专利名称：基于线型腔光纤光栅的变频率毫米波生成装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤通信、毫米波光学生成技术领域，具体地讲是一种基于线型腔光
纤光栅的变频率毫米波生成装置。
背景技术：
毫米波生成问题是微波光子科学中的一项核心技术，也是宽带无线R0F技术的基础问题，围绕毫米波的生成问题，国内外均进行大量的研究和尝试，但是由于毫米波本身工作频段很高(30 300GHz)，因而对设备提出了更高的要求，直接造成了构建成本过高，目前提出的毫米波产生方法，如直接调制直接检测法、谐波产生方法、光学外差法等，由于这些方法均依赖于精密昂贵的调谐激光器以及光学调制器，而且对于生成毫米波频率相对固定，无法进行变频以及跳频调整。光纤光栅的应用以及特别是双波长乃至多波长光纤光栅激光器的研究为低成本生成毫米波问题提供了可能，光纤激光器是光纤通信系统中一种很有前景的光源。基于光纤光栅的多波长激光器及毫米波生成方案不断被提出，如单偏振双波长光纤光栅激光器产生微波、毫米波的装置(专利申请号200710177000. 9)、利用线型腔双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置(专利申请号200710176999. 5)。它们共同存在的问题是无法对毫米波进行变频率调整。
发明内容
本发明是一种基于线型腔光纤光栅的变频率毫米波生成装置，发明的初衷是利用廉价的光纤光栅，有源光纤和少量的无源光通信器材，实现毫米波信号的产生，并且频率可调整。其基本原理是两个光学谐振腔分别使用两段有源光纤，利用光开光选择不同的窄带光纤控制第二个谐振腔具有不同的谐振频率，从而激射出两个不同波长的激光，利用光电二极管探测，实现差拍生成毫米波，方案中采用光开关选择不同的窄带光栅，实现毫米波频率可调整。整个系统仅由一个宽带光栅，多个窄带光栅，泵浦源，部分光开关和耦合器组成，具有极低的构建成本，并且毫米波频率可调特性也具有很高的应用价值。
本发明的技术方案 基于线型腔光纤光栅的变频率毫米波生成装置，该装置包括泵浦源、窄带光栅、第一有源光纤、第二有源光纤、宽带光栅、1XN光开关、第一窄带光纤光栅、第二窄带光纤光栅...第N窄带光纤光栅、NX1耦合器、光电探测器；
具体连接方式为 泵浦源输出接窄带光栅的一端，窄带光栅的另一端接第一有源光纤的一端、第一有源光纤的另一端接宽带光栅的一端、宽带光栅的另一端接第二有源光纤的一端，第二有源光纤的另一端接1XN光开关； 第一窄带光纤光栅的一端接1XN光开关的第一通道端口，第一窄带光纤光栅的另一端接NX1耦合器输入端； 第二窄带光纤光栅的一端接1XN光开关的第二通道端口，第二窄带光纤光栅的另一端接NX1耦合器输入端；
… 第N窄带光纤光栅的一端接1 XN光开关的第N通道端口 ，第N窄带光纤光栅的另
一端接NXl耦合器输入端； NXl耦合器输出端口接光电探测器。 本发明的有益效果具体如下 本发明不涉及复杂且昂贵的设备，仅仅采用光纤光栅，有源光纤，泵浦源和少量无 源光通信器材，充分利用线性光纤激光器原理，将其应用到微波光子领域，用以产生毫米波 信号，本发明最大的优点在于系统结构简单，成本低廉，而且具有毫米波频率可调整的特 性。
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l基于线 2基于线 3基于线 4基于线 5基于线 6基于线 7基于线 8基于线
型
