CN102522678A - 基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装置，包括DFB激光器(1)、第一光纤放大器(2)、第一光纤环形器(3)、第二三端口耦合器(6)、第二光纤放大器(7)、第二光纤环形器(8)、第四三端口耦合器(11)、光电探测器(12)、频谱仪(13)、第一光学谐振腔和第二光学谐振腔。与现有技术相比，本发明可以实现微波信号在一个自由频谱宽度内的精密调谐，产生的微波信号线宽窄，噪声低，稳定性高，不需要使用额外的微波信号源进行光学稳频或进行光学调制，为全光纤光路结构，具有结构简单且成本低廉等优点。

Description

基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装置

技术领域

本发明涉及一种光生微波装置，尤其是涉及一种基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装置。

背景技术

可调谐高频微波信号在射频天文学、光载无线通信(ROF)***、雷达***、相控阵天线等诸多领域具有广泛的应用。可调谐高频微波信号常规地通过电子学方式产生有诸多不足，如***结构复杂、实现成本高，且由于电传输线的高损耗而无法实现远距离传输。而激光频率高达数百THz，将两束激光信号进行拍频极容易产生高频微波信号(数十GHz)，并且光纤因其超高带宽和低功率损耗，是毫米波或微波信号的一个理想传输模式，因此，通过光子学方法产生可调谐高频微波/毫米波信号是目前微波光子学研究领域中的一个重要研究课题。

可调谐高频微波/毫米波信号的光子学产生方法是基于光学外差法的两束激光的拍频技术。可调谐特性主要集中在调谐范围和调谐精度来展开研究。近年来，由于布里渊激光器的窄线宽性能，已在可调谐微波信号的产生上具有广泛的应用。主要有以下三种，第一种方法为通过两个独立的布里渊激光器直接拍频。2008年，J.Geng等人通过对两个激光器的泵浦光进行温度调谐方法，产生的微波信号的调谐精度为1.4GHz/℃，但是激光器的相位噪声和频率漂移将传递给微波信号，并且产生的微波信号的调谐能力受限于可调谐单频激光器的调谐能力。第二种方法是将一个激光器输出信号经过一个外部光学调制器产生边频信号，通过边频信号和激光信号进行拍频即可得到微波信号，通过改变调制频率即可得可调谐微波信号。但这种方法***较复杂并且需要一个频率可调谐参考微波信号源。第三种方法为利用一个双波长单频激光器，将其双波长输出进行拍频可得微波信号，对其中一个波长激光进行调谐即可得可调谐微波信号。这种方法由于两个波长激光来自一个谐振腔或具有同一个激光泵浦源，因此产生的微波信号噪声较小。2005年，Y.Shen等人通过温度调谐微波信号方法，其频率调谐范围达100MHz。但是由于环境温度波动的影响，要提高微波信号的频率调谐精度，必须采用一定激光稳频措施。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单且成本低廉的基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装置，包括DFB(分布反馈式半导体)激光器1、第一光纤放大器2、第一光纤环形器3、第二三端口耦合器6、第二光纤放大器7、第二光纤环形器8、第四三端口耦合器11、光电探测器12和频谱仪13，其特征在于，

还包括第一光学谐振腔和第二光学谐振腔，所述的DFB激光器1通过第一光纤放大器2与第一光纤环形器3的第一端口3a连接，所述的第一光纤环形器3的第二端口3b与第一光学谐振腔连接，产生第一级布里渊激光经第二三端口耦合器6后，一路通过经第二光纤放大器7输入到第二光纤环形器8的第一端口8a，另一路输入到第四三端口耦合器11；

所述的第二光纤环形器8的第二端口8b与第二光学谐振腔连接，产生第二级布里渊激光，该第二级布里渊激光输入到第四三端口耦合器11；

所述的第四三端口耦合器11将接收到的第一级布里渊激光和第二级布里渊激光传输给光电探测器12，该光电探测器12与频谱仪13连接。

所述的第一光纤放大器2、第二光纤放大器7均为掺铒光纤放大器。

所述的第一光学谐振腔用于产生第一级布里渊激光，该第一光学谐振腔包括第一三端口耦合器5和第一光纤4，所述的第一三端口耦合器5的输入端口5a与第一光纤环形器3的第三端口3c连接，所述的第一三端口耦合器5的第一输出端口5b与第一光纤4一端连接，所述的第一三端口耦合器5的第二输出端口5c与第二三端口耦合器6的输入端6a连接，所述的第一光纤4另一端与第一光纤环形器3的第二端口3b连接。

