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1、(10)申请公布号 CN 102522678 A (43)申请公布日 2012.06.27 C N 1 0 2 5 2 2 6 7 8 A *CN102522678A* (21)申请号 201110418710.2 (22)申请日 2011.12.14 H01S 1/02(2006.01) G02F 1/365(2006.01) (71)申请人上海交通大学 地址 200240 上海市闵行区东川路800号 (72)发明人刘金梅 肖平平 王高猛 吴至境 詹黎 沈启舜 (74)专利代理机构上海科盛知识产权代理有限 公司 31225 代理人赵志远 (54) 发明名称 基于级联布里渊激光器的频率精密可调。
2、谐光 生微波装置 (57) 摘要 本发明涉及一种基于级联布里渊激光器的 频率精密可调谐光生微波装置，包括DFB激光器 (1)、第一光纤放大器(2)、第一光纤环形器(3)、 第二三端口耦合器(6)、第二光纤放大器(7)、第 二光纤环形器(8)、第四三端口耦合器(11)、光电 探测器(12)、频谱仪(13)、第一光学谐振腔和第 二光学谐振腔。与现有技术相比，本发明可以实现 微波信号在一个自由频谱宽度内的精密调谐，产 生的微波信号线宽窄，噪声低，稳定性高，不需要 使用额外的微波信号源进行光学稳频或进行光学 调制，为全光纤光路结构，具有结构简单且成本低 廉等优点。 (51)Int.Cl. 权利要求书2。
3、页 说明书5页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 3 页 1/2页 2 1.一种基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装置，包括DFB激光器(1)、 第一光纤放大器(2)、第一光纤环形器(3)、第二三端口耦合器(6)、第二光纤放大器(7)、第 二光纤环形器(8)、第四三端口耦合器(11)、光电探测器(12)和频谱仪(13)，其特征在于， 还包括第一光学谐振腔和第二光学谐振腔，所述的DFB激光器(1)通过第一光纤放大 器(2)与第一光纤环形器(3)的第一端口(3a)连接，所述的第一光纤环形器(3)的第二端 口(3。
4、b)与第一光学谐振腔连接，产生第一级布里渊激光经第二三端口耦合器(6)后，一路 通过经第二光纤放大器(7)输入到第二光纤环形器(8)的第一端口(8a)，另一路输入到第 四三端口耦合器(11)； 所述的第二光纤环形器(8)的第二端口(8b)与第二光学谐振腔连接，产生第二级布里 渊激光，该第二级布里渊激光输入到第四三端口耦合器(11)； 所述的第四三端口耦合器(11)将接收到的第一级布里渊激光和第二级布里渊激光传 输给光电探测器(12)，该光电探测器(12)与频谱仪(13)连接。 2.根据权利要求1所述的一种基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装 置，其特征在于，所述的第一光纤放大器(2)。
5、、第二光纤放大器(7)均为掺铒光纤放大器。 3.根据权利要求2所述的一种基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装 置，其特征在于，所述的第一光学谐振腔用于产生第一级布里渊激光，该第一光学谐振腔包 括第一三端口耦合器(5)和第一光纤(4)，所述的第一三端口耦合器(5)的输入端口(5a) 与第一光纤环形器(3)的第三端口(3c)连接，所述的第一三端口耦合器(5)的第一输出端 口(5b)与第一光纤(4)一端连接，所述的第一三端口耦合器(5)的第二输出端口(5c)与 第二三端口耦合器(6)的输入端(6a)连接，所述的第一光纤(4)另一端与第一光纤环形器 (3)的第二端口(3b)连接。 4.根据权。