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M空光纤光4 M空光纤光4 M空光纤光4 M空光纤光4 M空光纤光4 M空光纤光4 M空光纤光4 M空光纤光4 下面结合附图l至8对基于线型腔光纤光栅的变频率毫米波生成装置作进一步描 述。 实施例一 基于线型腔光纤光栅的变频率毫米波生成装置，如图1所示，该装置包括泵浦源 1、窄带光栅2、第一有源光纤31、第二有源光纤32、宽带光栅4、1X2光开关5、第一窄带光 纤光栅61、第二窄带光纤光栅62、2X 1耦合器7、光电探测器8 ;具体连接方式为
泵浦源1输出接窄带光栅2的一端，窄带光栅2的另一端接第一有源光纤31的一 端、第一有源光纤31的另一端接宽带光栅4的一端、宽带光栅4的另一端接第二有源光纤 32的一端，第二有源光纤32的另一端接1X2光开关5 ; 第一窄带光纤光栅61的一端接1 X 2光开关5的第一通道端口 ，第一窄带光纤光 栅61的另一端接2X1耦合器7输入端； 第二窄带光纤光栅62的一端接1 X 2光开关5的第二通道端口 ，第二窄带光纤光
栅62的另一端接2X 1耦合器7输入端； 2X1耦合器7输出端口接光电探测器8。 在本实施例一中N取2，第一有源光纤31和第二有源光纤32均选用掺铒光纤。
宽带光纤光栅4反射波中心波长1545. 7nm带宽lnm，窄带光纤光栅2反射波中心 波长1545. 3nm带宽0. lnm，第一窄带光纤光栅61反射波中心波长1545. 7nm带宽0. lnm、第二窄带光纤光栅62反射波中心波长1546. lnm带宽0. lnm。 实施例中窄带光纤光栅2的反射峰9A，第一窄带光纤光栅61的反射峰9B、第二窄 带光纤光栅62的反射峰9C，如图2，宽带光纤光栅4和窄带光纤光栅2组成一个谐振波长 固定为1545. 3nm的线性谐振腔，当1X2光开关5接第一窄带光纤光栅61，则宽带光纤光 栅4和第一窄带光纤光栅61组成另一个线性谐振腔，谐振波长1545. 7nm，这样两个线性谐 振腔均工作在不同的谐振波长上，将激射出波长1545. 3nm和1545. 7nm的激光，这两路光经 由2X 1耦合器7耦合到一路后，由光电探测器8差拍得到频率50GHz (对应于0. 4nm波长 间隔)；当1 X2光开关5接第二窄带光栅62，宽带光纤光栅4和窄带光纤光栅2组成一个 谐振波长固定为1545. 3nm的线性谐振腔，宽带光纤光栅4和第二窄带光纤光栅62组成另 一个线性谐振腔，谐振波长1546. lnm，这样两个线性谐振腔均工作在不同的谐振波长上，将 激射出波长1545. 3nm和1546. lnm的激光，这两路光经由2X1耦合器7耦合到一路后，由 光电探测器8差拍得到频率100GHz (对应于0. 8nm波长间隔)；控制1 X 2光开关导向通道 选择不同的窄带光纤光栅，产生的毫米波实现50GHz和100GHz两个毫米波频率的变频率调 整。 实施例二 基于线型腔光纤光栅的变频率毫米波生成装置，如图3。该装置包括泵浦源1、窄 带光栅2、第一有源光纤31、第二有源光纤32、宽带光栅4、1X4光开关5、第一窄带光纤光 栅61、第二窄带光纤光栅62、第三窄带光纤光栅63、第四窄带光纤光栅64、4X 1耦合器7、 光电探测器8 ;具体连接方式为 泵浦源1输出接窄带光栅2的一端，窄带光栅2的另一端接第一有源光纤31的一 端、第一有源光纤31的另一端接宽带光栅4的一端、宽带光栅4的另一端接第二有源光纤 32的一端，第二有源光纤32的另一端接1X4光开关5 ; 第一窄带光纤光栅61的一端接1 X 4光开关5的第一通道端口 ，第一窄带光纤光 栅61的另一端接4X1耦合器7输入端； 第二窄带光纤光栅62的一端接1 X 4光开关5的第二通道端口 ，第二窄带光纤光 栅62的另一端接4X1耦合器7输入端； 第三窄带光纤光栅63的一端接1X4光开关5的第三通道端口，第三窄带光纤光 栅63的另一端接4X1耦合器7输入端； 第四窄带光纤光栅64的一端接1 X 4光开关5的第四通道端口 ，第四窄带光纤光
