CN105811225A - 基于液芯光纤布里渊散射效应的光电振荡器的微波信号产生装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种于液芯光纤布里渊散射效应的光电振荡器的微波信号产生装置及方法，产生的装置包括布里渊散射泵浦激光器、隔离器、调制器、液芯光纤、信号激光器、第一环形器、第三激光器、第二环形器、偏振分束器、第一光纤、第二光纤、第一偏振控制器、第二偏振控制器、偏振合束器、光电探测器、耦合器和功率放大器。本发明的装置与方法不仅能够产生高频微波信号，而且能够获得较宽调谐范围的可调谐微波信号。
Description
技术领域
本发明涉及雷达、信号处理及通信***等领域的信号发生技术，具体涉及一种基于液芯光纤布里渊散射效应的光电振荡器的微波信号产生装置及方法。
背景技术
宽带可调谐光生微波信号源具有广阔的潜在应用前景，如雷达***、信号处理和通信***等领域，引起研究人员的高度重视。光电振荡器被认为是高质量微波信号产生的有效方法，该方法主要是采用融合光信号和电信号的复合谐振腔原理产生低相位噪声的微波信号，可以有效的降低相位噪声获得较高质量的微波信号。要想获得较低的相位噪声，必须使用较长的光纤环长度，但是较长的光纤环将会降低信号的输出频率。因此，基于光生技术的高稳定、低相位噪声和大调谐范围的高性能微波信号的产生是目前迫切需要解决的技术难题。王礼贤等研究人员提出的发明专利宽带频率可调谐光电振荡器，申请号：201110062126.8，该发明是利用一个光调制器、一个高精细度法布里帕罗标准具和两个光纤耦合器共同构成了光子微波滤波器，并将其应用到光电振荡器之中，通过对激光光源波长的调谐，可以对光子微波滤波器滤波峰进行调谐，同时配合使用微波移相器，最终实现了对光电振荡器的大范围连续调谐；杨春等研究人员提出的发明专利一种倍频光电振荡器，申请号：201310114026.4，该发明是基波与倍频双输出光调制器模块由马赫曾德尔调制器、光移相器和三个光耦合器组成。利用马赫曾德尔调制器工作在最大传输点和最小传输点的调制特性来实现光电振荡器的倍频振荡信号的输出；洪俊等研究人员提出的发明专利光电振荡器，申请号：201510212059.1，利用普通单模光纤作为光电振荡器的储能元件，获得微波信号产生。
受激布里渊散射是入射光与光纤介质中声子之间的相互作用，由于具有移频和窄带放大等效应，使得受激布里渊散射被广泛的应用于光纤无线电***和微波信号的光子处理中。利用其窄带放大效应实现单边带调制，结合相位调制器实现单通带微波光子滤波器等。基于受激布里渊散射放大的带宽约为几十MHz，通过直接调节受激布里渊散射的泵浦波长可以将放大的中心频率进行展宽，同时，由于具有较低的相位噪声和无需微波源等而受到研究人员的广泛关注。受激布里渊散射具有较高的增益、较窄的增益带宽、边带放大效应和移频特性等，因此，基于布里渊散射的微波信号产生的方法具有相当的潜力。王如刚等研究人员提出的发明专利一种基于布里渊散射光电振荡器的可调微波信号产生的方法及装置，申请号:201510105725.1，利用普通单模光纤产生布里渊散射效应进行移频，获得可调谐微波信号。目前，他们都是利用普通单模光纤作为光电振荡器的储能元件，因此，这些***必须使用较长的光纤作为光电振荡器的储能元件，这样将增加了微波信号的相位噪声，且***比较复杂，限制了微波信号的调谐性，在实现宽带调谐方面就显得相对复杂和困难。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于液芯光纤布里渊散射效应的光电振荡器的微波信号产生装置及方法。
