CN102215069A - 一种频率可调的三角波光子发生装置 - Google Patents

Abstract

一种频率可调的三角波光子发生装置，涉及光电子器件、微波光子学领域，该装置的双平行马赫曾德调制器(2)光输入端和光输出端分别接连续波激光器(1)和光电二极管(6)，第一正弦波本地振荡器(31)、第二正弦波本地振荡器(32)的输出端分别接第一射频功率放大器(41)、第二射频功率放大器(42)，然后再各自接双平行马赫曾德调制器(2)第一电调制端(211)和第二电调制端(212)，双平行马赫曾德调制器三个电压偏置端(221、222、223)分别接第一、二、三电压源(51、52、53)输出端。调节正弦本地振荡器的工作频率、射频功率放大器的放大系数和电压源的电压值，产生频率可调的三角波，频率最高可达到26GHz，远大于电子学方法产生的三角波频率。

Description

一种频率可调的三角波光子发生装置

技术领域

本发明涉及光电子器件、微波光子学领域，具体地讲是一种频率可调的三角波光子发生装置。

背景技术

三角波(Triangular Wave)，在单个周期内幅度为三角形，是一种典型的非正弦波信号。在信号处理和通信系统工程领域三角波是一个非常有用的理想信号表示，也是用于导出其它理想信号的原型信号。三角波以其特有的时域/频域特性，具有多方面的应用，如：在脉冲编码调制中作为数字信号传输的脉冲波形以及信号接收时作为匹配滤波器使用；由于频谱范围内比方波具有更低的谐波分量，在数据成像技术中广泛应用；由于时域范围内三角波幅度随时间呈现线性变化，在同步通信系统中作为时钟信号能够大幅度降低时钟频率。目前，常采用电路的方式获得低频的三角波(数百KHz至数百MHz)，采用可编程任意波形发生器也可以产生三角形的电脉冲，但是这些方法都采用电子学的方法，必定遇到电子学瓶颈的限制，无法获得更高频率的三角波。随着人类社会信息化进程的迅猛发展，信息处理技术势必对包括三角波在内的特殊形状信号源频率具有更高的要求，如何获得频率高达数十GHz甚至数百GHz的信号源，一直以来是国内外研究的重点。微波光子学是近年来兴起的新学科，将光子学和微波学相结合，利用光子学的大带宽、低损耗、抗EMI等特性，能够克服电子学瓶颈，为获得稳定高频的信号源提供了必要的支持。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是受现有的电子学瓶颈限制，不能产生稳定的高频三角波的信号源。

本发明的技术方案：

一种频率可调的三角波光子发生装置，该装置包括连续波激光器、双平行马赫曾德调制器、第一正弦波本地振荡器、第二正弦波本地振荡器、第一射频功率放大器、第二射频功率放大器、第一电压源、第二电压源、第三电压源、光电二极管；具体连接方式为：

连续波激光器的光输出端接双平行马赫曾德调制器的光输入端，第一正弦波本地振荡器的电输出端接第一射频功率放大器的电输入端，第一射频功率放大器的电输出端接双平行马赫曾德调制器的第一电调制端；

第二正弦波本地振荡器的电输出端接第二射频功率放大器的电输入端，第二射频功率放大器的电输出端接双平行马赫曾德调制器的第二电调制端口；

第一电压源的输出端接双平行马赫曾德调制器的第一电压偏置端；

第二电压源的输出端接双平行马赫曾德调制器的第二电压偏置端；

第三电压源的输出端接双平行马赫曾德调制器的第三电压偏置端；

双平行马赫曾德调制器的光输出端接光电二极管的输入端。

第一电压源的输出电压V_bias1＝V_π，所述的第二电压源的输出电压V_bias2＝V_π，所述的第三电压源的输出电压V_bias3＝V_π/2，其中V_π为双平行马赫曾德调制器的半波电压；

调节第一正弦波本地振荡器的输出频率f₁，调节范围为3GHz～39GHz和调节第二正弦波本地振荡器的输出频率f₂，调节范围为1GHz～13GHz，使f₂＝3f₁；

调节第一射频功率放大器的放大系数α₁，调节范围0～V_π/3)和调节第二射频功率放大器的放大系数α₂，调节范围0～V_π/3，使J₂(2α₁π/V_π)＝9J2(2α₂π/V_π)，其中J₂为二阶贝塞尔函数；

经过上述调节后，光电二极管输出为三角波信号，频率为f＝2f₁。

本发明的具体工作原理如下：

由连续波激光器输出的光信号表达式为：

E_in(t)＝E₀exp(jω₀t)(1)

