专利名称：一种多点高频微波信号产生方法
技术领域：
本发明涉及一种利用布里渊效应以及环形腔谐振放大结构产生多级斯托克斯 (Stokes)波并将其通过滤波器后拍频产生高频微波信号的方法，它仅需要一个 布里渊散射装置就可以产生多级Stokes波，通过光电探测器产生高频微波信号。 该方法产生微波的频率高、频点多，llGHz， 22GHz， 33GHz，……，最高可到77GHz。 装置结构简单、转换效率高、易于实现，具有较强的实用价值。
背景技术：
用光学的方法产生高频微波信号是光载无线系统(RoF)中的关键技术之一。 目前主要的光生高频微波信号方法主要有基于外调制器的光生高频微波信号方 法、基于不同激光器外差的光生高频微波信号方法等。
基于外调制器的光生高频微波信号方法，产生的微波信号比较稳定，但是由 于需要采用外调制器所以其成本比较高。
基于激光器外差的光生高频微波信号方法，由于来自两个不同激光器的两束 光的相干性很差，通常需要采用较为复杂的光相位锁相环(0PLL)、光注入锁定 (OIL)等办法来降低相位噪声的影响。
而由高士明等人在2008年的发明专利《利用光纤受激布里渊散射产生高频微 波信号的方法及装置》中提出的方法中，产生的微波信号的频率的高低与所采用 的受激布里渊散射装置的个数密切相关，如果其只采用一个受激布里渊散射装置， 则只能产生频率约为llGHz的微波信号，要产生更高频率的微波信号必须增加受 激布里渊散射装置的个数，这不仅增加了系统的实现成本而且提高了系统的复杂 度。
Park等人提出的利用布里渊散射、布里渊重新注入以及布里渊选择放大的方 法实现频率倍频的方法，该方法中不仅使用了微波信号源作为调制器的驱动源而 且采用了两盘单模光纤用作布里渊散射装置，且其只能实现微波信号频率的三倍 频，倍频效率相对较低。
因此，在不增加系统成本的前提下，设计出一种简单结构且产生的微波信号 频率可变的高频微波信号发生装置， 一方面是出于成本的考虑。光载无线系统作 为一项接入网技术，成本是必须考虑的因素。由于涉及频率上变换和下变换的问 题，在中心局或基站中必须有毫米波源，而毫米波源价格十分昂贵。另一方面， 毫米波在电域的处理已经比较困难了，面临无法突破的电子瓶颈。而用光生毫米 波，不仅具有相位噪声低的优点，而且由于光纤的损耗非常小，信号能够远距离 传输，便于分配到远端由天线发射。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种多点高频微波信号产生方法，提高基于 受激布里渊散射产生微波信号的频率范围和功率转换效率。系统构成简单，成本 低，稳定性高，具有较强的实用价值。
技术方案本发明的多点高频微波信号产生方法包括以下步骤
1) 、基于单模光纤的背向布利渊散射效应，布利渊散射效应产生相对于泵浦
光频移为0.088nm的斯托克斯光，基于环行谐振腔放大结构，使输入信号多次进 入布里渊散射装置，产生多级斯托克斯光；
2) 、基于预定反射谱的光滤波器，选出频率间隔等于目标微波信号的频率的 2个或几个激光波长，而除被选出的激光波长之外所有的频率分量均被抑制；
3) 、将被选出的激光波长进行拍频，产生频率约为整数倍于llGHz的某一个 或某几个微波信号。
所述的微波信号为
1) 、当需要产生单一频率的微波信号时，设计出双峰滤波器，使其反射谱的 峰-峰间隔约为llGHz或llGHz的整数倍；
2) 、当需要同时产生多点微波信号时，设计出多峰滤波器，使其反射谱的峰-峰间隔约为llGHz或llGHz的整数倍。
有益效果采用环腔结构产生多级Stokes信号只需要一个定向耦合器、一 个三端口环形器和一个布里渊散射装置，具有器件少、成本低等很有竞争力的优 势。
为了有效解决泵浦信号和某一级或某几级Stokes信号的同时提取，利用具有 抑制比高、滚降特性好、线宽窄、插损低、稳定性高等特点的光滤波器，可以同 时将峰值波长间隔约为0. 088 整数倍的泵浦信号和某一级或者某几级Stokes 信号提取出来，而对其余的Stokes信号则起到滤除的作用，进而产生纯度较高的 微波信号。
