單偏振雙波長光纖光柵雷射器產生微波、毫米波的裝置的製作方法

2023-06-11 00:02:21 2

專利名稱：單偏振雙波長光纖光柵雷射器產生微波、毫米波的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及光纖微波通信(RoF: Radio on/over Fiber)、微波光子、光纖傳感、 光纖雷射器、光纖通信以及雷達等領域。適用於利用單偏振雙波長光纖光柵激 光器產生微波、毫米波。
背景技術：
微波光子技術將微波學和光學融合在一起，成為一個全新的技術領域，通 常稱為Microwave Photonics(簡稱MWP)。光子技術和微波、毫米波的集成在遠 程通信的發展上打開了一個神奇的、充滿希望的領域。光技術和電波技術相融 合，利用光纖具有的低損耗、大容量、無感應、重量輕、易於搬運等特點，在 傳統的微波技術中引入光技術，可組成信息社會的基礎網絡，充分利用光纖的 寬帶寬、無線的自由，達到個別技術不斷發展也無法實現的通信系統高功能化 和高度化，提供最後1公裡的最佳解決途徑。這種在無線/移動通信系統的接 入系統中、在軍用的天線遠程控制以及智能交通系統中把光纖通信和微波通信 結合的系統就是光纖微波通信(RoF: Radio on/over Fiber)。 RoF技術在無線/移 動通信系統中應用，可將基站端的基帶處理、調製、混頻功能後移到基站控制 器端集中處理，而基站端只保留光電轉換、濾波和放大功能，這樣可大大降低 基站的成本，在未來的密集微蜂窩通信系統中，由於基站數量眾多，採用RoF技 術可大大降低系統的成本。微波光纖通信系統，光域上的微波光子信號處理。 比起傳統基於電子設備的微波信號處理，微波光子信號處理具有時間帶寬積高、 抗電磁幹擾、線路和設備間的串擾小、調諧方便的優點外，微波光子信號處理 技術是在光域上對微波信號處理，它能與RoF傳輸系統天然匹配，中間無需光 電和電光轉換設備。電處理器的帶寬限制了高帶寬的光電信號的處理，以光子
取代電子，在較高的速率處理信號，這樣就可以避免電子瓶頸。微波光子集中 了射頻波和光纖的優點，在射頻波和光纖之間的透明轉換。微波提供了低成本 可移動無線連接方式，而光纖提供了低損寬帶連接，該連接方式不受電的影響。 在光纖中實現射頻波的帶通傳輸，無衰減，無信道間的相互幹擾。
毫米波信號的光方式產生具有很大的吸引力，因為現存的系統都面臨頻率 帶寬短缺的問題。對高速數據傳輸的需要愈來愈迫切，目前多種毫米波的光方 式產生方法業己被論證，毫米波的光方式產生有其特有的優點可以實現的寬 頻域載波信號範圍和光纖連接的低損傳輸能力。
遠程架設天線，天線與收信機通過光纖相連接，光纖取代傳統的同軸電纜， 稱為光遠程天線。它的長處是天線不用配置放大器，不用供電，天線與收信機
完全電氣絕緣，作為EMC(Electro Magnetic Compatibility電磁兼容)應用的電場 傳感器倍受注目。若干條光纖和天線陣列狀排列，組成光控制陣列天線，控制 向天線傳輸的微波信號的振幅和相位，形成天線發射的電波射束並進行射束掃 描。與使用同軸電纜、波導管向天線傳輸微波、毫米波的方法相比，天線外圍 設備不僅小型化、輕量化，而且還能形成更加理想的電波射束，微波的相位控 制可採用各種光信號處理技術。
光纖技術在相控陣雷達中已應用多年，目前這類雷達的工作頻率範圍為不 大於18GHz，並且正逐步向毫米波擴展。在相控陣雷達中採用光纖微波傳輸有 利於隔離輻射陣元，控制陣元的相對相位，處理各種電子戰環境下的回波信號。 然而，這類概念的付諸實現需要成百上千個微波輻射陣元，甚至需要很多高頻 光電器件。
