一种基于布里渊光纤激光器的窄带单通微波光子滤波器

1.本发明涉及微波光子信号处理领域，具体为一种基于布里渊光纤激光器的窄带单通微波光子滤波器。

背景技术：

2.微波光子学是利用光子技术在微波系统中实现射频功能的一门活跃的交叉学科。微波光子滤波器是微波光子学的一个主要课题，由于其低损耗、高线宽、抗电磁干扰的优点以及克服电子方法局限性的潜力，多年来一直受到人们的关注。具有窄带宽的微波光子滤波器能够提供高频率选择性，它们是实现高分辨率信号识别系统设计所需要的关键技术。2013年香港理工大学刘杰等人通过两个级联的无限脉冲响应滤波器，展示了具有249.31khz的3db带宽的超窄单通带微波光子滤波器；2017年东南大学仪器科学与工程学院韩辰等人报道了一种基于半导体光放大器双折射效应的微波光子滤波器，其3db带宽为2.45mhz；2018年中国科学院温华顺等人设计了一种基于受激布里渊散射和光纤环形谐振腔的超高品质可调谐单通带微波光子滤波器，可以得到950khz的3db带宽。
3.使用无限脉冲响应微波光子学滤波器由于放大的自发辐射的存在，以及光电接收器对接收信号有一定的信噪比要求，使得带宽不可能无限制压窄；通过基于半导体光放大器双折射效应的微波光子滤波器，可实现窄带宽滤波器的设计，但是半导体光放大器与光纤的耦合损耗太大，噪声及串扰较大且易受环境温度影响，因此稳定性较差；通过基于受激布里渊散射的微波光子滤波器，因光纤环形谐振腔的结构限制了受激布里渊散射增益的压窄阈值，微波光子滤波器滤波范围仅能达到千赫兹级。为了解决上述问题，需要改进基于布里渊光纤激光器的窄带单通微波光子滤波器。

技术实现要素：

4.本发明为了解决目前使用无限脉冲响应的微波光子学滤波器，带宽不可能无限制压窄；通过基于半导体光放大器双折射效应的微波光子滤波器，稳定性较差；通过基于受激布里渊散射的微波光子滤波器，滤波范围仅能达到千赫兹级，提供了一种基于布里渊光纤激光器的窄带单通微波光子滤波器。
5.本发明采用如下技术方案实现：一种基于布里渊光纤激光器的窄带单通微波光子滤波器，窄线宽连续波光纤激光器的输出端与分光耦合器ⅰ的a端口连接，分光耦合器ⅰ的c端口与双环结构布里渊光纤激光器的a端口连接，分光耦合器ⅰ的b端口与相位调制器的a端口连接，相位调制器的c端口与双环结构布里渊光纤激光器的b端口连接，双环结构布里渊光纤激光器的c端口与分光耦合器ⅱ的a端口连接，分光耦合器ⅱ的b端口与光谱仪的输入端口连接，分光耦合器ⅱ的c端口与光电探测器的输入端口连接，光电探测器的输出端与矢量网络测试仪的输入端连接，矢量网络测试仪的输出端与相位调制器的b端口连接。
6.实施时，本发明所设计的一种基于布里渊光纤激光器的窄带单通微波光子滤波
器，窄线宽连续波光纤激光器的波长为1550nm，线宽为0.1khz，最大输出功率为15dbm，窄线宽连续波光纤激光器的输出端与分光耦合器ⅰ的a端口连接，分光耦合器ⅰ为分光比为90:10的耦合器，b端口为90%输出端口，c端口为10%输出端口；分光耦合器ⅰ的c端口与双环结构布里渊光纤激光器的a端口连接，分光耦合器ⅰ的b端口与相位调制器的a端口连接，相位调制器的c端口与双环结构布里渊光纤激光器的b端口连接，双环结构布里渊光纤激光器的c端口与分光耦合器ⅱ的a端口连接，分光耦合器ⅱ为分光比为50:50的耦合器，分光耦合器ⅱ的b端口与