基于布里渊放大多波长激光器的微波信号产生的方法与装置

摘要

本发明公开一种基于布里渊放大多波长激光器的微波信号产生的方法与装置，所述装置由多波长激光器单元、滤波器、耦合器、光电探测器等组成。多波长激光器单元包括激光器单元、耦合器单元、放大器单元、环形器单元、光纤单元、偏振控制器单元和隔离器单元。本发明设计出的微波信号的装置与方法不仅能够产生高频微波信号，而且能够获得多带宽可调谐微波信号；本发明装置不需要电子器件，大大降低了电磁干扰等，且具有成本低廉、结构简单的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于布里渊放大多波长激光器的微波信号产生的方法与装置，主要应用于无线传感网、光纤通信系统以及微波光子学等技术领域。

背景技术

微波信号源作为微波系统中的基础器件之一，其性能直接决定了系统的工作性能。目前，微波信号源已广泛用于微波通信、雷达制导、遥感测控、电子对抗等现代化信息系统中，随着信息技术的迅速发展，高品质的微波源成为制胜的关键；另一方面随着多媒体业务的不断丰富，占用的频谱资源不断上升，基于数字电子的技术已经逼近电子器件的处理极限，出现了带宽的限制和交换系统的电子瓶颈等问题，进一步提高设备处理速度的难度越来越大，因此，提出了建立全光信息系统的要求。在这种背景下，微波光子学出现并逐步成为一门融合了微波技术和光子技术的跨学科技术，不仅可以克服传统射频微波系统中无法解决的电子瓶颈问题，而且也为当代高速信息网络建设提供了有力支撑。因此，光学技术在微波信号的产生等方面显示出电子技术无法比拟的优势，充分利用光学技术的带宽优势实现高速全光信息技术就显得非常重要。在光纤系统中，传输的微波信号会受到光纤色散等因素的影响而发生畸变和失真，且微波频率越高受到的影响越大。因此，目前获得微波信号的方法主要集中在光外差的方法和微波移频调制等方法上。在微波移频调制的方法中，必须使用高速调制器等，限制了高频微波信号的产生，而且价格很昂贵。如高士明等提出的发明专利(申请号200810061240.7)，采用微波源和电光调制器的方法获得了11GHz的微波信号。有的学者提出了通过布里渊散射，结合光外差法获得微波信号的方案，如傅娇娇等提出的发明专利(申请号200910155858.4)，王如刚等提出的发明专利(申请号201210341950.1)，周锋等的发明专利(申请号201410093542.8)，采用布里渊散射与泵浦光的差频获得微波信号，具有一定的使用价值，但是，产生微波信号的可调谐范围较小，且系统比较复杂，限制其在雷达等领域的应用。

发明内容

本发明目的是：克服现有技术的上述缺点，为了获得高频宽带可调谐的微波信号，本发明提供一种基于布里渊放大多波长激光器的可调谐微波信号产生的方法与装置，提出的装置与方法不仅能够产生高频微波信号，而且能够获得带宽可调谐的微波信号源；同时，该装置具有成本低，输出的微波信号稳定等优点。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

基于布里渊放大多波长激光器的微波信号产生的装置，其特征是包括多波长激光器单元、第一、第二耦合器单元、第一、第二滤波器单元和第一光电探测器单元，多波长激光器单元的输出端与第一耦合器单元的输入端连接，第一耦合器单元的两个输出端分别与第一、第二滤波器单元的输入端连接，第一、第二滤波器单元的输出端分别与第二耦合器单元的两个输入端连接，第二耦合器单元的输出端与第一光电探测器单元的输入端连接，第一光电探测器单元的输出端输出微波信号；

所述多波长激光器单元包括激光器单元、第三、第四耦合器单元、光纤放大器、第一隔离器、第一偏振控制器、第一环形器、第一光纤单元和布里渊激光器单元，激光器单元的输出端与第三耦合器的一个输入端连接，第三耦合器的两个输出端分别与第一隔离器和第四耦合器的输入端连接；第一隔离器的输出端与第一偏振控制器的输入端连接，第一偏振控制器的输出端与第一环形器的第一端口连接，第一环形器的第二端口经第一光纤单元与布里渊激光器单元的输出端连接，第一环形器的第三端口与第三耦合器的另一个输入端连接；第四耦合器的一个输出端连接光纤放大器的输入端，另一个输出端作为多波长激光器单元的输出端，光纤放大器的输出端连接布里渊激光器单元的输入端；

所述布里渊激光器单元由第二环形器、第二偏振控制器、第二光纤单元和第五耦合器单元构成，光纤放大器的输出端与第二环形器的第一端口连接，第二环形器的第二端口经第二偏振控制器、第二光纤单元与第五耦合器单元的一个输出端连接，第二环形器的第三端口与第五耦合器单元的输入端连接，第五耦合器单元的另一个输出端连接第一光纤单元。