6、利要求3所述的一种基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装 置，其特征在于，所述的第一三端口耦合器(5)的耦合比为90/10。 5.根据权利要求4所述的一种基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装 置，其特征在于，所述的第二三端口耦合器(6)的耦合比为50/50，其第一输出口(6b)与第 二光纤放大器(7)连接，第二输出口(6c)与第四三端口耦合器(11)的第一输入端(11a) 连接。 6.根据权利要求5所述的一种基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装 置，其特征在于，所述的第二光学谐振腔用于产生第二级布里渊激光，包括第二光纤(9)和 第三三端口耦合器(10)，所述的第三三。
7、端口耦合器(10)的输入端(10a)与第二光纤环形器 (8)的第三端口(8c)连接，所述的第三三端口耦合器(10)第一输出口(10b)与第二光纤 (9)一端连接，所述的第三三端口耦合器(10)第二输出口(10c)与第四三端口耦合器(11) 的第二输入端(11b)连接。 7.根据权利要求6所述的一种基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装 置，其特征在于，所述的第三三端口耦合器(10)的耦合比30/70。 8.根据权利要求7所述的一种基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装 置，其特征在于，还包括光纤拉伸组件，该光纤拉伸组件置于第二光学谐振腔内。 9.根据权利要求8所述的一种基于级联。
8、布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装 置，其特征在于，所述的光纤拉伸组件包括固定鼓轮和活动鼓轮，所述的第二光纤绕在固定 权 利 要 求 书CN 102522678 A 2/2页 3 鼓轮和活动鼓轮上。 权 利 要 求 书CN 102522678 A 1/5页 4 基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装置 技术领域 0001 本发明涉及一种光生微波装置，尤其是涉及一种基于级联布里渊激光器的频率精 密可调谐光生微波装置。 背景技术 0002 可调谐高频微波信号在射频天文学、光载无线通信(ROF)系统、雷达系统、相控阵 天线等诸多领域具有广泛的应用。可调谐高频微波信号常规地通过电子学方式产。
9、生有诸多 不足，如系统结构复杂、实现成本高，且由于电传输线的高损耗而无法实现远距离传输。而 激光频率高达数百THz，将两束激光信号进行拍频极容易产生高频微波信号(数十GHz)，并 且光纤因其超高带宽和低功率损耗，是毫米波或微波信号的一个理想传输模式，因此，通过 光子学方法产生可调谐高频微波/毫米波信号是目前微波光子学研究领域中的一个重要 研究课题。 0003 可调谐高频微波/毫米波信号的光子学产生方法是基于光学外差法的两束激光 的拍频技术。可调谐特性主要集中在调谐范围和调谐精度来展开研究。近年来，由于布里 渊激光器的窄线宽性能，已在可调谐微波信号的产生上具有广泛的应用。主要有以下三种， 第一种。
10、方法为通过两个独立的布里渊激光器直接拍频。2008年，J.Geng等人通过对两个激 光器的泵浦光进行温度调谐方法，产生的微波信号的调谐精度为1.4GHz/，但是激光器的 相位噪声和频率漂移将传递给微波信号，并且产生的微波信号的调谐能力受限于可调谐单 频激光器的调谐能力。第二种方法是将一个激光器输出信号经过一个外部光学调制器产生 边频信号，通过边频信号和激光信号进行拍频即可得到微波信号，通过改变调制频率即可 得可调谐微波信号。但这种方法系统较复杂并且需要一个频率可调谐参考微波信号源。第 三种方法为利用一个双波长单频激光器，将其双波长输出进行拍频可得微波信号，对其中 一个波长激光进行调谐即可得可调。