光谱仪的输入端口连接，光谱仪的波长范围为600~1700nm，波长分辨率为0.02~2，波长线性度为0.01~0.02，测量功率范围为-90~20dbm，分光耦合器ⅱ的c端口与光电探测器的输入端口连接，光电探测器的线宽为50ghz，光输入功率的线性响应为10dbm，光电探测器的输出端与矢量网络测试仪的输入端连接，矢量网络测试仪的输出端与相位调制器的b端口连接，矢量网络分析仪的频率范围为300khz~20ghz，其频率分辨率为1hz，中频线宽为10hz~1.5mhz，频率范围在1mhz~6ghz时，其功率范围为-85dbm~10dbm，相位调制器的调制波长范围为1530~1625nm，电光线宽为25ghz，插值损耗为2.5db。其中，在双环结构布里渊光纤激光器中，包括偏振控制器，偏振控制器ⅰ的输入端与分光耦合器ⅱ的c端口连接，偏振控制器ⅰ的输出端与掺铒光纤放大器的输入端连接，掺铒光纤放大器的输出端与光环形器的a端口连接，光环形器的b端口与长度为100m的单模光纤ⅰ的b端连接，光环形器的c端口与分光耦合器
ⅴ
的a端口连接，分光耦合器
ⅴ
的c端口与长度为10m的单模光纤的输入端连接，单模光纤ⅱ的输出端与分光耦合器
ⅴ
的b端口连接，分光耦合器
ⅴ
为分光比为50:50的耦合器，分光耦合器
ⅴ
的d端口与分光耦合器ⅳ的a端口连接，分光耦合器ⅳ为分光比为99:1的耦合器，a端口为输入端，b端口为99%输出端，c端口为1%输出端，分光耦合器ⅳ的c端口与分光耦合器ⅱ的a端口连接，分光耦合器ⅳ的b端口与偏振控制器ⅱ的输入端连接，偏振控制器ⅱ的输出端与分光耦合器ⅲ的b端口连接，分光耦合器ⅲ为分光比为50:50的耦合器，分光耦合器ⅲ的a端口与单模光纤ⅰ的a端连接，分光耦合器ⅲ的c端口与相位调制器的c端口连接。使用时，窄线宽连续波光纤激光器1作为泵浦光源，由分光耦合器ⅰ的a端口输入，分光耦合器ⅰ的c端口为10%输出端口，输出泵浦光至双环结构布里渊光纤激光器的a端口，分光耦合器ⅰ的b端口为90%输出端口输出光载波，光载波由相位调制器的a端口进入，经过相位调制器将来自于矢量网络测试仪的射频信号调制到泵浦光产生调制光，并由相位调制器的c端口将调制光输入到双环结构布里渊光纤激光器中，经过双环结构布里渊光纤激光器产生窄线宽激光，窄线宽激光经过50:50的分光耦合器ⅱ输出，b端口输出信号直接输入光谱仪进行观测，c端口输出信号经过光电探测器拍频，将信号输出至矢量网络测试仪测试。其中，在双环结构布里渊光纤激光器中，由分光耦合器ⅰ的c端口输出的泵浦光，进入偏振控制器ⅰ调节，随后被掺铒光纤放大器将功率放大至高于单模光纤的布里渊散射的阈值，掺铒光纤放大器的输入功率范围为-20~15dbm，最大输出功率为37dbm；经过光环形器的a端口从光环形器的b端口输出，由单模光纤ⅰ的b端口注入单模光纤ⅰ，同时，分光耦合器ⅲ的a端口输出的调制光由单模光纤ⅰ的a端口注入单模光纤ⅰ中，调制光与泵浦光在100m单模光纤ⅰ中相互作用并激发布里渊散射，产生斯托克斯光经过光环形器的b端口并从光环形器的c端口输出，注入由分光比为50:50分光耦合器
ⅴ
和一个10m长的单模光纤ⅱ构成的环形谐振腔，并沿逆时针方向环绕谐振腔，混合信号表现出周期性共振，并且每个共振的线宽非常窄，经过调节偏振控制器ⅱ使得其对应于谐振模式的频率，布里渊增益谱被压缩并成为唯一稳定窄线宽
