CN104570545B - 全光可调谐宽带线性调频信号的产生装置 - Google Patents

Abstract

一种全光可调谐宽带线性调频信号产生装置，该装置构成包括锁模激光器、第一光耦合器、第一光滤波器、第一色散模块、第二光滤波器、第二色散模块、可调延时模块、第二光耦合器、光放大器、光电探测器。本发明只使用一个锁模激光器作为光源，避免了因为独立激光器非相关性而导致的产生信号的不稳定。利用波长‑时间映射的原理，通过调节第一光滤波器、第二光滤波器的中心波长和滤波带宽，可以实现产生的线性调频信号的中心频率、扫频带宽都能简单灵活的可调谐。相比于其他方案，本发明在产生宽带线性调频信号方面有巨大优势。

Description

全光可调谐宽带线性调频信号的产生装置

技术领域

本发明涉及微波光子学和雷达领域，具体是一种全光可调谐宽带线性调频信号的产生装置。

背景技术

线性调频信号是现代雷达体制中经常采用的信号波形之一，具有大带宽的线性调频信号能够用来提高雷达的距离分辨率。现有的基于电子的任意波形发生器因受限于电子瓶颈，带宽通常比较窄。相比之下，基于光子方法产生的线性调频信号能够提供比传统的电学方法大得多的带宽，且拥有低损耗、抗电磁干扰等一系列优点，可以用来提高雷达的性能。

基于光子的宽带线性调频信号产生方法主要包括基于空间光的方法、基于相位调制或偏振调制的方法、波长-时间映射的方法和时域脉冲整形的方法等(参见J.Yao,“Photonic generation of microwave arbitrary waveforms,”Optics Communications,vol.284,no.15,pp.3723-3736,2011.)。其中，波长-时间映射的方法因有良好的可调谐性而更具吸引力。加拿大研究者曾提出基于光纤布拉格光栅和波长-时间映射的方法(参见R.Ashrafi,Y.Park,and J.“Fiber-based photonic generation of high-frequency microwave pulses with reconfigurable linear chirp control”,IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques,vol.58,no.11,pp.3312-3319,2010.)。此方案的缺点是中心频率的调谐是以脉冲持续时间的减少为代价的，且带宽也不能简单灵活地控制。清华大学曾提出连续光与锁模激光器拍频的方法(参见H.Gao,C.Lei,M.Chen,F.Xing,H.Chen,and S.Xie,“A simple photonic generation of linearlychirped microwave pulse with large time-bandwidth product and highcompression ratio”,Optics Express,vol.21,no.20,pp.23107-23115,2013.)。其缺点是使用的两个独立激光器的不相关性会造成产生信号的不稳定。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明旨在提供一种全光可调谐宽带线性调频信号的产生装置，该装置只使用一个锁模激光器作为光源，避免了因为独立激光器非相关性而导致的产生信号的不稳定。本发明利用波长-时间映射的原理，通过调节第一光滤波器、第二光滤波器的中心波长和滤波带宽，可以实现产生的线性调频信号的中心频率、扫频带宽都能简单灵活的可调谐。相比于其他方案，本发明的方法在产生宽带线性调频信号方面有巨大优势。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种全光可调谐宽带线性调频信号的产生装置，特点在于其构成包括锁模激光器、第一光耦合器、第一光滤波器、第一色散模块、第二光滤波器、第二色散模块、可调延时模块、第二光耦合器、光放大器和光电探测器；上述元部件的位置关系如下：

沿所述的锁模激光器的输出光束方向是所述的第一光耦合器，该第一光耦合器将输入光束分为第一光束和第二光束，沿所述的第一光束依次是所述的第一光滤波器、第一色散模块和第二光耦合器，沿所述的第二光束依次是所述的第二光滤波器、第二色散模块、可调延时模块和第二光耦合器；所述的第二光耦合器将第一光束和第二光束合并，该第二光耦合器的输出方向依次是所述的光放大器和光电探测器。

利用上述装置进行全光宽带线性调频信号产生，其信号调节方式包括：

①改变第一光滤波器和第二光滤波器的中心波长差，以改变产生的宽带线性调频信号的中心频率，从而产生上升调频、下降调频、先下降调频后上升调频三种形式的波形；

②调节第一光滤波器、第二光滤波器的滤波带宽，以改变产生的线性调频信号的脉冲持续时间、带宽以及相应的时间带宽积；

③改变第一色散模块、第二色散模块的色散量，以改变产生的宽带线性调频信号的扫频斜率。

本发明的工作原理如下：

第一光束和第二光束经过不同色散的超短光脉冲信号的表达式为：

其中，

C_i是常数，第一色散模块和第二色散模块的色散量，是第一光滤波器和第二光滤波器的出射信号x_i(t)的傅里叶变换，ω是绝对角频率，ω_i是滤波之后的光脉冲信号的中心角频率，t是相对于平均延时t_i的时间偏移，下标i＝1或2分别对应于第一光路和第二光路。第二光耦合器输出的光信号经过光电探测器探测，输出的电流为：