栅64的另一端接4X1耦合器7输入端； 4X1耦合器7输出端口接光电探测器8。 在本实施例一中N取4，第一有源光纤31和第二有源光纤32均选用掺钬光纤。
宽带光纤光栅4反射波中心波长1545. 9nm带宽1. 5nm，窄带光纤光栅2反射波中 心波长1545. 3nm带宽0. lnm，第一窄带光纤光栅61反射波中心波长1545. 5nm带宽0. lnm、 第二窄带光纤光栅62反射波中心波长1545. 9nm带宽0. lnm、第三窄带光纤光栅63反射 波中心波长1546. lnm带宽O. lnm、第四窄带光纤光栅64反射波中心波长1546. 5nm带宽 0. lnm。 实施例中窄带光纤光栅2的反射峰9A，第一窄带光纤光栅61的反射峰9B、第二窄 带光纤光栅62的反射峰9C、第三窄带光纤光栅63的反射峰9D、第四窄带光纤光栅64的反射峰9E，如图4，宽带光纤光栅4和窄带光纤光栅2组成一个谐振波长固定为1545. 3nm的线 性谐振腔，当1X4光开关5接第一窄带光纤光栅61，则宽带光纤光栅2和第一窄带光纤光 栅61组成另一个线性谐振腔，谐振波长1545. 5nm，这样两个线性谐振腔均工作在不同的谐 振波长上，将激射出波长1545. 3nm和1545. 5nm的激光，这两路光经由4X 1耦合器7耦合到 一路后，由光电探测器8差拍得到频率25GHz(对应于0. 2nm波长间隔)；当1X4光开关5 接第二窄带光栅62，宽带光纤光栅4和窄带光纤光栅2组成一个谐振波长固定为1545. 3nm 的线性谐振腔，宽带光纤光栅4和第二窄带光纤光栅62组成另一个线性谐振腔，谐振波 长1545. 9nm，这样两个线性谐振腔均工作在不同的谐振波长上，将激射出波长1545. 3nm和 1545. 9nm的激光，这两路光经由4X1耦合器7耦合到一路后，由光电探测器8差拍得到频 率75GHz (对应于0. 6nm波长间隔)；当1 X 4光开关5接第三窄带光栅63，宽带光纤光栅4 和窄带光纤光栅2组成一个谐振波长固定为1545. 3nm的线性谐振腔，宽带光纤光栅4和第 三窄带光纤光栅63组成另一个线性谐振腔，谐振波长1546. lnm，这样两个线性谐振腔均工 作在不同的谐振波长上，将激射出波长1545. 3nm和1546. lnm的激光，这两路光经由4X1 耦合器7耦合到一路后，由光电探测器8差拍得到频率lOOGHz (对应于0. 8nm波长间隔)； 当1 X 4光开关5接第四窄带光栅64，宽带光纤光栅4和窄带光纤光栅2组成一个谐振波长 固定为1545. 3nm的线性谐振腔，宽带光纤光栅4和第四窄带光纤光栅64组成另一个线性 谐振腔，谐振波长1546. 5nm，这样两个线性谐振腔均工作在不同的谐振波长上，将激射出波 长1545. 3nm和1546. 5nm的激光，这两路光经由4X1耦合器7耦合到一路后，由光电探测 器8差拍得到频率150GHz (对应于1. 2nm波长间隔)；控制1 X 4光开关导向通道选择不同 的窄带光纤光栅，产生的毫米波实现25GHz、75GHz、100GHz和150GHz四个毫米波频率的变 频率调整。
