一种基于偏振控制的可调窄线宽光生微波源的制作方法

本发明主要利用了微波光子学技术，涉及到利用光技术处理射频信号的通信系统，具体涉及一种基于偏振控制的可调窄线宽光生微波源。

背景技术：

光生微波技术是一种在光信号中携带微波毫米波信号，实现在光纤等光传输介质中传输射频信号的光学技术，在光载射频系统中，通过对激光信号的调控，实现射频信号的产生、转换和调制。光生微波技术利用光纤通信中光信号传输损耗低、传输距离远、抗干扰等优点，同时克服传统的通过电学方式产生微波毫米波的频率上限低、信号噪声大等缺点，融合了微波和光纤通信的优势，成为当前光纤通信领域的一个研究热点。

要实现光载射频信号传输，最重要的技术要点在于实现高质量的可调光生微波源。目前可调光生微波源的产生方式主要有三种：光外差法，外部调制法和光电振荡器。光外差法通过拍频的方式产生微波信号，其结构简单，成本低廉，但是实现可调输出频率的方式较难实现。外部调制是通过相位调制器对光信号进行调制，可以产生两倍频甚至更高倍频于调制信号的微波信号，因此容易获得高频的微波信号，但是这种方式的缺点在于相位调制器的价格昂贵以及额外的调制信号发生器，并且调制器本身的插损较大，承受的光功率有限；光电振荡器则是通过光电环路产生的稳定振荡来产生微波信号，其频率可调范围大，微波信号质量较高，但是结构较为复杂，并且对其中某些元件如可调滤波器的要求较高。

对于微波源而言，其信号线宽是一个重要的评价指标。特别是在相控阵微波雷达、光载无线通信系统，无线传感网络，卫星通信系统中，都需要窄线宽精确可调谐的微波源。基于高增益光纤构成的谐振腔所实现的光纤激光输出具备良好的窄线宽特性。在此基础上，利用单个谐振腔输出的双频激光可以有效降低外界环境的干扰，实现微波信号的线宽压缩，提高输出微波信号的性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术上述中的不足，公开了一种基于偏振控制的可调窄线宽光生微波源，通过应力调节装置对光纤光栅的作用，实现宽范围的窄线宽微波信号产生。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种基于偏振控制的可调窄线宽光生微波源，其包括一个高反射率光纤光栅、高增益光纤、低反射率保偏光纤光栅、应力调节装置、光波分复用器、单模半导体泵浦激光器、偏振分光器、偏振控制器、光耦合器和光电探测器；所述高反射率光纤光栅、高增益光纤和低反射率保偏光纤光栅共同组成了光纤激光器的谐振腔，所述高增益光纤作为谐振腔增益介质，所述高反射率光纤光栅和低反射率保偏光纤光栅组成谐振腔的前后腔镜，分别与高增益光纤的两端连接，使实现信号光在谐振腔内的振荡，所述单模半导体泵浦激光器通过光波分复用器向谐振腔进行泵浦光注入，由于低反射率保偏光纤光栅中双折射的存在，存在两个不同偏振模式不同中心波长的反射峰，激光器得以实现正交双频窄线宽光纤激光输出，并通过波分复用器输出所述低反射率保偏光纤光栅中的双折射使其存在两个正交的偏振模式激光，并且工作在这两个偏振模式下的激光频率不同，所述偏振分束器将光波分复用器输出的两个不同频率不同偏振的激光分为快轴光和慢轴光，其中慢轴光经过偏振控制器调节自身的偏振态，改变自身与快轴光的正交关系，通过光耦合器与快轴光耦合到一起，注入到光电探测器中，通过拍频技术实现了窄线宽微波信号的产生；所述应力调节装置设置在低反射率保偏光纤光栅上，通过改变施加在低反射率保偏光纤光栅上的应力大小，改变光栅中的双折射分布，输出可调窄线宽光生微波信号。

进一步优化的，所述应力调节装置用于对光纤施加侧向应力，导致其双折射分布发生变化材料为压电陶瓷、机械调整架或重物挤压装置。

进一步优化的，所述光纤激光器谐振腔为分布布拉格反射式（dbr）腔结构、分布反馈式（dfb）腔结构或环形腔结构。

进一步优化的，所述低反射率保偏光纤光栅使用的光纤为熊猫型保偏光纤、领带型保偏光纤或刻有双波长反射峰的光纤；所述高反射率光纤光栅为单模光纤光栅，其反射峰覆盖住低反射率光纤光栅的两个反射峰，并且对信号光的反射率大于90%。

进一步优化的，所述的光电探测器频率响应范围大于光纤激光光源产生的拍频信号频率，其材料包括但不限于为铟镓砷半导体材料、硅半导体材料或锗半导体材料等。

本发明以单模半导体激光器产生的激光作为泵浦源，通过光波分复用器对高增益光纤进行泵浦，低反射率保偏光纤光栅和高反射率光纤光栅作为激光器的谐振腔腔镜实现激光振荡，并从低反射率保偏光纤光栅经过，从光波分复用器输出窄线宽激光。保偏光纤光栅中的双折射使其存在两个正交的偏振模式激光，并且工作在这两个偏振模式下的激光频率不同。该激光由偏振分光器一分为二，其中一路激光经过偏振控制器，通过偏振控制器改变其偏振态，并与偏振分光器输出的另外一路激光通过光耦合器重新耦合为一，注入到光电探测器中，从而产生微波信号。而应力调节装置则是通过对低反射率保偏光纤光栅施加应力，以此控制低反射率保偏光纤光栅中的双折射分布，从而控制谐振腔中工作于不同偏振模式的激光频率。最终利用频率间隔可变的双波长窄线宽激光通过拍频技术产生可调窄线宽光生微波源。