微波可以通過電域的模擬電路或者數字電路得到，頻率局限在幾GHz以下， 難以產生更高頻率微波或者毫米波。
光學方法產生微波、毫米波是一項微波光子學的關鍵技術。利用光電技術 產生微波頻率的傳統方法是基於兩個可調諧的頻率相近的雷射束，這就要求激
光器具有非常好的頻率穩定性。另一種方法是在複雜的光學整合電路中，頻移
射頻調製雷射器頻率，但是該方法僅限於產生低頻信號(〈lGHz)。最近，又研究
了很多用於產生微波信號的新方法有將光纖環共振腔作為頻率調製器，利用 光纖的布裡淵散射作用產生相位調製的微波信號；有採用兩個或多個固態微芯
片溫度和電壓調諧雷射器的千涉產生動態可調諧、低噪聲的微波毫米波信號，
頻率從幾GHz到100GHz;有採用布拉格光柵取代馬赫曾德幹涉儀作為濾波器， 產生毫米波；還有基於非啁啾高斯脈衝在傳輸過程中的色散和非線性效應產生 複雜頻率的微波毫米波。這些產生方法，結構複雜，穩定性差，產生的效率不 咼。

發明內容
為了克服已有的微波、毫米波電的方法或者光學方法產生的不足，本發明 提供一種利用單偏振雙波長光纖光柵雷射器產生微波、毫米波的裝置。 本發明的目的是通過以下技術方案實現的。
單偏振雙波長光纖光柵雷射器產生微波、毫米波的裝置，其構成的器件之 間的連接為
在Y分器的一字端接入一個保偏光纖光柵，Y分器的一字端的輸出端與探測 器連接；
在Y分器的一個分叉臂接入有源光纖，在有源光纖的另一端接入一個寬帶光 纖光柵；
在Y分器的另一個分叉臂接入有源光纖，在有源光纖的另一端接入一個寬帶 光纖光柵；
兩個寬帶光纖光柵的反射譜互相隔開，或有較弱的重疊部分，其重疊部分 對應的反射率比保偏光纖光柵的反射率至少低ldB;
在寬帶光纖光柵後面利用耦合器把一個泵浦光耦合進有源光纖中；在寬帶光纖光柵後面利用耦合器把另一泵浦光耦合進有源光纖中； 保偏光纖光柵和一個分叉臂上的有源光纖、寬帶光纖光柵和保偏光纖光柵
和另一個分叉臂上的有源光纖、寬帶光纖光柵構成兩個諧振腔，在一個泵浦光
或另一泵浦光的作用下，分別產生單偏振的雷射，產生的雷射通過光纖端輸出
單偏振的雙波長雷射；
產生的雙波長單偏振雷射的功率不要求相同，其差值可以為任意的值。 輸出的單偏振雙波長雷射通過Y分器進入探測器；雙波長雷射在探測器差頻
產生微波或者毫米波。
兩個有源光纖還可採用保偏的有源光纖。有源光纖可以為摻鉺、或摻鐿、
或摻鈥、或鐿鉺共摻、或摻釷、或摻鐠、或摻釹光纖。 Y分器也可以採用其他的光纖耦合器。
Y分器的分光比為50: 50或其他的任意分光比。在其他的分光比條件下， 可以通過改變有源光纖的長度或者泵浦功率的方法來保證產生微波或者毫米波 對雙波長雷射功率的需求
兩個寬帶光纖光柵，採用普通的非保偏光纖製作或採用保偏光纖製作的光 纖光柵。
有源光纖的長度根據摻雜濃度和泵浦光功率來定；有源光纖保證在給定的 泵浦功率下，選擇適當的有源光纖長度和適當的摻雜濃度構成的諧振腔的增益 滿足雷射器的諧振條件即可的。因此有源光纖的長度選擇由泵浦光功率、有源 摻雜濃度以及構成腔的損耗來決定。
兩個寬帶光纖光柵，採用普通的非保偏光纖製作或採用保偏光纖製作的光 纖光柵；對光纖光柵、保偏光纖光柵的長度沒有特殊要求。
本發明的有益效果
微波可以通過電域的模擬電路或者數字電路得到，但是頻率局限在幾GHz 以下，難以產生更高頻率微波或者毫米波。已有的光學方法產生微波或者毫米