技术方案：本发明所述的一种基于液芯光纤布里渊散射效应的光电振荡器的微波信号产生装置，包括布里渊散射泵浦激光器和信号激光器，所述布里渊散射泵浦激光器(104)发出的激光进入到第一环形器(105)的第一个端口，经第一环形器(105)的第二端口进入到液芯光纤(103)中，在液芯光纤中(103)产生背向布里渊散射信号，信号激光器(100)输出信号经光隔离器(101)后进入到调制器(102)，被调制的信号进入液芯光纤(103)；在液芯光纤(103)中，当信号激光器输出的信号波长等于液芯光纤中的背向布里渊散射信号波长时，调制的信号光被布里渊散射信号产生最大的放大效果，若两个波长不等时，产生的放大效果较弱，放大的信号经第一环形器(105)的第三端口进入到第二环形器(107)的第一端口，再从第二环形器(107)的第二端口进入到第三激光器(106)的输入端，在第三激光器(106)中信号光产生移频后从第三激光器(106)的输出端口进入第二环形器(107)中，接着从第二环形器(107)的第三端口输出到偏振分束器(108)；偏振分束器(108)的输出端分成两束信号光，第一束信号经第一光纤(109)后进入第一偏振控制器(110)的输入端，第一偏振控制器(110)的输出端连接到偏振合束器(113)，第二束信号经第二光纤(111)后进入第二光偏振控制器(112)的输入端，第一偏振控制器(110)和第二偏振控制器(112)的输出端均连接到偏振合束器(113)，从偏振合束器(113)输出的信号进入光电探测器(114)的输入端，被光电探测器(114)转换后的电信号进入耦合器(115)，经耦合器(115)分成两束电信号，一束电信号经放大器(116)放大后作为调制器的驱动信号驱动调制器工作，另一束电信号作为微波信号输出。
进一步的，所述液芯光纤(103)为基于石英毛细管的光纤或其他种类的毛细管介质，液芯光纤(103)的内部填充物为四氯化碳、二硫化碳等折射率大于毛细管折射率的一种或多种介质。
进一步的，所述调制器(102)为相位调制器或其他种类的调制器；所述光电探测器(114)是平衡探测器或其它种类的光电探测器。
进一步的，所述信号激光器(100)为可调谐单频激光器，布里渊散射泵浦激光器(104)为可调谐单频激光器或其他种类的可调谐激光器；第三激光器(106)为可注入的分布反馈(DFB)激光器；所述第一光纤(109)和第二光纤(111)为普通单模光纤或其他种类的光纤。
本发明还公开了一种基于液芯光纤布里渊散射效应的光电振荡器的微波信号产生方法，布里渊散射泵浦激光器(104)发出的激光进入到第一环形器(105)的第一个端口，经第一环形器(105)的第二端口进入到液芯光纤(103)中，在液芯光纤中(103)产生背向布里渊散射信号，信号激光器(100)输出信号经光隔离器(101)后进入到调制器(102)，被调制的信号进入液芯光纤(103)；在液芯光纤(103)中，当信号激光器输出的信号波长等于液芯光纤中的背向布里渊散射信号波长时，调制的信号光被布里渊散射信号产生最大的放大效果，若两个波长不等时，产生的放大效果较弱，，放大的信号经第一环形器(105)的第三端口进入到第二环形器(107)的第一端口，再从第二环形器(107)的第二端口进入到第三激光器(106)的输入端，在第三激光器(106)中信号光产生移频后从第三激光器(106)的输出端口进入第二环形器(107)中，接着从第二环形器(107)的第三端口输出到偏振分束器(108)；偏振分束器(108)的输出端分成两束信号光，第一束信号经第一光纤(109)后进入第一偏振控制器(110)的输入端，第一偏振控制器(110)的输出端连接到偏振合束器(113)，第二束信号经第二光纤(111)后进入第二光偏振控制器(112)的输入端，第一偏振控制器(110)和第二偏振控制器(112)的输出端均连接到偏振合束器(113)，从偏振合束器(113)输出的信号进入光电探测器(114)的输入端，被光电探测器(114)转换后的电信号进入耦合器(115)，经耦合器(115)分成两束电信号，一束电信号经放大器(116)放大后作为调制器的驱动信号驱动调制器工作，另一束电信号作为微波信号输出。
上述基于液芯光纤布里渊散射效应的可调谐微波信号的频率和功率可调谐性，通过调节信号激光器(100)、布里渊散射泵浦激光器(104)的波长及功率的一种或多种方式来实现。
有益效果：本发明通过在毛细管内部填充一定的液芯介质制成非线性光纤，提高布里渊散射效率，利用布里渊散射效应的放大和窄带特性，获得高频微波信号，通过控制泵浦激光器和信号激光器的波长和功率来调节获得的微波信号的频率。
