专利名称：基于双波长单频光纤激光器的微波信号源的制作方法
技术领域：
本发明涉及窄带微波信号源，特别是涉及基于双波长窄线宽的单纵模光纤激光器的微波信号源(微波信号线宽达kHz级，中心频率达数十GHz量级)。
背景技术：
和基于电子振荡的传统电子学微波信号发生器相比,基于光子学手段的微波信号发生器体积小，更节能，因此在工业、军事等领域具有广泛的应用前景，尤其在射频光纤网络、卫星通信、宽带无线通信等产业中有着重要的地位。卫星通信要求微波信号源体积小，而宽带无线通信等要求高达数十GHz的微波信号源。传统的微波信号源或者难以产生高达数十GHz的微波信号，或者信号源体积巨大。目前研究的基于双波长单纵模激光器的微波信号源，采用的技术方案包括环形腔光纤激光器、长直腔光纤激光器和半导体激光器等。相比于光电外调制技术、光注入锁定技术和相位锁定技术等其它基于光子学的微波信号产生技术，基于双波长单纵模激光器的微波信号源不需要射频信号参考源，也不需要特殊设计的光学或射频滤波器，其结构更为简单，系统成本更低。然而，现有的基于双波长单纵模激光器的微波信号源，或者受限于激光器兆赫兹级的线宽，无法产生有实际应用意义的窄线宽微波信号，或者受限于激光器长达数米的腔长，模式不稳定且无法集成。利用高掺杂磷酸盐光纤的高增益特性，和双通带滤波器的双通选频特性，可以实现短直腔结构的紧凑的基于双波长单频光纤激光器的微波信号源。通过对双波长窄线宽单频激光信号的外差探测，该信号源可以最终实现线宽达kHz、中心频率数十GHz的微波信号输出。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供基于双波长单频光纤激光器的微波信号源，即在短直腔结构中产生双波长激光激射，并产生窄线宽(kHz量级)微波信号的微波信号源。本发明利用磷酸盐玻璃纤芯材料的高掺杂和高增益特性，设计制作磷酸盐玻璃单模光纤作为激光介质材料，采用短直腔结构，结合双通带选频作用，在泵浦光源的持续抽运下，在激光腔内产生kHz量级线宽的双波长激光激射，再利用低通光电转换芯片的外差探测，最终实现线宽达kHz量级、中心频率数十GHz的微波信号输出。本发明的的目的通过如下技术方案实现:
基于双波长单频光纤激光器的微波信号源，其包括光电转换芯片、光隔离芯片、双通带滤波器、高增益光纤、耦合透镜和半导体泵浦激光器，其还包括二色镜或宽带光纤光栅，光电转换芯片与光隔离芯片输出端连接，光隔离芯片输入端与耦合输出双通带滤波器连接；双通带滤波器经高增益光纤与二色镜或宽带光纤光栅组成激光腔；半导体泵浦激光器产生的泵浦光经由耦合透镜耦合后再经由二色镜至高增益光纤后端的纤芯中，进行纤芯泵浦，双波长单频激光信号的两个不同波长的光波，在光电转换芯片处相拍，最后在输出端得到差频微波信号。进一步的，所述高增益光纤为稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤，其纤芯成分为磷酸盐玻璃，组成为70P205-8Al203-15Ba0-4La203-3Nd203，所述高增益光纤的纤芯掺杂高浓度的发光离子，所述发光离子为镧系离子、过渡金属离子中一种或多种的组合体，所述发光离子掺杂浓度大于lX1019ions/cm3，且在其纤芯中是均匀掺杂。进一步的，所述高增益光纤是保偏的稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤。进一步的，所述高增益光纤的单位长度增益大于I dB/cm，光纤长度为0.5 5cm。进一步的，所述双通带滤波器的通带频谱特征表现为位于高增益光纤增益带宽内的两个反射峰，两个反射峰的谱宽都小于0.15nm，反射峰中心波长反射率为10 95%，两个反射峰中心波长间的频率间隔大于10 GHz。进一步的，所述双通带滤波器为全光纤结构，是一对反射率和反射谱都相同的均匀光纤光栅构成的F-P滤波器，或是一个相移光纤光栅，或是其它具有类似所述通带频谱特征的滤波器。