所述的第一三端口耦合器5的耦合比为90/10。

所述的第二三端口耦合器6的耦合比为50/50，其第一输出口6b与第二光纤放大器7连接，第二输出口6c与第四三端口耦合器11的第一输入端11a连接。

所述的第二光学谐振腔用于产生第二级布里渊激光，包括第二光纤9和第三三端口耦合器10，所述的第三三端口耦合器10的输入端10a与第二光纤环形器8的第三端口8c连接，所述的第三三端口耦合器10第一输出口10b与第二光纤9一端连接，所述的第三三端口耦合器10第二输出口10c与第四三端口耦合器11的第二输入端11b连接。

所述的第三三端口耦合器10的耦合比30/70。

还包括光纤拉伸组件，该光纤拉伸组件置于第二光学谐振腔内。

所述的光纤拉伸组件包括固定鼓轮和活动鼓轮，所述的第二光纤绕在固定鼓轮和活动鼓轮上。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)可以实现微波信号在一个自由频谱宽度内的精密调谐，产生的微波信号线宽窄，噪声低，稳定性高，不需要使用额外的微波信号源进行光学稳频或进行光学调制，为全光纤光路结构，具有结构简单且成本低廉的优点。

2)两个谐振腔的长度均为10.3米，其自由频谱宽度(FSR)与布里渊增益谱的谱宽(20MHz)相当，可以获得稳定的单纵模布里渊激光输出，因此拍频所生微波信号线宽极窄；并且两个级联谐振腔所产生的布里渊激光都是由同一DFB激光泵浦产生的，因此拍频所生微波信号具有很高的频率稳定性。

3)通过在第二个光学谐振腔中加入光纤拉伸组件，可以实现微波信号在一个自由频谱宽度(FSR)内的精密调谐。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的光纤拉伸组件结构示意图；

图3为实施得到的拍频微波信号频谱图；

图4为微波信号线宽测量图；

图5为三小时内微波信号功率测量结果示意图；

图6为微波信号频率可调谐实验测量结果图；

图7为测得的可调谐微波信号的调谐精度频率图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装置，包括DFB激光器1、第一光纤放大器2、第一光纤环形器3、第二三端口耦合器6、第二光纤放大器7、第二光纤环形器8、第四三端口耦合器11、光电探测器12、频谱仪13、第一光学谐振腔和第二光学谐振腔、光纤拉伸组件，所述的DFB激光器1通过第一光纤放大器2与第一光纤环形器3的第一端口3a连接，所述的第一光纤环形器3的第二端口3b与第一光学谐振腔连接，产生第一级布里渊激光经第二三端口耦合器6后，一路通过经第二光纤放大器7输入到第二光纤环形器8的第一端口8a，另一路输入到第四三端口耦合器11；

所述的第二光纤环形器8的第二端口8b与第二光学谐振腔连接，产生第二级布里渊激光，该第二级布里渊激光输入到第四三端口耦合器11；

所述的第四三端口耦合器11将接收到的第一级布里渊激光和第二级布里渊激光传输给光电探测器12，该光电探测器12与频谱仪13连接。

所述的第一光纤放大器2、第二光纤放大器7均为掺铒光纤放大器。

所述的第一光学谐振腔用于产生第一级布里渊激光，该第一光学谐振腔包括第一三端口耦合器5和第一光纤4，所述的第一三端口耦合器5的输入端口5a与第一光纤环形器3的第三端口3c连接，所述的第一三端口耦合器5的第一输出端口5b与第一光纤4一端连接，所述的第一三端口耦合器5的第二输出端口5c与第二三端口耦合器6的输入端6a连接，所述的第一光纤4另一端与第一光纤环形器3的第二端口3b连接。所述的第一三端口耦合器5的耦合比为90/10。