其中E₀为光信号幅度，ω₀为中心角频率，然后光信号经双平行马赫曾德调制器调制后，输出光信号表达式为

$E_{\mathrm{out}}\left(t\right)=\frac{1}{4}{E}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\left[\begin{array}{c}\exp \left(j\frac{a_1\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{1}t\right)\right)+\exp (j\frac{a_1\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{1}t\right)+\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{bias}1}}{V_{\mathrm{\π}}})\\ \exp \left(j\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{bias}3}}{V_{\mathrm{\π}}}\right)\exp \left(j\frac{a_2\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{2}t\right)\right)\\ +\exp \left(j\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{bias}3}}{V_{\mathrm{\π}}}\right)\exp (j\frac{a_2\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{2}t\right)+\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{bias}2}}{V_{\mathrm{\π}}})\end{array}\right]---\left(2\right)$

调节第一电压源的输出电压，使V_bias1＝V_π，调节第二电压源的输出电压，使V_bias2＝V_π，调节第三电压源的输出电压，使V_bias3＝V_π/2，并将(1)带入(2)，可得光信号强度可以表示为

$I_{\mathrm{out}}\left(t\right)={\left|E_{\mathrm{out}}\left(t\right)\right|}^2=\frac{1}{4}{\left|E_{\mathrm{in}}\left(t\right)\right|}^2[{\sin }^2\left(\frac{a_1\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{1}t\right)\right)+{\sin }^2\left(\frac{a_2\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{2}t\right)\right)]$

(3)

$=\frac{1}{4}{E}_0^2-\frac{1}{8}{E}_0^2[\cos \left(\frac{2a_1\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{1}t\right)\right)+\cos \left(\frac{2a_2\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{2}t\right)\right)]$

将(3)式进行贝塞尔展开，可化简为(4)式

$I_{\mathrm{out}}\left(t\right)=\frac{1}{4}{E}_0^2+\frac{1}{8}{E}_0^2\left[\begin{array}{c}{J}_0\left(\frac{{2a}_1\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}\right)+2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_{2n}\left(\frac{2a_1\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}\right)\cos \left(4\mathrm{n\π}{f}_{1}t\right)\\ +J_0\left(\frac{{2a}_2\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}\right)+2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_{2n}\left(\frac{2a_2\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}\right)\cos \left(4\mathrm{n\π}{f}_{2}t\right)\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中J_2n为2n阶贝塞尔函数，调节第一射频功率放大器的放大系数α₁(范围0～V_π/3)和第二射频功率放大器的放大系数α₂(范围0～V_π/3)，此时可以忽略四阶及以上的高阶项，于是式(4)简化为

$I_{\mathrm{out}}\left(t\right)\≈\frac{1}{4}{E}_0^2+\frac{1}{8}{E}_0^2\left[\begin{array}{c}{J}_0\left(\frac{{2a}_1\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}\right)+2J_2\left(\frac{2a_1\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}\right)\cos \left(4\mathrm{\π}{f}_{1}t\right)\\ +J_0\left(\frac{{2a}_2\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}\right)+2J_2\left(\frac{2a_2\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}\right)\cos \left(4\mathrm{\π}{f}_{2}t\right)\end{array}\right]---\left(5\right)$

调节第一正弦波本地振荡器的输出频率f₁，调节范围为3GHz～39GHz和调节第二正弦波本地振荡器的输出频率f₂，调节范围为1GHz～13GHz，使f₂＝3f₁，当且仅当J₂(2α₁π/V_π)＝9J₂(2α₂π/V_π)满足时，(5)式为

$I_{\mathrm{out}}\left(t\right)\≈\frac{1}{4}{E}_0^2+\frac{5}{36}{E}_0^2{J}_0\left(\frac{2a_1\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}\right)+\frac{1}{4}{E}_0^2{J}_2\left(\frac{{2a}_1\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}\right)[\cos \left(4\mathrm{\π}{f}_{1}t\right)+\frac{1}{9}\cos \left(12\mathrm{\π}{f}_{1}t\right)]---\left(6\right)$

光电二极管探光信号的强度最终得到三角波电信号表达式为

$i\left(t\right)\≈\frac{1}{4}{E}_0^2+\frac{5}{36}{E}_0^2{J}_0\left(\frac{2a_1\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}\right)+\frac{1}{4}{E}_0^2{J}_2\left(\frac{{2a}_1\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}\right)[\cos (2\mathrm{\π}\·\left(2f_1\right)t)+\frac{1}{9}\cos (2\mathrm{\π}\·\left({6f}_1\right)t)]---\left(7\right)$

