【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光纤激光器的，特别是涉及产生高信噪比射频源的全光纤激光器结构。
技术介绍
1、射频微波信号在雷达、无线网络、频率测量和卫星通信等领域起至关重要的作用。基于传统的电子技术实现微波信号的方法通常利用真空器件电路进行震荡、倍频。但是由于电子器件性能的限制，并且受到大气吸收的影响极为严重，不利于长距离传输。而光子技术具有传输损耗低并且抗电磁干扰能力强的优点，可以实现信号的长距离传输。于是，人们利用光子技术解决传统电学难以克服的问题。基于光子技术实现微波信号的方法主要包括外调制法、光电振荡器以及光外差法。外调制法和光电振荡器都需要高速响应的射频元件，如果要实现单模微波信号输出，还需要极窄带宽的滤波器，结构复杂并且成本昂贵。而基于两束光相互干涉的光外差法无需使用高速响应的射频元件，具有成本低廉、结构简单的优势。
2、信噪比是表征微波信号质量的重要参数之一。信噪比越高的微波信号将会提供越高的传输效率和检测分辨率。当使用光纤激光器作为外差源时，限制信噪比提升的重要原因是：光纤激光器在弛豫振荡频率处固有的强度噪声所引起的边带噪声。所以研究如何降低强度噪声对微波信号的信噪比提升有重要意义。降低强度噪声的方法包括光电反馈法、半导体光放大器等，但这些方法对于强度噪声降低的程度是有一定限度的。由于强度波动和频率波动之间的耦合项是强度噪声不可忽视的一部分,所以想要更大程度地降低频率噪声，提高信噪比，就必须同时进行强度和频率降噪。频率噪声表针光信号瞬时频率的随机涨落，与光信号的线宽息息相关，凡是能压窄线宽的手段都能有效地降低频率噪声
3、利用受激布里渊散射效应能同时实现线宽压窄和强度降噪。受激布里渊散射其本身所具有极窄带宽的增益谱线，所以能有效地压窄激光线宽。对于强度降噪，可以利用级联布里渊散射过程中的噪声动力学原理实现。
4、所以综上所述，基于受激布里渊散射效应的光外差技术对于产生高性能的微波信号是一种有效且易于构建的技术。而这种易于集成且能产生高信噪比微波信号的结构在无线光纤传输系统、激光雷达以及大地测距等领域有着潜在的应用前景。
技术实现思路
1、本专利技术提供了全光纤的高信噪比射频源产生结构，旨在利用易于集成、成本低廉的全光纤激光器结构产生高性能的射频源。
2、本专利技术为达到专利技术目的，是通过以下技术方案实现的：
3、全光纤的高信噪比射频源产生结构，激光器产生高功率的单频源作为布里渊泵浦注入到第一光耦合器中，一部分光作为布里渊泵浦光输出；另一部分光经第一光学环形器注入到布里渊环形腔中，布里渊环形腔包括两个环腔：主环形腔是由第二光耦合器和高非线性光纤组成，第二环形腔是由第一光学环形器、第二光耦合器、第三光耦合器、第四光耦合器组成，泵浦光绕主环形腔传输时，经过高非线性光纤发生受激布里渊散射，产生一阶斯托克斯光，这里的一阶斯托克斯光一部分经第四光耦合器输出，另一部分反向传输的一阶斯托克斯光再次经过高非线性光纤时，产生二阶斯托克斯光；
4、布里渊泵浦光与一阶斯托克斯光通过第五光耦合器相互干涉，再通过光电探测器进行光电转换，用于降低斯托克斯光信号的频率噪声和强度噪声，在一阶斯托克斯光频移处获得低噪声、高信噪比的射频信号；
5、同时产生的二阶斯托克斯光与布里渊泵浦光依次经过第五光耦合器和光电探测器，最终在双倍的斯托克斯频移处获得高性能的射频信号。
6、进一步地，所述第三光耦合器输出端口具有二阶斯托克斯光和剩余泵浦光，在第三光耦合器后接入第二光学环形器和光纤光栅，用于获得纯净的二阶斯托克斯光。
