專利名稱：基于線型腔光纖光柵的變頻率毫米波生成裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及光纖通信、毫米波光學生成技術領域，具體地講是一種基于線型腔光
纖光柵的變頻率毫米波生成裝置。
背景技術：
毫米波生成問題是微波光子科學中的一項核心技術，也是寬帶無線R0F技術的基礎問題，圍繞毫米波的生成問題，國內外均進行大量的研究和嘗試，但是由于毫米波本身工作頻段很高(30 300GHz)，因而對設備提出了更高的要求，直接造成了構建成本過高，目前提出的毫米波產生方法，如直接調制直接檢測法、諧波產生方法、光學外差法等，由于這些方法均依賴于精密昂貴的調諧激光器以及光學調制器，而且對于生成毫米波頻率相對固定，無法進行變頻以及跳頻調整。光纖光柵的應用以及特別是雙波長乃至多波長光纖光柵激光器的研究為低成本生成毫米波問題提供了可能，光纖激光器是光纖通信系統中一種很有前景的光源。基于光纖光柵的多波長激光器及毫米波生成方案不斷被提出，如單偏振雙波長光纖光柵激光器產生微波、毫米波的裝置(專利申請號200710177000. 9)、利用線型腔雙波長光纖激光器產生微波、毫米波的裝置(專利申請號200710176999. 5)。它們共同存在的問題是無法對毫米波進行變頻率調整。
發明內容
本發明是一種基于線型腔光纖光柵的變頻率毫米波生成裝置，發明的初衷是利用廉價的光纖光柵，有源光纖和少量的無源光通信器材，實現毫米波信號的產生，并且頻率可調整。其基本原理是兩個光學諧振腔分別使用兩段有源光纖，利用光開光選擇不同的窄帶光纖控制第二個諧振腔具有不同的諧振頻率，從而激射出兩個不同波長的激光，利用光電二極管探測，實現差拍生成毫米波，方案中采用光開關選擇不同的窄帶光柵，實現毫米波頻率可調整。整個系統僅由一個寬帶光柵，多個窄帶光柵，泵浦源，部分光開關和耦合器組成，具有極低的構建成本，并且毫米波頻率可調特性也具有很高的應用價值。
本發明的技術方案 基于線型腔光纖光柵的變頻率毫米波生成裝置，該裝置包括泵浦源、窄帶光柵、第一有源光纖、第二有源光纖、寬帶光柵、1XN光開關、第一窄帶光纖光柵、第二窄帶光纖光柵...第N窄帶光纖光柵、NX1耦合器、光電探測器；
具體連接方式為 泵浦源輸出接窄帶光柵的一端，窄帶光柵的另一端接第一有源光纖的一端、第一有源光纖的另一端接寬帶光柵的一端、寬帶光柵的另一端接第二有源光纖的一端，第二有源光纖的另一端接1XN光開關； 第一窄帶光纖光柵的一端接1XN光開關的第一通道端口，第一窄帶光纖光柵的另一端接NX1耦合器輸入端； 第二窄帶光纖光柵的一端接1XN光開關的第二通道端口，第二窄帶光纖光柵的另一端接NX1耦合器輸入端；
… 第N窄帶光纖光柵的一端接1 XN光開關的第N通道端口 ，第N窄帶光纖光柵的另
一端接NXl耦合器輸入端； NXl耦合器輸出端口接光電探測器。 本發明的有益效果具體如下 本發明不涉及復雜且昂貴的設備，僅僅采用光纖光柵，有源光纖，泵浦源和少量無 源光通信器材，充分利用線性光纖激光器原理，將其應用到微波光子領域，用以產生毫米波 信號，本發明最大的優點在于系統結構簡單，成本低廉，而且具有毫米波頻率可調整的特 性。
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l基于線 2基于線 3基于線 4基于線 5基于線 6基于線 7基于線 8基于線
型
型