所述的第二三端口耦合器6的耦合比为50/50，其第一输出口6b与第二光纤放大器7连接，第二输出口6c与第四三端口耦合器11的第一输入端11a连接。

所述的第二光学谐振腔用于产生第二级布里渊激光，包括第二光纤9和第三三端口耦合器10，所述的第三三端口耦合器10的输入端10a与第二光纤环形器8的第三端口8c连接，所述的第三三端口耦合器10第一输出口10b与第二光纤9一端连接，所述的第三三端口耦合器10第二输出口10c与第四三端口耦合器11的第二输入端11b连接。所述的第三三端口耦合器10的耦合比30/70。

所述的光纤拉伸组件置于第二光学谐振腔内。所述的光纤拉伸组件包括固定鼓轮14和活动鼓轮15，所述的第二光纤9绕在固定鼓轮14和活动鼓轮15上。固定鼓轮14固定不动，活动鼓轮15通过计算机进行控制，其步进长度为2.5μm。通过拉动活动鼓轮15，可以对第二光纤9施加应力，从而布里渊增益谱会平移，频率v_B会改变。

本发明的工作原理是：DFB激光器作为信号源，其输出的激光信号经掺铒光纤放大器放大再经过光纤环形器后作为布里渊泵浦光输入两个级联的激光谐振腔，两个谐振腔均为单模光纤，长度均为10.3米，其自由频谱宽度(FSR)为19.8MHz，与布里渊增益谱的谱宽(20MHz)相当。当输入的泵浦光超过布里渊阈值，可以有稳定的单纵模布里渊激光输出。在第二个激光谐振腔里加入光纤拉伸组件。则在第一、二谐振腔中激发的一、二级布里渊激光的频率分别为

f₁＝f₀-v_B f₂＝f₁-v_B    (1)

其中f₀为布里渊泵浦光频率，v_B为单模光纤的布里渊频移。则拍频后产生的微波信号频率为

f_RF＝|f₂-f₁|＝υ_B    (2)

v_B为

v_B＝2nV_A/λ_p          (3)

其中，λ_p为布里渊泵浦光的波长，V_A为声子声速，n为光纤折射率。当光纤受到拉伸应力作用时，光纤中的声速V_A会变大，布里渊频移v_B也会变大，通过对光纤施加应力可以改变v_B，即改变布里渊频谱的中心频率，这种现象称为布里渊频移的应力效应；另外，由于布里渊增益谱很窄在布里渊增益谱中心附近呈现强烈色散，它使得布里渊激光器的Stokes光的频率更靠近增益谱中心频率，这种现象成为频率牵引效应。我们利用光纤的布里渊频移应力效应再加上激光腔内的频率牵引效应使得布里渊激光的Stokes光频跟随变化从而可实现在一个自由频谱宽度(FSR)内的微波频率的精密连续调谐。

本实施例中所述的DFB激光器1的波长为1544nm。

所述的掺铒光纤放大器的最大输出功率为2W，功率可以连续调节。

所述的第一光纤、第二光纤的长度均为10.3m，其自由频谱宽度与布里渊增益谱谱宽相当。

本实施例工作时，将DFB激光器1的输出信号光功率调到2mW，信号光经第一掺铒光纤放大器放大后功率为106mW时，达到第一谐振腔的布里渊阈值，第一级布里渊激光再经第二掺铒光纤放大器放大后功率为300mW时，达到第二谐振腔的布里渊阈值，最后两路不同频率的布里渊激光通过第四耦合器输出到光电探测器进行拍频，其拍频微波信号频率为10.864GHz，所得微波信号频谱图如图3所示。

所述的频谱仪的测量分辨率是0.1KHz。

本实施例得到的拍频微波信号的线宽如图4所示，根据布里渊激光的线宽窄化公式

$\mathrm{\ξ}=\frac{{\mathrm{\Δv}}_{\mathrm{pump}}}{{\mathrm{\Δv}}_{\mathrm{stokes}}}={(1+\frac{{\mathrm{\γ}}_A}{{\mathrm{\Γ}}_C})}^2---\left(4\right)$

γ_A为声波的衰减率，Γ_C为谐振腔腔损。这里，两个级联的谐振腔腔长相等，为L＝10.3米。第一级布里渊激光的耦合效率R₁＝0.9，第二级的R₂＝0.3。两级布里渊激光的输出线宽大小相近，均为KHz量级。由图可知，微波信号线宽为2.8KHz。