布里渊增益谱，经过分光耦合器ⅲ的b端口在谐振腔中多次逆时针绕行形成窄线宽激光，达到分光比99:1的分光耦合器ⅳ的阈值后从其c输出端口输出。通过使用受激布里渊散射放大双边带调制信号的边带实现单带通滤波，并通过包含10米光纤的环形谐振腔的超窄谐振线宽极大地压缩了受激布里渊散射的线宽，并使用双环形腔的游标效应实现单纵模输出，从而产生窄线宽单纵模激光。
7.与现有技术相比本发明具有以下有益效果：相比较于现有的基于受激布里渊散射的微波光子滤波器，本发明所提供的基于布里渊光纤激光器的窄带单通微波光子滤波器，通过使用受激布里渊散射放大双边带调制信号的边带实现单带通滤波，并通过包含10米光纤的环形谐振腔的超窄谐振线宽极大地压缩了受激布里渊散射的线宽，并使用双环形腔的游标效应实现单纵模输出，从而产生窄线宽单纵模激光。通过双环结构布里渊光纤激光器，压窄布里渊增益谱线宽至亚千赫兹级并使用游标效应实现单纵模激光输出，进而实现亚千赫兹级的窄带宽单通微波光子滤波，突破了现有的基于受激布里渊散射的微波光子滤波器无法突破千赫兹级的带宽，实现了微波光子滤波器的亚千赫兹级窄带宽单通滤波，可应用于通信、传感和军事等领域中高分辨率信号识别系统的设计，适合广泛推广应用，有较大的市场竞争力，具有重大意义。
附图说明
8.图1表示本发明的结构示意图。
9.图2表示本发明中双环结构布里渊光纤激光器结构示意图。
10.图3表示本发明实施例提供的基于布里渊光纤激光器窄带宽微波光子滤波器中心频率在10.735ghz时的频率响应图。
11.图中：1-窄线宽连续波光纤激光器，2a-分光耦合器ⅰ，2b-分光耦合器ⅱ，2c-分光耦合器ⅲ，2d-分光耦合器ⅳ，2e-分光耦合器
ⅴ
，3-相位调制器，4-双环结构布里渊光纤激光器，5-光谱仪，6-光电探测器，7-矢量网络测试仪，8a-偏振控制器ⅰ，8b-偏振控制器ⅱ，9-掺铒光纤放大器，10-光环形器，11a-单模光纤ⅰ，11b-单模光纤ⅱ。
具体实施方式
12.下面结合附图对本发明的具体实施例进行说明。
13.一种基于布里渊光纤激光器的窄带单通微波光子滤波器，如图1所示，窄线宽连续波光纤激光器1的波长为1550nm，线宽为0.1khz，最大输出功率为15dbm，窄线宽连续波光纤激光器1的输出端与分光耦合器ⅰ2a的a端口连接，分光耦合器ⅰ2a为分光比为90:10的耦合器，b端口为90%输出端口，c端口为10%输出端口；分光耦合器ⅰ2a的c端口与双环结构布里渊光纤激光器4的a端口连接，分光耦合器ⅰ2a的b端口与相位调制器3的a端口连接，相位调制器3的c端口与双环结构布里渊光纤激光器4的b端口连接，双环结构布里渊光纤激光器4的c端口与分光耦合器ⅱ2b的a端口连接，分光耦合器ⅱ2b为分光比为50:50的耦合器，分光耦合器ⅱ2b的b端口与光谱仪5的输入端口连接，光谱仪5的波长范围为600~1700nm，波长分辨率为0.02~2，波长线性度为0.01~0.02，测量功率范围为-90~20dbm，分光耦合器ⅱ2b的c端口与光电探测器6的输入端口连接，光电探测器6的线宽为50ghz，光输入功率的线性响应为10dbm，光电探测器6的输出端与矢量网络测试仪7的输入端连接，矢量网络测试仪7的输出