传统方法仅能产生1级Stokes光对应的11GHz微波信号，产生高频微波必须 进行多级散射，则需要多个光放大器。本发明采用环形腔谐振放大结构，仅需1 个光放大器就可以产生多个高频微波信号。
图1是产生多点高频微波信号的方案，
图2是产生高频微波信号的实验框图，
图3是实测的泵浦信号及多级Stokes信号的谱线，
图4是双峰滤波器用宽谱光源实测得到的反射谱，
图5是经滤波器滤波后所得的泵浦信号和三级Stokes信号，
图6是波长间隔分别为0. 176nm的3峰光滤波器的反射谱示意图，
图7是波长间隔分别为0. 176nm和0. 264的3峰光滤波器的反射谱示意图。以上的图中有窄线宽激光器1 ， 2x2光耦合器2，掺铒光纤放大器3 (EDFA)， 布里渊散射装置4，光滤波器5，光电探测器6，电频谱分析仪7。
具体实施例方式
1) .基于单模光纤的背向布利渊散射效应，布利渊散射效应产生相对于泵浦 光频移为0.088nm的斯托克斯光，基于环行谐振腔放大结构，使输入信号多次进 入布里渊散射装置，产生多级斯托克斯光；
2) .基于预定波长间隔的双峰光滤波器，获得频率间隔等于目标微波信号的 频率的2个激光波长(除了这两个激光波长之外的所有的频率分量均被抑制)，将 该2个激光波长进行拍频，产生频率约为整数倍于llGHz的微波信号；
3) .基于预定波长间隔设计的多峰滤波器，该多峰滤波器的每两个峰之间的 间隔均约为llGHz或llGHz的整数倍，利用该多峰滤波器从泵浦光与多级斯托克 斯光中选出某几个激光波长，将这些被选出的激光波长进行拍频就可以同时产生 多个频点的微波信号。
本发明的基于光纤受激布里渊散射及环形腔谐振放大结构的多点高频微波信 号产生方法实现方案如图l所示，图中l为窄线宽激光器，其线宽和稳定度决定 所产生微波信号的稳定性；2为2x2光耦合器，耦合比根据所需输出功率和转换 效率确定；3为掺铒光纤放大器(EDFA),其用以保证入射进布里渊散射装置的信 号功率能达到受激布里渊阈值，从而确保受激布里渊散射效应的产生；4为布里 渊散射装置，共同构成环形谐振腔，通过谐振放大使得腔内的功率足以产生多级 Stokes信号光；5为光滤波器，用于从泵浦波和多级Stokes信号中提取出两个或 多个信号进行拍频；6为光电探测器，用以进行拍频，以产生微波信号；7为电频 谱分析仪，用以观测拍频后所得的微波信号。
该方案主要分为两个步骤 1)将窄线宽光源发出的信号光通过2x2耦合器分成两路信号， 一路用于经 EDFA放大后通过接入一个受激布里渊散射装置产生Stokes信号耦合器后再次送 入EDFA进行放大，从而构成一个环形腔，从2x2耦合器输出端口的另一路可以 观测到多级Stokes信号。
2)滤波器选用易于设计制作、性能稳定可靠的超结构光纤光栅滤波器。
超结构光纤光栅滤波器通过设计，制作出与峰-峰间隔满足泵浦波与某一级或 某几级Stokes信号的波长间隔一致的双峰或多峰结构，更适合于从泵浦波和多级 Stokes波中选取出泵浦信号和某一级或某几级Stokes信号进行拍频，从而获得 频率约为整数倍于11GHz的某一个微波信号或多高频微波信号。
图2所示是产生多级布里渊散射信号的实验框图，其为图l的一个实例。图 中的布里渊散射装置4由光环形器9和一盘长度为20km的光纤10组成，8为光 谱仪。图中，我们将可调谐激光器作为激励光源，将其出射的光信号经2x2耦合器后分为两路，其中一路光信号作为激励源送入功分比为2' 2的耦合器的输入a 端，而该耦合器的d端口接掺铒光纤放大器的输入端对光功率进行放大以保证其 达到光纤的受激布里渊阈值，而后经环形器后将光信号送入光纤，从而产生受激 布里渊散射，此时从环形器c 口输出的光信号包含光载波和一级布里渊散射光两 个信号分量，将该光信号送入耦合器的另一个输入端即图中的c端口，至此就构 成了一个环腔，分析可得当环腔中的光信号第二次从环形器c端口输出时，其中 包含了三个分量，即为光载波、 一级布里渊散射光和二级布里渊散射光。以此类 推，当光信号多次经过环腔时可以得到多级Stokes信号。