实施例三 基于线型腔光纤光栅的变频率毫米波生成装置，如图5。该装置包括泵浦源1、窄 带光栅2、第一有源光纤31、第二有源光纤32、宽带光栅4、1X8光开关5、第一窄带光纤光 栅61、第二窄带光纤光栅62...第八窄带光纤光栅68、8X 1耦合器7、光电探测器8 ;具体 连接方式为 泵浦源1输出接窄带光栅2的一端，窄带光栅2的另一端接第一有源光纤31的一 端、第一有源光纤31的另一端接宽带光栅4的一端、宽带光栅4的另一端接第二有源光纤 32的一端，第二有源光纤32的另一端接1X8光开关5 ; 第一窄带光纤光栅61的一端接1 X 8光开关5的第一通道端口 ，第一窄带光纤光 栅61的另一端接8X1耦合器7输入端； 第二窄带光纤光栅62的一端接1 X 8光开关5的第二通道端口 ，第二窄带光纤光 栅62的另一端接8X 1耦合器7输入端；
...... 第八窄带光纤光栅68的一端接1X8光开关5的第八通道端口，第八窄带光纤光
栅68的另一端接8X 1耦合器7输入端； 8X1耦合器7输出端口接光电探测器8。 在本实施例一中N取8，第一有源光纤31和第二有源光纤32均选用掺铒镱光纤。
宽带光纤光栅4反射波中心波长1546. 2nm带宽2nm，窄带光纤光栅2反射波中心波长1545. 3nm带宽0. lnm，第一窄带光纤光栅61反射波中心波长1545. 7nm带宽0. lnm、第 二窄带光纤光栅62反射波中心波长1545. 9nm带宽0. lnm...第八窄带光纤光栅68反射波 中心波长1547. lnm带宽0. lnm。 实施例中窄带光纤光栅2的反射峰9A，第一窄带光纤光栅61的反射峰9B、第二 窄带光纤光栅62的反射峰9C...第八窄带光纤光栅68的反射峰91，如图6，宽带光纤光 栅4和窄带光纤光栅2组成一个谐振波长固定为1545. 3nm的线性谐振腔，当1X8光开关 5接第一窄带光纤光栅61，则宽带光纤光栅4和第一窄带光纤光栅61组成另一个线性谐 振腔，谐振波长1545. 7nm，这样两个线性谐振腔均工作在不同的谐振波长上，将激射出波长 1545. 3nm和1545. 7nm的激光，这两路光经由8X1耦合器7耦合到一路后，由光电探测器 8差拍得到频率50GHz (对应于0. 4nm波长间隔)；当1X8光开关5接第二窄带光栅62，宽 带光纤光栅4和窄带光纤光栅2组成一个谐振波长固定为1545. 3nm的线性谐振腔，宽带光 纤光栅4和第二窄带光纤光栅62组成另一个线性谐振腔，谐振波长1545. 9nm，这样两个线 性谐振腔均工作在不同的谐振波长上，将激射出波长1545. 3nm和1545. 9nm的激光，这两路 光经由8X 1耦合器7耦合到一路后，由光电探测器8差拍得到频率75GHz (对应于0. 6nm
波长间隔)；......当1X8光开关5接第八窄带光栅68，宽带光纤光栅4和窄带光纤光栅
2组成一个谐振波长固定为1545. 3nm的线性谐振腔，宽带光纤光栅4和第八窄带光纤光栅 68组成另一个线性谐振腔，谐振波长1547. lnm，这样两个线性谐振腔均工作在不同的谐振 波长上，将激射出波长1545. 3nm和1547. lnm的激光，这两路光经由8X1耦合器7耦合到 一路后，由光电探测器8差拍得到频率225GHz (对应于1. 8nm波长间隔)控制1 X8光开关 导向通道选择不同的窄带光纤光栅，产生的毫米波实现50GHz、75GHz...和225GHz八个毫 米波频率的变频率调整