利用上述装置产生微波信号的方法，其特征在于：激光器单元产生的激光经第三耦合器分成两束，其中一束光经第一隔离器和第一偏振控制器后进入到第一环形器的第一端口，从第一环形器的第二端口进入第一光纤单元中，该光束在第一光纤单元中产生背向布里渊散射信号；从第三耦合器输出的另一束光经第四耦合器后分成两路，一路光作为多波长激光器单元的输出光，一路光进入放大器单元，经放大器放大后的光作为布里渊激光器单元的泵浦光，从光纤放大器输出的信号光经第二环形器的第一端口进入激光器单元中，从第二环形器的第二端口进入到第二偏振控制器，该信号光按照顺时针方向进入第二光纤单元中，在第二光纤单元中产生背向布里渊散射，该背向布里渊散射信号再按照逆时针的方向经第二偏振控制器、第二环形器的第三端口进入第五耦合器，和第二光纤单元循环传输，从第五耦合器的另一个输出端输出布里渊信号，该布里渊激光信号进入到第一光纤单元中被放大，放大后的信号光经第一环形器的第三端口进入第三耦合器的输入端，与激光器单元输出的信号光耦合后作为多波长激光器的泵谱信号；多波长激光器单元的输出光经第一耦合器分为两束，分别经第一滤波器单元和第二滤波器单元进行滤波，滤波后的两束光在第二耦合器单元上耦合，通过第一光电探测器单元转换为微波信号输出。

受激布里渊散射(SBS)可以理解为两束相向传播的光(泵浦光、斯托克斯光)在光纤中的相互作用，理论上可以用麦克斯韦方程和维纳一斯托克斯方程描述SBS过程。若斯托克斯光沿着+Z方向传播，而布里渊泵浦光沿一Z方向传输，忽略光场的横向分布及利用缓慢变化振幅近似，SBS过程中泵浦光、斯托克斯光和声波的三波耦合方程可以描述为

$>\left(\begin{array}{c}-\frac{\partial E_p}{\partial z}+\frac{n_{\mathrm{fg}}}{c}\frac{\partial E_p}{\partial t}=-\frac{\alpha }{2}{E}_p+{\mathrm{ig}}_2{E}_s\rho \\ \frac{\partial E_s}{\partial z}+\frac{n_{\mathrm{fg}}}{c}\frac{\partial E_s}{\partial t}=-\frac{\alpha }{2}{E}_s+{\mathrm{ig}}_2{E}_p{\rho }^{*}\\ \frac{\partial \rho }{\partial t}+(\frac{{\Gamma }_B}{2}-\mathrm{i\Delta \omega })\rho =i\frac{g_1}{\eta }{E}_p{E}_s^{*}\end{array}\right)---\left(1\right)$>

其中，E_p，E_s和ρ分别是泵浦光、斯托克斯光和声波的复振幅，n_fg是光纤的群折射率，α是光纤的损耗系数，γ＝Γ_B/2π是布里渊增益谱带宽，Δω＝ω_p0-ω_s0-Ω_B是偏离布里渊增益谱中心(ω_s0)的失谐量，Ω_B是布里渊散射的角频移，ω_p0，ω_s0是泵浦光和斯托克斯光的中心频率，g₂＝γ_eω_p0/(4cn_fρ₀)，η＝cn_fε₀/2，γ_e是光纤中的电致伸缩系数，ε₀是真空中的电导率，n_f为光纤的相折射率，ρ₀是材料的密度，V_a为声波的速度，忽略泵浦光的损耗，对于弱的斯托克斯光场，方程(1)可以简化为：

$>\left(\begin{array}{c}\frac{\partial E_s}{\partial z}+\frac{n_{\mathrm{fg}}}{c}\frac{\partial E_s}{\partial t}={\mathrm{ig}}_2{E}_p{\rho }^{*}\\ \frac{{\partial \rho }^{*}}{\partial t}+(\frac{{\Gamma }_B}{2}+\mathrm{i\Delta \omega }){\rho }^{*}=-i\frac{g_1}{\eta }{E}_s{E}_p^{*}\end{array}\right)---\left(2\right)$>

经过傅立叶变换，把方程(2)变换到频域上，可以得出：

$>\left(\begin{array}{c}\frac{\partial {\tilde{E}}_s}{\partial z}-i(\omega -{\omega }_{s0})\frac{n_{\mathrm{fg}}}{c}{\tilde{E}}_s={\mathrm{ig}}_2{E}_p{\tilde{\rho }}^{*}\\ [\frac{{\Gamma }_B}{2}-i({\omega -\omega }_{p0}+{\Omega }_B)]{\tilde{\rho }}^{*}=-i\frac{g_1}{\eta }{\tilde{E}}_s{E}_p^{*}\end{array}\right)---\left(3\right)$>