进一步的，所述双波长单频光纤激光器是短直腔结构，其前腔镜是双通带滤波器，后腔镜可以是二色镜或宽带光纤光栅，激光腔长度为广150_，其中二色镜可以是单独的镀膜器件，或为直接在高增益光纤研磨抛光后的一侧端面镀上薄膜形成，所述薄膜对激光信号波长反射率大于95%，对泵浦波长透射率大于90% ;所述宽带光纤光栅是对泵浦光高透，透射率大于90%，而对激励信号波长高反，反射率大于95%，其3dB反射谱宽为0.1nm IOnm0进一步的，所述双通带滤波器、高增益光纤和二色镜或宽带光纤光栅之间是通过将相接处的相应端面进行研磨抛光后，实现端对端耦合的。进一步的，所述镧系离子为Er3+，Yb3+，Tm3+，Gd3+，Tb3+，Dy3+，Ho3 或 Lu3+。进一步的，所述过渡金属离子为Cu2+，Co2+，Cr3+，Fe2+或Mn2+。进一步的,所述高增益光纤纤芯直径为3 10 μ m,包层直径为60 800 μ m。所述双通带滤波器可以是一对均匀光纤光栅组成的F-P滤波器，这一对光纤光栅可以是熔接，可以是断面经过研磨抛光后直接对接，也可以是在同一条单模光纤上刻写的间隔一定距离的一对光栅。这一对光纤光栅的反射率和反射谱相同。与现有技术相比，本发明的技术效果是:可以将厘米量级的高增益稀土掺杂磷酸盐玻璃单模光纤作为激光的增益介质，由耦合输出双通带滤波器和二色镜组成谐振腔结构的前后腔镜，在LD的连续激励下，纤芯中的高掺杂稀土粒子发生反转，产生双波长激光激射，两个不同波长的光波在光电转换芯片表面相拍，最后在输出端产生一个微波信号。该激光器的腔长只有厘米量级，由激光腔的选模原理可知，腔内的纵模频率间隔可达f 100GHz，只要双通带滤波器的两个反射峰的谱宽足够窄，如小于0.08nm,即可实现双波长单纵模激光输出。双波长激光信号的单频特性保证了该信号源不需要复杂的滤波系统就可以获得一个频谱净度高的微波信号。利用光电转换芯片对线宽达kHz量级、频率间隔达数十GHz的双波长单频激光信号进行外差探测，最后可以得到一个线宽达kHz量级，中心频率达数十GHz的窄线宽微波信号。
图1为本发明实施例1基于双波长单频光纤激光器的微波信号源的原理示意图，其中双通带滤波器由一对均勻光纤光栅组成，激光后腔镜米用二色镜。图2为本发明实施例1基于双波长单频光纤激光器的微波信号源的原理示意图，其中双通带滤波器由一对均匀光纤光栅组成，激光后腔镜采用宽带光纤光栅。图3为本发明实施例2基于双波长单频光纤激光器的微波信号源的原理示意图，其中双通带滤波器是一个相移光栅，激光后腔镜采用二色镜。图4为本发明实施例2基于双波长单频光纤激光器的微波信号源的原理示意图，其中双通带滤波器是一个相移光栅，激光后腔镜采用宽带光纤光栅。图中:
I一光电转换芯片，2一光隔尚芯片，3一双通带滤波器，4一闻增益光纤，5—二色镜，6—率禹合透镜，7一LD, 8一宽带光纤光栅,9一均勻光纤光栅，10一相移光纤光栅。
具体实施例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。实施例1
如图1所示，一种基于双波长单频光纤激光器的微波信号源，包括一个光电转换芯片I，光隔离芯片2，耦合输出双通带滤波器3，高增益光纤4，二色镜5，耦合透镜6，LD7 ;各部件的结构关系是:高增益光纤4作为激光增益介质，耦合输出双通带滤波器3和二色镜5组成激光腔前后腔镜，并且紧贴高增益光纤4的前后两端，双通带滤波器3、高增益光纤4和二色镜5组成双波长单频光纤激光器的谐振腔；泵浦方式采用后向泵浦，由一个LD7产生泵浦光经由耦合透镜6耦合经由二色镜5至高增益光纤4后端的纤芯中，进行纤芯泵浦。后向泵浦光不断抽运纤芯中的稀土例子，使其达到粒子数反转，受激发射产生信号光，信号光在有双通带滤波器3和二色镜5组成的前后腔镜反射下来回振荡，随着泵浦功率不断增强，振荡信号光突破阈值，产生双波长激光激射，由于激光谐振腔的腔长短，且双通带滤波器3的反射谱很窄，从而保证了谐振腔能输出双波长窄线宽的单频激光。双波长激光信号的两个不同波长的光波，在光电转换芯片I的表面相拍，产生一个高达数百THz的和频信号和一个差频微波信号，由于光电转换芯片I的低通滤波特性，最后在输出端得到的是差频微波信号。该微波信号的频率等于两个不同波长的光波的频率差。