CN108683058A - 一种高功率超平坦微波频率梳的产生装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高功率超平坦微波频率梳的产生装置及方法，该方法包括：利用可调谐激光源作为种子光源，注入到光学耦合器和DP‑QPSK调制器，DP‑QPSK调制器被射频信号驱动，发生强度调制，产生频率间隔等于1倍、2倍或4倍RF信号频率的新谱线，经由光放大器放大和带通滤波器之后，与种子光源耦合作为回路下一次的输入，循环N次后，可分别获得频率间隔等于1倍或2倍RF频率光梳；当光学回路达到稳态后，获得高功率、带宽宽、超平坦的稳定光梳；将光梳注入到光电探测器PD中拍频，产生微波梳。本发明产生的微波频率梳具有良好的频谱特性，在频谱带宽和平坦度上兼具优势。

Description

一种高功率超平坦微波频率梳的产生装置及方法
技术领域
本发明涉及一种高功率超平坦微波频率梳的产生装置及方法，属于微波频率梳的光学产生技术领域。
背景技术
微波频率梳(MFC,Microwave Frequency Comb)由一系列频率间隔相等的离散微波信号构成，可以在同一个连续频率带宽范围内同时提供若干个不同频率的微波信号，不仅兼具微波信号本身的特点，而且相较于单频微波信号有更宽的频带宽度(百GHz数量级)来加载通信信息，拥有穿透能力强、谱线间距精确度高等优点，在无线通信、雷达制导、医疗、遥感探测等领域均有重要的应用价值，这使得微波频率梳具有十分广阔的发展前景。
现有的微波频率梳获取方案可以分为电学和光学两种。电学方案是以电容或电阻的非线性电路为基础的一种传统微波频率梳产生方案。利用电学方式产生的微波频率梳，虽然带宽可达几个GHz甚至十几个GHz，但是由于梳距不能灵活调节而使其应用受到极大地限制。另外，随着微波频率梳带宽的进一步提升，必将导致电子电路的设计和加工更加复杂，由此带来系统的成本高昂。此外，由于电子瓶颈的限制，基于电子电路产生的频率梳的带宽将难以向更高带宽扩展。在利用光学方案产生微波频率梳方面，目前方法有：利用马赫增德尔调制器对激光进行调制，产生光学频率梳在光电探测器(PD)中拍频获得微波频率梳；利用光电振荡环微波动态锁定激光器产生的光学频率梳，经PD拍频后微波频率梳；利用光纤中的非线性效应产生光学频率梳，通过PD拍频后，获得微波频率梳；通过级联多个相位调制器产生光学频率梳在PD中拍频获得微波频率梳；基于循环频移回路产生的光学频率梳经PD拍频后获得微波频率梳等。
目前已有的微波频率梳方案中，获得的微波频率梳大部分谱线数目比较少、谱线功率水平低、功率幅值变化大、平坦度有待提高。因此，如何产生功率高、宽带宽、平坦度好的微波频率梳，使其既能用于常用的低频段微波通信、又能用于高速微波通信场合，是目前的技术难点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种高功率超平坦微波频率梳的产生装置及方法，解决目前利用光学方法产生微波频率梳功率低、频谱带宽窄、频谱不平坦的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种高功率超平坦微波频率梳的产生装置，包括可调谐激光源TLS、光学耦合器OC、偏振复用正交相移键控DP-QPSK调制器、射频驱动信号RF、光放大器OA、带通滤波器BPF、光电探测器PD、光谱分析仪OSA和电谱分析仪 ESA；
所述可调谐激光源TLS产生种子光源，并进入光学耦合器OC；
所述光学耦合器OC分光比为1:9，可调谐激光源TLS发出的种子光源经过光学耦合器后，90％的光再次进入环路，作为下一次回路的输入光源；
所述射频驱动信号RF为DP-QPSK调制器提供驱动电压；
所述偏振复用正交相移键控DP-QPSK调制器对光学耦合器OC输出的光进行调制，将频率单一的光调制为2/3/4根功率相等、频率间隔等于2倍或1倍射频驱动信号RF频率Δf的光；
