CN106532430A - 一种频率和波长双重可调谐的调频连续波光载信号生成系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种频率和波长双重可调谐的调频连续波光载信号生成系统，包括依次连接的信号发生器、可调谐激光器、光信号放大器、滤波器和阵列波导光栅；所述的信号发生器用于产生调制激光器的低频调频连续波；所述的可调谐激光器根据所接受的低频调频连续波，输出强度调制与相位调制后的光谱信号；所述的光信号放大器用于对所述的光谱信号放大处理；所述的滤波器用于在放大后的光谱信号中滤出间隔的两个光边带，得到高频调频连续波光载信号；所述的阵列波导光栅用于输出所述的高频调频连续波光载信号。本发明系统产生高频调频连续波信号，具有中心频率和波长双重可调谐性，结构简单，易于扩展的特点与优势。

Description

一种频率和波长双重可调谐的调频连续波光载信号生成系统

技术领域

本发明涉及调频连续波信号的生成，尤其是涉及一种频率和波长双重可调谐的调频连续波光载信号生成系统。

背景技术

线性调频连续波或线性啁啾信号在现代雷达系统、医学成像、射频通信等领域有着广泛应用。传统基于电学方法和器件的信号产生由于电子瓶颈的限制，工作中心频率很难达到微波、毫米波频段，而且其带宽也大大受限，已经无法满足现代高分辨率雷达应用的需求。相比于电学方法，基于光学方法的调频连续波产生则有着高频率，宽带宽的巨大优势。而且考虑到微波毫米波在空气中衰减很大，结合Radio-over-Fiber(ROF)技术可方便实现在多雷达头分布系统中的信号分配。

目前已有多种基于光学方法的调频连续波实现方案报道，包括：光频谱整形和波长到时域的映射、光外差、外调制等。

光频谱整形技术的关键是设计频谱整形器的频率响应，使其频率响应形状与需要产生信号的时域波形相同，然后通过色散器件进行波长到时域的映射得到所需信号。典型的频谱整形器间包括空间光调制器，线性啁啾布拉格光栅等。由于频谱整形器件的频谱响应固定，因此该方法的主要缺点是中心频率和带宽固定，可重构性差。

光外差是通过两个有一定频差的激光器直接在探测器上拍频来产生毫米波信号，若其中一个激光器具有快速调谐功能，则可以产生调频连续波。但由于两个激光器的相位不相关，产生的信号则会不稳定。此外，由于光波的频率相对微波、毫米波频率要大几个数量级，因此需要严格精确的控制激光器的波长，实现难度比较大。为了使进行拍频的两个光信号相位相关，一种改进的方案是自外差，利用任意信号发生器产生二次信号电流，对分布反馈(DFB)激光器调制后得到二次频率调制的光脉冲，然后用马赫曾德干涉仪(MZI)分为2路，对一路信号进行延时后与另一路信号拍频就可得到线性调频信号。这种方法对DFB的电流调谐精确度与调谐速度要求较高，同时要求DFB在快速调谐过程中保持信号稳定。另外的一种对系统需求要求较低的方法是外调制，通过低频稳定的线性调频电信号作为调制信号，利用激光器或光学器件的非线性效应产生多个谐波，然后选取所需的谐波拍频从而实现倍频功能。但系统一般利用了强度调制器或相位调制器等调制器件，产生光学谐波结构设计复杂，一方面其性能受外调制器的影响，另一方面引入了额外的插入损耗。

发明内容

本文提出一种基于增益开关机理和利用波长可调谐半导体激光器产生高频调频连续波信号的系统，具有中心频率及光信号波长双重可调谐性。系统结构简单灵活，没有额外的插入损耗，使用2GHz的中心频率就可实现10倍频20GHz的信号输出，易于扩展。此外由于采用了可调谐激光器，结合阵列波导光栅等波分复用/解复用器件就可方便实现雷达分布系统的信号选路，具有实用性。具体技术方案如下：

