Y型腔全光纤跳频毫米波生成装置,涉及光纤通信、毫米波光学生成技术领域,宽带光栅(2)两端分别接泵浦源(1)和有源光纤(3),有源光纤(3)另一端口接1×2耦合器(4)输入端,1×2耦合器(4)两个输出端口分别接窄带光纤光栅(6)和1×N光开关(5)的光输入端口,1×N光开关(5)的N个通道端口分别接第一或二...或N窄带光纤光栅(71)(72)...(7N),使用一个(N+1)×1耦合器(8)将窄带光纤光栅(6)和第一至第N窄带光纤光栅的输出端耦合为一路,(N+1)×1耦合器(8)输出端口接光电探测器(9),选择光开关状态,组成Y型腔胡两个线型谐振腔激射出的激光在光电探测器处差频,产生跳频毫米波。
1.Y型腔全光纤跳频毫米波生成装置,其特征在于:该装置包括:泵浦源(1)、宽带光纤光栅(2)、有源光纤(3)、1×2耦合器(4)、窄带光纤光栅(6)、1×N光开关(5)、第一窄带光纤光栅(71)、第二窄带光纤光栅(72)...第N窄带光纤光栅(7N)、(N+1)×1耦合器(8)、光电探测器(9);具体连接方式为:宽带光纤光栅(2)两端分别接泵浦源(1)和有源光纤(3)一端,有源光纤(3)另一端口接1×2耦合器(4)输入端,1×2耦合器(4)一个输出端口接窄带光纤光栅(6)的一端,1×2耦合器(4)另一个输出端口接1×N光开关(5)的光输入端口;窄带光纤光栅(6)的另一端接(N+1)×1耦合器(8)输入端;第一窄带光纤光栅(71)的一端接1×N光开关(5)的第一通道端口,第一窄带光纤光栅(71)的另一端接(N+1)×1耦合器(8)输入端;第二窄带光纤光栅(72)的一端接1×N光开关(5)的第二通道端口,第二窄带光纤光栅(72)的另一端接(N+1)×1耦合器(8)输入端;第N窄带光纤光栅(7N)的一端接1×N光开关(5)的第N通道端口,第N窄带光纤光栅(7N)的另一端接(N+1)×1耦合器(8)输入端;(N+1)×1耦合器(8)输出端口接光电探测器(9);有源光纤(3)选用掺铒、或掺镱、或掺钬、或镱铒共掺、或掺钍、或掺镨、或掺钕光纤;窄带光纤光栅(6)和第一窄带光纤光栅(71)、第二窄带光纤光栅(72)......第N窄带光纤光栅(7N)的反射波长互不重合;窄带光纤光栅(6)、第一窄带光纤光栅(71)、第二窄带光纤光栅((72)......第N窄带光纤光栅(7N)的反射波长均在宽带光纤光栅(2)的反射带宽内。
2.根据权利要求1所述的Y型腔全光纤跳频毫米波生成装置,其特征在于:第一窄带光纤光栅(71)的一端接1×N光开关(5)的第一通道端口时,窄带光纤光栅(6)与宽带光纤光栅(2)形成一个独立的线型谐振腔;第一窄带光纤光栅(71)与宽带光纤光栅(2)形成一个独立的线型谐振腔;这样组成Y型腔的两个线性谐振腔均工作在不同的谐振波长上,产生两路不同波长的激光,在光电探测器(9)处差频,产生毫米波;第二窄带光纤光栅(72)的一端接1×N光开关(5)的第二通道端口时,窄带光纤光栅(6)与宽带光纤光栅(2)形成一个独立的线型谐振腔;第二窄带光纤光栅(72)与宽带光纤光栅(2)形成一个独立的线型谐振腔;这样组成Y型腔的两个线性谐振腔均工作在不同的谐振波长上,产生两路不同波长的激光,在光电探测器(9)处差频,产生毫米波;第N窄带光纤光栅(7N)的一端接1×N光开关(5)的第N通道端口时,窄带光纤光栅(6)与宽带光纤光栅(2)形成一个独立的线型谐振腔;第N窄带光纤光栅(7N)与宽带光纤光栅(2)形成一个独立的线型谐振腔;这样组成Y型腔的两个线性谐振腔均工作在不同的谐振波长上,产生两路不同波长的激光,在光电探测器(9)处差频,产生毫米波;N≥2,N≤16;控制1×N光开关(5)关导向通道选择第一或第二...或第N窄带光纤光栅,对产生的毫米波实现跳频调整。技术领域