波的方法，結構複雜，穩定性差，產生的效率不高。
而本發明採用比保偏有源光纖價格低得多的普通有源光纖作為增益介質， 只需要一個保偏光纖光柵，保證每個腔諧振在一個偏振態上。每個偏振態的激 光諧振腔是獨立的，不需要偏振控制。由於光纖雷射器諧振腔的一端採用了寬 帶的光柵，使之與窄帶保偏光纖的反射峰對準諧振更容易，降低了對光柵的要 求，比通常的雙波長雷射器更容易實現，輸出更穩定的單偏振態，穩定的雙波 長輸出到探測器中，雙波長在探測器中差頻產生微波或者毫米波，具有更高的 性價比。本發明降低了對有源光纖的一致性要求，使有源光纖長度等特性的不 一致不會引起單偏振雙波長雷射器的實質性的影響，從而不會影響微波或者毫 米波的產生。本發明為全光纖結構。本發明還具有受環境影響小、結構緊湊、 易於實施等特點。


圖l為單偏振雙波長光纖光柵雷射器產生微波、毫米波的裝置示意圖。
圖2為單偏振雙波長光纖光柵雷射器產生微波、毫米波的裝置示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖1和圖2對本發明作進一步描述。 實施例l
一種單偏振雙波長光纖光柵雷射器產生微波、毫米波的裝置，其構成的器
件之間的連接為
在分光比為50: 50的Y分器的一字端41接入一個2cm長的保偏光纖光柵11， Y分器的一字端41的輸出端與探測器51連接；
在分光比為50: 50的Y分器的一個分叉臂42接入lm長的有源光纖21，在有 源光纖21的另一端接入一個寬帶光纖光柵12;
在分光比為50: 50的Y分器的另一個分叉臂43接入有源光纖22，在有源光纖
22的另一端接入一個寬帶光纖光柵13;
兩個寬帶光纖光柵的反射譜互相隔開，或有較弱的重疊部分，其重疊部分 對應的反射率比保偏光纖光柵的反射率至少低ldB;
在寬帶光纖光柵12後面，利用耦合器把泵浦光31耦合進lm長的有源光纖21
中；
在寬帶光纖光柵13後面，利用耦合器把泵浦光32耦合進lm長的有源光纖22
中；
保偏光纖光柵ll、有源光纖2K寬帶光纖光柵12和保偏光纖光柵11、有源 光纖22、寬帶光纖光柵13構成兩個諧振腔，在泵浦光31或32的作用下，分別產 生單偏振的雷射，產生的雷射通過光纖端41輸出單偏振的雙波長雷射；
圖2中lll為保偏光纖光柵的一個反射峰，112為保偏光纖光柵的另外一個 反射峰。121為一個寬帶光纖光柵12的反射峰，131為一個寬帶光纖光柵13的反 射峰。保偏光纖光柵的反射峰111與寬帶光纖光柵121、有源光纖21構成一個諧 振腔。保偏光纖光柵的另外一個反射峰112與寬帶光纖光柵131、有源光纖22構 成一個諧振腔。這兩個腔在泵浦雷射的作用下諧振，產生兩個單偏振波長的激 光。
輸出的單偏振雙波長雷射通過分光比為50: 50的Y分器41進入探測器51;雙 波長雷射在探測器51通過差頻產生微波或者毫米波。
Y分器的分光比還包括其他的任意分光比。在其他的分光比條件下，可以通 過改變有源光纖的長度或者泵浦功率的方法來保證產生微波或者毫米波對雙波 長雷射功率的需求。
有源光纖的長度並不僅僅在實施例中的具體lm;有源光纖的長度根據摻雜 濃度和泵浦光功率來定，有源光纖保證在給定的泵浦功率下，選擇適當的有源 光纖長度和適當的摻雜濃度構成的諧振腔的增益滿足雷射器的諧振條件即可
的。因此有源光纖的長度選擇由泵浦光功率、有源摻雜濃度以及構成腔的損耗 來決定。
實施例2
一種單偏振雙波長光纖光柵雷射器產生微波、毫米波的裝置，其構成的器
件之間的連接為
