窄线宽高信噪比的微波信号源的制作方法
【专利摘要】窄线宽高信噪比的微波信号源，属于光电子及微波光子学领域，为解决现有技术存在的宽线宽、高噪声的问题，泵浦光经偏振控制器和第一环行器进入第一四端口耦合器，一部分泵浦光进入普通单模光纤激发反向传输的第一阶斯托克斯光，另一部分泵浦光通过第一四端口耦合器和由第二四端口耦合器组成的微环结构进入第二环行器和保偏掺铒光纤组成的光反射镜，经光反射镜后返回微环结构进入由第一四端口耦合器和普通单模光纤组成的布里渊增益腔，返回的泵浦光一部分进入普通单模光纤激发反向传输的下一阶斯托克斯光，另一部分进入第一环行器后再进入耦合器，通过耦合器的信号光一部分进入光谱分析仪，另一部分进入光电探测器进行光电转换后进入频谱分析仪。
【专利说明】窄线宽高信噪比的微波信号源
【技术领域】
[0001]本发明属于光电子及微波光子学领域，涉及窄线宽高信噪比的微波信号源，本发明应用于无线通信领域。
【背景技术】
[0002]伴随着移动通信的快速发展，现有的无线频谱资源已无法满足日益增加的业务需求，为解决无线频谱资源匮乏的问题，光载无线通信(ROF)被人们所提出的。光载无线通信是一种光和微波/毫米波相结合的技术，微波信号因具有很低的相位噪声、超窄线宽、高的稳定性、抗电磁干扰等优点，被认为是影响ROF系统性能的关键技术之一。目前产生微波的方法主要有利用布拉格光纤光栅对、利用啁啾光纤布里格光栅、利用Mach-Zehnder干涉仪，利用可调谐的窄线宽滤波器等，利用布里渊效应产生的双波长布里渊光纤激光器成为近期研究的热点。
[0003]目前大多采用波长选择滤波器来实现波长的间隔输出，但这大大限制了其应用领域。由于双波长光纤激光器具有稳定的波长间隔，也可以用于产生微波信号，但是双波长光纤激光器中的掺铒光纤放大器(EDFA)通常会增加相位噪声和扩展微波信号的线宽，双波长光纤激光器的边模也会影响输出信号的质量。本发明利用受激布里渊散射效应提出一种单倍间隔输出的双波长布里渊光纤激光器，利用超窄线宽光纤激光器作为布里渊抽运源，本发明没有用到掺铒光纤放大器和波长选择滤波器，超窄线宽的光纤激光器作为布里渊抽运源也可以有效的减少产生微波信号的线宽，同时结构中加入了微环结构和饱和吸收体用于信号的整形、压窄线宽和吸收噪声。
[0004]文章公开“Tunable microwave generation based on a Brillouin fiber ringlaser and reflected pump，，，其为 Xinhuan Feng 等人发表在 2011 (43)optics&LaserTechnology,如图1所示,该装置结构如下:
[0005]线宽为500KHZ的可调谐激光器I作为布里渊抽运源，首先经过掺铒光纤2进行放大，在经过铒镱共掺光纤3进行第二次放大，放大后的信号光通过偏振控制器4后进入环行器5，通过环行器5进入分光比为9:1的耦合器6，耦合器6的一三端口连接一段长度约为20米的普通单模光纤7作为布里渊增益介质，耦合器8连接一段普通单模光纤9作为反射镜，以使信号光重新注入布里渊增益环。
[0006]该技术方案采用线宽为500KHZ的可调激光器作为布里渊抽运源，经过掺铒光纤和铒镱共掺光纤的依次放大，进入布里渊增益环，在20m单模光纤中产生反向传输的斯托克斯光，从而产生由光源和斯托克斯光组成的双波长光纤激光器，对输出的双波长进行光电转换得到微波信号。该实验采用线宽为500KHZ的可调激光器作为布里渊抽运源，又经过掺铒光纤和铒镱共掺光纤的依次放大，得到线宽为600KHZ和信噪比为40dB的微波信号，不具有实用价值，掺铒光纤放大和铒镱共掺光纤放大会增大装置的体积不利于小型化且增加了装置的成本及系统复杂程度。
【发明内容】
[0007]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、系统复杂、成本高的问题，提出了基于布里渊频移间隔单频光纤激光器的窄线宽高信噪比的微波信号源。
[0008]本发明的技术方案:窄线宽高信噪比的微波信号源，其包括超窄线宽光纤激光器、偏振控制器、第一环行器、第一四端口耦合器、普通单模光纤、第二四端口耦合器、第二环行器、保偏掺铒光纤、三端口耦合器、光谱分析仪光电探测器、电频谱分析仪；其特征是，包括以下结构，
[0009]输入部分:
[0010]超窄线宽光纤激光器，其输出泵浦光；
[0011]泵浦光通过偏振控制器和第一环行器进入单频双波长产生部分；
[0012]单频双波长产生部分:
[0013]泵浦光通过偏振控制器和第一环行器进入第一四端口耦合器，一部分泵浦光由第一四端口耦合器进入普通单模光纤激发反向传输的第一阶斯托克斯光，另一部分泵浦光通过第一四端口耦合器和由第二四端口耦合器组成的微环结构进入第二环行器和保偏掺铒光纤组成的光反射镜，泵浦光通过光反射镜后返回由第二四端口耦合器组成的微环结构进入由第一四端口耦合器和普通单模光纤组成的布里渊增益腔，返回的泵浦光一部分进入普通单模光纤激发反向传输的下一阶斯托克斯光，另一部分进入第一环行器后再进入耦合器，通过耦合器的信号光一部分进入光谱分析仪进行观测，另一部分进入光电探测器进行光电转换后进入频谱分析仪进行观测，由泵浦光产生的反向传输斯托克斯光如果满足阈值条件会作为泵浦光再次进入布里渊增益环激发其下一阶斯托克斯光，此过程持续进行直到不能满足布里渊阈值条件为止；
[0014]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。
[0015]本发明的有益效果是:
[0016]本发明并未采用掺铒光纤放大结构，有效的避免了微波信号的展宽，同时通过加入微环结构和饱和吸收体，可以有效的用于信号的整形、压窄线宽和吸收噪声。所设计的结构通过调节偏振控制器，产生信噪比高的双波长激光输出信号，通过对信噪比高的双波长输出信号进行光电转换，从而得到信噪比高的微波信号输出。
[0017]本发明采用IOm普通单模光纤作为增益介质，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，得到的微波信号的线宽在IOkHz以内，同时也减少了装置的体积，易小型化。
[0018]在本发明结构中，选择IOm单模光纤是经过设计优化的结果:单模光纤若大于10m，则纵模间隔小于布里渊增益谱，将出现多纵模光输出；单模光纤若小于10m，则根据本发明结构中的泵浦功率，将不能提供稳定的双波长布里渊激光。
[0019]本发明布里渊腔采用准8字环形式，以IOm普通单模光纤作为增益介质，实现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高频微波信号的输出，3dB线宽在IOkHz以内，信噪比50dB以上，而多纵模激光拍频所得线宽在MHz级别，同时本发明在结构中加入微环结构和饱和吸收体用于信号的整形、压窄线宽和吸收噪声。所以相比现有的基于多波长布里渊激光器的微波信号源，微波信号的质量有大幅提升，达到实用要求。另外本发明所设计的结构可以产生信噪比很高的双波长激光输出信号，通过拍频所得到的微波信号也具有很高的信燥比，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。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]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。
[0021]图2为本发明窄线宽高信噪比的微波信号源的结构示意图。
[0022]图3为本发明实施间隔0.0858nm的布里渊频移间隔激光光谱图。
[0023]图4为本发明实施10.707GHz的微波信号频谱图。
[0024]图5为本发明实施10.707GHz的微波信号线宽测试图。
[0025]图6为本发明实施10.707GHz的微波信号频率及功率变化图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0027]如图2所示，窄线宽高信噪比的微波信号源，其包括超窄线宽光纤激光器11、偏振控制器12、第一环行器13、第一四端口耦合器14、普通单模光纤15、第二四端口耦合器16、第二环行器17、保偏掺铒光纤18、三端口耦合器19、光电探测器20、电频谱仪21和光谱分析仪22。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和双波长拍频部分。
[0028]输入部分:超窄线宽光纤激光器11，其输出泵浦光。
[0029]泵浦光通过偏振控制器12和第一环行器13进入单频双波长产生部分。
[0030]单频双波长产生部分。
[0031]泵浦光通过偏振控制器12进入第一环行器13的端口 a，再由端口 d进入第一四端口耦合器14，一部分泵浦光由第一四端口耦合器14的e端口和f端口进入普通单模光纤15激发反向传输的第一阶斯托克斯光，另一部分泵浦光通过第一四端口耦合器14的端口 g和由第二四端口耦合器16组成的微环结构由端口 h进入第二环行器17和保偏掺铒光纤18组成的光反射镜，泵浦光通过光反射镜后返回由第二四端口耦合器16组成的微环结构再次通过端口 g进入由第一四端口耦合器14和普通单模光纤15组成的布里渊增益腔，返回的泵浦光一部分从端口 f进入普通单模光纤激发反向传输的下一阶斯托克斯光，另一部分从端口 d出射,通过端口 b进入第一环行器13,并通过端口 c输出由端口 k进入f禹合器19，通过耦合器19的信号光一部分从端口 I进入光谱分析仪进行观测，另一部分从端口m进入光电探测器20进行光电转换后进入频谱分析仪21进行观测，由泵浦光产生的反向传输斯托克斯光如果满足阈值条件会作为泵浦光再次进入布里渊增益环激发其下一阶斯托克斯光，此过程持续进行直到不能满足布里渊阈值条件为止。