其中， 为光电探测器的响应率。根据相位与频率的微分关系，瞬时频率可以被表达为：

当t＝0时，中心频率为：

如果λ₀代表第一光滤波器和第二光滤波器中心波长的平均值，Δλ为相对小的光滤波器的滤波带宽，那么波形的脉冲持续时间，扫频带宽，时间带宽积和扫频斜率分别可以表达为：

所述的第一光耦合器将锁模激光器输出的宽谱光信号分为两部分，分别进入第一光滤波器、第二光滤波器。光滤波器有近似矩形的滤波形状，分别对宽谱光进行带通滤波。色散模块对滤波后的宽谱光引入色散。假设色散模块的色散量为根据色散引入的实时傅里叶变换(参见M.A.Muriel,J.and A.Carballar,“Real-time Fouriertransformer based on fiber gratings”,Optics Letters,vol.24,pp.1-3,1999.)，对于超短脉冲，在t时刻信号幅度正比于输入信号在角频率时的傅里叶变换。因为色散模块的作用，在两条光路上，滤波后的光谱被映射到时域。第二光路上的可调延时模块是用来补偿因为第一色散模块和第二色散模块的色散量/长度不同导致的两条光路上光脉冲信号之间的时间偏移。光放大器将第二光耦合器输出的光信号放大。最后，光电探测器将光信号转换为电信号，因为两条光路上色散量的不同，在一个脉冲观测窗口内，不同时刻在光电探测器拍频的光频分量以不同的速度线性变化，所以不同时刻产生的电信号频率线性变化，也就是线性调频信号。通过改变第一光滤波器、第二光滤波器的中心波长，也就是改变其对应的光频率差，可以改变产生的宽带线性调频信号的中心频率，从而产生上升调频、下降调频、先下降调频后上升调频这三种形式的波形。通过改变第一光滤波器、第二光滤波器的滤波带宽，可以改变产生的线性调频信号的脉冲持续时间、带宽以及相应的时间带宽积。

本发明具有以下优点：

1、本发明全光可调谐宽带线性调频信号产生装置。只使用一个锁模激光器作为光源，一方面结构简单节约成本，另一方面避免了使用多个独立光源拍频，因为光源不相关性而造成产生信号的不稳定。

2、本发明只需要改变第一光滤波器和第二光滤波器的中心波长差就可以改变产生的宽带线性调频信号的中心频率，从而产生上升调频、下降调频、先下降调频后上升调频这三种形式的波形，简单容易实现。理论上，只要锁模激光器的光谱足够宽，那么产生信号的中心频率是任意可调的，可以产生不同频段的线性调频信号，甚至可以拓展到太赫兹频段。

3、本发明，通过调节第一光滤波器、第二光滤波器的滤波带宽，可以改变产生的线性调频信号的脉冲持续时间、带宽以及相应的时间带宽积。

4、本发明，通过改变第一色散模块、第二色散模块的色散量，可以改变产生的宽带线性调频信号的扫频斜率。

附图说明

图1为本发明全光可调谐宽带线性调频信号产生装置的结构示意图。

图2(a)为本发明原理示意图。图2(b)改变第二光滤波器的中心波长，也就是改变第一光滤波器、第二光滤波器光频率差时，产生的宽带线性调频信号开始、中间、结束时刻瞬时频率的变化。

图3为本发明中当调节第一光滤波器、第二光滤波器光频率差时，仿真微波信号的时域波形(a),(c),(e)和相应的短时傅里叶变换分析(b),(d),(f)。

图4为本发明中调节第二光滤波器的中心波长(a),(b)0nm；(c),(d)+0.26nm；(e),(f)-0.26nm时，测量微波信号的时域波形(a),(c),(e)和相应的短时傅里叶变换分析(b),(d),(f)。

图5为本发明中当同时调节第一光滤波器、第二光滤波器的滤波带宽从1.5nm到3.5nm变化时，测量微波信号的短时傅里叶变换分析。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的一个具体实施例。本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不应限于下述的实施例。

图1为本发明全光可调谐宽带线性调频信号产生装置的结构示意图。其构成包括锁模激光器1、第一光耦合器2、第一光滤波器3、第一色散模块4、第二光滤波器5、第二色散模块6、可调延时模块7、第二光耦合器8、光放大器9、光电探测器10。