M空光纖光4 M空光纖光4 M空光纖光4 M空光纖光4 M空光纖光4 M空光纖光4 M空光纖光4 M空光纖光4 下面結合附圖l至8對基于線型腔光纖光柵的變頻率毫米波生成裝置作進一步描 述。 實施例一 基于線型腔光纖光柵的變頻率毫米波生成裝置，如圖1所示，該裝置包括泵浦源 1、窄帶光柵2、第一有源光纖31、第二有源光纖32、寬帶光柵4、1X2光開關5、第一窄帶光 纖光柵61、第二窄帶光纖光柵62、2X 1耦合器7、光電探測器8 ;具體連接方式為
泵浦源1輸出接窄帶光柵2的一端，窄帶光柵2的另一端接第一有源光纖31的一 端、第一有源光纖31的另一端接寬帶光柵4的一端、寬帶光柵4的另一端接第二有源光纖 32的一端，第二有源光纖32的另一端接1X2光開關5 ; 第一窄帶光纖光柵61的一端接1 X 2光開關5的第一通道端口 ，第一窄帶光纖光 柵61的另一端接2X1耦合器7輸入端； 第二窄帶光纖光柵62的一端接1 X 2光開關5的第二通道端口 ，第二窄帶光纖光
柵62的另一端接2X 1耦合器7輸入端； 2X1耦合器7輸出端口接光電探測器8。 在本實施例一中N取2，第一有源光纖31和第二有源光纖32均選用摻鉺光纖。
寬帶光纖光柵4反射波中心波長1545. 7nm帶寬lnm，窄帶光纖光柵2反射波中心 波長1545. 3nm帶寬0. lnm，第一窄帶光纖光柵61反射波中心波長1545. 7nm帶寬0. lnm、第二窄帶光纖光柵62反射波中心波長1546. lnm帶寬0. lnm。 實施例中窄帶光纖光柵2的反射峰9A，第一窄帶光纖光柵61的反射峰9B、第二窄 帶光纖光柵62的反射峰9C，如圖2，寬帶光纖光柵4和窄帶光纖光柵2組成一個諧振波長 固定為1545. 3nm的線性諧振腔，當1X2光開關5接第一窄帶光纖光柵61，則寬帶光纖光 柵4和第一窄帶光纖光柵61組成另一個線性諧振腔，諧振波長1545. 7nm，這樣兩個線性諧 振腔均工作在不同的諧振波長上，將激射出波長1545. 3nm和1545. 7nm的激光，這兩路光經 由2X 1耦合器7耦合到一路后，由光電探測器8差拍得到頻率50GHz (對應于0. 4nm波長 間隔)；當1 X2光開關5接第二窄帶光柵62，寬帶光纖光柵4和窄帶光纖光柵2組成一個 諧振波長固定為1545. 3nm的線性諧振腔，寬帶光纖光柵4和第二窄帶光纖光柵62組成另 一個線性諧振腔，諧振波長1546. lnm，這樣兩個線性諧振腔均工作在不同的諧振波長上，將 激射出波長1545. 3nm和1546. lnm的激光，這兩路光經由2X1耦合器7耦合到一路后，由 光電探測器8差拍得到頻率100GHz (對應于0. 8nm波長間隔)；控制1 X 2光開關導向通道 選擇不同的窄帶光纖光柵，產生的毫米波實現50GHz和100GHz兩個毫米波頻率的變頻率調 整。 實施例二 基于線型腔光纖光柵的變頻率毫米波生成裝置，如圖3。該裝置包括泵浦源1、窄 帶光柵2、第一有源光纖31、第二有源光纖32、寬帶光柵4、1X4光開關5、第一窄帶光纖光 柵61、第二窄帶光纖光柵62、第三窄帶光纖光柵63、第四窄帶光纖光柵64、4X 1耦合器7、 光電探測器8 ;具體連接方式為 泵浦源1輸出接窄帶光柵2的一端，窄帶光柵2的另一端接第一有源光纖31的一 端、第一有源光纖31的另一端接寬帶光柵4的一端、寬帶光柵4的另一端接第二有源光纖 32的一端，第二有源光纖32的另一端接1X4光開關5 ; 第一窄帶光纖光柵61的一端接1 X 4光開關5的第一通道端口 ，第一窄帶光纖光 柵61的另一端接4X1耦合器7輸入端； 第二窄帶光纖光柵62的一端接1 X 4光開關5的第二通道端口 ，第二窄帶光纖光 柵62的另一端接4X1耦合器7輸入端； 第三窄帶光纖光柵63的一端接1X4光開關5的第三通道端口，第三窄帶光纖光 柵63的另一端接4X1耦合器7輸入端； 第四窄帶光纖光柵64的一端接1 X 4光開關5的第四通道端口 ，第四窄帶光纖光
