專利名稱：基于雙波長單頻光纖激光器的微波信號源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及窄帶微波信號源，特別是涉及基于雙波長窄線寬的單縱模光纖激光器的微波信號源(微波信號線寬達kHz級，中心頻率達數(shù)十GHz量級)。
背景技術(shù)：
和基于電子振蕩的傳統(tǒng)電子學微波信號發(fā)生器相比,基于光子學手段的微波信號發(fā)生器體積小，更節(jié)能，因此在工業(yè)、軍事等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其在射頻光纖網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信、寬帶無線通信等產(chǎn)業(yè)中有著重要的地位。衛(wèi)星通信要求微波信號源體積小，而寬帶無線通信等要求高達數(shù)十GHz的微波信號源。傳統(tǒng)的微波信號源或者難以產(chǎn)生高達數(shù)十GHz的微波信號，或者信號源體積巨大。目前研究的基于雙波長單縱模激光器的微波信號源，采用的技術(shù)方案包括環(huán)形腔光纖激光器、長直腔光纖激光器和半導(dǎo)體激光器等。相比于光電外調(diào)制技術(shù)、光注入鎖定技術(shù)和相位鎖定技術(shù)等其它基于光子學的微波信號產(chǎn)生技術(shù)，基于雙波長單縱模激光器的微波信號源不需要射頻信號參考源，也不需要特殊設(shè)計的光學或射頻濾波器，其結(jié)構(gòu)更為簡單，系統(tǒng)成本更低。然而，現(xiàn)有的基于雙波長單縱模激光器的微波信號源，或者受限于激光器兆赫茲級的線寬，無法產(chǎn)生有實際應(yīng)用意義的窄線寬微波信號，或者受限于激光器長達數(shù)米的腔長，模式不穩(wěn)定且無法集成。利用高摻雜磷酸鹽光纖的高增益特性，和雙通帶濾波器的雙通選頻特性，可以實現(xiàn)短直腔結(jié)構(gòu)的緊湊的基于雙波長單頻光纖激光器的微波信號源。通過對雙波長窄線寬單頻激光信號的外差探測，該信號源可以最終實現(xiàn)線寬達kHz、中心頻率數(shù)十GHz的微波信號輸出。

實用新型內(nèi)容
·[0005]本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供基于雙波長單頻光纖激光器的微波信號源，即在短直腔結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生雙波長激光激射，并產(chǎn)生窄線寬(kHz量級)微波信號的微波信號源。本實用新型利用磷酸鹽玻璃纖芯材料的高摻雜和高增益特性，設(shè)計制作磷酸鹽玻璃單模光纖作為激光介質(zhì)材料，采用短直腔結(jié)構(gòu)，結(jié)合雙通帶選頻作用，在泵浦光源的持續(xù)抽運下，在激光腔內(nèi)產(chǎn)生kHz量級線寬的雙波長激光激射，再利用低通光電轉(zhuǎn)換芯片的外差探測，最終實現(xiàn)線寬達kHz量級、中心頻率數(shù)十GHz的微波信號輸出。本實用新型的的目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn):基于雙波長單頻光纖激光器的微波信號源，其包括光電轉(zhuǎn)換芯片、光隔離芯片、雙通帶濾波器、高增益光纖、耦合透鏡和半導(dǎo)體泵浦激光器，其還包括二色鏡或?qū)拵Ч饫w光柵，光電轉(zhuǎn)換芯片與光隔離芯片輸出端連接，光隔離芯片輸入端與耦合輸出雙通帶濾波器連接；雙通帶濾波器經(jīng)高增益光纖與二色鏡或?qū)拵Ч饫w光柵組成激光腔；半導(dǎo)體泵浦激光器產(chǎn)生的泵浦光經(jīng)由耦合透鏡耦合后再經(jīng)由二色鏡至高增益光纖后端的纖芯中，進行纖芯泵浦，雙波長單頻激光信號的兩個不同波長的光波，在光電轉(zhuǎn)換芯片處相拍，最后在輸出端得到差頻微波信號。