端与相位调制器3的b端口连接，矢量网络分析仪7的频率范围为300khz~20ghz，其频率分辨率为1hz，中频线宽为10hz~1.5mhz，频率范围在1mhz~6ghz时，其功率范围为-85dbm~10dbm，相位调制器3的调制波长范围为1530~1625nm，电光线宽为25ghz，插值损耗为2.5db。
14.其中，如图2所示，在双环结构布里渊光纤激光器4中，包括偏振控制器ⅰ8a，偏振控制器ⅰ8a的输入端与分光耦合器ⅱ2b的c端口连接，偏振控制器ⅰ8a的输出端与掺铒光纤放大器9的输入端连接，掺铒光纤放大器9的输出端与光环形器10的a端口连接，光环形器10的b端口与长度为100m的单模光纤ⅰ11a的b端连接，光环形器10的c端口与分光耦合器
ⅴ
2e的a端口连接，分光耦合器
ⅴ
2e的c端口与长度为10m的单模光纤11b的输入端连接，单模光纤ⅱ11b的输出端与分光耦合器
ⅴ
2e的b端口连接，分光耦合器
ⅴ
2e为分光比为50:50的耦合器，分光耦合器
ⅴ
2e的d端口与分光耦合器ⅳ2d的a端口连接，分光耦合器ⅳ2d为分光比为99:1的耦合器，a端口为输入端，b端口为99%输出端，c端口为1%输出端，分光耦合器ⅳ2d的c端口与分光耦合器ⅱ2b的a端口连接，分光耦合器ⅳ2d的b端口与偏振控制器ⅱ8b的输入端连接，偏振控制器ⅱ8b的输出端与分光耦合器ⅲ2c的b端口连接，分光耦合器ⅲ2c为分光比为50:50的耦合器，分光耦合器ⅲ2c的a端口与单模光纤ⅰ11a的a端连接，分光耦合器ⅲ2c的c端口与相位调制器3的c端口连接。
15.使用时，窄线宽连续波光纤激光器1作为泵浦光源，由分光耦合器ⅰ2a的a端口输入，分光耦合器ⅰ2a的c端口为10%输出端口，输出泵浦光至双环结构布里渊光纤激光器4的a端口，分光耦合器ⅰ2a的b端口为90%输出端口输出光载波，光载波由相位调制器3的a端口进入，经过相位调制器3将来自于矢量网络测试仪7的射频信号调制到泵浦光产生调制光，并由相位调制器3的c端口将调制光输入到双环结构布里渊光纤激光器4中，经过双环结构布里渊光纤激光器4产生窄线宽激光，窄线宽激光经过50:50的分光耦合器ⅱ2b输出，b端口输出信号直接输入光谱仪5进行观测，c端口输出信号经过光电探测器6拍频，将信号输出至矢量网络测试仪7测试。其中，在双环结构布里渊光纤激光器4中，由分光耦合器ⅰ2a的c端口输出的泵浦光，进入偏振控制器ⅰ8a调节，随后被掺铒光纤放大器9将功率放大至高于单模光纤的布里渊散射的阈值，掺铒光纤放大器9的输入功率范围为-20~15dbm，最大输出功率为37dbm；经过光环形器10的a端口从光环形器10的b端口输出，由单模光纤ⅰ11a的b端口注入单模光纤ⅰ11a，同时，分光耦合器ⅲ2c的a端口输出的调制光由单模光纤ⅰ11a的a端口注入单模光纤ⅰ11a中，调制光与泵浦光在100m单模光纤ⅰ11a中相互作用并激发布里渊散射，产生斯托克斯光经过光环形器10的b端口并从光环形器10的c端口输出，注入由分光比为50:50分光耦合器
ⅴ
2e和一个10m长的单模光纤ⅱ11b构成的环形谐振腔，并沿逆时针方向环绕谐振腔，混合信号表现出周期性共振，并且每个共振的线宽非常窄，由分光耦合器
ⅴ