柵64的另一端接4X1耦合器7輸入端； 4X1耦合器7輸出端口接光電探測器8。 在本實施例一中N取4，第一有源光纖31和第二有源光纖32均選用摻鈥光纖。
寬帶光纖光柵4反射波中心波長1545. 9nm帶寬1. 5nm，窄帶光纖光柵2反射波中 心波長1545. 3nm帶寬0. lnm，第一窄帶光纖光柵61反射波中心波長1545. 5nm帶寬0. lnm、 第二窄帶光纖光柵62反射波中心波長1545. 9nm帶寬0. lnm、第三窄帶光纖光柵63反射 波中心波長1546. lnm帶寬O. lnm、第四窄帶光纖光柵64反射波中心波長1546. 5nm帶寬 0. lnm。 實施例中窄帶光纖光柵2的反射峰9A，第一窄帶光纖光柵61的反射峰9B、第二窄 帶光纖光柵62的反射峰9C、第三窄帶光纖光柵63的反射峰9D、第四窄帶光纖光柵64的反射峰9E，如圖4，寬帶光纖光柵4和窄帶光纖光柵2組成一個諧振波長固定為1545. 3nm的線 性諧振腔，當1X4光開關5接第一窄帶光纖光柵61，則寬帶光纖光柵2和第一窄帶光纖光 柵61組成另一個線性諧振腔，諧振波長1545. 5nm，這樣兩個線性諧振腔均工作在不同的諧 振波長上，將激射出波長1545. 3nm和1545. 5nm的激光，這兩路光經由4X 1耦合器7耦合到 一路后，由光電探測器8差拍得到頻率25GHz(對應于0. 2nm波長間隔)；當1X4光開關5 接第二窄帶光柵62，寬帶光纖光柵4和窄帶光纖光柵2組成一個諧振波長固定為1545. 3nm 的線性諧振腔，寬帶光纖光柵4和第二窄帶光纖光柵62組成另一個線性諧振腔，諧振波 長1545. 9nm，這樣兩個線性諧振腔均工作在不同的諧振波長上，將激射出波長1545. 3nm和 1545. 9nm的激光，這兩路光經由4X1耦合器7耦合到一路后，由光電探測器8差拍得到頻 率75GHz (對應于0. 6nm波長間隔)；當1 X 4光開關5接第三窄帶光柵63，寬帶光纖光柵4 和窄帶光纖光柵2組成一個諧振波長固定為1545. 3nm的線性諧振腔，寬帶光纖光柵4和第 三窄帶光纖光柵63組成另一個線性諧振腔，諧振波長1546. lnm，這樣兩個線性諧振腔均工 作在不同的諧振波長上，將激射出波長1545. 3nm和1546. lnm的激光，這兩路光經由4X1 耦合器7耦合到一路后，由光電探測器8差拍得到頻率lOOGHz (對應于0. 8nm波長間隔)； 當1 X 4光開關5接第四窄帶光柵64，寬帶光纖光柵4和窄帶光纖光柵2組成一個諧振波長 固定為1545. 3nm的線性諧振腔，寬帶光纖光柵4和第四窄帶光纖光柵64組成另一個線性 諧振腔，諧振波長1546. 5nm，這樣兩個線性諧振腔均工作在不同的諧振波長上，將激射出波 長1545. 3nm和1546. 5nm的激光，這兩路光經由4X1耦合器7耦合到一路后，由光電探測 器8差拍得到頻率150GHz (對應于1. 2nm波長間隔)；控制1 X 4光開關導向通道選擇不同 的窄帶光纖光柵，產生的毫米波實現25GHz、75GHz、100GHz和150GHz四個毫米波頻率的變 頻率調整。