所述光放大器OA将经过DP-QPSK调制器调制的光放大至种子光源水平；
所述带通滤波器BPF滤除经光放大器OA放大后的光梳的带外噪声；
经带通滤波器BPF过滤后的光梳在光电探测器PD中发生拍频，从而得到微波频率梳；
所述光谱分析仪OSA用于测量回路输出端光信号的大小；
所述电谱分析仪ESA用于测量回路输出的光经过PD拍频后得到的电信号。
前述的可调谐激光源TLS为激光二极管。
前述的带通滤波器为宽带可调谐带通滤波器。
一种高功率超平坦微波频率梳的产生装置产生微波频率梳的方法，包括以下步骤：
1)设置可调谐激光源的中心频率为193.1THz，光功率为0dBm，初始相位为0，线宽为10MHz；射频驱动信号RF的频率为10GHz；DP-QPSK调制器中的半波电压3.5V、光插入损耗13dB、电移相器相移为0°、下面主电移相器相移为30°；光电探测器PD的响应度为1A/W；
2)可调谐激光源TLS产生种子光源f0，通过光学耦合器OC入射到光学回路中的DP-QPSK调制器中；
3)光在DP-QPSK调制器中发生强度调制，通过控制DP-QPSK调制器中子马赫曾德尔调制器的偏置电压和相邻马赫曾德尔调制器之间的相位差，产生频率间隔等于1倍、2倍或4倍射频信号RF频率的光梳；
4)产生的光梳经光放大器OA放大，放大至种子光源水平；
5)经光放大器OA放大后的光梳注入到带通滤波器BPF中滤除带外噪声；
6)经过带通滤波器BPF后的光梳与种子光源耦合作为下一次回路的输入光源；循环N 次后，根据DP-QPSK调制器偏置电压和相位的不同，分别获得频率间隔等于1倍RF频率或2倍RF频率的光梳；当光学回路达到稳态后，获得带宽宽、稳定的光梳；所述光学回路达到稳态是指光梳功率较上一次变化率低于10-4；
7)将光梳注入到光电探测器PD中拍频，产生频率范围为Δf～3NΔf、谱线间距为Δf、带宽为3NΔf或频率范围为2Δf～4NΔf、谱线间距为2Δf、带宽为4NΔf的微波频率梳。
前述的步骤1)中，种子光源的波长为处于光纤的最低损耗波长1550nm处。
前述的步骤5)中，N为Optisystem软件能循环的极限次数。
前述的步骤3)中，设置DP-QPSK调制器的上QPSK中两个子马赫增德尔调制器之间相位差为0°、子马赫曾德尔调制器的偏置电压均为0V、半波电压为0V，产生2根功率相等的光。
前述的步骤3)中，设置DP-QPSK调制器的上QPSK中两个子马赫增德尔调制器之间相位差为45°、子马赫曾德尔调制器的偏置电压均为0V、半波电压均为0.8V，产生3根功率相等的光。
前述的步骤3)中，设置DP-QPSK调制器的上QPSK中两个子马赫增德尔调制器之间相位差为0°、子马赫曾德尔调制器的偏置电压均为2V、半波电压为1V，产生4根功率相等的光。
本发明所达到的有益效果为：
本发明方法具有频带范围宽、功率水平高、平坦度好等优点；产生的微波频率梳具有良好的频谱特性，在频谱带宽和平坦度上兼具优势，可以在高速无线通信以及卫星转发器系统中得到重要的应用。
附图说明
图1为本发明超平坦微波频率梳的产生装置的结构图；
图2为实施例1，RF信号频率为10GHz、DP-QPSK调制器产生2根光情况下，最终得到的超平坦微波频率梳的频谱图；(a)为经过DP-QPSK调制器产生的2根光；(b)为2根光最终得到的光梳；(c)为2根光最终得到的微波梳；
图3为实施例2，RF信号频率为10GHz、DP-QPSK调制器产生3根光情况下，最终得到的超平坦微波频率梳的频谱图；(a)为经过DP-QPSK调制器产生的3根光；(b)为3根光最终得到的光梳；(c)为3根光最终得到的微波梳；
图4为实施例3，RF信号频率为10GHz、DP-QPSK调制器产生4根光情况下，最终得到的超平坦微波频率梳的频谱图；(a)为经过DP-QPSK调制器产生的4根光；(b)为4根光最终得到的光梳；(c)为4根光最终得到的微波梳；