一种频率和波长双重可调谐的调频连续波光载信号生成系统，包括依次连接的信号发生器、可调谐激光器、光信号放大器、滤波器和阵列波导光栅；

所述的信号发生器用于产生调制激光器的低频调频连续波；

所述的可调谐激光器根据所接受的低频调频连续波，输出强度调制与相位调制后的光谱信号；

所述的光信号放大器用于对所述的光谱信号放大处理；

所述的滤波器用于在放大后的光谱信号中滤出间隔的两个光边带，得到高频调频连续波光载信号；

所述的阵列波导光栅用于输出所述的高频调频连续波光载信号。

进一步的，所述的可调谐激光器为V型耦合腔半导体可调谐激光器。

本发明中的系统还包括接入所述可调谐激光器的波长控制器，用于控制输出光谱信号的波长。

优选的，所述的光信号放大器采用掺铒光纤放大器。

进一步的，所述可调谐激光器输出的光谱信号对应的公式为：

式中，J_n(x)为一阶贝塞尔函数,f₀为光波频率，i为虚数符号，f为激光器频率，f₀为激光器输出中心频率，δ为冲激函数，n为整数，Δf为由于调制引起的最大频率偏移，Δf/f_mt为调频指数，f_m,t为调制频率，M为调制指数，φ为强度调制与相位调制的相位延时，与偏置电流与调制频率有关。

相比于基于外调制的方案，本发明的系统可比较容易实现5倍频甚至10倍频的信号产生，产生的信号质量好，具有中心频率与波长双重可调谐性，所需调制信号的功率也比较低；同时，本发明的系统产生的信号能很容易扩展到毫米波段，而且结构简单，对电信号的要求大大降低。

附图说明

图1为本发明中高频调频连续波信号产生系统框图；

图2为激光器调谐光谱图；

图3为利用低频信号产生高频调频连续波的实验装置图；

图4为频谱仪测得的频谱图；

图5为调制频率为1GHz时所得的电谱图；

图6为调制频率为3GHz时所得的电谱图；

图7为截取的9.75GHz到10.25GHz的频谱图。

具体实施方式

图1为高频调频连续波光载信号产生原理框图，图中SG为信号发生器，WavelengthControl表示波长控制器，TLD为可调谐激光器(也称激光器)，EDFA为掺铒光纤放大器，Filter为滤波器，AWG为阵列波导光栅。一般来讲，双波束调频连续波干涉采用的调频技术有三种：锯齿波，三角波和正弦波。锯齿波与三角波调频统称为线性调频，雷达系统大都采用三角波调频系统。上图中信号发生器(SG)用于产生低频调频连续波，直接调制激光器后，会同时产生强度调制与相位调制，也就是啁啾效应。对应的输出光谱可用如下公式描述：

式中，J_n(x)为一阶贝塞尔函数,f₀为光波频率，Δf为由于调制引起的最大频率偏移，Δf/f_mt为调频指数，f_mt为调制频率，M为调制指数，φ为强度调制与相位调制的相位延时，与偏置电流与调制频率有关。从上述公式中我们可以看到，直接调制激光器其光谱会出现多个边带，即光谱呈现出光梳。虽然调制频率的改变会引起调频指数的变化，但相邻光边带频率间隔不变，而且其间隔与调制频率相同。此外，还可以看出激光器的各个光边带功率与偏置电流和调制指数相关，将激光器偏置在阈值附近，加大调制指数，使激光器工作在增益开关^[5]机制下，可以得到比较平坦的光梳，方便滤波处理。产生光梳后用滤波器滤出所需间隔的两个光边带就得到了高频调频连续波光载信号。由于采用低频稳定的调频源通过光学倍频实现高频调频信号的输出，通过改变调频源的中心频率就可实现频率可调性。此外，基于光学方法的产生机制可在光域上实现放大与滤波，信号质量更好。

本实施例中，激光器采用的是实验室自主研发的V型耦合腔半导体可调谐激光器。图2为激光器的调谐光谱图。激光器结构由两个不同长度的法布里珀罗腔通过半波耦合器成一定角度连在一起，一端通过半波耦合器耦合在一起，另一端不耦合形成V型结构，设计好其中一个腔的腔长为466um使其谐振波长间隔为0.8nm，另外一个腔长度稍长5％，其谐振波长则稍微偏离0.8nm，这样在材料增益窗口中，两个腔的谐振波长只有一个重合因而实现激光器的单模。由于激光器的波长是通过两个腔的谐振波长重合而决定，因此改变激光器的注入电流，引起材料有效折射率的变化就可以使重合的谐振波长发生跳变，实现波长调谐，也就是所谓的游标效应。具体来说，激光器由三个电极控制，分别称为长腔电极、短腔电极、耦合腔电极。调节长腔电极的电流或激光器工作温度就可改变波长，调谐波长间隔为0.8nm，适合于波分复用系统。调制信号加在耦合腔电极上，控制激光器的功率输出，对激光器波长影响不大。因此采用该激光器简单地调节激光器的偏置电流就可切换不同的波长实现选路的目的。