實施例三 基于線型腔光纖光柵的變頻率毫米波生成裝置，如圖5。該裝置包括泵浦源1、窄 帶光柵2、第一有源光纖31、第二有源光纖32、寬帶光柵4、1X8光開關5、第一窄帶光纖光 柵61、第二窄帶光纖光柵62...第八窄帶光纖光柵68、8X 1耦合器7、光電探測器8 ;具體 連接方式為 泵浦源1輸出接窄帶光柵2的一端，窄帶光柵2的另一端接第一有源光纖31的一 端、第一有源光纖31的另一端接寬帶光柵4的一端、寬帶光柵4的另一端接第二有源光纖 32的一端，第二有源光纖32的另一端接1X8光開關5 ; 第一窄帶光纖光柵61的一端接1 X 8光開關5的第一通道端口 ，第一窄帶光纖光 柵61的另一端接8X1耦合器7輸入端； 第二窄帶光纖光柵62的一端接1 X 8光開關5的第二通道端口 ，第二窄帶光纖光 柵62的另一端接8X 1耦合器7輸入端；
...... 第八窄帶光纖光柵68的一端接1X8光開關5的第八通道端口，第八窄帶光纖光
柵68的另一端接8X 1耦合器7輸入端； 8X1耦合器7輸出端口接光電探測器8。 在本實施例一中N取8，第一有源光纖31和第二有源光纖32均選用摻鉺鐿光纖。
寬帶光纖光柵4反射波中心波長1546. 2nm帶寬2nm，窄帶光纖光柵2反射波中心波長1545. 3nm帶寬0. lnm，第一窄帶光纖光柵61反射波中心波長1545. 7nm帶寬0. lnm、第 二窄帶光纖光柵62反射波中心波長1545. 9nm帶寬0. lnm...第八窄帶光纖光柵68反射波 中心波長1547. lnm帶寬0. lnm。 實施例中窄帶光纖光柵2的反射峰9A，第一窄帶光纖光柵61的反射峰9B、第二 窄帶光纖光柵62的反射峰9C...第八窄帶光纖光柵68的反射峰91，如圖6，寬帶光纖光 柵4和窄帶光纖光柵2組成一個諧振波長固定為1545. 3nm的線性諧振腔，當1X8光開關 5接第一窄帶光纖光柵61，則寬帶光纖光柵4和第一窄帶光纖光柵61組成另一個線性諧 振腔，諧振波長1545. 7nm，這樣兩個線性諧振腔均工作在不同的諧振波長上，將激射出波長 1545. 3nm和1545. 7nm的激光，這兩路光經由8X1耦合器7耦合到一路后，由光電探測器 8差拍得到頻率50GHz (對應于0. 4nm波長間隔)；當1X8光開關5接第二窄帶光柵62，寬 帶光纖光柵4和窄帶光纖光柵2組成一個諧振波長固定為1545. 3nm的線性諧振腔，寬帶光 纖光柵4和第二窄帶光纖光柵62組成另一個線性諧振腔，諧振波長1545. 9nm，這樣兩個線 性諧振腔均工作在不同的諧振波長上，將激射出波長1545. 3nm和1545. 9nm的激光，這兩路 光經由8X 1耦合器7耦合到一路后，由光電探測器8差拍得到頻率75GHz (對應于0. 6nm
波長間隔)；......當1X8光開關5接第八窄帶光柵68，寬帶光纖光柵4和窄帶光纖光柵
2組成一個諧振波長固定為1545. 3nm的線性諧振腔，寬帶光纖光柵4和第八窄帶光纖光柵 68組成另一個線性諧振腔，諧振波長1547. lnm，這樣兩個線性諧振腔均工作在不同的諧振 波長上，將激射出波長1545. 3nm和1547. lnm的激光，這兩路光經由8X1耦合器7耦合到 一路后，由光電探測器8差拍得到頻率225GHz (對應于1. 8nm波長間隔)控制1 X8光開關 導向通道選擇不同的窄帶光纖光柵，產生的毫米波實現50GHz、75GHz...和225GHz八個毫 米波頻率的變頻率調整