图5为实施例1情况下，两组不同射频驱动频率情况下，得到的超平坦微波频率梳的频谱图；(a)为RF信号频率为10GHz产生的光梳；(b)为图(a)的光梳产生的微波梳；(c) 为RF信号频率为20GHz产生的光梳；(d)为图(c)的光梳产生的微波梳；
图6为实施例1情况下，三个不同种子光源输入功率情况下，得到的超平坦微波频率梳的频谱图；(a)为光源输入功率为-10dBm产生的光梳；(b)为图(a)的光梳产生的微波梳；(c)为光源输入功率为-5dBm产生的光梳；(d)为图(c)的光梳产生的微波梳；(e) 为光源输入功率为0dBm产生的光梳；(f)为图(e)的光梳产生的微波梳；
图7为实施例1情况下，四个不同种子光源线宽情况下，得到的超平坦微波频率梳的频谱图；(a)为光源线宽为10MHz产生的光梳；(b)为图(a)的光梳产生的微波梳；(c) 为光源输入功率为1MHz产生的光梳；(d)为图(c)的光梳产生的微波梳；(e)为光源输入功率为0.1MHz产生的光梳；(f)为图(e)的光梳产生的微波梳；(g)为光源输入功率为0.01MHz产生的光梳；(h)为图(g)的光梳产生的微波梳；
图8为实施例1情况下，四个不同PD响应度情况下，得到的超平坦微波频率梳的频谱图； (a)为PD响应度为0.1A/W产生的光梳；(b)为图(a)的光梳产生的微波梳；(c)为PD 响应度为0.4A/W产生的光梳；(d)为图(c)的光梳产生的微波梳；(e)为PD响应度为0.8A/W 产生的光梳；(f)为图(e)的光梳产生的微波梳；(g)为PD响应度为1A/W产生的光梳； (h)为图(g)的光梳产生的微波梳。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的高功率宽带超平坦微波频率梳的产生装置，包括可调谐激光源 TLS、光学耦合器OC、偏振复用正交相移键控DP-QPSK调制器、射频驱动信号RF、光放大器OA、带通滤波器BPF、光电探测器PD和电谱分析仪ESA。
其中，光学耦合器OC分光比为1:9，可调谐激光源TLS发出的种子光源经过光学耦合器后，90％的光再次进入环路，作为下一次回路的输入光源；射频驱动信号RF为DP-QPSK调制器提供驱动电压，对输入的光进行调制，将频率单一的光调制为2/3/4根功率相等、频率间隔等于2倍或1倍RF频率Δf的光；光放大器OA将回路中经过DP-QPSK调制器调制的光放大至种子光源水平；带通滤波器BPF滤除带外噪声，而且其通带宽度也将决定产生的光梳的梳线数；环路输出的光在PD中发生拍频，从而得到微波梳。
其中，可调谐激光源为激光二极管；射频驱动信号RF为DP-QPSK调制器提供驱动电压，射频信号源的频率决定了宽带超平坦微波频率梳的频率间隔。带通滤波器为宽带可调谐带通滤波器。光谱分析仪OSA用于测量回路输出端光信号的大小。电谱分析仪ESA用于测量回路输出的光经过PD拍频后得到的电信号。
本发明的高功率宽带超平坦微波频率梳的产生方法，包括如下步骤：
(1)可调谐激光源TLS作为种子光源，产生种子光源f0，种子光源波长为处于光纤的最低损耗波长1550nm处，通过光学耦合器OC入射到光学回路中的DP-QPSK调制器中， DP-QPSK调制器被射频信号RF所驱动，光在DP-QPSK调制器中发生强度调制，通过精确控制DP-QPSK调制器中子马赫曾德尔调制器的偏置电压和相邻马赫曾德尔调制器之间的相位差，产生频率间隔等于1倍、2倍或4倍射频信号RF频率的光梳。
(2)产生的光梳经光放大器OA放大，以补偿DP-QPSK调制器吸收损耗的功率；调节OA的放大倍数直至其能够将回路中的光放大至种子光源水平。
(3)经光放大器OA放大后的光梳注入到带通滤波器BPF中滤除带外噪声；带通滤波器 BPF的通带宽度也将决定产生的光梳的梳线数。