上述元部件的连接关系如下：

所述的锁模激光器1接第一光耦合器2，第一光耦合器将光信号分成两部分，分别输入到第一光滤波器3和第二光滤波器5的光输入端，本实施例的第一光滤波器、第二光滤波器都是可调光滤波器。第一光滤波器3的光输出端接第一色散模块4，第二光滤波器5的光输出端接第二色散模块6的光输入端，本实施例的第一色散模块、第二色散模块都是色散补偿光纤。第二色散模块6的光输出端接可调延时模块7的光输入端，第一色散模块4和可调延时模块7的光输出经第二光耦合器8合到一起输入到光放大器9的输入端，本实施例的光放大器为掺铒光纤放大器，对光信号进行放大，以减小链路的插损。光放大器9的光输出端接光电探测器10，将光信号转换为电信号。

本发明的工作原理如下：

在图1中所述的第一光耦合器将锁模激光器输出的宽谱光分为两部分，分别进入第一光滤波器、第二光滤波器。光滤波器有近似矩形的滤波形状，分别对宽谱光进行带通滤波。色散模块对滤波后的宽谱光引入色散。假设色散模块的色散量为根据色散引入的实时傅里叶变换，对于超短脉冲，在t时刻信号幅度正比于输入信号在角频率时的傅里叶变换。因为色散模块的作用，在两条光路上，滤波后的光谱被映射到时域。两路信号通过可调延时模块对齐，并通过第二光耦合器耦合到一起。因为两条光路上的色散量不同，在一个脉冲观测窗口内，不同时刻在光电探测器拍频的光频分量以不同的速度线性变化，所以不同时刻产生的电信号频率线性变化，也就是线性调频信号。

图2(a)中灰度条(i)(ii)分别代表当第一光滤波器和第二光滤波器中心波长相同时，不同时刻第一光路和第二光路在光电探测器拍频的光频率分量。灰度条(iii)代表当调节第二光滤波器的中心波长时的光频率分量。对于(i)(ii)的拍频，中心时刻t₂的瞬时频率为0GH；对于(i)(iii)的拍频，中心时刻t₂的瞬时频率产生偏移。通过改变第一光滤波器、第二光滤波器的中心波长，也就是改变其对应的光频率差，可以改变产生的宽带线性调频信号的中心频率，从而产生上升调频、下降调频、先下降调频后上升调频这三种形式的波形。图2(b)是改变第二光滤波器的中心波长时产生的宽带线性调频信号开始、中间、结束时刻瞬时频率的变化。三种形式波形的仿真如图3所示。

图4为本发明中调节第二光滤波器的中心波长(a),(b)0nm；(c),(d)+0.26nm；(e),(f)-0.26nm时，测量微波信号的时域波形(a),(c),(e)和相应的短时傅里叶变换分析(b),(d),(f)。每次调节之后都需要调节第二光路上的可调延时模块来补偿因为第一色散模块和第二色散模块的色散量/长度不同导致的两条光路上光脉冲信号之间的时间偏移。可以看出，通过调节第一光滤波器和第二光滤波器的中心波长的差，可以产生三种形式的波形。

图5为本发明中当同时调节第一光滤波器、第二光滤波器的滤波带宽从1.5nm到3.5nm变化时，测量微波信号的短时傅里叶变换分析。可以看出，通过改变第一光滤波器、第二光滤波器的滤波带宽，可以改变产生的线性调频信号的脉冲持续时间、带宽以及相应的时间带宽积。

Claims (2)

1.一种全光可调谐宽带线性调频信号的产生装置，特征在于其构成包括锁模激光器(1)、第一光耦合器(2)、第一光滤波器(3)、第一色散模块(4)、第二光滤波器(5)、第二色散模块(6)、可调延时模块(7)、第二光耦合器(8)、光放大器(9)和光电探测器(10)；上述元部件的位置关系如下：

沿所述的锁模激光器(1)的输出光束方向是所述的第一光耦合器(2)，该第一光耦合器(2)将输入光束分为第一光束和第二光束，沿所述的第一光束依次是所述的第一光滤波器(3)、第一色散模块(4)和第二光耦合器(8)，沿所述的第二光束依次是所述的第二光滤波器(5)、第二色散模块(6)、可调延时模块(7)和第二光耦合器(8)；所述的第二光耦合器(8)将第一光束和第二光束合并，该第二光耦合器(8)的输出方向依次是所述的光放大器(9)和光电探测器(10)。

2.一种利用权利要求1所述的全光可调谐宽带线性调频信号的产生装置进行信号产生的调节方法，其特征在于，其信号调节方式包括：

①改变第一光滤波器和第二光滤波器的中心波长差，以改变产生的宽带线性调频信号的中心频率，从而产生上升调频、下降调频、先下降调频后上升调频三种形式的波形；

②调节第一光滤波器、第二光滤波器的滤波带宽，以改变产生的线性调频信号的脉冲持续时间、带宽以及相应的时间带宽积；

③改变第一色散模块、第二色散模块的色散量，以改变产生的宽带线性调频信号的扫频斜率。