進一步的，所述高增益光纖為稀土摻雜磷酸鹽單模玻璃光纖，其纖芯成分為磷酸鹽玻璃，組成為70P205-8Al203-15Ba0-4La203-3Nd203，所述高增益光纖的纖芯摻雜高濃度的發(fā)光離子，所述發(fā)光離子為鑭系離子、過渡金屬離子中一種或多種的組合體，所述發(fā)光離子摻雜濃度大于lX1019ions/cm3，且在其纖芯中是均勻摻雜。進一步的，所述高增益光纖是保偏的稀土摻雜磷酸鹽單模玻璃光纖。進一步的，所述高增益光纖的單位長度增益大于I dB/cm，光纖長度為0.5 5cm。進一步的，所述雙通帶濾波器的通帶頻譜特征表現(xiàn)為位于高增益光纖增益帶寬內(nèi)的兩個反射峰，兩個反射峰的譜寬都小于0.15nm，反射峰中心波長反射率為10 95%，兩個反射峰中心波長間的頻率間隔大于10 GHz。進一步的，所述雙通帶濾波器為全光纖結(jié)構(gòu)，是一對反射率和反射譜都相同的均勻光纖光柵構(gòu)成的F-P濾波器，或是一個相移光纖光柵，或是其它具有類似所述通帶頻譜特征的濾波器。進一步的，所述雙波長單頻光纖激光器是短直腔結(jié)構(gòu)，其前腔鏡是雙通帶濾波器，后腔鏡可以是二色鏡或?qū)拵Ч饫w光柵，激光腔長度為廣150_，其中二色鏡可以是單獨的鍍膜器件，或為直接在高增益光纖研磨拋光后的一側(cè)端面鍍上薄膜形成，所述薄膜對激光信號波長反射率大于95%，對泵浦波長透射率大于90% ;所述寬帶光纖光柵是對泵浦光高透，透射率大于90%，而對激勵信號波長高反，反射率大于95%，其3dB反射譜寬為0.1nm IOnm0進一步的，所述雙通帶濾波器、高增益光纖和二色鏡或?qū)拵Ч饫w光柵之間是通過將相接處的相應(yīng)端面進行研磨拋光后，實現(xiàn)端對端耦合的。進一步的，所述鑭系離子為Er3+，Yb3+，Tm3+，Gd3+，Tb3+，Dy3+，Ho3 或 Lu3+。進一步的，所述過渡金屬離子為Cu2+，Co2+，Cr3+，F(xiàn)e2+或Mn2+。進一步的,所述高增益光纖纖芯直徑為3 10 μ m,包層直徑為60 800 μ m。所述雙通帶濾波器可以是一對均勻光纖光柵組成的F-P濾波器，這一對光纖光柵可以是熔接，可以是斷面經(jīng)過研磨拋光后直接對接，也可以是在同一條單模光纖上刻寫的間隔一定距離的一對光柵。這一對光纖光柵的反射率和反射譜相同。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的技術(shù)效果是:可以將厘米量級的高增益稀土摻雜磷酸鹽玻璃單模光纖作為激光的增益介質(zhì)，由耦合輸出雙通帶濾波器和二色鏡組成諧振腔結(jié)構(gòu)的前后腔鏡，在LD的連續(xù)激勵下，纖芯中的高摻雜稀土粒子發(fā)生反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生雙波長激光激射，兩個不同波長的光波在光電轉(zhuǎn)換芯片表面相拍，最后在輸出端產(chǎn)生一個微波信號。該激光器的腔長只有厘米量級，由激光腔的選模原理可知，腔內(nèi)的縱模頻率間隔可達f 100GHz，只要雙通帶濾波器的兩個反射峰的譜寬足夠窄，如小于0.08nm,即可實現(xiàn)雙波長單縱模激光輸出。雙波長激光信號的單頻特性保證了該信號源不需要復(fù)雜的濾波系統(tǒng)就可以獲得一個頻譜凈度高的微波信號。利用光電轉(zhuǎn)換芯片對線寬達kHz量級、頻率間隔達數(shù)十GHz的雙波長單頻激光信號進 行外差探測，最后可以得到一個線寬達kHz量級，中心頻率達數(shù)十GHz的窄線寬微波信號。