本发明涉及光纤通信、毫米波光学生成技术领域,具体地讲是一种Y型腔全光纤跳频毫米波生成装置。
背景技术
毫米波生成问题是微波光子科学中的一项核心技术,也是宽带无线ROF技术的基础问题,围绕毫米波的生成问题,均进行大量的研究和尝试,但是由于毫米波本身工作频段很高(30~300GHz),因而对设备提出了更高的要求,直接造成了构建成本过高,目前提出的毫米波产生方法,如直接调制直接检测法、谐波产生方法、光学外差法等,由于这些方法均依赖于精密昂贵的调谐激光器以及光学调制器,而且对于生成毫米波频率相对固定,无法进行可变频以及跳频调整。光纤光栅的应用以及特别是双波长乃至多波长光纤光栅激光器的研究为低成本生成毫米波问题提供了可能,光纤激光器是光纤通信系统中一种很有前景的光源。基于光纤光栅的多波长激光器及毫米波生成方案不断被提出,如单偏振双波长光纤光栅激光器产生微波、毫米波的装置(专利申请号200710177000.9)、利用线型腔双波长光纤激光器产生微波、毫米波的装置(专利申请号200710176999.5),它们共同存在的问题是无法对毫米波进行跳频调整。
发明内容
本发明是一种Y型腔全光纤跳频毫米波生成装置,发明的初衷是利用廉价的光纤光栅,有源光纤和少量的无源光通信器材,实现毫米波信号的产生,并且频率可调整。其基本原理是两个光学谐振腔公用一段有源光纤,利用光开光选择不同的窄带光纤光栅控制这两个谐振腔具有不同的谐振频率,从而激射出两个不同波长的激光,利用光电探测器,实现差拍生成毫米波,方案中采用光开关选择不同的窄带光纤光栅,实现毫米波频率可调整。整个系统仅由一个宽带光栅,多个窄带光栅,泵浦源,光开关和耦合器组成,具有极低的构建成本,并且毫米波频率可调特性也具有很高的应用价值。本发明的技术方案:Y型腔全光纤跳频毫米波生成装置,该装置包括:泵浦源、宽带光纤光栅、有源光纤、1×2耦合器、窄带光纤光栅、1×N光开关、窄带光纤光栅、第一窄带光纤光栅、第二窄带光纤光栅......、第N窄带光纤光栅、(N+1)×1耦合器、光电探测器;具体连接方式为:宽带光纤光栅两端分别接泵浦源和有源光纤一端,有源光纤另一端接1×2耦合器输入端,1×2耦合器一个输出端口接窄带光纤光栅的一端,1×2耦合器另一个输出端口接1×N光开关的光输入端口;窄带光纤光栅的另一端接(N+1)×1耦合器输入端;第一窄带光纤光栅的一端接1×N光开关的第一通道端口,第一窄带光纤光栅的另一端接(N+1)×1耦合器输入端;第二窄带光纤光栅的一端接1×N光开关的第二通道端口,第二窄带光纤光栅的另一端接(N+1)×1耦合器输入端;第N窄带光纤光栅的一端接1×N光开关的第N通道端口,第N窄带光纤光栅的另一端接(N+1)×1耦合器输入端;(N+1)×1耦合器输出端口接光电探测器。本发明的有益效果具体如下:本发明不涉及复杂且昂贵的设备,仅仅采用光纤光栅,有源光纤,泵浦源和少量无源光通信器材,充分利用线性光纤激光器原理,将其应用到微波光子领域,用以产生毫米波信号,本发明最大的优点在于系统结构简单,成本低廉,而且具有毫米波的跳频特性。
附图说明
