CN103872552A - 超窄线宽可调谐微波信号源 - Google Patents

Abstract

超窄线宽可调谐微波信号源，属于光电子及微波光子学领域，为解决微波信号源存在宽线宽、高噪声、***复杂、成本高的问题，本发明为可调窄线宽布里渊泵浦激光器输出泵浦光；掺铒光纤放大器将泵浦光放大；泵浦光经过第一三端口耦合器后，大部分泵浦光经过偏振控制器及环行器进入四端口耦合器；小部分泵浦光经过可调光衰减器到达第二三端口耦合器；进入四端口耦合器的泵浦光一部分进入高非线性光纤激发反向的第一阶斯托克斯光，另一部分从做斜角处理的端口输出；奇数阶斯托克斯光经环行器和光纤布拉格光栅后到达第二三端口耦合器；得到双波长激光经过第二三端口耦合器到达光电探测器进行拍频得到窄线宽高频的微波信号，最后由电频谱仪测量该信号。

Description

超窄线宽可调谐微波信号源

技术领域

本发明属于光电子及微波光子学领域，具体涉及一种基于双倍布里渊频移间隔单频光纤激光器的微波信号源，本发明应用于无线通信领域。

背景技术

随着信息技术的日新月异，通信产业得到高速的发展。基于光学方法产生微波信号的装置因具有结构简单、高频率、可充分利用光纤器件等优势，在无线通信、光载微波（radio over fiber，ROF）等领域中有着重要的应用。传统微波信号的光学产生的方法包括：注入式锁定、相位式锁定激光器、多波长布里渊激光器、双波长光纤激光器、光调制等方法。上述方法在高频率、可调谐、高稳定性方面存在有瓶颈。而多波长布里渊光纤激光器因其超窄线宽、固定布里渊频移间隔、高稳定性是产生高频微波信号的较为理想方法。

基于布里渊多波长光纤激光器的微波信号源，大多利用分光的方法实现一路泵浦光与另一路斯托克斯光拍频的方法实现高频微波信号。此类方法中产生斯托克斯光的一路使用几公里的单模光纤来降低布里渊的阈值实现多波长输出，而此情况下多波长激光处于多纵模状态下运行，由此给拍频微波信号带来高噪声和宽线宽的缺陷，由此得到的宽线宽和高噪声微波信号不具有实用价值。同时在实现高频微波信号的过程中，需要使用超窄线宽的光纤布拉格光栅来过滤布里渊频移的斯托科斯光，使得装置成本高。因此实现低噪声、窄线宽、高功率、成本低、***简单的高频微波信号是十分重要的工作。

中国专利“利用多波长布里渊激光器产生微波信号的装置和方法”，公开号为CN101807773，如图1所示，该装置结构如下：

可调窄带光源1与第一隔离器2的输入光连接，第一隔离器2的输出端与第一三端口耦合器3的单端口的端口光连接，第一三端口耦合器3的双端口端的一个端口与第二三端口耦合器4的双端口的一个端口光连接，第一三端口耦合器3的双端口端的另一个端口与四端口耦合器12一端的一个端口光连接；

第二三端口耦合器4的单端口端的端口与第一光纤环行器7的1口光连接，第一光纤环行器7的3口与掺铒光纤放大器6的输入端光连接，掺饵光纤放大器6的输出端与第二隔离器5的输入端光连接，第二隔离器5输出端与第二三端口耦合器4的双端口的另一个端口光连接；

第一光纤环行器7的2口与单模光纤8的一端光连接，单模光纤8的另一端与Sagnac环形镜9输入端光连接，Sagnac环形镜9输出端与第二光纤环行器10的1口光连接，第二光纤环行器10的2端口与光纤布拉格光栅11光连接，第二光纤环行器10的3口与四端口耦合器12一端的另一个端口光连接，四端口耦合器12另一端的一个端口与光端探测器13的输入端光连接。

该技术方案采用可调窄带激光器，泵浦光通过隔离器以及耦合器后分为两路泵浦光，一路泵浦光经过10km单模光纤产生多阶斯托克斯光后与另一路泵浦光进行拍频获得高频微波信号。但所采用的10km高非线性光纤使得谐振腔腔长增加，而纵模间隔与腔长成反比，所以随着纵模间隔的减少，在布里渊增益谱（约为20MHz）里将出现多纵模运行状态，由此产生宽线宽和高噪声的微波信号不具有实用价值，且10km的光纤使用增大装置的体积不利于小型化。另外斯托克斯光相对于泵浦光有11GHz的频率下移，过滤出间隔为11GHz（0.08nm）的斯托克斯光往往需要线宽小于0.08nm的超窄带光纤布拉格光栅。这在某种程度上增加了装置的成本及***复杂程度。