11、谐微波信号。这种方法由于两个波长激光来自一个谐振 腔或具有同一个激光泵浦源，因此产生的微波信号噪声较小。2005年，Y.Shen等人通过温 度调谐微波信号方法，其频率调谐范围达100MHz。但是由于环境温度波动的影响，要提高微 波信号的频率调谐精度，必须采用一定激光稳频措施。 发明内容 0004 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单且成 本低廉的基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装置。 0005 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： 0006 一种基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装置，包括DFB(分布反 馈式半导体)激光器1、第一光纤放大器。
12、2、第一光纤环形器3、第二三端口耦合器6、第二光 纤放大器7、第二光纤环形器8、第四三端口耦合器11、光电探测器12和频谱仪13，其特征 在于， 0007 还包括第一光学谐振腔和第二光学谐振腔，所述的DFB激光器1通过第一光纤放 说 明 书CN 102522678 A 2/5页 5 大器2与第一光纤环形器3的第一端口3a连接，所述的第一光纤环形器3的第二端口3b 与第一光学谐振腔连接，产生第一级布里渊激光经第二三端口耦合器6后，一路通过经第 二光纤放大器7输入到第二光纤环形器8的第一端口8a，另一路输入到第四三端口耦合器 11； 0008 所述的第二光纤环形器8的第二端口8b与第二光学谐振腔连。
13、接，产生第二级布里 渊激光，该第二级布里渊激光输入到第四三端口耦合器11； 0009 所述的第四三端口耦合器11将接收到的第一级布里渊激光和第二级布里渊激光 传输给光电探测器12，该光电探测器12与频谱仪13连接。 0010 所述的第一光纤放大器2、第二光纤放大器7均为掺铒光纤放大器。 0011 所述的第一光学谐振腔用于产生第一级布里渊激光，该第一光学谐振腔包括第 一三端口耦合器5和第一光纤4，所述的第一三端口耦合器5的输入端口5a与第一光纤环 形器3的第三端口3c连接，所述的第一三端口耦合器5的第一输出端口5b与第一光纤4 一端连接，所述的第一三端口耦合器5的第二输出端口5c与第二三端口耦合。
14、器6的输入端 6a连接，所述的第一光纤4另一端与第一光纤环形器3的第二端口3b连接。 0012 所述的第一三端口耦合器5的耦合比为90/10。 0013 所述的第二三端口耦合器6的耦合比为50/50，其第一输出口6b与第二光纤放大 器7连接，第二输出口6c与第四三端口耦合器11的第一输入端11a连接。 0014 所述的第二光学谐振腔用于产生第二级布里渊激光，包括第二光纤9和第三三端 口耦合器10，所述的第三三端口耦合器10的输入端10a与第二光纤环形器8的第三端口8c 连接，所述的第三三端口耦合器10第一输出口10b与第二光纤9一端连接，所述的第三三 端口耦合器10第二输出口10c与第四三端口。
15、耦合器11的第二输入端11b连接。 0015 所述的第三三端口耦合器10的耦合比30/70。 0016 还包括光纤拉伸组件，该光纤拉伸组件置于第二光学谐振腔内。 0017 所述的光纤拉伸组件包括固定鼓轮和活动鼓轮，所述的第二光纤绕在固定鼓轮和 活动鼓轮上。 0018 与现有技术相比，本发明具有以下优点： 0019 1)可以实现微波信号在一个自由频谱宽度内的精密调谐，产生的微波信号线宽 窄，噪声低，稳定性高，不需要使用额外的微波信号源进行光学稳频或进行光学调制，为全 光纤光路结构，具有结构简单且成本低廉的优点。 0020 2)两个谐振腔的长度均为10.3米，其自由频谱宽度(FSR)与布里渊增益谱。