测量三小时后，本实施例得到的拍频微波信号功率随测量时间变化示意图，如图5所示。由于级联BFLs具有同一起始布里渊泵浦(DFB Laser)，并且具有级联谐振腔结构，因此彼此拍频产生的微波信号可以抵消大部分激光相位噪声和频率漂移的影响，具有很好的稳定性。

本实例得到的可调谐微波信号是基于对光纤施加应力以及布里渊激光腔的频率牵引效应实现的，可以在一个自由频谱宽度19.8MHz内进行精密调谐，其中可调谐范围为9.6MHz，跳模为10.2MHz，图6为微波信号频率可调谐实验测量结果图。

本实例对得到微波信号的布里渊激光器的调谐是基于在声频范畴内进行的，调谐的精度很高，可以达到100KHz，图7为测得的可调谐微波信号的频率分别为10864.5MHz，10864.6MHz。

Claims (9)

1.一种基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装置，包括DFB激光器(1)、第一光纤放大器(2)、第一光纤环形器(3)、第二三端口耦合器(6)、第二光纤放大器(7)、第二光纤环形器(8)、第四三端口耦合器(11)、光电探测器(12)和频谱仪(13)，其特征在于，

还包括第一光学谐振腔和第二光学谐振腔，所述的DFB激光器(1)通过第一光纤放大器(2)与第一光纤环形器(3)的第一端口(3a)连接，所述的第一光纤环形器(3)的第二端口(3b)与第一光学谐振腔连接，产生第一级布里渊激光经第二三端口耦合器(6)后，一路通过经第二光纤放大器(7)输入到第二光纤环形器(8)的第一端口(8a)，另一路输入到第四三端口耦合器(11)；

所述的第二光纤环形器(8)的第二端口(8b)与第二光学谐振腔连接，产生第二级布里渊激光，该第二级布里渊激光输入到第四三端口耦合器(11)；

所述的第四三端口耦合器(11)将接收到的第一级布里渊激光和第二级布里渊激光传输给光电探测器(12)，该光电探测器(12)与频谱仪(13)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装置，其特征在于，所述的第一光纤放大器(2)、第二光纤放大器(7)均为掺铒光纤放大器。

3.根据权利要求2所述的一种基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装置，其特征在于，所述的第一光学谐振腔用于产生第一级布里渊激光，该第一光学谐振腔包括第一三端口耦合器(5)和第一光纤(4)，所述的第一三端口耦合器(5)的输入端口(5a)与第一光纤环形器(3)的第三端口(3c)连接，所述的第一三端口耦合器(5)的第一输出端口(5b)与第一光纤(4)一端连接，所述的第一三端口耦合器(5)的第二输出端口(5c)与第二三端口耦合器(6)的输入端(6a)连接，所述的第一光纤(4)另一端与第一光纤环形器(3)的第二端口(3b)连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装置，其特征在于，所述的第一三端口耦合器(5)的耦合比为90/10。

5.根据权利要求4所述的一种基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装置，其特征在于，所述的第二三端口耦合器(6)的耦合比为50/50，其第一输出口(6b)与第二光纤放大器(7)连接，第二输出口(6c)与第四三端口耦合器(11)的第一输入端(11a)连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装置，其特征在于，所述的第二光学谐振腔用于产生第二级布里渊激光，包括第二光纤(9)和第三三端口耦合器(10)，所述的第三三端口耦合器(10)的输入端(10a)与第二光纤环形器(8)的第三端口(8c)连接，所述的第三三端口耦合器(10)第一输出口(10b)与第二光纤(9)一端连接，所述的第三三端口耦合器(10)第二输出口(10c)与第四三端口耦合器(11)的第二输入端(11b)连接。

7.根据权利要求6所述的一种基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装置，其特征在于，所述的第三三端口耦合器(10)的耦合比30/70。

8.根据权利要求7所述的一种基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装置，其特征在于，还包括光纤拉伸组件，该光纤拉伸组件置于第二光学谐振腔内。

9.根据权利要求8所述的一种基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装置，其特征在于，所述的光纤拉伸组件包括固定鼓轮和活动鼓轮，所述的第二光纤绕在固定鼓轮和活动鼓轮上。

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