实施例四 基于线型腔光纤光栅的变频率毫米波生成装置，如图7。该装置包括泵浦源1、窄 带光栅2、第一有源光纤31、第二有源光纤32、宽带光栅4、 1 X 16光开关5、第一窄带光纤光 栅61、第二窄带光纤光栅62...第十六窄带光纤光栅616、16X 1耦合器7、光电探测器8 ; 具体连接方式为 泵浦源1输出接窄带光栅2的一端，窄带光栅2的另一端接第一有源光纤31的一 端、第一有源光纤31的另一端接宽带光栅4的一端、宽带光栅4的另一端接第二有源光纤 32的一端，第二有源光纤32的另一端接IX 16光开关5 ; 第一窄带光纤光栅61的一端接1 X 16光开关5的第一通道端口 ，第一窄带光纤光 栅61的另一端接16Xl耦合器7输入端； 第二窄带光纤光栅62的一端接1 X 16光开关5的第二通道端口 ，第二窄带光纤光 栅62的另一端接16X 1耦合器7输入端；
...... 第十六窄带光纤光栅616的一端接1X16光开关5的第十六通道端口，第十六窄 带光纤光栅616的另一端接16X 1耦合器7输入端；
16Xl耦合器7输出端口接光电探测器8。 在本实施例一中N取8，第一有源光纤31和第二有源光纤32均选用掺镱光纤。
宽带光纤光栅4反射波中心波长1546. 9nm带宽4nm，窄带光纤光栅2反射波中心波长1545. 3nm带宽0. lnm，第一窄带光纤光栅61反射波中心波长1545. 6nm带宽0. lnm、第 二窄带光纤光栅62反射波中心波长1545. 8nm带宽0. lnm...第十六窄带光纤光栅616反 射波中心波长1548. 6nm带宽0. lnm。 实施例中窄带光纤光栅2的反射峰9A，第一窄带光纤光栅61的反射峰9B、第二 窄带光纤光栅62的反射峰9C...第十六窄带光纤光栅616的反射峰9Q，如图8，宽带光纤 光栅4和窄带光纤光栅2组成一个谐振波长固定为1545. 3nm的线性谐振腔，当1X16光 开关5接第一窄带光纤光栅61，宽带光纤光栅4和窄带光纤光栅2组成一个谐振波长固定 为1545. 3nm的线性谐振腔，宽带光纤光栅4和第一窄带光纤光栅61组成另一个线性谐振 腔，谐振波长1545. 6nm，这样两个线性谐振腔均工作在不同的谐振波长上，将激射出波长 1545. 3nm和1545. 6nm的激光，这两路光经由16X 1耦合器7耦合到一路后，由光电探测器 8差拍得到频率37. 5GHz (对应于0. 3nm波长间隔)；当1 X 16光开关5接第二窄带光栅62， 则宽带光纤光栅4和窄带光纤光栅2组成一个谐振波长固定为1545. 3nm的线性谐振腔，宽 带光纤光栅4和第二窄带光纤光栅62组成另一个线性谐振腔，谐振波长1545. 8nm，这样两 个线性谐振腔均工作在不同的谐振波长上，将激射出波长1545. 3nm和1545. 8nm的激光，这 两路光经由16X 1耦合器7耦合到一路后，由光电探测器8差拍得到频率62. 5GHz (对应
于0. 5nm波长间隔)；......当1 X 16光开关5接第十六窄带光栅616，宽带光纤光栅4和
窄带光纤光栅2组成一个谐振波长固定为1545. 3nm的线性谐振腔，宽带光纤光栅4和第 十六窄带光纤光栅616组成另一个线性谐振腔，谐振波长1548. 6nm，这样两个线性谐振腔 均工作在不同的谐振波长上，将激射出波长1545. 3nm和1548. 6nm的激光，这两路光经由 16 X 1耦合器7耦合到一路后，由光电探测器8差拍得到频率412. 5GHz (对应于3. 3nm波长 间隔)控制IX 16光开关导向通道选择不同的窄带光纤光栅，产生的毫米波实现37. 5GHz、 62. 5GHz...和412. 5GHz十六个毫米波频率的变频率调整。
权利要求