在分光比為50: 50的Y分器的一字端41接入一個3cm長的保偏光纖光柵11， Y分器的一字端41的輸出端與探測器51連接；
在分光比為50: 50的Y分器的一個分叉臂42接入2m長的保偏有源光纖21， 保偏有源光纖可以為摻鉺、或摻鐿、或摻鈥、或鐿鉺共摻、或摻釷，在保偏有 源光纖21的另一端接入一個寬帶光纖光柵12;
在分光比為50: 50的Y分器的另一個分叉臂43接入保偏有源光纖22，在保偏 有源光纖22的另一端接入一個寬帶光纖光柵13;
兩個寬帶光纖光柵的反射譜互相隔開，或有較弱的重疊部分，其重疊部分 對應的反射率比保偏光纖光柵的反射率至少低ldB;
在寬帶光纖光柵12後面，利用耦合器把泵浦光31耦合進2m長的保偏有源光
纖21中；
在寬帶光纖光柵13後面，利用耦合器把泵浦光32耦合進2m長的保偏有源光 纖22中；
保偏光纖光柵ll、保偏有源光纖21、寬帶光纖光柵12和保偏光纖光柵11、 有源光纖22、寬帶光纖光柵13構成兩個諧振腔，在泵浦光31或32的作用下，分 別產生單偏振的雷射，產生的雷射通過光纖端41輸出單偏振的雙波長雷射；
圖2中lll為保偏光纖光柵的一個反射峰，112為保偏光纖光柵的另外一個 反射峰。121為一個寬帶光纖光柵12的反射峰，131為一個寬帶光纖光柵13的反 射峰。保偏光纖光柵的反射峰111與寬帶光纖光柵121、保偏有源光纖21構成一 個諧振腔。保偏光纖光柵的另外一個反射峰112與寬帶光纖光柵131、保偏有源
光纖22構成一個諧振腔。這兩個腔在泵浦雷射的作用下諧振，產生兩個單偏振 波長的雷射。
輸出的單偏振雙波長雷射通過分光比為50: 50的Y分器41進入探測器51;雙 波長雷射在探測器51通過差頻產生微波或者毫米波。
Y分器的分光比還包括其他的任意分光比。在其他的分光比條件下，可以通
過改變有源光纖的長度或者泵浦功率的方法來保證產生微波或者毫米波對雙波 長雷射功率的需求。
有源光纖的長度並不僅僅在實施例中的具體2m;有源光纖的長度根據摻雜
濃度和泵浦光功率來定，有源光纖保證在給定的泵浦功率下，選擇適當的有源 光纖長度和適當的摻雜濃度構成的諧振腔的增益滿足雷射器的諧振條件即可 的。因此有源光纖的長度選擇由泵浦光功率、有源摻雜濃度以及構成腔的損耗 來決定。
實施例3
一種單偏振雙波長光纖光柵雷射器產生微波、毫米波的裝置，其構成的器
件之間的連接為
在任意分光比的Y分器或者耦合器的一字端41接入一個保偏光纖光柵11， Y
分器或者耦合器的一字端41的輸出端與探測器51連接；
在任意分光比的Y分器或者耦合器的一個分叉臂42接入適當長度的有源光 纖21，在有源光纖21的另一端接入一個寬帶光纖光柵12;
在任意分光比的Y分器或者耦合器另一個分叉臂43接入有源光纖22，在有源 光纖22的另一端接入一個寬帶光纖光柵13;
兩個寬帶光纖光柵的反射譜互相隔開，或有較弱的重疊部分，其重疊部分 對應的反射率比保偏光纖光柵的反射率至少低ldB;
在寬帶光纖光柵12後面，利用耦合器把泵浦光31耦合進有源光纖21中；
在寬帶光纖光柵13後面，利用耦合器把泵浦光32耦合進有源光纖22中；
保偏光纖光柵ll、有源光纖21、寬帶光纖光柵12和保偏光纖光柵11、有源 光纖22、寬帶光纖光柵13構成兩個諧振腔，在泵浦光31或32的作用下，分別產 生單偏振的雷射，產生的雷射通過光纖端41輸出單偏振的雙波長雷射；
輸出的單偏振雙波長雷射通過任意分光比的Y分器或者耦合器41進入探測 器51;雙波長雷射在探測器51通過差頻產生微波或者毫米波。
