[发明专利]一种基于多频相位调制的激光频移器及频移方法

说明书

本发明提供一种基于多频相位调制的激光频移器及频移方法，属于光学技术领域。本发明所述激光频移器包括窄线宽的激光源、电光调制器、带通滤波器、光谱测量系统、任意波形发生器以及射频信号放大器；本发明方法包括：首先将窄线宽的激光源输出的单频信号导入到电光调制器中；然后基于光谱分析反向计算得到多频调制电信号波形，设定任意波形发生器产生相应的多频调制电信号；调制电信号先经过射频信号放大器进行放大，传送到电光调制器；将调制后形成的光信号输出到带通滤波器进行移频；最后光谱测量系统进行光谱结构分析。本发明解决了现有技术信号的功率利用率不高、设备结构较复杂的问题。本发明可运用于无线通信和光纤传感。

技术领域

本发明涉及一种激光频移器及频移方法，属于光学技术领域。

背景技术

分布式光纤传感器可在整个连续的光纤上，测出光纤轴向各位置的温度、应变、微振动等参量，它相对于点式光纤传感器而言，无论是从测量技术的难度，还是从测量场合和范围都提高到了一个新的阶段。分布式布里渊光纤传感器是其中的一种，其中单频泵浦光与信号光从传感光纤两端入射到光纤中，信号光与泵浦光间的频率差满足光纤中的布里渊频移时，将发生受激布里渊散射(Stimulated Brillouin scattering，SBS)效应而被放大。光纤中每一点的布里渊频移与该位置的温度、应变等有直接的关系。因此，在光纤轴向上每一点可以通过扫描信号光的频率得到该位置的布里渊频移，间接得出该位置温度、应变等参数与自然状态下典型值间的差值。从而实现对整条光纤上温度和应变等物理量的分布式测量。

在这种分布式光纤传感器设计过程中的一个重要环节是如何获得频率可调的信号光来实现光纤中每一点布里渊增益谱的扫描。因此，设计一个简单高效的可调激光频移器(Frequency shifter，FS)是实现分布式光纤传感的前提。

目前，实现激光的频率移动的方法，按照其实现原理，可以归结为三类：(1)采用相位调制器获得频率间隔可调的光双边带(Optical double sideband，ODSB)调制信号，然后利用光学滤波器滤除ODSB信号中的一个边带，获得FS信号；(2)放大ODSB中的一个边带，获得FS信号输出；(3)利用光单边带(Optical single sideband，OSSB)调制器直接得到FS信号。

2005年，西班牙Capmany等人利用串联的两组光纤布拉格光栅阵列(FBGA)来产生多波长的OSSB信号。由可调谐的光纤激光器阵列产生多波长的光纤激光，注入到电光调制器中，将每个纵横调制成双边带激光信号，然后利用FBGA滤除其中一个边带，得到多波长的OSSB信号。这种方法在插入损耗、载波抵制效应、带宽等方面都有较好的表现。只要使用高质量、高反射率的FBG滤波器，应用的频率范围可以从毫米波延伸到整个微波带宽范围。2012年，Tang等人使用相位调制器产生ODSB信号，然后利用一个可调光带通滤波器，滤除其中一个边带，得到OSSB信号。并将其运用在光矢量网络分析仪中，实现了较高的分辨率。2016年，澳大利亚的Song等人提出了一种基于绝缘硅片的耦合谐振腔光波导滤波器的单边带调制器，其OSSB信号经过色散元件传输后，光电探测器测得的射频(Radio frequency,RF)信号的起伏小于2dB。以上这种利用光学滤波器实现单边带调制信号的方法的不足之处是滤波器的使用会固定的损耗掉一部分边带能量，信号的能量转换效率(功率利用率)不高。

2005年，Y.Shen等人提出了产生11GHz光学单边带调制的ROF系统。使用光纤中的受激布里渊散射效应，使下边带的调制信号被放大，而上边带的调制信号被削弱，从而提高了系统的性能，获得了2dB的信噪比增益。由于光纤中布里渊频移为11GHz左右，使得调制的射频信号频率为11GHz。这种OSSB信号的产生方法实质上是将一个边带上的能量通过光纤受激布里渊散射效应转移到另一个边带上，与利用光学滤波器的方案相比具有更高的效率。