另外，本发明的基于液芯光纤布里渊散射效应的可调谐微波信号产生的方法与装置不仅能够产生高频微波信号，而且能够获得宽带可调谐的微波信号；本发明大大降低微波信号的相位噪声、增加微波信号的调谐范围，具有成本低廉和结构简单的优点。
附图说明
图1为本发明的整体结构图；
图2为实施例中的结构示意图；
图3为实施例中获得的微波信号频谱示意图；
图4为实施例中获得的微波信号频率与泵浦波长的关系示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1所示，本发明的一种基于液芯光纤布里渊散射效应的光电振荡器的微波信号产生装置，包括布里渊散射泵浦激光器104、信号激光器100和第三激光器106。
实施例1：
本实施例的一种基于液芯光纤布里渊散射效应的光电振荡器的微波信号产生装置，如图2所示，布里渊散射泵浦激光器204为安捷伦窄线宽可调谐激光器(Agilentlightwavemeasurementsystem8164B)，设置输出波长为1550nm，功率为10dBm，其发出的激光进入到第一环形器205的第一个端口，经第二端口进入到液芯光纤203中，液芯光纤203是由石英毛细管预制体拉制而成，其石英砂的纯度约为99.98％，毛细管的外径为110μm，内径8μm，长度为30m，通过飞秒微加工技术在毛细管其内部填充四氯化碳液体，其两端用普通单模光纤熔接起来，形成结构稳固的高非线性液芯光纤，在液芯光纤中203产生背向布里渊散射信号；信号激光器200为安捷伦窄线宽可调谐激光器(AgilentlightwavemeasurementsystemN7714)，其输出信号经光隔离器201后进入到photoline电光调制器209(MX-LN-20)，被调制的信号进入液芯光纤203，在液芯光纤203中，当布里渊散射泵浦激光器的输出信号波长等于液芯光纤中的背向布里渊散射信号波长时，调制的信号光被布里渊散射信号产生放大，放大的信号经第一环形器205的第三端口进入到第二环形器207的第一端口，经第二端口进入到第三激光器(206)的输入端，第三激光器为分布反馈激光器，其偏置电流被激光二极管控制器(THORLABSLDC205C)控制在25mA，工作温度被温度控制器(THORLABSTED200C)稳定在23℃，此时，第三激光器的输出功率为2.2dBm，在该激光器206中信号光产生移频后从激光器(206)的输出端口进入环形器207中，从第三端口输出到偏振分束器208，偏振分束器(208)的输出端分成两束信号光，第一束信号经长为2km第一普通单模光纤209后进入第一偏振控制器210的输入端，第一偏振控制器210的输出端连接到偏振合束器213，第二束信号经4km的第二普通单模光纤211后进入第二光偏振控制器212的输入端，第二偏振控制器212的输出端连接到偏振合束器213，从偏振合束器213输出的信号进入光电探测器214的输入端，光电探测器为50GHz的FinisarXPDV21x0(RA)，被光电探测器214转换后的电信号进入耦合器215，经耦合器215分成两束电信号，一束电信号经放大器216放大后作为调制器的驱动信号驱动调制器工作，另一束电信号作为微波信号输出。
上述输出的微波信号的频谱如图3所示，在泵浦激光器输出波长为1550nm时，输出微波信号的频率为10.932GHz，当调节泵浦激光器输出波长时，输出的微波信号频率如图4所示，从图4可以看出输出信号的频率与泵浦波长的斜率为4.1MHz/nm，因此，可以通过调节布里渊散射泵浦激光器的波长来获得微波信号的调谐性。
Claims (6)
1.一种基于液芯光纤布里渊散射效应的光电振荡器的微波信号产生装置，其特征在于：包括布里渊散射泵浦激光器和信号激光器，所述布里渊散射泵浦激光器(104)发出的激光进入到第一环形器(105)的第一个端口，经第一环形器(105)的第二端口进入到液芯光纤(103)中，在液芯光纤中(103)产生背向布里渊散射信号，信号激光器(100)输出信号经光隔离器(101)后进入到调制器(102)，被调制的信号进入液芯光纤(103)；