7、进一步地，所述第三光耦合器输出端口具有二阶斯托克斯光和剩余泵浦光，在第三光耦合器后直接接入窄带宽滤波器滤除剩余泵浦光，在滤波器的另一端得到纯净的二阶斯托克斯光。
8、进一步地，所述的高功率单频源是由单频源加光放大装置组成，其中单频源包括dfb激光器、分布式反馈半导体激光器、分布布拉格反射式半导体激光器、外腔可调谐半导体激光器或者是单频固体激光器，光放大装置为掺镱铒光纤放大器。
9、进一步地，所述激光器腔长采用全光纤结构，布里渊环形腔的总腔长对应长度不超过10m，用于保证输出的斯托克斯光信号处于稳定的单纵模状态。布里渊环形腔对应的腔内参数应满足：用于保证输出稳定的单纵模信号，其中c为光速，n为腔内折射率，l为谐振腔长度，δvg为增益谱的半高全宽。所述主环形腔里的延时光纤为高非线性光纤，用于在较短的长度内保证足够的增益，高非线性光纤包括微结构光纤、软玻璃光纤之类的非线性较强的光纤。
10、原理：
11、1、根据光束拍频的原理，将产生的两个斯托克斯光叠加，推导产生的射频信号与相对强度噪声之间的关系。设置两个光波的振幅为a1(t)、a2(t),角频率分别为ω和ω-ω，ω＝2πfp为经布里渊频移后的较角频率，fp为布里渊频移的频率，而两个光函数可以分别表示为：e1(t)＝a1 exp(iωt),e2(t)＝a2 exp[i(ω-ω)]t；而这两个光波干涉后为：e(t)＝e1(t)+e2(t)；经过光电探测器后的电压可表示为：v(t)＝μr|e(t)|2＝μr{|a1(t)|2+|a2(t)|2+2a1(t)a2(t)cosωt}，其中μ为光电探测器的响应度，r为负载电阻；电压经傅里叶变换得到频谱函数：f{v(t)}＝μr[f{a12(t)}+f{a22(t)}+δ(f-fp)*f{a1(t)a2(t)}]。由于f{a12(t)}、f{a22(t)}、f{a1(t)a2(t)}是相对强度噪声有关的噪声项，所以降低相对强度噪声可以有效地射频信号的信噪比。
12、2、将强度降噪和频率降噪结合，更大程度降低相对强度噪声。强度噪声和频率噪声中存在耦合部分，这部分的强度噪声只有通过降低频率噪声才能得到有效的降低。频率噪声表征的是激光瞬时频率的涨落，所以能通过压窄激光线宽得到频率降噪，而受激布里渊散射其本身所具有的增益谱带宽窄，可以有效地压窄线宽，实现频率降噪。对于强度噪声，可以利用级联布里渊散射过程中的噪声动力学原理，斯托克斯光的相对强度噪声将会随着更高阶斯托克斯光信号的产生，转移到更高阶斯托克斯光信号上，自身的相对强度噪声从而降低。所以可以通过产生更高阶的斯托克斯光信号来抑制前一阶斯托克斯光信号的相对强度噪声。
13、3、腔内参数应满足：用于保证输出稳定的单纵模信号，其中c为光速，n为腔内折射率，l为谐振腔长度，δvg为增益谱的半高全宽。从等式来看，腔长越短越有益于单纵模输出。所以在布里渊环形腔中用高非线性光纤代替单模光纤作为增益光纤，以更短的腔长保证足够的增益。
14、本专利技术具有以下有益效果：
15、(1)传统基于光子技术实现微波信号的方法需要高速响应的射频元件并且输出功率极低。本专利技术基于光外差的简易结构实现射频信号的输出，无需高速响应的射频元件。采用全光纤结构具有更低的损耗，输出效率高。利用受激布里渊散射效应，一方面利用级联布里渊信号之间的频移，得到不同频率光信本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.