发明内容

本发明为解决现有技术中基于布里渊激光器的微波信号源存在的宽线宽、高噪声、***复杂、成本高的问题，提出了基于双倍布里渊频移间隔单频光纤激光器的超窄线宽可调谐微波信号源。

本发明的技术方案：超窄线宽可调谐微波信号源，其包括可调窄线宽布里渊泵浦激光器、掺铒光纤放大器、第一三端口耦合器、偏振控制器、环行器、高非线性光纤、四端口耦合器、光纤布拉格光栅、可调光衰减器、第二三端口耦合器、光电探测器、电频谱仪；其特征是，

输入部分：可调窄线宽布里渊泵浦激光器，其输出泵浦光；

掺铒光纤放大器，其将所述泵浦光放大到达高非线性光纤所需要的布里渊散射的阈值；

第一三端口耦合器，其将放大后的泵浦光一分为二，进入单频双波长产生部分；

单频双波长产生部分：

泵浦光经过第一三端口耦合器后，大部分泵浦光经过偏振控制器及环行器进入四端口耦合器；小部分泵浦光经过可调光衰减器到达第二三端口耦合器；

进入四端口耦合器的泵浦光一部分进入高非线性光纤激发反向的第一阶斯托克斯光，另一部分直接从做斜角处理的端口输出；

第一阶斯托克斯光经过四端口耦合器一部分经过环行器输出，另一部分进入高非线性光纤激发反向第二阶斯托克斯光，第二阶斯托克斯光经过四端口耦合器一部分进入高非线性光纤激发反向的第三阶斯托克斯光，另一部分直接从做斜角处理的端口输出；由此重复循环，泵浦光和偶数阶斯托克斯光由四端口耦合器做斜角处理的端口输出，而奇数阶斯托克斯光经环行器和光纤布拉格光栅过滤后到达第二三端口耦合器；

双波长拍频部分：由单频双波长产生部分得到双波长激光输出经过第二三端口耦合器到达光电探测器进行拍频得到窄线宽高频的微波信号，最后由电频谱仪测量所得微波信号。

本发明的有益效果是：

本发明将掺铒光纤放大器放到泵浦光源后提高泵浦光功率，满足由于腔长减少所需的布里渊阈值，为激光单模运行提供条件。而后将布里渊腔设计为四端口耦合器连接高非线性光纤的准8字环形式，两端口连接高非线性光纤，一端口为输入/输出端，另一端口为斜角处理，此结构将实现双倍布里渊频移间隔的激光输出。

本发明采用10m高非线性光纤做为增益介质，减少了谐振腔腔长，使得纵模间隔与布里渊增益谱相近，从而实现布里渊激光器单纵模运行，以此同时减少了装置的体积，易小型化。

本发明布里渊腔采用准8字环形式，以10m高非线性光纤作为增益介质，实现双倍布里渊频移间隔的单频激光输出，并通过高速光电探测器实现频率可调的高频微波信号的输出，3dB线宽在kHz级别，而多纵模激光拍频所得线宽在MHz级别。所以相比现有的基于多波长布里渊激光器的微波信号源，微波信号的线宽有大幅提升，达到实用要求。另外相比于单倍布里渊频移间隔的激光输出而言，本发明去除了超窄线宽的光纤布里渊光栅，减少了使用成本，且本发明结构更加紧凑、简单，易于封装。本发明将在无线通信、微波光子学领域具有更大的应用潜力。

附图说明

图1为现有技术利用多波长布里渊激光器产生微波信号的装置的示意图。

图2为本发明超窄线宽可调谐微波信号源的示意图。

图3为本发明实施不同布里渊频移间隔的激光光谱图。

图4为本发明实施不同频率的微波信号光谱图。

图5为本发明实施21.39GHz的微波信号线宽测试图。

图6为本发明实施21.39GHz的微波信号频率及功率变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作详细说明。

如图2所示，超窄线宽可调谐微波信号源，其包括可调窄线宽布里渊泵浦激光器16、掺铒光纤放大器17、第一三端口耦合器18、偏振态控制器19、环行器20、高非线性光纤21、四端口耦合器22、光纤布拉格光栅23、可调光衰减器24、第二三端口耦合器25、光电探测器26和电频谱仪27。该信号源结构可分为三个部分，即输入部分、单频双波长产生部分、双波长拍频部分。