16、的谱宽 (20MHz)相当，可以获得稳定的单纵模布里渊激光输出，因此拍频所生微波信号线宽极窄； 并且两个级联谐振腔所产生的布里渊激光都是由同一DFB激光泵浦产生的，因此拍频所生 微波信号具有很高的频率稳定性。 0021 3)通过在第二个光学谐振腔中加入光纤拉伸组件，可以实现微波信号在一个自由 频谱宽度(FSR)内的精密调谐。 附图说明 0022 图1为本发明的结构示意图； 0023 图2为本发明的光纤拉伸组件结构示意图； 说 明 书CN 102522678 A 3/5页 6 0024 图3为实施得到的拍频微波信号频谱图； 0025 图4为微波信号线宽测量图； 0026 图5为三小时内微波信号功。
17、率测量结果示意图； 0027 图6为微波信号频率可调谐实验测量结果图； 0028 图7为测得的可调谐微波信号的调谐精度频率图。 具体实施方式 0029 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。 0030 实施例 0031 一种基于级联布里渊激光器的频率精密可调谐光生微波装置，包括DFB激光器1、 第一光纤放大器2、第一光纤环形器3、第二三端口耦合器6、第二光纤放大器7、第二光纤环 形器8、第四三端口耦合器11、光电探测器12、频谱仪13、第一光学谐振腔和第二光学谐振 腔、光纤拉伸组件，所述的DFB激光器1通过第一光纤放大器2与第一光纤环形器3的第一 端口3a连接，所述的第一光纤环形器3的。
18、第二端口3b与第一光学谐振腔连接，产生第一级 布里渊激光经第二三端口耦合器6后，一路通过经第二光纤放大器7输入到第二光纤环形 器8的第一端口8a，另一路输入到第四三端口耦合器11； 0032 所述的第二光纤环形器8的第二端口8b与第二光学谐振腔连接，产生第二级布里 渊激光，该第二级布里渊激光输入到第四三端口耦合器11； 0033 所述的第四三端口耦合器11将接收到的第一级布里渊激光和第二级布里渊激光 传输给光电探测器12，该光电探测器12与频谱仪13连接。 0034 所述的第一光纤放大器2、第二光纤放大器7均为掺铒光纤放大器。 0035 所述的第一光学谐振腔用于产生第一级布里渊激光，该第一光学。
19、谐振腔包括第 一三端口耦合器5和第一光纤4，所述的第一三端口耦合器5的输入端口5a与第一光纤环 形器3的第三端口3c连接，所述的第一三端口耦合器5的第一输出端口5b与第一光纤4 一端连接，所述的第一三端口耦合器5的第二输出端口5c与第二三端口耦合器6的输入端 6a连接，所述的第一光纤4另一端与第一光纤环形器3的第二端口3b连接。所述的第一三 端口耦合器5的耦合比为90/10。 0036 所述的第二三端口耦合器6的耦合比为50/50，其第一输出口6b与第二光纤放大 器7连接，第二输出口6c与第四三端口耦合器11的第一输入端11a连接。 0037 所述的第二光学谐振腔用于产生第二级布里渊激光，包括。
20、第二光纤9和第三三端 口耦合器10，所述的第三三端口耦合器10的输入端10a与第二光纤环形器8的第三端口8c 连接，所述的第三三端口耦合器10第一输出口10b与第二光纤9一端连接，所述的第三三 端口耦合器10第二输出口10c与第四三端口耦合器11的第二输入端11b连接。所述的第 三三端口耦合器10的耦合比30/70。 0038 所述的光纤拉伸组件置于第二光学谐振腔内。所述的光纤拉伸组件包括固定鼓轮 14和活动鼓轮15，所述的第二光纤9绕在固定鼓轮14和活动鼓轮15上。固定鼓轮14固 定不动，活动鼓轮15通过计算机进行控制，其步进长度为2.5m。通过拉动活动鼓轮15， 可以对第二光纤9施加应力，。