图1Y型腔全光纤跳频毫米波生成装置示意图(N=2)。图2Y型腔全光纤跳频毫米波生成装置采用光栅反射谱示意图(N=2)。图3Y型腔全光纤跳频毫米波生成装置示意图(N=4)。图4Y型腔全光纤跳频毫米波生成装置采用光栅反射谱示意图(N=4)。图5Y型腔全光纤跳频毫米波生成装置示意图(N=8)。图6Y型腔全光纤跳频毫米波生成装置采用光栅反射谱示意图(N=8)。图7Y型腔全光纤跳频毫米波生成装置示意图(N=16)。图8Y型腔全光纤跳频毫米波生成装置采用光栅反射谱示意图(N=16)。
具体实施方式
下面结合附图1至8对Y型腔全光纤跳频毫米波生成装置作进一步描述。实施例一Y型腔全光纤跳频毫米波生成装置,如图1所示,该装置包括:泵浦源1、宽带光纤光栅2、有源光纤3、1×2耦合器4、窄带光纤光栅6、1×2光开关5、第一窄带光纤光栅71、第二窄带光纤光栅72、3×1耦合器8、光电探测器9;具体连接方式为:宽带光纤光栅2两端分别接泵浦源1和有源光纤3一端,有源光纤3另一端接1×2耦合器4输入端,1×2耦合器4一个输出端口接窄带光纤光栅6的一端,1×2耦合器4另一个输出端口接1×2光开关5的光输入端口,窄带光纤光栅6的一端接3×1耦合器8输入端;第一窄带光纤光栅71的一端接1×2光开关5的第一通道端口,第一窄带光纤光栅71的另一端接3×1耦合器8输入端;第二窄带光纤光栅72的一端接1×2光开关5的第二通道端口,第二窄带光纤光栅72的另一端接3×1耦合器8输入端;3×1耦合器8输出端口接光电探测器9。在本实施例一中N取2,有源光纤3选用掺铒光纤。宽带光纤光栅2反射波中心波长1545.7nm带宽1nm,窄带光纤光栅6反射波中心波长1545.3nm带宽0.1nm,第一窄带光纤光栅71反射波中心波长1545.7nm带宽0.1nm、第二窄带光纤光栅72反射波中心波长1546.1nm带宽0.1nm。实施例中窄带光纤光栅6的反射峰10A,第一窄带光纤光栅71的反射峰10B、第二窄带光纤光栅72的反射峰10C,如图2。宽带光纤光栅2和窄带光纤光栅6组成一个谐振波长固定为1545.3nm的线性谐振腔,当1×2光开关5接第一窄带光纤光栅71,则宽带光纤光栅2和第一窄带光纤光栅71组成另一个线性谐振腔,谐振波长1545.7nm,这样组成Y型腔的两个线性谐振腔均工作在不同的谐振波长上,将激射出波长1545.3nm和1545.7nm的激光,这两路光经由3×1耦合器8耦合到一路后,由光电探测器9差拍得到频率50GHz(对应于0.4nm波长间隔);当1×2光开关5接第二窄带光栅72,宽带光纤光栅2和窄带光纤光栅6组成一个谐振波长固定为1545.3nm的线性谐振腔,宽带光纤光栅2和第二窄带光纤光栅72组成另一个线性谐振腔,谐振波长1546.1nm,这样组成Y型腔的两个线性谐振腔均工作在不同的谐振波长上,将激射出波长1545.3nm和1546.1nm的激光,这两路光经由3×1耦合器8耦合到一路后,由光电探测器9差拍得到频率100GHz(对应于0.8nm波长间隔);控制1×2光开关导向通道选择不同的窄带光纤光栅,产生的毫米波实现50GHz和100GHz两个毫米波频率的跳频调整。