全光纤的高信噪比射频源产生结构，其特征在于：激光器产生高功率的单频源作为布里渊泵浦源(1-1)注入到第一光耦合器(1-2)中，一部分光作为布里渊泵浦光(I)输出；另一部分光经第一光学环形器(1-3)注入到布里渊环形腔中，布里渊环形腔包括两个环腔：主环形腔是由第二光耦合器(1-4)和高非线性光纤(1-5)组成，第二环形腔是由第一光学环形器(1-3)、第二光耦合器(1-4)、第三光耦合器(1-6)、第四光耦合器(1-7)组成，泵浦光绕主环形腔传输时，经过高非线性光纤(1-5)发生受激布里渊散射，产生一阶斯托克斯光(II)，这里的一阶斯托克斯光(II)一部分经第四光耦合器(1-7)输出，另一部分反向传输的一阶斯托克斯光(II)再次经过高非线性光纤(1-5)时，产生二阶斯托克斯光(III)；
2.根据权利要求1所述全光纤的高信噪比射频源产生结构，其特征在于：所述第三光耦合器(1-6)输出端口具有二阶斯托克斯光(III)和剩余泵浦光，在第三光耦合器(1-6)后接入第二光学环形器(1-8)和光纤光栅(1-9)，用于获得纯净的二阶斯托克斯光(III)。
3.根据权利
4.根据权利要求1所述全光纤的高信噪比射频源产生结构，其特征在于：所述的高功率单频源(1-1)是由单频源加光放大装置组成，其中单频源包括DFB激光器(2-1)、分布式反馈半导体激光器、分布布拉格反射式半导体激光器、外腔可调谐半导体激光器或者是单频固体激光器，光放大装置为掺镱铒光纤放大器(2-2)。
5.根据权利要求1所述全光纤的高信噪比射频源产生结构，其特征在于：所述激光器腔长采用全光纤结构，布里渊环形腔的总腔长对应长度不超过10m，用于保证输出的斯托克斯光信号处于稳定的单纵模状态。
6.根据权利要求5所述全光纤的高信噪比射频源产生结构，其特征在于：布里渊环形腔对应的腔内参数应满足：用于保证输出稳定的单纵模信号，其中c为光速，n为腔内折射率，L为谐振腔长度，Δvg为增益谱的半高全宽。
7.根据权利要求5所述全光纤的高信噪比射频源产生结构，其特征在于：所述主环形腔里的延时光纤为高非线性光纤，用于在较短的长度内保证足够的增益，高非线性光纤包括微结构光纤、软玻璃光纤之类的非线性较强的光纤。
...【技术特征摘要】
1.全光纤的高信噪比射频源产生结构，其特征在于：激光器产生高功率的单频源作为布里渊泵浦源(1-1)注入到第一光耦合器(1-2)中，一部分光作为布里渊泵浦光(i)输出；另一部分光经第一光学环形器(1-3)注入到布里渊环形腔中，布里渊环形腔包括两个环腔：主环形腔是由第二光耦合器(1-4)和高非线性光纤(1-5)组成，第二环形腔是由第一光学环形器(1-3)、第二光耦合器(1-4)、第三光耦合器(1-6)、第四光耦合器(1-7)组成，泵浦光绕主环形腔传输时，经过高非线性光纤(1-5)发生受激布里渊散射，产生一阶斯托克斯光(ii)，这里的一阶斯托克斯光(ii)一部分经第四光耦合器(1-7)输出，另一部分反向传输的一阶斯托克斯光(ii)再次经过高非线性光纤(1-5)时，产生二阶斯托克斯光(iii)；
2.根据权利要求1所述全光纤的高信噪比射频源产生结构，其特征在于：所述第三光耦合器(1-6)输出端口具有二阶斯托克斯光(iii)和剩余泵浦光，在第三光耦合器(1-6)后接入第二光学环形器(1-8)和光纤光栅(1-9)，用于获得纯净的二阶斯托克斯光(iii)。
3.根据权利要求1所述全光纤的高信噪比射频源产生结构，其特征在于：所述第三光耦合器(1-6)输出端口具有二阶斯...
【专利技术属性】
技术研发人员：周勇，罗巧霞，高伟清，张维，马晓辉，方文坛，陈小林，黄松，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：
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