双波长单频光纤激光器的窄线宽特性决定了最后产生的微波信号的线宽可以达到kHz量级。双波长单频光纤激光器的两个激射波长由双通带滤波器3的反射谱的两个通带决定，如选择频率间隔为60GHz的双通滤波器，可以实现频率间隔60GHz的双波长激射，最终产生中心频率60GHz、线宽达kHz量级的微波信号。图1-2为本发明实施例1的基于双波长单频光纤激光器的微波信号源的原理示意图，高增益光纤4作为双波长单频激光器的增益介质，由双通带滤波器3和二色镜5组成激光器谐振腔的前后腔镜，双通带滤波器3的两个反射峰都位于激光介质的增益谱内，并且位于二色镜5的高反射谱内，反射率大于95%。泵浦光米用LD7后向泵浦方式由I禹合透镜6耦合，经由二色镜5至高增益光纤4的纤芯内。在泵浦光的持续抽运下，高增益光纤4内的高掺杂稀土粒子发生粒子数反转，产生受激发射信号光，信号光在前后腔镜作用下，多次来回振荡并得到多次放大，并产生双波长激光输出。双波长激光信号经耦合输出双通带滤波器3输出，经过光隔离芯片2到达光电转换芯片I。通过光电转换芯片I的外差探测，在光电转换芯片I的输出端最终得到一个中心频率等与双波长激光信号频率间隔的微波信号。其中，高增益光纤4的长度可根据双通带滤波器3的反射谱宽和微波信号的中心频率来选择，一般为0.5 IOcm均可。其纤芯稀土离子的掺杂浓度要大于I X 1019ions/cm3。纤芯直径可以为I 10 Mm。光纤纤芯成分为磷酸盐玻璃，其组成为:70P205-8A1203- 15Ba0-4La203_3Nd203。稀土离子在纤芯中是均匀的高浓度掺杂。高增益光纤4是通过钻孔法、管棒法制作预制棒，并在光纤拉制塔中拉制而成的。双通带滤波器3由一对反射谱重合且反射率相同的均匀光纤光栅9组成。这一对光栅的结合方式可以是光纤熔接，也可以是通过研磨光纤端面抛光后对接，或者也可以通过在同一根光纤上用相同的曝光参数和掩模刻写两个光栅来形成双通带滤波器3。两个均匀光纤光栅的栅区之间留有一定长度的普通单模光纤。两个均匀光栅栅区的空间间隔决定了双通带滤波器3两个反射峰之间的频率间隔，一般为0.1mnTl.0cm0通过控制两个均匀光纤光栅9栅区的间隔和反射谱宽，可以控制最后产生的微波信号的中心频率。高增益光纤4纤芯的高掺杂及高增益特性，在单频激光输出功率大于IOOmW时，所需高增益光纤的长度仅为2cm，因而，使用双通带滤波器3和二色镜5组成短直腔结构，可使激光腔长小于10cm，从而，可以保证在双通带滤波器3的反射谱线宽小于0.0Snm的情况下，产生双波长激光激射时每一个波长仅有单一纵模，且无跳模现象。在激光功率饱和前，随着泵浦功率的不断增强，激光线宽就会不断变窄，可以实现kHz量级的超窄线宽输出。双波长窄线宽单频激光信号保证了光电转换芯片I最后输出的差频微波信号的线宽窄达kHz量级，中心频率达到数十GHz。图1中激光器的后腔镜可以用宽带光纤光栅代替，如图2所示。宽带光纤光栅对信号光波长反射率大于95%，其3dB反射谱宽为0.1nm 10nm，包含双通带滤波器3的两个反射峰，且位于高增益光纤4的增益带宽内。LD7经由耦合透镜6耦合到宽带光纤光栅的纤芯内，利用纤芯泵浦原理实现对高增益光纤4纤芯中稀土离子的抽运，以使粒子数反转达到不断放大振荡光信号的目的，实现双波长激光输出，并最终在光电转换芯片I的输出端输出窄线宽微波信号。实施例2
图3-4为本发明实施例2的基于双波长单频光纤激光器的微波信号源的原理示意图。其中双通带滤波器3由相移光纤光栅10实现。通过在均匀光栅合适的位置引入合适长度的相移区域，可以改变均匀光栅的反射谱，使其出现两个有一定频率间隔的窄带宽反射峰。其它同实施例1。
权利要求
1.基于双波长单频光纤激光器的微波信号源，其特征在于包括光电转换芯片(I)、光隔离芯片(2)、双通带滤波器(3)、高增益光纤(4)、耦合透镜(6)和半导体泵浦激光器(7)，其还包括二色镜(5)或宽带光纤光栅(8)，光电转换芯片(I)与光隔离芯片(2)输出端连接，光隔离芯片(2)输入端与耦合输出双通带滤波器(3)连接；双通带滤波器(3)经高增益光纤(4)与二色镜(5)宽带光纤光栅(8)组成激光腔；半导体泵浦激光器(7)产生的泵浦光经由耦合透镜(6)耦合后再经由二色镜(5)至高增益光纤(4)后端的纤芯中，进行纤芯泵浦，经双通带滤波器(3)产生的双波长单频激光信号的两个不同波长的光波，在光电转换芯片(I)处相拍，最后在输出端得到差频微波信号。