(4)经过带通滤波器BPF后的光梳与种子光源耦合作为下一次回路的输入光源；此回路循环N次后，根据DP-QPSK调制器偏置电压和相位的不同，可分别获得频率间隔等于1倍RF频率或2倍RF频率的光梳，N一般为Optisystem软件能循环的极限次数。当光学回路达到稳态后，获得带宽宽、稳定的光梳；稳态指光梳功率较上一次变化率低于10-4。
(5)将光梳注入到光电探测器PD中拍频，产生频率范围为Δf～3NΔf、谱线间距为Δf、带宽为3NΔf或频率范围为2Δf～4NΔf、谱线间距为2Δf、带宽为4NΔf的微波频率梳。其中，Δf为射频信号RF的频率，N为回路循环次数。
本发明中射频信号RF为DP-QPSK调制器提供驱动电压，通过设置DP-QPSK调制器中子马赫曾德尔调制器的偏置电压和相邻马赫增德尔调制器之间的相位差，可以在
DP-QPSK调制器的输出端产生频率间隔等于1倍、2倍或4倍RF信号频率的光梳。
初步设置可调谐激光源的中心频率为193.1THz，光功率为0dBm，初始相位为0，线宽为10MHz；射频信号源RF的频率为10GHz；DP-QPSK调制器中的半波电压3.5V、光插入损耗13dB、电移相器相移为0°、下面主电移相器相移为30°；光电探测器PD的响应度为1A/W。然后在此基础上，根据具体需要改变其中一项或多项参数，即可得到满足需求的微波频率梳。
本发明中只需改变射频驱动信号RF或马赫增德尔调制器的偏置电压即可得到不同间距的微波频率梳。
实施例1
可调谐激光源输出的光通过光学耦合器后注入到由射频驱动信号驱动的DP-QPSK调制器，设置DP-QPSK调制器的上QPSK中两个子马赫增德尔调制器之间相位差为0°、子马赫曾德尔调制器的偏置电压均为0V、半波电压为0V，可以产生2根功率相等的光，参见图2(a)；光放大器增益设为16.08dB，用来补偿光信号的损耗，将新频率谱线功率放大至种子光源水平。被放大的新谱线与种子光源耦合，构成新的光源频谱。经过数次迭代循环后，得到的光梳(参见图2(b))注入到PD中拍频，得到谱线间距为20GHz，频谱带宽为300GHz，平坦度为0.12dB的微波频率梳，参见图2(c)。
实施例2
可调谐激光源输出的光通过光学耦合器后注入到由射频驱动信号驱动的DP-QPSK调制器后，设置DP-QPSK调制器的上QPSK中两个子马赫增德尔调制器之间相位差为45°、子马赫曾德尔调制器的偏置电压均为0V、半波电压均为0.8V，可以产生3根功率相等的光，参见图3(a)；光放大器增益设为16.24dB，用来补偿光信号的损耗，将新产生的谱线功率放大至种子光源水平。被放大谱线与种子光源耦合，构成新的光源频谱。经过数次迭代循环后，得到的光梳(参见图3(b))注入到PD中拍频，得到谱线间距为20GHz，频谱带宽为300GHz，平坦度为0.15dB的微波频率梳，参见图3(c)。
实施例3
可调谐激光源输出的光通过光学耦合器后注入到由射频驱动信号驱动的DP-QPSK调制器后，设置DP-QPSK调制器的上QPSK中两个子马赫增德尔调制器之间相位差为0°、子马赫曾德尔调制器的偏置电压均为2V、半波电压为1V，可以产生4根功率相等的光，参见图4(a)；光放大器增益设为14.7937dB，用来补偿光信号的损耗，将新频率谱线功率放大至种子光源水平。被放大的新谱线与种子光源耦合，构成新的光源频谱。经过数次迭代循环后，得到的光梳(参见图4(b))注入到PD中拍频，得到谱线间距为10GHz，频谱带宽为300GHz，平坦度为0.08dB的微波频率梳，参见图4(c)。
实施例4
在实施例1的基础上，其他参数保持不变，改变射频驱动信号的频率分别为10GHz和20GHz时，输出的微波频率梳的谱线间距等于输入射频频率的两倍，分别为20GHz和40GHz；微波梳的功率分别为16dBm和21dBm；微波梳的平坦度随着射频驱动信号频率的改变没有明显变化，均为0.12dB，RF频率为10GHz产生的光梳和微波梳参见图5(a)和(b)，RF频率为20GHz产生的光梳和微波梳参见图5(c)和(d)。