基于线型腔光纤光栅的变频率毫米波生成装置，其特征在于该装置包括泵浦源(1)、窄带光栅(2)、第一有源光纤(31)、第二有源光纤(32)、宽带光栅(4)、1×N光开关(5)、第一窄带光纤光栅(61)、第二窄带光纤光栅(62)...第N窄带光纤光栅(6N)、N×1耦合器(7)、光电探测器(8)；具体连接方式为泵浦源(1)输出接窄带光栅(2)的一端，窄带光栅(2)的另一端接第一有源光纤(31)的一端、第一有源光纤(31)的另一端接宽带光栅(4)的一端、宽带光栅(4)的另一端接第二有源光纤(32)的一端，第二有源光纤(32)的另一端接1×N光开关(5)；第一窄带光纤光栅(61)的一端接1×N光开关(5)的第一通道端口，第一窄带光纤光栅(61)的另一端接N×1耦合器(7)输入端；第二窄带光纤光栅(62)的一端接1×N光开关(5)的第二通道端口，第二窄带光纤光栅(62)的另一端接N×1耦合器(7)输入端；…第N窄带光纤光栅(6N)的一端接1×N光开关(5)的第N通道端口，第N窄带光纤光栅(6N)的另一端接N×1耦合器(7)输入端；N×1耦合器(7)输出端口接光电探测器(8)。
2. 根据权利要求1所述的基于线型腔光纤光栅的变频率毫米波生成装置，其特征在于窄带光纤光栅(2)和第一窄带光纤光栅(61)、第二窄带光纤光栅(62)......第N窄带光纤光栅(6N)的反射波长互不重合；窄带光纤光栅(2)、第一窄带光纤光栅(61)、第二窄带光纤光栅(62)......第N窄带光纤光栅(6N)的反射波长均在宽带光纤光栅(4)的反射带宽内。
3. 根据权利要求1或2所述的基于线型腔光纤光栅的变频率毫米波生成装置，其特征在于第一窄带光纤光栅(61)的一端接1XN光开关(5)的第一通道端口时，窄带光纤光栅(2) 与宽带光纤光栅(4)形成一个独立的线型谐振腔；第一窄带光纤光栅(61)与宽带光纤光栅(4)形成一个独立的线型谐振腔；产生两路不同波长的激光，在光电探测器(8)处差频，产生毫米波；第二窄带光纤光栅(62)的一端接1XN光开关(5)的第二通道端口时，窄带光纤光栅(2)与宽带光纤光栅(4)形成一个独立的线型谐振腔；第二窄带光纤光栅(62)与宽带光纤光栅(4)形成一个独立的线型谐振腔；产生两路不同波长的激光，在光电探测器(8)处差频，产生毫米波；第N窄带光纤光栅(6N)的一端接l XN光开关(5)的第N通道端口时，窄带光纤光栅(2)与宽带光纤光栅(4)形成一个独立的线型谐振腔；第N窄带光纤光栅(6N)与宽带光纤光栅(4)形成一个独立的线型谐振腔；产生两路不同波长的激光，在光电探测器(8)处差频，产生毫米波；N > 2， N《16 ;控制1XN光开关(5)导向通道选择第一或第二...或第N窄带光纤光栅，对产生的毫米波实现变频率调整。
全文摘要
基于线型腔光纤光栅的变频率毫米波生成装置，涉及光纤通信、毫米波光学生成技术领域，泵浦源(1)、窄带光栅(2)、第一有源光纤(31)、宽带光栅(4)、第二有源光纤(32)依次串联，第二有源光纤(32)的输出端口接1×N光开关(5)，1×N光开关(5)的N个通道端口分别接第一或二…或N窄带光纤光栅(61)(62)…(6N)，使用一个N×1耦合器(7)将第一至第N窄带光纤光栅的输出端耦合为一路，N×1耦合器(7)输出端口接光电探测器(8)。调整光开关，两个不同谐振频率的线型谐振腔激射出的激光在光电探测器处差频，产生频率可调毫米波。
文档编号G02F2/00GK101718941SQ200910238469
公开日2010年6月2日 申请日期2009年11月20日 优先权日2009年11月20日
发明者周倩, 宁提纲, 李晶, 胡旭东, 裴丽, 谭中伟, 郑晶晶 申请人:北京交通大学