根据以上方案，我们调谐激光器的中心波长为1547. 337nm、出光功率为6dBm， 而后将该光信号送入分光比为卯％:10%的2' 2耦合器的一个输入端即图中的端 口a，耦合器的d端口接增益为17dBm的掺铒光纤放大器的输入端，对光功率进 行放大，从放大器出来的光信号输入环形器的a 口，环形器的b 口接一盘20km 的普通单模光纤，从环形器c 口输出的光信号送入耦合器的另一个输入端即端口 c。根据以上实验，从耦合器b端口用型号为MS9710C、分辨率为50pm的光谱分 析仪进行观测，得到了如图3所示的的含有光载波信号和多级Stokes光信号的光 谱，图中可以清楚地观测到一至七级Stokes光信号。
然后采用可重构-等效啁啾(REC)技术，并根据布里渊信号的特点，确定超 结构光纤光栅双峰滤波器的指标滤波器的中心波长;1 = 1551.682"附，双峰间距 cK).248nm。制作出图4所示的超结构光纤光栅滤波器，该曲线是利用宽谱光源测 得的其反射谱线。
在成功制作双峰滤波器的基础上，调节可调激光器使其输出信号的中心波长 为1551.682nm，以便双峰滤波器反射谱的左峰与泵浦信号刚好吻合，则双峰滤波 器反射谱的右峰刚好与三级Stokes信号吻合，从而选出泵浦信号与三级Stokes信 号进行拍频，即可获得频率约为33GHz的微波信号。
采用的双峰滤波器的制作方法，操作简单、成本较低且易于制作，除了可以 设计出反射谱如图4所示的峰-峰间隔为0. 264nm的双峰滤波器，我们同样可以制作 出峰-峰间隔约为O. 088nm、 0. 176nm、 0. 352nm、 0. 440nm、 0. 528nm、 0. 616nm的双 峰滤波器，如果用以上这些滤波器进行滤波，那么频率为llGHz、 22GHz、 44GHz、 55GHz、 66GHz、 77GHz的微波信号都可以获得。此外，该方法同样可以用于制作多 峰滤波器，多峰滤波器可灵活设计，下面举两个三峰滤波器的例子加以说明。(a) 采用波长间隔分别为O. 176mn的3峰光滤波器，获得频率间隔为22GHz和44GHz的3 个激光波长，同时产生拍频22GHz和44GHz的微波信号，滤波器的反射谱特征如图6 中红色虚线所示；(b)采用波长间隔分别为O. 176nni和0.264的3峰光滤波器，获得 频率间隔为22GHz和33GHz的3个激光波长，同时产生拍频22GHz、 33GHz和55GHz的 微波信号，滤波器的反射谱特征如图7中红色虚线所示。
权利要求
1、一种多点高频微波信号产生方法，其特征在于该方法包括以下步骤1)、基于单模光纤的背向布利渊散射效应，布利渊散射效应产生相对于泵浦光频移为0.088nm的斯托克斯光，基于环行谐振腔放大结构，使输入信号多次进入布里渊散射装置，产生多级斯托克斯光；2)、基于预定反射谱的光滤波器，选出频率间隔等于目标微波信号的频率的2个或几个激光波长，而除被选出的激光波长之外所有的频率分量均被抑制；3)、将被选出的激光波长进行拍频，产生频率约为整数倍于11GHz的某一个或某几个微波信号。
2、 根据权利要求1所述的多点高频微波信号产生方法，其特征在于所述的微波信号为1) 、当需要产生单一频率的微波信号时，设计出双峰滤波器，使其反射谱的 峰-峰间隔约为llGHz或llGHz的整数倍；2) 、当需要同时产生多点微波信号时，设计出多峰滤波器，使其反射谱的峰-峰间隔约为llGHz或llGHz的整数倍。
全文摘要
一种多点高频微波信号产生方法采用一个2×2耦合器、一个布里渊散射装置以及一个光滤波器完成对泵浦信号和某一级或某几级Stokes信号的提取，而后将被提取出的信号进行拍频产生某一个或某几个高频微波信号。第一步，设计基于布里渊散射的环形腔结构，将一个布里渊散射装置置于环腔内，从而同时获得泵浦信号和多级Stokes信号；第二步，利用基于预定反射谱的光滤波器选出频率间隔等于目标微波信号的频率的2个或几个激光波长，而除被选出的激光波长之外所有的频率分量均被抑制；第三步，将被选出的激光波长进行拍频，产生频率约为整数倍于11GHz的某一个或某几个微波信号。
文档编号H04B10/00GK101674132SQ20091003582
公开日2010年3月17日 申请日期2009年9月23日 优先权日2009年9月23日
发明者徐智勇, 颖 沈, 荣 王, 涛 蒲 申请人:中国人民解放军理工大学