可以参照典型的三角波表达式(8)

$f\left(t\right)=B_1+B_2(\cos \mathrm{\ωt}+\frac{1}{9}\cos 3\mathrm{\ωt}+\frac{1}{25}\cos 5\mathrm{\ωt}+...)---\left(8\right)$

其中B₁和B₂为任意常数，比较(7)和(8)，可知本装置获得的频率f＝2f₁的三角波与典型的三角波十分近似，考虑到高次谐波项对三角波形的贡献很小，可以忽略，可见本装置从原理上是绝对可行的。

本发明和已有技术相比所具有的有益效果具体如下：

本发明是一种频率可调的三角波光子发生装置，该装置以电光调制理论为基础，两个正弦波本地振荡器为基本构成单元，通过调节装置的具体参数，获得了高频的三角波，考虑到目前最新调制器工作频率可达到40GHz，本装置能够产生频率接近毫米波频段的26GHz三角波，这一点是传统电子学方法无法实现的，而且本光子发生装置能够与光纤传输天然兼容，因而大大拓展了其应用范围，产生的三角波频率只与两个正弦本地振荡器的工作频率有关，调节非常灵活，使得本装置具有很高的应用价值。

附图说明

图1一种频率可调的三角波光子发生装置结构原理图。

图2三角波光子发生装置产生的三角波时域波形示意图(频率f＝2GHz)。

图3三角波光子发生装置产生的三角波时域波形示意图(频率f＝5GHz)。

图4三角波光子发生装置产生的三角波时域波形示意图(频率f＝10GHz)。

图5三角波光子发生装置产生的三角波时域波形示意图(频率f＝20GHz)。

图6三角波光子发生装置产生的三角波时域波形示意图(频率f＝26GHz)。

具体实施方式

下面结合附图1至6对一种频率可调的三角波光子发生装置作进一步描述。

实施例一

一种频率可调的三角波光子发生装置，如图1所示：该装置包括连续波激光器1、双平行马赫曾德调制器2、第一正弦波本地振荡器31、第二正弦波本地振荡器32、第一射频功率放大器41、第二射频功率放大器42、第一电压源51、第二电压源52、第三电压源53、光电二极管6；具体连接方式为：

连续波激光器1的光输出端接双平行马赫曾德调制器2的光输入端，第一正弦波本地振荡器31的电输出端接第一射频功率放大器41的电输入端，第一射频功率放大器41的电输出端接双平行马赫曾德调制器的第一电调制端211；

第二正弦波本地振荡器32的电输出端接第二射频功率放大器42的电输入端，第二射频功率放大器42的电输出端接双平行马赫曾德调制器的第二电调制端口212；

第一电压源51的输出端接双平行马赫曾德调制器的第一电压偏置端221；

第二电压源52的输出端接双平行马赫曾德调制器的第二电压偏置端222；

第三电压源53的输出端接双平行马赫曾德调制器的第三电压偏置端223；

双平行马赫曾德调制器2的光输出端接光电二极管6的输入端。

第一电压源51的输出电压V_bias1＝4V，所述的第二电压源52的输出电压V_bias2＝4V，所述的第三电压源53的输出电压V_bias3＝2V；

调节第一正弦波本地振荡器31的输出频率f₁，使f₁＝1GHz和调节第二正弦波本地振荡器32的输出频率f₂，使f₂＝3GHz；

调节第一射频功率放大器41的放大系数α₁，使α₁＝1.32和调节第二射频功率放大器42的放大系数α₂，使α₂＝0.37，使J₂(2α₁π/V_π)＝9J₂(2α₂π/V_π)＝0.369，其中J₂为二阶贝塞尔函数；

经过上述调节后，光电二极管6输出为三角波信号，频率为f＝2f₁＝2GHz，其三角波时域波形如图2所示。

实施例二：

实施例二与实施例一区别：

调节第一正弦波本地振荡器31的输出频率f₁，使f₁＝2.5GHz和调节第二正弦波本地振荡器32的输出频率f₂，使f₂＝7.5GHz；

调节第一射频功率放大器41的放大系数α₁，使α₁＝1.1和调节第二射频功率放大器42的放大系数α₂，使α₂＝0.33，使J₂(2α₁π/V_π)＝9J₂(2α₂π/V_π)＝0.289，其中J₂为二阶贝塞尔函数；