[0032]双波长拍频部分:由单频双波长产生部分得到双波长激光,如图3所示，双波长激光的波长间隔0.0858nm，输出经过三端口耦合器19到达光电探测器20进行拍频得到窄线宽高频的微波信号，最后由电频谱仪21测量所得微波信号，图4为拍频获得的10.707GHz的微波信号频谱。
[0033]本发明米用的窄线宽光纤激光器I波长为1550.08nm,线宽小于1kHz。第一四端口耦合器14和第二四端口耦合器16均为2 X 2的3dB耦合器；三端口耦合器19为I X 2的3dB稱合器；普通单模光纤15的长度为10m。保偏掺铒光纤18的长度为4m。偏振控制器12为挤压光纤式偏振控制器。第一环行器13和第二环行器17为三端口环行器。光谱分析仪22为高分辨率光谱仪，可观测600nm到1700nm的范围。光电探测器20为高速探测器可探测60GHz以下微波信号。电频谱仪21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。
[0034]开启超窄线宽光纤激光器11作为泵浦源，IOm普通单模光纤15在泵浦光的作用下产生反向传输的斯托克斯光，通过调节偏振控制器12可实现单倍频移间隔的双波长输出。
[0035]如图5为10.707GHz线宽测试情况，通过换算得到3dB线宽约为8.6kHz，信噪比为50dB。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。
[0036]如图6为10.707GHz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±0.3MHz，功率小于±0.45dB。
[0037]本发明可以得到超窄线宽高频微波信号源，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。
【权利要求】
1.窄线宽高信噪比的微波信号源，其特征是，包括以下结构， 输入部分: 超窄线宽光纤激光器(11)，其输出泵浦光； 泵浦光通过偏振控制器(12)和第一环行器(13)进入单频双波长产生部分； 单频双波长产生部分: 泵浦光通过偏振控制器(12)和第一环行器(13)进入第一四端口耦合器(14)，一部分泵浦光由第一四端口耦合器(14)进入普通单模光纤(15)激发反向传输的第一阶斯托克斯光，另一部分泵浦光通过第一四端口耦合器(14)和由第二四端口耦合器(16)组成的微环结构进入第二环行器(17)和保偏掺铒光纤(18)组成的光反射镜，泵浦光通过光反射镜后返回由第二四端口耦合器(16)组成的微环结构进入由第一四端口耦合器(14)和普通单模光纤(15)组成的布里渊增益腔，返回的泵浦光一部分进入普通单模光纤激发反向传输的下一阶斯托克斯光，另一部分进入第一环行器(13)后再进入耦合器(19)，通过耦合器(19)的信号光一部分进入光谱分析仪进行观测，另一部分进入光电探测器(20)进行光电转换后进入频谱分析仪(21)进行观测，由泵浦光产生的反向传输斯托克斯光如果满足阈值条件会作为泵浦光再次进入布里渊增益环激发其下一阶斯托克斯光，此过程持续进行直到不能满足布里渊阈值条件为止； 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三端口耦合器(19)到达光电探测器(20)进行拍频得到窄线宽高频的微波信号，最后由电频谱仪(21)测量所得微波信号。
2.根据权利要求1所述的窄线宽高信噪比的微波信号源，其特征在于，超窄线宽光纤激光器(11)波长为1550.08nm，线宽小于IkHz0
3.根据权利要求1所述的窄线宽高信噪比的微波信号源，其特征在于，第一四端口耦合器(14)和第二四端口耦合器(16)均为2X2的3dB耦合器；三端口耦合器(19)为1X2的3dB稱合器。
4.根据权利要求1所述的窄线宽高信噪比的微波信号源，其特征在于，普通单模光纤(15)的长度为IOm ;保偏掺铒光纤(18)的长度为4m。
5.根据权利要求1所述的窄线宽高信噪比的微波信号源，其特征在于，偏振控制器(12)为挤压光纤式偏振控制器。
6.根据权利要求1所述的窄线宽高信噪比的微波信号源，其特征在于，第一环行器(13)和第二环行器(17)为三端口环行器。
7.根据权利要求1所述的窄线宽高信噪比的微波信号源，其特征在于，光电探测器(20)为高速探测器可探测60GHz以下微波信号；电频谱仪(21)为高速频谱仪可探测44GHz以下微波信号。
8.根据权利要求1所述的窄线宽高信噪比的微波信号源，其特征在于，所采用的光纤器件均为保偏器件。
【文档编号】H01S1/02GK104022428SQ201410234411
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年5月29日 优先权日:2014年5月29日
【发明者】王天枢, 贾青松, 张鹏, 马万卓, 张靓, 姜会林 申请人:长春理工大学