进一步地，所述高反射率光纤光栅中心反射波长为激光输出波长1550.12nm，3db反射谱宽为1.2nm，中心波长反射率大于99.95％；低发射率保偏光纤光栅3慢轴反射峰中心波长为1550.12nm，快轴反射峰中心波长为1550.50nm，反射率均为60%。

进一步地，所述高增益光纤为铒镱共掺的磷酸盐增益光纤。

与现有技术相比，本发明的一种基于偏振控制的可调窄线宽光生微波源具有如下优点和技术效果：

将低反射率的保偏光纤光栅作为激光器的选频元件，在单模半导体泵浦激光器对高增益光纤的泵浦激励下，实现了窄线宽光纤激光输出。通过偏振分光器和偏振控制器对产生的双频激光的偏振态进行调整，再通过光耦合器将双频激光重新耦合到一起注入光电探测器中，就能实现强度较高的窄线宽微波信号输出。

同时，通过应力调装置对低反射率保偏光纤光栅施加应力，使其双折射发生改变，从而控制谐振腔中工作于不同偏振模式的激光频率。利用频率间隔可变的双波长激光通过拍频技术产生可调窄线宽光生微波源。

附图说明

图1为实施例中一种基于偏振控制的可调窄线宽光生微波源的结构示意图。

图2为实施例中一种基于偏振控制的可调窄线宽光生微波源不同状态下的输出频谱图。

图3为实施例中一种基于偏振控制的可调窄线宽光生微波源不同状态下输出激光的线宽测量结果图（其中纵坐标为射频功率，横坐标为频率）。

图1中包括：1—高反射率光纤光栅，2—高增益光纤，3—低反射率保偏光纤光栅，4—应力调节装置，5—光波分复用器，6—单模半导体泵浦激光器，7—偏振分光器，8—偏振控制器，9—光耦合器，10—光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图和具体例子对本发明的具体实施方式作进一步描述，需要说明的是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围，以下若有未特别详细说明之过程或部件，均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。

实施例1

本实施例一种基于偏振控制的可调窄线宽光生微波源具体结构如图1所示。本例的高反射率光纤光栅1中心反射波长为激光输出波长1550.12nm，3db反射谱宽为1.2nm，中心波长反射率大于99.95％。低发射率保偏光纤光栅3慢轴反射峰中心波长为1550.12nm，快轴反射峰中心波长为1550.50nm，反射率均为60%。高增益光纤2为铒镱共掺的磷酸盐增益光纤。高增益光纤2、高反射率光纤光栅1以及低反射率保偏光纤光栅3共同组成布拉格反射型的激光器谐振腔。单模半导体泵浦激光器6通过一个980/1550nm的光波分复用器5向谐振腔中进行泵浦，由于低反射率保偏光纤光栅中双折射的存在，存在两个不同偏振模式不同中心波长的反射峰，激光器得以实现正交双频窄线宽光纤激光输出，并从波分复用器5的输出端输出。输出的正交双频激光经过一个偏振分光器7，被分为快轴和慢轴两路激光，其中慢轴光经过偏振控制器8调整自身的偏振态，破坏自身与快轴光的正交关系，再经过光耦合器9重新耦合为一路光，注入到铟镓砷光电探测器10中，就可以获得约50ghz的微波信号。同时，应力调节装置4可对低反射率保偏光纤光栅施加侧向应力，它是由一个钢性材料的光纤槽和一个压电陶瓷组成，当给压电陶瓷施加直流电压信号时，压电陶瓷的伸张会对低反射率保偏光纤光栅有侧向应力的作用，从而控制低反射率光纤光栅中的双折射分布，其对应的两个不同偏振模式下的激光频率也发生改变，注入到铟镓砷光电探测器10中产生的拍频信号频率也发生变化，最终可以获得可调的窄线宽光生微波信号源。

本实施例的具体效果如图2、图3所示。通过调节压电陶瓷上的直流电压信号，获得了1550.124nm和1550.245nm(间隔~15ghz)、1550.060nm和1550.212nm(间隔~22ghz)、1550.092nm和1550.298nm(间隔~25ghz)这三个结果，对应的拍频得到的射频信号频谱图如图2所示。另外，分别对每个状态下的输出光线宽进行测量，其结果如图3中的（a）（b）（c）所示。可以看出，不同状态下其20db带宽均小于70khz,对应的3db线宽基本能保持小于3.5khz。

综上所述，本发明的一种基于偏振控制的可调窄线宽光生微波源将低反射率的保偏光纤光栅作为激光器的选频元件，在单模半导体泵浦激光器对高增益光纤的泵浦激励下，实现了窄线宽光纤激光输出。通过偏振分光器和偏振控制器对产生的双频激光的偏振态进行调整，再通过光耦合器将双频激光重新耦合到一起注入光电探测器中，就能实现强度较高的窄线宽微波信号输出。

同时，通过应力调装置对低反射率保偏光纤光栅施加应力，使其双折射发生改变，从而控制谐振腔中工作于不同偏振模式的激光频率。利用频率间隔可变的双波长激光通过拍频技术产生可调窄线宽光生微波源。