圖1為本實用新型實施例1基于雙波長單頻光纖激光器的微波信號源的原理示意圖，其中雙通帶濾波器由一對均勻光纖光柵組成，激光后腔鏡米用二色鏡。圖2為本實用新型實施例1基于雙波長單頻光纖激光器的微波信號源的原理示意圖，其中雙通帶濾波器由一對均勻光纖光柵組成，激光后腔鏡采用寬帶光纖光柵。圖3為本實用新型實施例2基于雙波長單頻光纖激光器的微波信號源的原理示意圖，其中雙通帶濾波器是一個相移光柵，激光后腔鏡采用二色鏡。圖4為本實用新型實施例2基于雙波長單頻光纖激光器的微波信號源的原理示意圖，其中雙通帶濾波器是一個相移光柵，激光后腔鏡采用寬帶光纖光柵。圖中:I—光電轉(zhuǎn)換芯片，2—光隔尚芯片，3—雙通帶濾波器，4一聞增益光纖，5—二色鏡，6—稱合透鏡,7一LD, 8一寬帶光纖光柵,9一均勻光纖光柵，10一相移光纖光柵。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體例子對本實用新型的具體實施方式
作進一步描述，需要說明的是本實用新型要求保護的范圍并不局限于實施例表述的范圍。實施例1如圖1所示，一種基于雙波長單頻光纖激光器的微波信號源，包括一個光電轉(zhuǎn)換芯片1，光隔 離芯片2，耦合輸出雙通帶濾波器3，高增益光纖4，二色鏡5，耦合透鏡6，LD7 ；各部件的結(jié)構(gòu)關(guān)系是:高增益光纖4作為激光增益介質(zhì)，耦合輸出雙通帶濾波器3和二色鏡5組成激光腔前后腔鏡，并且緊貼高增益光纖4的前后兩端，雙通帶濾波器3、高增益光纖4和二色鏡5組成雙波長單頻光纖激光器的諧振腔；泵浦方式采用后向泵浦，由一個LD7產(chǎn)生泵浦光經(jīng)由耦合透鏡6耦合經(jīng)由二色鏡5至高增益光纖4后端的纖芯中，進行纖芯泵浦。后向泵浦光不斷抽運纖芯中的稀土例子，使其達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激發(fā)射產(chǎn)生信號光，信號光在有雙通帶濾波器3和二色鏡5組成的前后腔鏡反射下來回振蕩，隨著泵浦功率不斷增強，振蕩信號光突破閾值，產(chǎn)生雙波長激光激射，由于激光諧振腔的腔長短，且雙通帶濾波器3的反射譜很窄，從而保證了諧振腔能輸出雙波長窄線寬的單頻激光。雙波長激光信號的兩個不同波長的光波，在光電轉(zhuǎn)換芯片I的表面相拍，產(chǎn)生一個高達數(shù)百THz的和頻信號和一個差頻微波信號，由于光電轉(zhuǎn)換芯片I的低通濾波特性，最后在輸出端得到的是差頻微波信號。該微波信號的頻率等于兩個不同波長的光波的頻率差。雙波長單頻光纖激光器的窄線寬特性決定了最后產(chǎn)生的微波信號的線寬可以達到kHz量級。雙波長單頻光纖激光器的兩個激射波長由雙通帶濾波器3的反射譜的兩個通帶決定，如選擇頻率間隔為60GHz的雙通濾波器，可以實現(xiàn)頻率間隔60GHz的雙波長激射，最終產(chǎn)生中心頻率60GHz、線寬達kHz量級的微波信號。圖1-2為本實用新型實施例1的基于雙波長單頻光纖激光器的微波信號源的原理示意圖，高增益光纖4作為雙波長單頻激光器的增益介質(zhì)，由雙通帶濾波器3和二色鏡5組成激光器諧振腔的前后腔鏡，雙通帶濾波器3的兩個反射峰都位于激光介質(zhì)的增益譜內(nèi)，并且位于二色鏡5的高反射譜內(nèi)，反射率大于95%。泵浦光采用LD7后向泵浦方式由耦合透鏡6耦合，經(jīng)由二色鏡5至高增益光纖4的纖芯內(nèi)。在泵浦光的持續(xù)抽運下，高增益光纖4內(nèi)的高摻雜稀土粒子發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激發(fā)射信號光，信號光在前后腔鏡作用下，多次來回振蕩并得到多次放大，并產(chǎn)生雙波長激光輸出。雙波長激光信號經(jīng)耦合輸出雙通帶濾波器3輸出，經(jīng)過光隔離芯片2到達光電轉(zhuǎn)換芯片I。通過光電轉(zhuǎn)換芯片I的外差探測，在光電轉(zhuǎn)換芯片I的輸出端最終得到一個中心頻率等與雙波長激光信號頻率間隔的微波信號。