實施例四 基于線型腔光纖光柵的變頻率毫米波生成裝置，如圖7。該裝置包括泵浦源1、窄 帶光柵2、第一有源光纖31、第二有源光纖32、寬帶光柵4、 1 X 16光開關5、第一窄帶光纖光 柵61、第二窄帶光纖光柵62...第十六窄帶光纖光柵616、16X 1耦合器7、光電探測器8 ; 具體連接方式為 泵浦源1輸出接窄帶光柵2的一端，窄帶光柵2的另一端接第一有源光纖31的一 端、第一有源光纖31的另一端接寬帶光柵4的一端、寬帶光柵4的另一端接第二有源光纖 32的一端，第二有源光纖32的另一端接IX 16光開關5 ; 第一窄帶光纖光柵61的一端接1 X 16光開關5的第一通道端口 ，第一窄帶光纖光 柵61的另一端接16Xl耦合器7輸入端； 第二窄帶光纖光柵62的一端接1 X 16光開關5的第二通道端口 ，第二窄帶光纖光 柵62的另一端接16X 1耦合器7輸入端；
...... 第十六窄帶光纖光柵616的一端接1X16光開關5的第十六通道端口，第十六窄 帶光纖光柵616的另一端接16X 1耦合器7輸入端；
16Xl耦合器7輸出端口接光電探測器8。 在本實施例一中N取8，第一有源光纖31和第二有源光纖32均選用摻鐿光纖。
寬帶光纖光柵4反射波中心波長1546. 9nm帶寬4nm，窄帶光纖光柵2反射波中心波長1545. 3nm帶寬0. lnm，第一窄帶光纖光柵61反射波中心波長1545. 6nm帶寬0. lnm、第 二窄帶光纖光柵62反射波中心波長1545. 8nm帶寬0. lnm...第十六窄帶光纖光柵616反 射波中心波長1548. 6nm帶寬0. lnm。 實施例中窄帶光纖光柵2的反射峰9A，第一窄帶光纖光柵61的反射峰9B、第二 窄帶光纖光柵62的反射峰9C...第十六窄帶光纖光柵616的反射峰9Q，如圖8，寬帶光纖 光柵4和窄帶光纖光柵2組成一個諧振波長固定為1545. 3nm的線性諧振腔，當1X16光 開關5接第一窄帶光纖光柵61，寬帶光纖光柵4和窄帶光纖光柵2組成一個諧振波長固定 為1545. 3nm的線性諧振腔，寬帶光纖光柵4和第一窄帶光纖光柵61組成另一個線性諧振 腔，諧振波長1545. 6nm，這樣兩個線性諧振腔均工作在不同的諧振波長上，將激射出波長 1545. 3nm和1545. 6nm的激光，這兩路光經由16X 1耦合器7耦合到一路后，由光電探測器 8差拍得到頻率37. 5GHz (對應于0. 3nm波長間隔)；當1 X 16光開關5接第二窄帶光柵62， 則寬帶光纖光柵4和窄帶光纖光柵2組成一個諧振波長固定為1545. 3nm的線性諧振腔，寬 帶光纖光柵4和第二窄帶光纖光柵62組成另一個線性諧振腔，諧振波長1545. 8nm，這樣兩 個線性諧振腔均工作在不同的諧振波長上，將激射出波長1545. 3nm和1545. 8nm的激光，這 兩路光經由16X 1耦合器7耦合到一路后，由光電探測器8差拍得到頻率62. 5GHz (對應
于0. 5nm波長間隔)；......當1 X 16光開關5接第十六窄帶光柵616，寬帶光纖光柵4和
窄帶光纖光柵2組成一個諧振波長固定為1545. 3nm的線性諧振腔，寬帶光纖光柵4和第 十六窄帶光纖光柵616組成另一個線性諧振腔，諧振波長1548. 6nm，這樣兩個線性諧振腔 均工作在不同的諧振波長上，將激射出波長1545. 3nm和1548. 6nm的激光，這兩路光經由 16 X 1耦合器7耦合到一路后，由光電探測器8差拍得到頻率412. 5GHz (對應于3. 3nm波長 間隔)控制IX 16光開關導向通道選擇不同的窄帶光纖光柵，產生的毫米波實現37. 5GHz、 62. 5GHz...和412. 5GHz十六個毫米波頻率的變頻率調整。
權利要求
