、环行器4和光纤5；环行器4的第一、第二端分别接光放大器2的输出端和光纤5，其中第一个装置中的光放大器2的输入端接第一环行器4的第三端，中间各个装置的光放大器2的输入端均接上一个装置的环行器4的第三端，最后一个装置中的环行器4的第三端经强度调制器6调制了待转换低频/高频微波信号后，接耦合器3的一个输入端。

本发明的工作原理如下：

利用光纤受激布里渊散射进行微波频率变换的一种方案如图1所示，激光器产生的光载波通过分束器分成两部分，其中一部分入射到光纤中发生受激布里渊散射，得到后向斯托克斯光，其频率与原来的光载波频率之差为布里渊频移。待变换的微波信号通过强度调制器加载在另一部分光载波上，在光载波的频谱两侧产生边带，边带和光载波之间频率差与待变换的微波信号相等。调制后的光载波再与产生的斯托克斯光合并后进行光学拍频，即可实现微波频率变换。如果加载的是低频微波信号，通过光学拍频实现频率上变换，得到高频微波信号；反过来，如果加载的是高频微波信号，通过光学拍频实现频率下变换，得到低频微波信号。

在图1所示方案的基础上，采用多个受激布里渊散射装置，在拍频前将激光器产生光载波的一部分多次入射到多根光纤中发生级联受激布里渊散射产生高级次斯托克斯光，其频率与原来的光载波频率之差为各级次布里渊频移的总和，这样就可以实现各高频率微波信号的频率变换，如图2所示。

在图1、图2所示的方案中，强度调制器也可移至另一支光路中，置于最后一个环行器与第二耦合器之间，将待转换微波信号加载在斯托克斯光上。

采用图3所示的方案也可以实现微波频率变换。激光器产生的光载波经过环行器入射到光纤中发生受激布里渊散射，得到后向斯托克斯光，其频率与原来的光载波频率之差为布里渊频移。产生的斯托克斯光通过环行器进入光路另一分支，待变换的微波信号通过强度调制器加载在斯托克斯光上，在光载波的频谱两侧产生边带，边带和光载波之间频率差与待变换的微波信号相等。调制后的斯托克斯光再与剩余的光载波合并后进行光学拍频，即可实现微波频率变换。如果加载的是低频微波信号，通过光学拍频实现频率上变换，得到高频微波信号；反过来，如果加载的是高频微波信号，通过光学拍频实现频率下变换，得到低频微波信号。

同样，对图3所示的方案加以改进，采用多个受激布里渊散射装置，也可以实现更高频率微波信号的频率变换，具体做法如图4所示。在拍频前将激光器产生的光载波多次入射到多根光纤中发生级联受激布里渊散射产生高级次斯托克斯光，其频率与原来的光载波频率之差为各级次布里渊频移的总和。

在图3、图4所示的方案中，强度调制器也可移至另一支光路中，置于第一光纤与耦合器之间，将待转换微波信号加载在剩余的光载波上。

实施例1：

如果待变换的低频微波信号频率为1.5GHz，将其按照图1所示的方式加载到光载波上，然后和光纤受激布里渊散射产生的斯托克斯光(频移为10.6GHz)发生拍频，通过这一过程可以获得频率为10.6+1.5＝12.1GHz以及10.6-1.5＝9.1GHz的高频微波信号，实现频率上变换，其频谱如图5所示。

实施例2：

如果待变换的高频微波信号频率为9GHz，将其按照图1所示的方式加载到光载波上，然后和光纤受激布里渊散射产生的斯托克斯光发生拍频，通过这一过程可以获得频率为10.6-9＝1.6GHz的低频微波，实现频率下变换，其频谱如图6所示。

实施例3：

采用图1或图2所示的方案(示意图未给出，与图1或图2类似)，将待变换信号及调制器移至另外一支光路中最后一个环行器与第二耦合器之间，将待变换信号加载到光纤受激布里渊散射产生的斯托克斯光上，再与另一部分光载波通过光学拍频进行微波信号频率变换。

实施例4：

采用图3或图4所示的方案(示意图未给出，与图3或图4类似)，将待变换信号及调制器移至另外一支光路中光纤与耦合器之间，将待变换信号加载到剩余的光载波上，再与光纤受激布里渊散射产生的斯托克斯光通过光学拍频进行微波信号频率变换。

在本发明中，激光器可选择波段适于在光纤中产生受激布里渊散射的各种连续光激光器，光放大器、耦合器、环行器、强度调制器、光电探测器均可选用各种商业化元器件，光纤可采用各种规格的商用光纤，如标准单模光纤、色散位移光纤、微结构光纤等。

Claims (1)

1.一种基于光纤受激布里渊散射的微波信号频率变换的装置，其特征在于：激光器(1)的光载波通过第一耦合器(3)分成两部分，一部分光载波通过串接一个或多个结构相同的受激布里渊散射装置，另一部分光载波经与微波信号相连的强度调制器(6)后，两部分光通过第二耦合器(3)合并，接入光电探测器(7)，光电探测器(7)与频谱分析仪(8)连接；

所述的受激布里渊散射装置包括光放大器(2)、环行器(4)和光纤(5)；环行器(4)的第一、第二端分别接光放大器(2)的输出端和光纤(5)，其中第一个受激布里渊散射装置中的光放大器(2)的输入端接第一耦合器(3)的一端，中间各个受激布里渊散射装置的光放大器(2)的输入端均接上一个受激布里渊散射装置中环行器(4)的第三端，最后一个受激布里渊散射装置中的环形器(4)的第三端接第二耦合器(3)的一个输入端。

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