21、从而布里渊增益谱会平移，频率v B 会改变。 0039 本发明的工作原理是：DFB激光器作为信号源，其输出的激光信号经掺铒光纤放 说 明 书CN 102522678 A 4/5页 7 大器放大再经过光纤环形器后作为布里渊泵浦光输入两个级联的激光谐振腔，两个谐振腔 均为单模光纤，长度均为10.3米，其自由频谱宽度(FSR)为19.8MHz，与布里渊增益谱的谱 宽(20MHz)相当。当输入的泵浦光超过布里渊阈值，可以有稳定的单纵模布里渊激光输出。 在第二个激光谐振腔里加入光纤拉伸组件。则在第一、二谐振腔中激发的一、二级布里渊激 光的频率分别为 0040 f 1 f 0 -v B f 2 f 1 -。
22、v B (1) 0041 其中f 0 为布里渊泵浦光频率，v B 为单模光纤的布里渊频移。则拍频后产生的微波 信号频率为 0042 f RF |f 2 -f 1 | B (2) 0043 v B 为 0044 v B 2nV A / p (3) 0045 其中， p 为布里渊泵浦光的波长，V A 为声子声速，n为光纤折射率。当光纤受到拉 伸应力作用时，光纤中的声速V A 会变大，布里渊频移v B 也会变大，通过对光纤施加应力可以 改变v B ，即改变布里渊频谱的中心频率，这种现象称为布里渊频移的应力效应；另外，由于 布里渊增益谱很窄在布里渊增益谱中心附近呈现强烈色散，它使得布里渊激光器的Sto。
23、kes 光的频率更靠近增益谱中心频率，这种现象成为频率牵引效应。我们利用光纤的布里渊频 移应力效应再加上激光腔内的频率牵引效应使得布里渊激光的Stokes光频跟随变化从而 可实现在一个自由频谱宽度(FSR)内的微波频率的精密连续调谐。 0046 本实施例中所述的DFB激光器1的波长为1544nm。 0047 所述的掺铒光纤放大器的最大输出功率为2W，功率可以连续调节。 0048 所述的第一光纤、第二光纤的长度均为10.3m，其自由频谱宽度与布里渊增益谱谱 宽相当。 0049 本实施例工作时，将DFB激光器1的输出信号光功率调到2mW，信号光经第一掺铒 光纤放大器放大后功率为106mW时，达到第。
24、一谐振腔的布里渊阈值，第一级布里渊激光再 经第二掺铒光纤放大器放大后功率为300mW时，达到第二谐振腔的布里渊阈值，最后两路 不同频率的布里渊激光通过第四耦合器输出到光电探测器进行拍频，其拍频微波信号频率 为10.864GHz，所得微波信号频谱图如图3所示。 0050 所述的频谱仪的测量分辨率是0.1KHz。 0051 本实施例得到的拍频微波信号的线宽如图4所示，根据布里渊激光的线宽窄化公 式 0052 0053 A 为声波的衰减率， C 为谐振腔腔损。这里，两个级联的谐振腔腔长相等，为L 10.3米。第一级布里渊激光的耦合效率R 1 0.9，第二级的R 2 0.3。两级布里渊激光 的输出线宽。
25、大小相近，均为KHz量级。由图可知，微波信号线宽为2.8KHz。 0054 测量三小时后，本实施例得到的拍频微波信号功率随测量时间变化示意图，如图5 所示。由于级联BFLs具有同一起始布里渊泵浦(DFB Laser)，并且具有级联谐振腔结构，因 此彼此拍频产生的微波信号可以抵消大部分激光相位噪声和频率漂移的影响，具有很好的 说 明 书CN 102522678 A 5/5页 8 稳定性。 0055 本实例得到的可调谐微波信号是基于对光纤施加应力以及布里渊激光腔的频率 牵引效应实现的，可以在一个自由频谱宽度19.8MHz内进行精密调谐，其中可调谐范围为 9.6MHz，跳模为10.2MHz，图6为微波信号频率可调谐实验测量结果图。 0056 本实例对得到微波信号的布里渊激光器的调谐是基于在声频范畴内进行的，调谐 的精度很高，可以达到100KHz，图7为测得的可调谐微波信号的频率分别为10864.5MHz， 10864.6MHz。 说 明 书CN 102522678 A 1/3页 9 图1 图2 图3 说 明 书 附 图CN 102522678 A 2/3页 10 图4 图5 说 明 书 附 图CN 102522678 A 10 3/3页 11 图6 图7 说 明 书 附 图CN 102522678 A 11 。