其中和分别是E_s和ρ^*的傅立叶变换，由方程(3)消掉ρ^*，即得到频域斯托克斯光方程：

$>\left(\begin{array}{c}\frac{\partial {\tilde{E}}_s}{\partial z}=i(\omega -{\omega }_{s0})\frac{n_{\mathrm{fg}}}{c}{\tilde{E}}_s+\frac{\frac{{2g}_1{g}_1}{{\mathrm{\eta \Gamma }}_B}{\left|E_p\right|}^2}{1-i2\mathrm{\delta \omega }/{\Gamma }_B}{\tilde{E}}_s\\ \frac{\partial {\tilde{E}}_s}{\partial z}=[i(\omega -{\omega }_{s0})\frac{n_{\mathrm{fg}}}{c}+\frac{g_0{I}_p/2}{1-i2\mathrm{\delta \omega }/{\Gamma }_B}]{\tilde{E}}_s\end{array}\right)---\left(4\right)$>

其中，g₀＝4g₁g₂/(ηΓ_B)是增益因子，δω＝ω-ω_p0+Ω_B，I_p是泵浦光强度。在频域上，考虑沿+Z方向传输的斯托克斯光，则有：

$>\frac{\partial {\tilde{E}}_s}{\partial z}=i[k_s\left(\omega \right)-k_s\left({\omega }_{s0}\right)]{\tilde{E}}_s---\left(5\right)$>

由方程(4)和(5)可以得出：

$>k_s\left(\omega \right)-k_s\left({\omega }_{s0}\right)=\omega \frac{n_{\mathrm{fg}}}{c}-i\frac{g_0{I}_p/2}{1-i2\mathrm{\delta \omega }{/\Gamma }_B}-{\omega }_{s0}\frac{n_{\mathrm{fg}}}{c}---\left(6\right)$>

由方程(6)可以得出：

$>k_s\left(\omega \right)=\omega \frac{n_f}{c}-i\frac{g_0{I}_p/2}{1-i2\mathrm{\delta \omega }{/\Gamma }_B}\equiv \widetilde{n_s}\frac{\omega }{c}---\left(7\right)$>

根据方程(7)，斯托克斯波的有效复折射率可以表示为：

$>\widetilde{n_s}=n_{\mathrm{fg}}-i\frac{c}{2\omega }\frac{g_0{I}_p}{1-i2\mathrm{\delta \omega }{/\Gamma }_B}---\left(8\right)$>

单色平面波在光纤中的传播速度为相速度，而波包络在光纤中传播时，组成包络的每一个平面波的相速度不同，定义波包络中心的传播速度为群速度。从方程(8)可以看出斯托克斯波经历了洛伦兹形共振谱的增益与色散，复折射率的实部为斯托克斯波的折射率复折射率的虚部与斯托克斯的增益系数有关，群折射率n_g＝n_s+ω(dn_s/dω)，斯托克斯波的增益可以表示为：

$>g_s\left(\omega \right)=\frac{g_0{I}_p}{1+4{({\omega -\omega }_{p0}+{\Omega }_B)}^2/{\Gamma }_B^2}---\left(9\right)$>

从方程(9)可以看出，当信号光的频率等于泵浦光的频率时，信号光的增益达到最大。因此，我们发明系统中，光纤单元108和110是相同的光纤，即布里渊频移相同，或采用布里渊频移相近的光纤，这样就能保证信号光和泵浦光的频率相同或最大程度相近，使得信号光达到最大的增益特性。再通过耦合器102的循环泵浦，这样就可以获得多波长激光器。为了控制微波信号的质量，增加了第一隔离器113和两个偏振控制器107、112。

所述布里渊激光器单元105为单频布里渊激光器，也可以是其它结构的布里渊激光器单元。

所述两个光纤单元108、110可以是相同的光纤或布里渊频移相近的不同光纤，可以是单模光纤，也可以是其它种类光纤。

所述第一光电探测器单元118可以是平衡探测器，也可以是其它种类的光电探测器。

所述微波信号的可调谐性，可以通过调节激光器101的泵浦波长来获得，或通过改变第一光纤单元110和第二光纤单元108的布里渊频移来获得，还可以通过改变滤波单元中滤波器单元115和116的中心波长获得。

本发明的有益效果是：本发明提出的一种基于布里渊放大多波长激光器的微波信号产生的方法与装置，通过控制泵浦光的功率，可以获得多宽带的可调谐的高频微波信号；本发明通过设计出简单的多波长激光器，并通过控制其增益光纤的布里渊频移，或通过调节两个滤波器的中心波长获得可调谐的微波信号源，还可以通过调节激光器的波长等来调节输出微波信号的频率。本发明设计出的微波信号的装置与方法不仅能够产生高频微波信号，而且能够获得多带宽可调谐微波信号；本发明装置不需要电子器件，大大降低了电磁干扰等，且具有成本低廉、结构简单的优点。