输入部分：该部分由可调窄线宽布里渊泵浦激光器16、掺铒光纤放大器17和第一三端口耦合器18依次连接。

可调窄线宽布里渊泵浦激光器16，其输出泵浦光；

掺铒光纤放大器17，其将所述泵浦光放大到达高非线性光纤21所需要的布里渊散射的阈值；

第一三端口耦合器18，其将放大后的泵浦光一分为二，进入单频双波长产生部分。

单频双波长产生部分：

泵浦光经过第一三端口耦合器18后，一部分泵浦光经过偏振态控制器19及环行器20进入四端口耦合器22。另一部分泵浦光经过可调光衰减器24到达第二三端口耦合器25。进入四端口耦合器22的泵浦光一部分进入高非线性光纤21激发反向的第一阶斯托克斯光，另一部分直接从做斜角处理的端口输出。第一阶斯托克斯光经过四端口耦合器22一部分经过环行器20输出，另一部分进入高非线性光纤21激发反向第二阶斯托克斯光，第二阶斯托克斯光经过四端口耦合器22一部分进入高非线性光纤21激发反向的第三阶斯托克斯光，另一部分直接从做斜角处理的端口输出。由此重复循环，泵浦光和偶数阶斯托克斯光由做斜角处理的端口输出，而奇数阶斯托克斯光经环行器20和光纤布拉格光栅23过滤后到达第二三端口耦合25器。

双波长拍频部分：由单频双波长产生部分得到双波长激光输出经过第二三端口耦合器25到达光电探测器26进行拍频得到窄线宽高频的微波信号，最后由电频谱仪27测量所得微波信号。

实施例：以实现10GHz到40GHz微波信号的拍频为例。

实现10GHz微波信号：首先调节可调窄线宽布里渊泵浦激光器16，使泵浦激光的波长远离光纤布拉格光栅的中心波长，防止被滤波；其次调节偏振控制器19实现输出斯托克斯光个数为1个。此时由第二三端口耦合器25输出的为泵浦光和第一斯托克斯光，如图3a。由此拍频得到的是10GHz的微波信号，如图4a。

实现20GHz微波信号：首先调节可调窄线宽布里渊泵浦激光器16，使泵浦激光的波长远离光纤布拉格光栅的中心波长，防止被滤波；其次调节偏振控制器19实现输出斯托克斯光个数为2个。调节可调光衰减器24衰减最大，此时由第二三端口耦合器25输出的为第三斯托克斯光和第一斯托克斯光，如图3b。由此拍频得到的是20GHz的微波信号，如图4b。

实现30GHz微波信号：首先调节可调窄线宽布里渊泵浦激光器16，使泵浦激光的波长使得第一斯托克斯光对准光纤布拉格光栅的中心波长；其次调节偏振控制器19实现输出斯托克斯光个数为2个。此时由第二三端口耦合器25输出的为泵浦光和第三斯托克斯光，如图3c。由此拍频得到的是30GHz的微波信号，如图4c。

实现40GHz微波信号：首先调节可调窄线宽布里渊泵浦激光器16，使泵浦激光的波长使得第三斯托克斯光对准光纤布拉格光栅的中心波长；其次调节偏振控制器19实现输出斯托克斯光个数为3个。调节可调光衰减器24衰减最大，此时由第二三端口耦合器25输出的为第一斯托克斯光和第五斯托克斯光，如图3d。由此拍频得到的是40GHz的微波信号，如图4d。

由上可知调节偏振控制器19和可调窄线宽布里渊泵浦激光器16的波长可选择间隔为不同布里渊频移的双波长输出，从而实现高频可调谐的微波信号输出。

利用本发明装置实现产生单纵模激光输出的原理为：

布里渊纵模间隔（FSR）与腔长成反比，

$\mathrm{FSR}=\frac{c}{\mathrm{NL}}$

式中c为光在真空中的速度，N为光纤的有效折射率，L为谐振腔的腔长，因此当布里渊腔长为10m左右时FSR=20MHz与布里渊增益谱带宽20MHz相近，实现单纵模输出。当光纤长度远大于10m时，将为多纵模输出。所以传统多纵模双波长激光拍频得到的微波信号将大幅降低信号性能特别是线宽，而达不到实用要求。

本发明采用的可调窄线宽布里渊激光器16波长为1550.12nm，线宽小于5Hz。第一三端口耦合器18和第二三端口耦合器25均为1×2的3dB耦合器；四端口耦合器22为2×2的耦合器，其分光比为6:4；高非线性光纤21的长度为10m。偏振控制器19为挤压光纤式偏振控制器。环行器20为三端口环行器。光纤布拉格光栅23为反射式光栅，3dB带宽为0.3nm，反射率为97%。光电探测器26为高速探测器可探测70GHz以下微波信号。电频谱仪27为高速频谱仪可探测44GHz以下微波信号。所采用的光纤器件均为保偏器件。