其中，高增益光纖4的長度可根據(jù)雙通帶濾波器3的反射譜寬和微波信號的中心頻率來選擇，一般為0.5 10cm均可。其纖芯稀土離子的摻雜濃度要大于lX1019ions/cm3。纖芯直徑可以為]Λ Ο Mm。光纖纖芯成分為磷酸鹽玻璃，其組成為:70P205-8A1203-15Ba0-4La203-3Nd203。稀土離子在纖芯中是均勻的高濃度摻雜。高增益光纖4是通過鉆孔法、管棒法制作預(yù)制棒，并在光纖拉制塔中拉制而成的。雙通帶濾波器3由一對反射譜重合且反射率相同的均勻光纖光柵9組成。這一對光柵的結(jié)合方式可以是光纖熔接，也可以是通過研磨光纖端面拋光后對接，或者也可以通過在同一根光纖上用相同的曝光參數(shù)和掩模刻寫兩個光柵來形成雙通帶濾波器3。兩個均勻光纖光柵的柵區(qū)之間留有一定長度的普通單模光纖。兩個均勻光柵柵區(qū)的空間間隔決定了雙通帶濾波器3兩個反射峰之間的頻率間隔，一般為0.1mnTl.0cm0通過控制兩個均勻光纖光柵9柵區(qū)的間隔和反射譜寬，可以控制最后產(chǎn)生的微波信號的中心頻率。高增益光纖4纖芯的高摻雜及高增益特性，在單頻激光輸出功率大于IOOmW時，所需高增益光纖的長度僅為2cm，因而，使用雙通帶濾波器3和二色鏡5組成短直腔結(jié)構(gòu)，可使激光腔長小于10cm，從而，可以保證在雙通帶濾波器3的反射譜線寬小于0.0Snm的情況下，產(chǎn)生雙波長激光激射時每一個波長僅有單一縱模，且無跳?，F(xiàn)象。在激光功率飽和前，隨著泵浦功率的不斷增強，激光線寬就會不斷變窄，可以實現(xiàn)kHz量級的超窄線寬輸出。雙波長窄線寬單頻激光信號保證了光電轉(zhuǎn)換芯片I最后輸出的差頻微波信號的線寬窄達kHz量級，中心頻率達到數(shù)十GHz。圖1中激光器的后腔鏡可以用寬帶光纖光柵代替，如圖2所示。寬帶光纖光柵對信號光波長反射率大于95%，其3dB反射譜寬為0.1nm 10nm，包含雙通帶濾波器3的兩個反射峰，且位于高增益光纖4的增益帶寬內(nèi)。LD7經(jīng)由耦合透鏡6耦合到寬帶光纖光柵的纖芯內(nèi)，利用纖芯泵浦原理實現(xiàn)對高增益光纖4纖芯中稀土離子的抽運，以使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達到不斷放大振蕩光信號的目的，實現(xiàn)雙波長激光輸出，并最終在光電轉(zhuǎn)換芯片I的輸出端輸出窄線寬微波信號。實施例2圖3-4為本實用新型實施例2的基于雙波長單頻光纖激光器的微波信號源的原理示意圖。其中雙通帶濾波器3由相移光纖光柵10實現(xiàn)。通過在均勻光柵合適的位置引入合適長度的相移區(qū)域，可以改變均勻光柵的反射譜，使其出現(xiàn)兩個有一定頻率間隔的窄帶寬反射峰。其它同實施 例1。
權(quán)利要求1.基于雙波長單頻光纖激光器的微波信號源，其特征在于包括光電轉(zhuǎn)換芯片(I)、光隔離芯片(2)、雙通帶濾波器(3)、高增益光纖(4)、耦合透鏡(6)和半導(dǎo)體泵浦激光器(7)，其還包括二色鏡(5)或?qū)拵Ч饫w光柵(8)，光電轉(zhuǎn)換芯片(I)與光隔離芯片(2)輸出端連接，光隔離芯片(2)輸入端與耦合輸出雙通帶濾波器(3)連接；雙通帶濾波器(3)經(jīng)高增益光纖(4)與二色鏡(5)寬帶光纖光柵(8)組成激光腔；半導(dǎo)體泵浦激光器(7)產(chǎn)生的泵浦光經(jīng)由耦合透鏡(6)耦合后再經(jīng)由二色鏡(5)至高增益光纖(4)后端的纖芯中，進行纖芯泵浦，經(jīng)雙通帶濾波器(3)產(chǎn)生的雙波長單頻激光信號的兩個不同波長的光波，在光電轉(zhuǎn)換芯片(I)處相拍，最后在輸出端得到差頻微波信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙波長單頻光纖激光器的微波信號源，其特征在于:所述高增益光纖(4)為稀土摻雜磷酸鹽單模玻璃光纖，其纖芯成分為磷酸鹽玻璃，所述高增益光纖(4)的纖芯摻雜高濃度的發(fā)光離子，所述發(fā)光離子為鑭系離子、過渡金屬離子中一種或多種的組合體，所述發(fā)光離子摻雜濃度大于lX1019ionS/cm3，且在其纖芯中是均勻摻雜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙波長單頻光纖激光器的微波信號源，其特征在于:所述高增益光纖(4 )是保偏的稀土摻雜磷酸鹽單模玻璃光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙波長單頻光纖激光器的微波信號源，其特征在于:所述高增益光纖(4)的單位長度增益大于I dB/cm，光纖長度為0.5 5cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙波長單頻光纖激光器的微波信號源，其特征在于:所述雙通帶濾波器(3)的通帶頻譜特征表現(xiàn)為位于高增益光纖(4)增益帶寬內(nèi)的兩個反射峰，兩個反射峰的譜寬都小于0.15nm，反射峰中心波長反射率為10 95%，兩個反射峰中心波長間的頻率間隔大于10 GHz。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于 雙波長單頻光纖激光器的微波信號源，其特征在于:所述雙通帶濾波器(3)為全光纖結(jié)構(gòu)，是一對反射率和反射譜都相同的均勻光纖光柵構(gòu)成的F-P濾波器，或是一個相移光纖光柵(10)，或是其它具有類似所述通帶頻譜特征的濾波器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙波長單頻光纖激光器的微波信號源，其特征在于:所述雙波長單頻光纖激光器是短直腔結(jié)構(gòu)，其前腔鏡是雙通帶濾波器(3)，后腔鏡可采用二色鏡(5)或?qū)拵Ч饫w光柵(8)，激光腔長度為ri50mm;其中以二色鏡(5)為后腔鏡時，二色鏡(5)為單獨的鍍膜器件，或為直接在高增益光纖(4)研磨拋光后的一側(cè)端面鍍上薄膜形成，所述薄膜對激光信號波長反射率大于95%，對泵浦波長透射率大于90% ;所述寬帶光纖光柵(8)是對泵浦光高透，透射率大于90 %，而對激勵信號波長高反,反射率大于95 %，其3dB反射譜寬為0.1nm 10nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙波長單頻光纖激光器的微波信號源，其特征在于:所述雙通帶濾波器(3)、高增益光纖(4)和二色鏡(5)或?qū)拵Ч饫w光柵(8)之間是通過將相接處的相應(yīng)端面進行研磨拋光后，實現(xiàn)端對端耦合的。
專利摘要本實用新型公開了基于雙波長單頻光纖激光器的微波信號源。該微波信號源由雙波長單頻光纖激光器和光電轉(zhuǎn)換芯片兩部分組成，其中雙波長單頻光纖激光器包括光隔離芯片、雙通帶濾波器、高增益光纖、二色鏡或?qū)拵Ч饫w光柵陣列、耦合透鏡和LD，它可以實現(xiàn)雙波長超窄線寬(kHz級)單頻(單縱模)激光輸出。通過利用光電轉(zhuǎn)換芯片對雙波長單頻光纖激光器產(chǎn)生的雙波長窄線寬激光信號進行外差探測，最終在輸出端產(chǎn)生一個線寬達kHz量級，頻率達數(shù)十GHz的窄線寬微波信號。該實用新型可應(yīng)用于射頻光纖網(wǎng)絡(luò)、寬帶無線通信和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域。
文檔編號H04B10/50GK203166931SQ201320106248
公開日2013年8月28日 申請日期2013年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月8日
發(fā)明者徐善輝, 馮洲明, 莫樹培, 楊中民, 張勤遠 申請人:華南理工大學