基于線型腔光纖光柵的變頻率毫米波生成裝置，其特征在于該裝置包括泵浦源(1)、窄帶光柵(2)、第一有源光纖(31)、第二有源光纖(32)、寬帶光柵(4)、1×N光開關(5)、第一窄帶光纖光柵(61)、第二窄帶光纖光柵(62)...第N窄帶光纖光柵(6N)、N×1耦合器(7)、光電探測器(8)；具體連接方式為泵浦源(1)輸出接窄帶光柵(2)的一端，窄帶光柵(2)的另一端接第一有源光纖(31)的一端、第一有源光纖(31)的另一端接寬帶光柵(4)的一端、寬帶光柵(4)的另一端接第二有源光纖(32)的一端，第二有源光纖(32)的另一端接1×N光開關(5)；第一窄帶光纖光柵(61)的一端接1×N光開關(5)的第一通道端口，第一窄帶光纖光柵(61)的另一端接N×1耦合器(7)輸入端；第二窄帶光纖光柵(62)的一端接1×N光開關(5)的第二通道端口，第二窄帶光纖光柵(62)的另一端接N×1耦合器(7)輸入端；…第N窄帶光纖光柵(6N)的一端接1×N光開關(5)的第N通道端口，第N窄帶光纖光柵(6N)的另一端接N×1耦合器(7)輸入端；N×1耦合器(7)輸出端口接光電探測器(8)。
2. 根據權利要求1所述的基于線型腔光纖光柵的變頻率毫米波生成裝置，其特征在于窄帶光纖光柵(2)和第一窄帶光纖光柵(61)、第二窄帶光纖光柵(62)......第N窄帶光纖光柵(6N)的反射波長互不重合；窄帶光纖光柵(2)、第一窄帶光纖光柵(61)、第二窄帶光纖光柵(62)......第N窄帶光纖光柵(6N)的反射波長均在寬帶光纖光柵(4)的反射帶寬內。
3. 根據權利要求1或2所述的基于線型腔光纖光柵的變頻率毫米波生成裝置，其特征在于第一窄帶光纖光柵(61)的一端接1XN光開關(5)的第一通道端口時，窄帶光纖光柵(2) 與寬帶光纖光柵(4)形成一個獨立的線型諧振腔；第一窄帶光纖光柵(61)與寬帶光纖光柵(4)形成一個獨立的線型諧振腔；產生兩路不同波長的激光，在光電探測器(8)處差頻，產生毫米波；第二窄帶光纖光柵(62)的一端接1XN光開關(5)的第二通道端口時，窄帶光纖光柵(2)與寬帶光纖光柵(4)形成一個獨立的線型諧振腔；第二窄帶光纖光柵(62)與寬帶光纖光柵(4)形成一個獨立的線型諧振腔；產生兩路不同波長的激光，在光電探測器(8)處差頻，產生毫米波；第N窄帶光纖光柵(6N)的一端接l XN光開關(5)的第N通道端口時，窄帶光纖光柵(2)與寬帶光纖光柵(4)形成一個獨立的線型諧振腔；第N窄帶光纖光柵(6N)與寬帶光纖光柵(4)形成一個獨立的線型諧振腔；產生兩路不同波長的激光，在光電探測器(8)處差頻，產生毫米波；N > 2， N《16 ;控制1XN光開關(5)導向通道選擇第一或第二...或第N窄帶光纖光柵，對產生的毫米波實現變頻率調整。
全文摘要
基于線型腔光纖光柵的變頻率毫米波生成裝置，涉及光纖通信、毫米波光學生成技術領域，泵浦源(1)、窄帶光柵(2)、第一有源光纖(31)、寬帶光柵(4)、第二有源光纖(32)依次串聯，第二有源光纖(32)的輸出端口接1×N光開關(5)，1×N光開關(5)的N個通道端口分別接第一或二…或N窄帶光纖光柵(61)(62)…(6N)，使用一個N×1耦合器(7)將第一至第N窄帶光纖光柵的輸出端耦合為一路，N×1耦合器(7)輸出端口接光電探測器(8)。調整光開關，兩個不同諧振頻率的線型諧振腔激射出的激光在光電探測器處差頻，產生頻率可調毫米波。
文檔編號G02F2/00GK101718941SQ200910238469
公開日2010年6月2日 申請日期2009年11月20日 優先權日2009年11月20日
發明者周倩, 寧提綱, 李晶, 胡旭東, 裴麗, 譚中偉, 鄭晶晶 申請人:北京交通大學