经过上述调节后，光电二极管6输出为三角波信号，频率为f＝2f₁＝5GHz，其三角波时域波形如图3所示。

实施例三：

实施例三与实施例一区别：

调节第一正弦波本地振荡器31的输出频率f₁，使f₁＝5GHz和调节第二正弦波本地振荡器32的输出频率f₂，使f₂＝15GHz；

调节第一射频功率放大器41的放大系数α₁，使α₁＝1.2和调节第二射频功率放大器42的放大系数α₂，使α₂＝0.35，使J₂(2α₁π/V_π)＝9J₂(2α₂π/V_π)＝0.326，其中J₂为二阶贝塞尔函数；

经过上述调节后，光电二极管6输出为三角波信号，频率为f＝2f₁＝10GHz，其三角波时域波形如图4所示。

实施例四：

实施例四与实施例一区别：

调节第一正弦波本地振荡器31的输出频率f₁，使f₁＝10GHz和调节第二正弦波本地振荡器32的输出频率f₂，使f₂＝30GHz；

调节第一射频功率放大器41的放大系数α₁，使α₁＝1和调节第二射频功率放大器42的放大系数α₂，使α₂＝0.3，使J₂(2α₁π/V_π)＝9J₂(2α₂π/V_π)＝0.25，其中J₂为二阶贝塞尔函数；

经过上述调节后，光电二极管6输出为三角波信号，频率为f＝2f₁＝20GHz，其三角波时域波形如图5所示。

实施例五：

实施例五与实施例一区别：

调节第一正弦波本地振荡器31的输出频率f₁，使f₁＝13GHz和第二正弦波本地振荡器32的输出频率f₂，使f₂＝39GHz；

调节第一射频功率放大器41的放大系数α₁，使α₁＝1.3和调节第二射频功率放大器42的放大系数α₂，使α₂＝0.375，使J₂(2α₁π/V_π)＝9J₂(2α₂π/V_π)＝0.372，其中J₂为二阶贝塞尔函数；

经过上述调节后，光电二极管(6)输出为三角波信号，频率为f＝2f₁＝26GHz，其三角波时域波形如图6所示。

上述实施例中采用的器件：连续波激光器1、双平行马赫曾德调制器2、第一正弦波本地振荡器31、第二正弦波本地振荡器32、第一射频功率放大器41、第二射频功率放大器42、第一电压源51、第二电压源52、第三电压源53、光电二极管6均为市售器件。

Claims (2)

1.一种频率可调的三角波光子发生装置，其特征在于：该装置包括连续波激光器(1)、双平行马赫曾德调制器(2)、第一正弦波本地振荡器(31)、第二正弦波本地振荡器(32)、第一射频功率放大器(41)、第二射频功率放大器(42)、第一电压源(51)、第二电压源(52)、第三电压源(53)、光电二极管(6)；具体连接方式为：

连续波激光器(1)的光输出端接双平行马赫曾德调制器(2)的光输入端，第一正弦波本地振荡器(31)的电输出端接第一射频功率放大器(41)的电输入端，第一射频功率放大器(41)的电输出端接双平行马赫曾德调制器的第一电调制端(211)；

第二正弦波本地振荡器(32)的电输出端接第二射频功率放大器(42)的电输入端，第二射频功率放大器(42)的电输出端接双平行马赫曾德调制器的第二电调制端口(212)；

第一电压源(51)的输出端接双平行马赫曾德调制器的第一电压偏置端(221)；

第二电压源(52)的输出端接双平行马赫曾德调制器的第二电压偏置端(222)；

第三电压源(53)的输出端接双平行马赫曾德调制器的第三电压偏置端(223)；

双平行马赫曾德调制器(2)的光输出端接光电二极管(6)的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种频率可调的三角波光子发生器，其特征在于：

所述的第一电压源(51)的输出电压V_bias1＝V_π，所述的第二电压源(52)的输出电压V_bias2＝V_π，所述的第三电压源(53)的输出电压V_bias3＝V_π/2，其中V_π为双平行马赫曾德调制器(2)的半波电压；

所述的第一正弦波本地振荡器(31)的输出频率f₁为3GHz～39GHz；所述的第二正弦波本地振荡器(32)的输出频率f₂为1GHz～13GHz；f₂＝3f₁；

所述的第一射频功率放大器(41)的放大系数α₁为0～V_π/3；所述的第二射频功率放大器(42)的放大系数α₂为0～V_π/3，J₂(2α₁π/V_π)＝9J₂(2α₂π/V_π)，其中J₂为二阶贝塞尔函数；

所述的光电二极管(6)输出为三角波信号，频率为f＝2f₁。

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