实施例二Y型腔全光纤跳频毫米波生成装置,如图3所示,该装置包括:泵浦源1、宽带光纤光栅2、有源光纤3、1×2耦合器4、窄带光纤光栅6、1×4光开关5、第一窄带光纤光栅71、第二窄带光纤光栅72、第三窄带光纤光栅73、第四窄带光纤光栅74、5×1耦合器8、光电探测器9;具体连接方式为:宽带光纤光栅2两端分别接泵浦源1和有源光纤3一端,有源光纤3另一端接1×2耦合器4输入端,1×2耦合器4一个输出端口接窄带光纤光栅6的一端,1×2耦合器4另一个输出端口接1×4光开关5的光输入端口,窄带光纤光栅6的一端接5×1耦合器8输入端;第一窄带光纤光栅71的一端接1×4光开关5的第一通道端口,第一窄带光纤光栅71的另一端接5×1耦合器8输入端;第二窄带光纤光栅72的一端接1×4光开关5的第二通道端口,第二窄带光纤光栅72的另一端接5×1耦合器8输入端;第三窄带光纤光栅73的一端接1×4光开关5的第三通道端口,第三窄带光纤光栅73的另一端接5×1耦合器8输入端;第四窄带光纤光栅74的一端接1×4光开关5的第四通道端口,第四窄带光纤光栅74的另一端接5×1耦合器8输入端;5×1耦合器8输出端口接光电探测器9。在本实施例一中N取4,有源光纤3选用掺钬光纤。宽带光纤光栅2反射波中心波长1545.9nm带宽1.5nm,窄带光纤光栅6反射波中心波长1545.3nm带宽0.1nm,第一窄带光纤光栅71反射波中心波长1545.5nm带宽0.1nm、第二窄带光纤光栅72反射波中心波长1545.9nm带宽0.1nm、第三窄带光纤光栅73反射波中心波长1546.1nm带宽0.1nm、第四窄带光纤光栅74反射波中心波长1546.5nm带宽0.1nm。实施例中窄带光纤光栅6的反射峰10A,第一窄带光纤光栅71的反射峰10B、第二窄带光纤光栅72的反射峰10C、第三窄带光纤光栅73的反射峰10D、第四窄带光纤光栅74的反射峰10E,如图4,宽带光纤光栅2和窄带光纤光栅6组成一个谐振波长固定为1545.3nm的线性谐振腔,当1×4光开关5接第一窄带光纤光栅71,则宽带光纤光栅2和第一窄带光纤光栅71组成另一个线性谐振腔,谐振波长1545.5nm,这样组成Y型腔的两个线性谐振腔均工作在不同的谐振波长上,将激射出波长1545.3nm和1545.5nm的激光,这两路光经由5×1耦合器8耦合到一路后,由光电探测器9差拍得到频率25GHz(对应于0.2nm波长间隔);当1×4光开关5接第二窄带光栅72,宽带光纤光栅2和窄带光纤光栅6组成一个谐振波长固定为1545.3nm的线性谐振腔,宽带光纤光栅2和第二窄带光纤光栅72组成另一个线性谐振腔,谐振波长1545.9nm,这样组成Y型腔的两个线性谐振腔均工作在不同的谐振波长上,将激射出波长1545.3nm和1545.9nm的激光,这两路光经由5×1耦合器8耦合到一路后,由光电探测器9差拍得到频率75GHz(对应于0.6nm波长间隔);当1×4光开关5接第三窄带光栅73,宽带光纤光栅2和窄带光纤光栅6组成一个谐振波长固定为1545.3nm的线性谐振腔,宽带光纤光栅2和第三窄带光纤光栅73组成另一个线性谐振腔,谐振波长1546.1nm,这样组成Y型腔的两个线性谐振腔均工作在不同的谐振波长上,将激射出波长1545.3nm和1546.1nm的激光,这两路光经由5×1耦合器8耦合到一路后,由光电探测器9差拍得到频率100GHz(对应于0.8nm波长间隔);当1×4光开关5接第四窄带光栅74,宽带光纤光栅2和窄带光纤光栅6组成一个谐振波长固定为1545.3nm的线性谐振腔,宽带光纤光栅2和第四窄带光纤光栅74组成另一个线性谐振腔,谐振波长1546.5nm,这样组成Y型腔的两个线性谐振腔均工作在不同的谐振波长上,将激射出波长1545.3nm和1546.5nm的激光,这两路光经由5×1耦合器8耦合到一路后,由光电探测器9差拍得到频率150GHz(对应于1.2nm波长间隔);控制1×4光开关导向通道选择不同的窄带光纤光栅,产生的毫米波实现25GHz、75GHz、100GHz和150GHz四个毫米波频率的跳频调整。