附图说明

图1是本发明实施例一的结构示意图。

图2是本发明实施例二的结构示意图。

图3是本发明实施例获得的多波长激光器的光谱。

图4是本发明实施例获得的10.8GHz微波信号频谱。

图5是本发明实施例获得的21.6GHz微波信号频谱。

图6是本发明实施例获得的32.4GHz微波信号频谱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明和描述。

实施例一：

本实施例提供一种基于布里渊放大多波长激光器的高频可调谐微波信号产生装置，通过现有激光器和布里渊原理的光纤设备均可以方便搭制。如图1所示，本实施例包括激光器单元101，该激光器为可调谐激光器(Agilent lightwave measurement system8164B)，设置输出波长为1550nm，功率为0dBm，其输出的光被3dB的第三耦合器单元102(50:50)分为两束，其中50％的一个端口的光进入到第一隔离器113，从第一隔离器113输出的信号经第一偏振控制器112进入到第一环形器111的第一端口，从第一环形器111的第二端口进入第一光纤单元110，第一光纤单元110为20km的单模光纤，光信号在第一光纤单元110中产生背向布里渊散射信号；从第三耦合器单元102输出的另一路信号经第四耦合器单元103(80:20)20％的一个端口进入掺铒光纤放大器104(KPS-BT2-C-30-PB-FA)，最大输出功率30dBm，从掺铒光纤放大器104输出的信号作为布里渊激光器单元105的泵浦源。布里渊激光器单元105包括第二环形器106、第二偏振控制器107、第二光纤单元108(6m的普通单模光纤)和第五耦合器109(70:30)，从光纤放大器104输出的信号光经第二环形器106的第一端口进入激光器单元105中，从第二环形器106的第二端口进入到第二偏振控制器107，该信号光按照顺时针方向进入第二光纤单元108中，在第二光纤单元108中产生背向布里渊散射，该背向布里渊散射信号再按照逆时针的方向经第二偏振控制器107、第二环形器106的第三端口进入第五耦合器109，通过第五耦合器109的70％的输出端口和第二光纤单元108循环传输，从第五耦合器109的30％的输出端口输出布里渊信号，该布里渊信号进入第一光纤单元110。从第四耦合器103输出的80％多波长激光经3dB的第一耦合器单元114分成两束，一路信号经第一滤波器(FBG滤波器)115滤波，另一路信号经第二滤波器(可调滤波器)116(SantecOTF-300)滤波，两路信号在3dB的第二耦合器单元117上耦合后进入到第一光电探测器单元118，该探测器单元为u²t高速光探测器，带宽为50GHz，通过第一光电探测器单元118转换为微波信号输出，输出信号经安捷伦频谱分析仪(Agilent E4440A)进行测量分析，光信号通过光谱分析仪(Agilent86140B Optical Spectrum Ananlyzer)进行分析。通过仿真实验，获得如图3、4、5、6所示的多波长激光器的光谱、10.8GHz微波信号、21.6GHz微波信号、32.4GHz微波信号，本实施例微波信号的调谐通过调节滤波器的中心波长来实现。微波信号的调谐还可以通过调节激光器101的泵浦波长，或通过改变两个光纤单元110、108的布里渊频移来实现。从图3多波长激光器的光谱可以看出，获得了11级多波长布里渊散射信号，利用获得的多波长布里渊信号进行差频获得了可调谐的高频信号，获得的频率信号分别为10.8、21.6和32.4GHz，从实验的结果可以看出本发明可以有效的获得高频可调谐的微波信号。

实施例二：如图2所示，与实施例一的微波信号产生装置结构相比，多波长布里渊激光器单元100的结构相同，不同之处在于：多波长布里渊激光器单元100的输出信号进入到光纤光栅单元119，光纤光栅单元119的输出端连接第二隔离器120，第二隔离器120的输出端连接第三滤波单元(可调滤波器单元)121，第三滤波单元121的输出端连接到第二光电探测器单元122，通过第二光电探测器单元122转换为微波信号输出.。实施例二中的第三滤波单元121可以采用和实施例一中的第二滤波单元116同样的可调滤波器单元，第二光电探测器单元122可以采用和实施例一中的第一光电探测器单元118同样的光电探测器。

虽然本发明通过具体实施例进行了描述，但具体实施例和附图并非用来限定本发明。本领域技术人员可在本发明的精神的范围内，做出各种变形和改进，这些变形和改进并未超出本发明要求保护的范围。