图3为利用低频信号产生高频调频连续波的实验装置图。图中DC bias为直流偏置，PD为光电探测器，ESA表示电频谱分析仪。实验所用激光器的阈值测得约为30mA。首先用单频信号进行调制，由于调制频率较低，无法在光域上观察到光调制边带，故激光器输出经过EDFA放大后直接注入到探测器上，然后通过带宽为32GHz的频谱仪检测电信号，在频谱仪上观察就可看到多个谐波。

设置偏置电流为38mA，调制频率为2GHz，功率为5dBm，EDFA输出光功率为2dBm。图4为频谱仪测得的频谱图，可看到2GHz的信号输入可实现10倍频20GHz的信号输出，信噪比约为15dB。

调频连续波中心频率的可调谐性可通过简单的调节调制频率获得，图5和图6为调制频率分别为1GHz与3GHz时所得的电谱图，均可实现5倍频以上。

接下来设置信号发生器使其输出中心频率为2GHz，带宽为100MHz的低频调频信号，选择5倍频输出，即可得到中心频率为10GHz，调制带宽为500MHz的高频调频连续波。图7为截取的9.75GHz到10.25GHz的频谱图，从图中可看到其信噪比超过30dB。然后我们改变激光器的偏置电流，可观察到电信号并未受到影响，但光信号波长发生变化，因此利用该激光器实现多通道的选路而不会使调制信号发生改变。

相比于基于外调制的方案，本系统可比较容易实现5倍频甚至10倍频的信号产生，产生的信号质量好，所需调制信号的功率也比较低。通过本实验证明了该系统用低频信号来实现毫米波调频连续波的可行性。

本发明提出的基于增益开关可调谐半导体激光器的调频连续波实现系统。采用中心频率为2GHz，带宽为100MHz的低频调制信号得到了中心频率为10GHz，带宽为500MHz的调频连续波光载信号，具有中心频率与波长双重可调谐性，可以方便利用ROF技术实现基于光纤的多雷达头分布系统。此外，通过实验结果可以看到，基于此方法产生的信号能很容易扩展到毫米波段，而且结构简单，对电信号的要求大大降低。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种频率和波长双重可调谐的调频连续波光载信号生成系统，其特征在于：包括依次连接的信号发生器、可调谐激光器、光信号放大器、滤波器和阵列波导光栅；

所述的信号发生器用于产生调制激光器的低频调频连续波；

所述的可调谐激光器根据所接受的低频调频连续波，输出强度调制与相位调制后的光谱信号；

所述的光信号放大器用于对所述的光谱信号放大处理；

所述的滤波器用于在放大后的光谱信号中滤出间隔的两个光边带，得到高频调频连续波光载信号；

所述的阵列波导光栅用于输出所述的高频调频连续波光载信号。

2.如权利要求1所述的调频连续波光载信号生成系统，其特征在于：所述的可调谐激光器为V型耦合腔半导体可调谐激光器。

3.如权利要求1或2所述的调频连续波光载信号生成系统，其特征在于：还包括接入所述可调谐激光器的波长控制器，用于控制输出光谱信号的波长。

4.如权利要求1所述的调频连续波光载信号生成系统，其特征在于：所述的光信号放大器采用掺铒光纤放大器。

5.如权利要求1所述的调频连续波光载信号生成系统，其特征在于：所述可调谐激光器输出的光谱信号对应的公式为：

$S\left(f\right)=\mathrm{\Σ}|J_n\left(\frac{\mathrm{\Δ}f}{f_{m,t}}\right)-\frac{M}{4}\{J_{n+1}\left(\frac{\mathrm{\Δ}f}{f_{m,t}}\right)e^{i\mathrm{\φ}}+J_{n-1}\left(\frac{\mathrm{\Δ}f}{f_{m,t}}\right)e^{-i\mathrm{\φ}}\}{|}^2\·\mathrm{\δ}(f-(f_0+{\mathrm{nf}}_{m,t}\left)\right)$

式中，J_n(x)为一阶贝塞尔函数,f₀为光波频率，i为虚数符号，f为激光器频率，f₀为激光器输出中心频率，δ为冲激函数，n为整数，Δf为由于调制引起的最大频率偏移，Δf/f_mt为调频指数，f_m,t为调制频率，M为调制指数，φ为强度调制与相位调制的相位延时，与偏置电流与调制频率有关。