实施例三Y型腔全光纤跳频毫米波生成装置,如图5所示,该装置包括:泵浦源1、宽带光纤光栅2、有源光纤3、1×2耦合器4、窄带光纤光栅6、1×8光开关5、第一窄带光纤光栅71、第二窄带光纤光栅72......第8窄带光纤光栅78、9×1耦合器8、光电探测器9;具体连接方式为:宽带光纤光栅2两端分别接泵浦源1和有源光纤3一端,有源光纤3另一端接1×2耦合器4输入端,1×2耦合器4一个输出端口接窄带光纤光栅6的一端,1×2耦合器4另一个输出端口接1×8光开关5的光输入端口,窄带光纤光栅6的一端接9×1耦合器8输入端;第一窄带光纤光栅71的一端接1×8光开关5的第一通道端口,第一窄带光纤光栅71的另一端接9×1耦合器8输入端;第二窄带光纤光栅72的一端接1×8光开关5的第二通道端口,第二窄带光纤光栅72的另一端接9×1耦合器8输入端;第八窄带光纤光栅78的一端接1×8光开关5的第八通道端口,第八窄带光纤光栅78的另一端接9×1耦合器8输入端;9×1耦合器8输出端口接光电探测器9。在本实施例一中N取8,有源光纤3选用掺铒镱光纤。宽带光纤光栅2反射波中心波长1546.2nm带宽2nm,窄带光纤光栅6反射波中心波长1545.3nm带宽0.1nm,第一窄带光纤光栅71反射波中心波长1545.7nm带宽0.1nm、第二窄带光纤光栅72反射波中心波长1545.9nm带宽0.1nm...第八窄带光纤光栅78反射波中心波长1547.1nm带宽0.1nm。实施例中窄带光纤光栅6的反射峰10A,第一窄带光栅71的反射峰10B、第二窄带光纤光栅72的反射峰10C...第八窄带光纤光栅78的反射峰10I,如图6,宽带光纤光栅2和窄带光纤光栅6组成一个谐振波长固定为1545.3nm的线性谐振腔,当1×8光开关5接第一窄带光栅71,则宽带光纤光栅2和第一窄带光纤光栅71组成另一个线性谐振腔,谐振波长1545.7nm,这样组成Y型腔的两个线性谐振腔均工作在不同的谐振波长上,将激射出波长1545.3nm和1545.7nm的激光,这两路光经由9×1耦合器8耦合到一路后,由光电探测器9差拍得到频率50GHz(对应于0.4nm波长间隔);当1×8光开关5接第二窄带光栅72,宽带光纤光栅2和窄带光纤光栅6组成一个谐振波长固定为1545.3nm的线性谐振腔,宽带光纤光栅2和第二窄带光纤光栅72组成另一个线性谐振腔,谐振波长1545.9nm,这样组成Y型腔的两个线性谐振腔均工作在不同的谐振波长上,将激射出波长1545.3nm和1545.9nm的激光,这两路光经由9×1耦合器8耦合到一路后,由光电探测器9差拍得到频率75GHz(对应于0.6nm波长间隔);......当1×8光开关5接第八窄带光栅78,宽带光纤光栅2和窄带光纤光栅6组成一个谐振波长固定为1545.3nm的线性谐振腔,宽带光纤光栅2和第八窄带光纤光栅78组成另一个线性谐振腔,谐振波长1547.1nm,这样组成Y型腔的两个线性谐振腔均工作在不同的谐振波长上,将激射出波长1545.3nm和1547.1nm的激光,这两路光经由5×1耦合器8耦合到一路后,由光电探测器9差拍得到频率225GHz(对应于1.8nm波长间隔)控制1×8光开关导通道选择不同的窄带光纤光栅,产生的毫米波实现50GHz、75GHz...