有源光纖的長度根據摻雜濃度和泵浦光功率來定，有源光纖保證在給定的 泵浦功率下，在考慮任意分光比的Y分器或者耦合器損耗的條件下，選擇適當的 有源光纖長度和適當的摻雜濃度構成的諧振腔的增益滿足雷射器的諧振條件即 可的。有源光纖最短長度lcm，有源光纖的長度最大為選擇泵浦光功率、有源 摻雜濃度以及任意分光比的Y分器或者耦合器等構成腔的損耗，在泵浦光的作用 下，剛好能夠產生雷射時的有源光纖長度為最大有源光纖長度。 所選用的器件均可為通用器件。Y分器或採用耦合器。
有源光纖21和22為摻鉺、或摻鐿、或摻鈥、或鐿鉺共摻、或摻釷光纖。
權利要求
1.一種單偏振雙波長光纖光柵雷射器產生微波、毫米波的裝置，其特徵在於在Y分器的一字端(41)接入一個保偏光纖光柵(11)，Y分器的一字端(41)的輸出端與探測器(51)連接；在Y分器的一個分叉臂(42)接入有源光纖(21)，在有源光纖(21)的另一端接入一個寬帶光纖光柵(12)；在Y分器的另一個分叉臂(43)接入有源光纖(22)，在有源光纖(22)的另一端接入一個寬帶光纖光柵(13)；兩個寬帶光纖光柵的反射譜互相隔開，或有較弱的重疊部分，其重疊部分對應的反射率比保偏光纖光柵的反射率至少低1dB；在寬帶光纖光柵(12)後面，利用耦合器把泵浦光(31)耦合進有源光纖(21)中；在寬帶光纖光柵(13)後面，利用耦合器把泵浦光(32)耦合進有源光纖(22)中；保偏光纖光柵(11)、有源光纖(21)、寬帶光纖光柵(12)和保偏光纖光柵(11)、有源光纖(22)、寬帶光纖光柵(13)構成兩個諧振腔，在泵浦光(31)或(32)的作用下，分別產生單偏振的雷射，產生的雷射通過光纖端(41)輸出單偏振的雙波長雷射；輸出的單偏振雙波長雷射通過Y分器(41)進入探測器(51)；雙波長雷射在探測器(51)差頻產生微波或者毫米波。
2. 根據權利l所述的一種單偏振雙波長光纖光柵雷射器產生微波、毫米波 的裝置，其特徵在於有源光纖(21)和(22)還包括保偏的有源光纖；有源 光纖為摻鉺、或摻鐿、或摻鈥、或鐿鉺共摻、或摻釷、或摻鐠、或摻釹光纖。
3. 根據權利1所述的一種單偏振雙波長光纖光柵雷射器產生微波、毫米波的 裝置，其特徵在於Y分器的分光比為50: 50或其他的任意分光比。4.根據權利1所述的一種單偏振雙波長光纖光柵雷射器產生微波、毫米波的 裝置，其特徵在於寬帶光纖光柵(12)和(13)，採用普通的非保偏光纖製作 或採用保偏光纖製作的光纖光柵。
全文摘要
本發明公開了一種單偏振雙波長光纖光柵雷射器產生微波、毫米波的裝置，該裝置Y分器一字端(41)接入保偏光纖光柵(11)，Y分器一字端的輸出與探測器(51)連；在Y分器分叉臂(42)接入有源光纖(21)，有源光纖另一端接入一寬帶光纖光柵(12)，與保偏光柵(11)構成一個諧振腔；在Y分器分叉臂(43)接入有源光纖(22)，有源光纖(22)另一端接入一寬帶光纖光柵(13)，與保偏光柵(11)構成另一諧振腔；在寬帶光纖光柵(12)和(13)後面各用一耦合器把泵浦光(31)和(32)耦合進有源光纖(21)和(22)，分別產生單偏振雷射，通過光纖端(41)進入探測器(51)，在探測器差頻產生微波或毫米波。
文檔編號H01S1/00GK101183769SQ200710177000
公開日2008年5月21日 申請日期2007年11月8日 優先權日2007年11月8日
發明者豔 劉, 寧提綱, 祈春慧, 治 童, 胡旭東, 董小偉, 麗 裴, 譚中偉, 鄭晶晶, 乂 阮 申請人:北京交通大學