2e的d端口输出，从分光耦合器ⅳ2d的a端口进入，b端口输出，经过调节偏振控制器ⅱ8b使得其对应于谐振模式的频率，布里渊增益谱被压缩并成为唯一稳定窄线宽布里渊增益谱，经过分光耦合器ⅲ2c的b端口在谐振腔中多次逆时针绕行形成窄线宽激光，达到分光比99:1的分光耦合器ⅳ2d的阈值后从其c输出端口输出。通过使用受激布里渊散射放大双边带调制信号的边带实现单带通滤波，并通过包含10米光纤的环形谐振腔的超窄谐振线宽极大地压缩了受激布里渊散射的线宽，并使用双环形腔的游标效应实现单纵模输出，从而产生窄线宽单纵模激光。
16.所采用的双环结构布里渊光纤激光器工作原理如下：
光纤中，入射激光和光纤中声波发生非线性的相互作用，产生斯托克斯布里渊散射光，在100米光纤中产生的布里渊频移νb，表示为其中，ν
p
为泵浦光频率，va为声速，c为光速，在本实施例中，νb在1550nm附近约为10ghz。当泵浦光功率增大时，泵浦光激发光纤布里渊散射，其中心频率f
pass
为斯托克斯布里渊散射光在包含100米光纤的环形谐振腔中环行，呈现周期性谐振，使得布里渊增益呈现光谱周期性。斯托克斯布里渊散射光经过包含10米光纤的环形谐振腔，布里渊增益被压窄，即产生窄线宽激光。
17.双环结构布里渊光纤激光器输出的窄线宽激光的3db线宽
∆
ν为其中
∆
ν
p
为泵浦光的线宽，且其中
∆
νb为布里渊增益的线宽，c为光速，r是所有谐振腔的总损耗，n为光纤的折射率，l
t
为双环腔中光纤长度和。可滤波带宽与激光器线宽及布里渊增益的线宽有关。
18.自由光谱范围fsr的表达式为在上述具体实施例中，基于布里渊光纤激光器窄带微波光子滤波器中心频率在10.735ghz时，微波光子滤波器的3db带宽最窄时仅为129hz，最大q因子为计算得q=8.34
×
107。
19.本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于布里渊光纤激光器的窄带单通微波光子滤波器，其特征在于：包括窄线宽连续波光纤激光器（1），所述窄线宽连续波光纤激光器（1）的输出端与分光耦合器ⅰ（2a）的a端口连接，所述分光耦合器ⅰ（2a）的c端口与双环结构布里渊光纤激光器（4）的a端口连接，所述分光耦合器ⅰ（2a）的b端口与相位调制器（3）的a端口连接，所述相位调制器（3）的c端口与双环结构布里渊光纤激光器（4）的b端口连接，所述双环结构布里渊光纤激光器（4）的c端口与分光耦合器ⅱ（2b）的a端口连接，所述分光耦合器ⅱ（2b）的b端口与光谱仪（5）的输入端口连接，所述分光耦合器ⅱ（2b）的c端口与光电探测器（6）的输入端口连接，所述光电探测器（6）的输出端与矢量网络测试仪（7）的输入端连接，所述矢量网络测试仪（7）的输出端与相位调制器（3）的b端口连接。2.根据权利要求1所述的一种基于布里渊光纤激光器的窄带单通微波光子滤波器，其特征在于：所述双环结构布里渊光纤激光器（4）包括偏振控制器ⅰ（8a），所述偏振控制器ⅰ（8a）的输入端与分光耦合器ⅱ（2b）的c端口连接，所述偏振控制器ⅰ（8a）的输出端与掺铒光纤放大器（9）的输入端连接，所述掺铒光纤放大器（9）的输出端与光环形器（10）的a端口连接，所述光环形器（10）的b端口与单模光纤ⅰ（11a）的b端连接，所述光环形器（10）的c端口与分光耦合器
ⅴ
（2e）的a端口连接，所述分光耦合器
ⅴ
（2e）的c端口与单模光纤（11b）的输入端连接，所述单模光纤ⅱ（11b）的输出端与分光耦合器
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（2e）的b端口连接，所述分光耦合器