和225GHz八个毫米波频率的跳频调整。实施例四Y型腔全光纤跳频毫米波生成装置,如图7所示,该装置包括:泵浦源1、宽带光纤光栅2、有源光纤3、1×2耦合器4、窄带光纤光栅6、1×16光开关5、第一窄带光纤光栅71、第二窄带光纤光栅72......第16窄带光纤光栅716、17×1耦合器8、光电探测器9;具体连接方式为:宽带光纤光栅2两端分别接泵浦源1和有源光纤3一端,有源光纤3另一端接1×2耦合器4输入端,1×2耦合器4一个输出端口接窄带光纤光栅6的一端,1×2耦合器4另一个输出端口接1×16光开关5的光输入端口,窄带光纤光栅6的一端接17×1耦合器8输入端;第一窄带光纤光栅71的一端接1×16光开关5的第一通道端口,第一窄带光纤光栅71的另一端接17×1耦合器8输入端;第二窄带光纤光栅72的一端接1×16光开关5的第二通道端口,第二窄带光纤光栅72的另一端接17×1耦合器8输入端;第十六窄带光纤光栅716的一端接1×16光开关5的第十六通道端口,第十六窄带光纤光栅716的另一端接17×1耦合器8输入端;17×1耦合器8输出端口接光电探测器9。在本实施例一中N取16,有源光纤3选用掺镱光纤。宽带光纤光栅2反射波中心波长1546.9nm带宽4nm,窄带光纤光栅6反射波中心波长1545.3nm带宽0.1nm,第一窄带光纤光栅71反射波中心波长1545.6nm带宽0.1nm、第二窄带光纤光栅72反射波中心波长1545.8nm带宽0.1nm...第十六窄带光纤光栅716反射波中心波长1548.6nm带宽0.1nm。实施例中窄带光纤光栅6的反射峰10A,第一窄带光纤光栅71的反射峰10B、第二窄带光纤光栅72的反射峰10C...第十六窄带光纤光栅716的反射峰10Q,如图8,宽带光纤光栅2和窄带光纤光栅6组成一个谐振波长固定为1545.3nm的线性谐振腔,当1×16光开关5接第一窄带光纤光栅71,则宽带光纤光栅2和第一窄带光纤光栅71组成另一个线性谐振腔,谐振波长1545.6nm,这样组成Y型腔的两个线性谐振腔均工作在不同的谐振波长上,将激射出波长1545.3nm和1545.6nm的激光,这两路光经由17×1耦合器8耦合到一路后,由光电探测器9差拍得到频率37.5GHz(对应于0.3nm波长间隔);当1×16光开关5接第二窄带光栅72,宽带光纤光栅2和窄带光纤光栅6组成一个谐振波长固定为1545.3nm的线性谐振腔,宽带光纤光栅2和第二窄带光纤光栅72组成另一个线性谐振腔,谐振波长1545.8nm,这样组成Y型腔的两个线性谐振腔均工作在不同的谐振波长上,将激射出波长1545.3nm和1545.8nm的激光,这两路光经由17×1耦合器8耦合到一路后,由光电探测器9差拍得到频率62.5GHz(对应于0.5nm波长间隔);......当1×16光开关5接第十六窄带光栅716,宽带光纤光栅2和窄带光纤光栅6组成一个谐振波长固定为1545.3nm的线性谐振腔,宽带光纤光栅2和第十六窄带光纤光栅716组成另一个线性谐振腔,谐振波长1548.6nm,这样组成Y型腔的两个线性谐振腔均工作在不同的谐振波长上,将激射出波长1545.3nm和1548.6nm的激光,这两路光经由17×1耦合器8耦合到一路后,由光电探测器9差拍得到频率412.5GHz(对应于3.3nm波长间隔)控制1×16光开关导向通道选择不同的窄带光纤光栅,产生的毫米波实现37.5GHz、62.5GHz...和412.5GHz十六个毫米波频率的跳频调整。