2.根据权利要求1所述的基于双波长单频光纤激光器的微波信号源，其特征在于:所述高增益光纤(4)为稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤,其纤芯成分为磷酸盐玻璃,组成为70P205-8Al203-15Ba0-4La203-3Nd203，所述高增益光纤(4)的纤芯掺杂高浓度的发光离子，所述发光离子为镧系离子、过渡金属离子中一种或多种的组合体，所述发光离子掺杂浓度大于lX1019ions/cm3,且在其纤芯中是均匀掺杂。
3.根据权利要求2所述的基于双波长单频光纤激光器的微波信号源，其特征在于:所述高增益光纤(4 )是保偏的稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤。
4.根据权利要求1所述的基于双波长单频光纤激光器的微波信号源，其特征在于:所述高增益光纤(4)的单位长度增益大于I dB/cm，光纤长度为0.5 5cm。
5.根据权利要求1所述的基于双波长单频光纤激光器的微波信号源，其特征在于:所述双通带滤波器(3)的通带频谱特征表现为位于高增益光纤(4)增益带宽内的两个反射峰，两个反射峰的谱宽都小于0.15nm，反射峰中心波长反射率为10 95%，两个反射峰中心波长间的频率间隔大于10 GHz。
6.根据权利要求5所述的基于双波长单频光纤激光器的微波信号源，其特征在于:所述双通带滤波器(3)为全光纤结构，是一对反射率和反射谱都相同的均匀光纤光栅构成的F-P滤波器，或是一个相移光纤光栅(10)，或是其它具有类似所述通带频谱特征的滤波器。
7.根据权利要求1所述的基于双波长单频光纤激光器的微波信号源，其特征在于:所述双波长单频光纤激光器是短直腔结构，其前腔镜是双通带滤波器(3 )，后腔镜可采用二色镜(5)或宽带光纤光栅(8)，激光腔长度为f 150mm;其中以二色镜(5)为后腔镜时，二色镜(5)为单独的镀膜器件，或为直接在高增益光纤(4)研磨抛光后的一侧端面镀上薄膜形成，所述薄膜对激光信号波长反射率大于95%，对泵浦波长透射率大于90% ;所述宽带光纤光栅(8)是对泵浦光高透，透射率大于90 %，而对激励信号波长高反,反射率大于95 %，其3dB反射谱宽为0.1nm 10nm。
8.根据权利要求1所述的基于双波长单频光纤激光器的微波信号源，其特征在于:所述双通带滤波器(3)、高增益光纤(4)和二色镜(5)或宽带光纤光栅(8)之间是通过将相接处的相应端面进行研磨抛光后，实现端对端耦合的。
9.根据权利要求2所述的基于双波长单频光纤激光器的微波信号源，其特征在于:所述镧系离子为 Er3+，Yb3+，Tm3+，Gd3+，Tb3+，Dy3+，Ho3 或 Lu3+。
10.根据权利要求2所述的基于双波长单频光纤激光器的微波信号源，其特征在于:所述过渡金属离子为Cu2+，Co2+，Cr3+，Fe2+或Mn2+。
全文摘要
本发明公开了基于双波长单频光纤激光器的微波信号源。该微波信号源由双波长单频光纤激光器和光电转换芯片两部分组成，其中双波长单频光纤激光器包括光隔离芯片、双通带滤波器、高增益光纤、二色镜或宽带光纤光栅阵列、耦合透镜和LD，它可以实现双波长超窄线宽(kHz级)单频(单纵模)激光输出。通过利用光电转换芯片对双波长单频光纤激光器产生的双波长窄线宽激光信号进行外差探测，最终在输出端产生一个线宽达kHz量级，频率达数十GHz的窄线宽微波信号。该发明可应用于射频光纤网络、宽带无线通信和卫星通信等领域。
文档编号H04B10/50GK103188019SQ20131007431
公开日2013年7月3日 申请日期2013年3月8日 优先权日2013年3月8日
发明者徐善辉, 冯洲明, 莫树培, 杨中民, 张勤远 申请人:华南理工大学