ⅴ
（2e）的d端口与分光耦合器ⅳ（2d）的a端口连接，所述分光耦合器ⅳ（2d）的c端口与分光耦合器ⅱ（2b）的a端口连接，所述分光耦合器ⅳ（2d）的b端口与偏振控制器ⅱ（8b）的输入端连接，所述偏振控制器ⅱ（8b）的输出端与分光耦合器ⅲ（2c）的b端口连接，所述分光耦合器ⅲ（2c）的a端口与单模光纤ⅰ（11a）的a端连接，所述分光耦合器ⅲ（2c）的c端口与相位调制器（3）的c端口连接。3.根据权利要求2所述的一种基于布里渊光纤激光器的窄带单通微波光子滤波器，其特征在于：所述分光耦合器ⅰ（2a）为分光比为90:10的耦合器，a端口为输入端口，b端口为90%输出端口，c端口为10%输出端口；分光耦合器ⅳ（2d）为分光比为99:1的耦合器，a端口为输入端，b端口为99%输出端，c端口为1%输出端；分光耦合器ⅱ（2b）、分光耦合器ⅲ（2c）、分光耦合器
ⅴ
（2e）均为分光比为50:50的耦合器。4.根据权利要求2所述的一种基于布里渊光纤激光器的窄带单通微波光子滤波器，其特征在于：所述掺铒光纤放大器（9）的输入功率范围为-20~15dbm，最大输出功率为37dbm。5.根据权利要求2所述的一种基于布里渊光纤激光器的窄带单通微波光子滤波器，其特征在于：所述的单模光纤ⅰ（11a）的长度为100m；所述的单模光纤ⅱ（11b）的长度为10m。6.根据权利要求1所述的一种基于布里渊光纤激光器的窄带单通微波光子滤波器，其特征在于：所述窄线宽连续波光纤激光器（1）的波长为1550nm，线宽为0.1khz，最大输出功率为15dbm。7.根据权利要求1所述的一种基于布里渊光纤激光器的窄带单通微波光子滤波器，其特征在于：所述相位调制器（3）的调制波长范围为1530~1625nm，电光线宽为25ghz，插值损耗为2.5db。8.根据权利要求1所述的一种基于布里渊光纤激光器的窄带单通微波光子滤波器，其特征在于：所述光谱仪（5）的波长范围为600~1700nm，波长分辨率为0.02~2，波长线性度为0.01~0.02，测量功率范围为-90~20dbm。
9.根据权利要求1所述的一种基于布里渊光纤激光器的窄带单通微波光子滤波器，其特征在于：所述光电探测器（6）的线宽为50ghz，光输入功率的线性响应为10dbm。10.根据权利要求1所述的一种基于布里渊光纤激光器的窄带单通微波光子滤波器，其特征在于：所述矢量网络分析仪（7）的频率范围为300khz~20ghz，其频率分辨率为1hz，中频线宽为10hz~1.5mhz，频率范围在1mhz~6ghz时，功率范围为-85dbm~10dbm。

技术总结

本发明公开了一种基于布里渊光纤激光器的窄带单通微波光子滤波器，涉及建筑工程领域，窄线宽连续波光纤激光器的输出端与分光耦合器Ⅰ的a端口连接，分光耦合器Ⅰ的c端口与双环结构布里渊光纤激光器的a端口连接，分光耦合器Ⅰ的b端口与相位调制器的a端口连接，相位调制器的c端口与双环结构布里渊光纤激光器的b端口连接，双环结构布里渊光纤激光器的c端口与分光耦合器Ⅱ的a端口连接，分光耦合器Ⅱ的b端口与光谱仪的输入端口连接，分光耦合器Ⅱ的c端口与光电探测器的输入端口连接，光电探测器的输出端与矢量网络测试仪的输入端连接，矢量网络测试仪的输出端与相位调制器的b端口连接。实现了微波光子滤波器的亚千赫兹级窄带宽单通滤波。单通滤波。单通滤波。