在液芯光纤(103)中，当信号激光器输出的信号波长等于液芯光纤中的背向布里渊散射信号波长时，调制的信号光被布里渊散射信号产生最大的放大效果，若两个波长不等时，产生的放大效果较弱，放大的信号经第一环形器(105)的第三端口进入到第二环形器(107)的第一端口，再从第二环形器(107)的第二端口进入到第三激光器(106)的输入端，在第三激光器(106)中信号光产生移频后从第三激光器(106)的输出端口进入第二环形器(107)中，接着从第二环形器(107)的第三端口输出到偏振分束器(108)；
偏振分束器(108)的输出端分成两束信号光，第一束信号经第一光纤(109)后进入第一偏振控制器(110)的输入端，第一偏振控制器(110)的输出端连接到偏振合束器(113)，第二束信号经第二光纤(111)后进入第二光偏振控制器(112)的输入端，第一偏振控制器(110)和第二偏振控制器(112)的输出端均连接到偏振合束器(113)，从偏振合束器(113)输出的信号进入光电探测器(114)的输入端，被光电探测器(114)转换后的电信号进入耦合器(115)，经耦合器(115)分成两束电信号，一束电信号经放大器(116)放大后作为调制器的驱动信号驱动调制器工作，另一束电信号作为微波信号输出。
2.根据权利要求1所述的基于液芯光纤布里渊散射效应的光电振荡器的微波信号产生装置，其特征在于：所述液芯光纤(103)为基于石英毛细管的光纤或其他种类的毛细管介质，液芯光纤(103)的内部填充物为折射率大于毛细管折射率的一种或多种介质。
3.根据权利要求1所述的基于液芯光纤布里渊散射效应的光电振荡器的微波信号产生装置，其特征在于：所述调制器(102)为相位调制器或其他种类的调制器；所述光电探测器(114)是平衡探测器或其它种类的光电探测器。
4.根据权利要求1所述的基于液芯光纤布里渊散射效应的光电振荡器的微波信号产生装置，其特征在于：所述信号激光器(100)为可调谐单频激光器，布里渊散射泵浦激光器(104)为可调谐单频激光器或其他种类的可调谐激光器；第三激光器(106)为可注入的分布反馈(DFB)激光器；所述第一光纤(109)和第二光纤(111)为普通单模光纤或其他种类的光纤。
5.一种基于权利要求1至4任意一项所述的基于液芯光纤布里渊散射效应的光电振荡器的微波信号产生方法，其特征在于：布里渊散射泵浦激光器(104)发出的激光进入到第一环形器(105)的第一个端口，经第一环形器(105)的第二端口进入到液芯光纤(103)中，，在液芯光纤中(103)产生背向布里渊散射信号，信号激光器(100)输出信号经光隔离器(101)后进入到调制器(102)，被调制的信号进入液芯光纤(103)；在液芯光纤(103)中，当信号激光器输出的信号波长等于液芯光纤中的背向布里渊散射信号波长时，调制的信号光被布里渊散射信号产生最大的放大效果，若两个波长不等时，产生的放大效果较弱，放大的信号经第一环形器(105)的第三端口进入到第二环形器(107)的第一端口，再从第二环形器(107)的第二端口进入到第三激光器(106)的输入端，在第三激光器(106)中信号光产生移频后从第三激光器(106)的输出端口进入第二环形器(107)中，接着从第二环形器(107)的第三端口输出到偏振分束器(108)；偏振分束器(108)的输出端分成两束信号光，第一束信号经第一光纤(109)后进入第一偏振控制器(110)的输入端，第一偏振控制器(110)的输出端连接到偏振合束器(113)，第二束信号经第二光纤(111)后进入第二光偏振控制器(112)的输入端，第一偏振控制器(110)和第二偏振控制器(112)的输出端均连接到偏振合束器(113)，从偏振合束器(113)输出的信号进入光电探测器(114)的输入端，被光电探测器(114)转换后的电信号进入耦合器(115)，经耦合器(115)分成两束电信号，一束电信号经放大器(116)放大后作为调制器的驱动信号驱动调制器工作，另一束电信号作为微波信号输出。
6.根据权利要求5所述的基于液芯光纤布里渊散射效应的光电振荡器的微波信号产生方法，其特征在于：所述基于液芯光纤布里渊散射效应的可调谐微波信号的频率和功率的可调谐性，通过调节信号激光器(100)、布里渊散射泵浦激光器(104)的波长及功率的一种或多种方式来实现。
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