开启可调窄线宽布里渊泵浦16，调节高功率窄线宽布里渊泵浦的波长。10m高非线性光纤21在泵浦光的作用下产生斯托克斯光，通过调节泵浦光的波长和偏振控制器19及可调光衰减器24可实现不同布里渊频移间隔的双波长输出。

如图5为21.39GHz线宽测试情况，通过换算得到3dB线宽约小于10kHz。线宽远远小于传统基于布里渊激光器的微波信号源的MHz级别。

如图6为21.39GHz微波信号源在60分钟内频率及功率变化情况，可见频率和功率稳定性好，频漂小于±0.4MHz，功率小于±0.75dB。

本发明可以得到超窄线宽可调谐高频微波信号源，随着各种光电器件的不断发展，将会得到频率更高、更窄线宽、更稳定的输出，并且其应用也将更加广泛。

以上对本发明的所述实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.超窄线宽可调谐微波信号源，其包括可调窄线宽布里渊泵浦激光器（16）、掺铒光纤放大器（17）、第一三端口耦合器（18）、偏振控制器（19）、环行器（20）、高非线性光纤（21）、四端口耦合器（22）、光纤布拉格光栅（23）、可调光衰减器（24）、第二三端口耦合器（25）、光电探测器（26）、电频谱仪（27）；其特征是，

输入部分：可调窄线宽布里渊泵浦激光器（16），其输出泵浦光；

掺铒光纤放大器（17），其将所述泵浦光放大到达高非线性光纤（21）所需要的布里渊散射的阈值；

第一三端口耦合器（18），其将放大后的泵浦光一分为二，进入单频双波长产生部分；

单频双波长产生部分：

泵浦光经过第一三端口耦合器（18）后，大部分泵浦光经过偏振控制器（19）及环行器（20）进入四端口耦合器（22）；小部分泵浦光经过可调光衰减器（24）到达第二三端口耦合器（25）；

进入四端口耦合器（22）的泵浦光一部分进入高非线性光纤（21）激发反向的第一阶斯托克斯光，另一部分直接从做斜角处理的端口输出；

第一阶斯托克斯光经过四端口耦合器（22）一部分经过环行器（20）输出，另一部分进入高非线性光纤（21）激发反向第二阶斯托克斯光，第二阶斯托克斯光经过四端口耦合器（22）一部分进入高非线性光纤（21）激发反向的第三阶斯托克斯光，另一部分直接从做斜角处理的端口输出；由此重复循环，泵浦光和偶数阶斯托克斯光由四端口耦合器（22）做斜角处理的端口输出，而奇数阶斯托克斯光经环行器（20）和光纤布拉格光栅（23）过滤后到达第二三端口耦合（25）器；

双波长拍频部分：由单频双波长产生部分得到双波长激光输出经过第二三端口耦合器（25）到达光电探测器（26）进行拍频得到窄线宽高频的微波信号，最后由电频谱仪（27）测量所得微波信号。

2.根据权利要求1所述的基于双倍布里渊频移间隔单频光纤激光器的超窄线宽可调谐微波信号源，其特征在于，由环行器（20）、四端口耦合器（22）、高非线性光纤（21）组成的准8字形的布里渊腔，其中四端口耦合器（22）其中一端口做斜角处理，该准8字形的布里渊腔能输出奇数阶的斯托克斯光并抑制泵浦光和偶数阶斯托克斯光在腔内。

3.根据权利要求1所述的超窄线宽可调谐微波信号源，其特征在于，所述可调窄线宽布里渊泵浦激光器波长为1550.012nm，线宽小于5kHz。

4.根据权利要求1所述的超窄线宽可调谐微波信号源，其特征在于，所述高非线性光纤（21）长度为10m，满足布里渊激光单纵模输出的条件。

5.根据权利要求1所述的超窄线宽可调谐微波信号源，其特征在于，所述光纤布拉格光栅（23）为反射式光栅，3dB线宽为0.3nm，反射率大于97%。

6.根据权利要求1所述的超窄线宽可调谐微波信号源，其特征在于，所述光电探测器（26）和电频谱仪（27）为适合高频率的测量仪器。

7.根据权利要求1所述的超窄线宽可调谐微波信号源，其特征在于，所述光纤器件均为保偏器件。

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