实施例5
在实施例1的基础上，其他参数保持不变，可调谐激光源的输入功率分别为-10dBm、 -5dBm和0dBm，输出的微波频率梳的功率微波频率梳的整体谱线平均功率呈现上升趋势(微波频率梳为环路输出的光梳经过拍频计算得到)，带宽不变，均为300GHz，平坦度无明显变化，均为0.12dB左，光源输入功率为-10dBm产生的光梳和微波梳参见图6(a)和(b)，光源输入功率为-5dBm产生的光梳和微波梳参见图6(c)和(d)，光源输入功率为0dBm产生的光梳和微波梳参见图6(e)和(f)。
实施例6
在实施例1的基础上，改变光源的输入线宽分别为10MHz、1MHz、0.1MHz和0.01MHz时，随着光源线宽的降低，光梳噪声功率下降了30dB左右，微波梳噪声功率下降了40dB左右。同时，输出微波梳的功率在光源线宽为0.1MHz时达到最低，此时平坦性最差，为0.3dB，光源输入线宽为10MHz产生的光梳和微波梳参见图7(a)和(b)，光源输入线宽为1MHz 产生的光梳和微波梳参见图7(c)和(d)，光源输入线宽为0.1MHz产生的光梳和微波梳参见图7(e)和(f)，光源输入线宽为0.01MHz产生的光梳和微波梳参见图7(g)和(h)。
实施例7
在实施例1的基础上，改变PD的响应度分别为0.1A/W、0.4A/W、0.8A/W和1A/W时，输出的微波频率梳的谱线平均功率随着PD响应度的增大而增大，从0.8dBm增大到20.8dBm；平坦度无明显变化，保持在0.12dB左右，PD响应度为0.1A/W产生的光梳和微波梳参见图8 (a)和(b)，PD响应度为0.4A/W产生的光梳和微波梳参见图8(c)和(d)，PD响应度为0.8A/W产生的光梳和微波梳参见图8(e)和(f)，PD响应度为1A/W产生的光梳和微波梳参见图8(g)和(h)。

Claims (9)

1.一种高功率超平坦微波频率梳的产生装置，其特征在于，包括可调谐激光源TLS、光学耦合器OC、偏振复用正交相移键控DP-QPSK调制器、射频驱动信号RF、光放大器OA、带通滤波器BPF、光电探测器PD、光谱分析仪OSA和电谱分析仪ESA；
所述可调谐激光源TLS产生种子光源，并进入光学耦合器OC；
所述光学耦合器OC分光比为1:9，可调谐激光源TLS发出的种子光源经过光学耦合器后，90％的光再次进入环路，作为下一次回路的输入光源；
所述射频驱动信号RF为DP-QPSK调制器提供驱动电压；
所述偏振复用正交相移键控DP-QPSK调制器对光学耦合器OC输出的光进行调制，将频率单一的光调制为2/3/4根功率相等、频率间隔等于2倍或1倍射频驱动信号RF频率Δf的光；
所述光放大器OA将经过DP-QPSK调制器调制的光放大至种子光源水平；
所述带通滤波器BPF滤除经光放大器OA放大后的光梳的带外噪声；
经带通滤波器BPF过滤后的光梳在光电探测器PD中发生拍频，从而得到微波频率梳；
所述光谱分析仪OSA用于测量回路输出端光信号的大小；
所述电谱分析仪ESA用于测量回路输出的光经过PD拍频后得到的电信号。
2.根据权利要求1所述的一种高功率超平坦微波频率梳的产生装置，其特征在于，所述可调谐激光源TLS为激光二极管。
3.根据权利要求1所述的一种高功率超平坦微波频率梳的产生装置，其特征在于，所述带通滤波器为宽带可调谐带通滤波器。
4.利用权利要求1至3任意一项所述的一种高功率超平坦微波频率梳的产生装置产生微波频率梳的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)设置可调谐激光源的中心频率为193.1THz，光功率为0dBm，初始相位为0，线宽为10MHz；射频驱动信号RF的频率为10GHz；DP-QPSK调制器中的半波电压3.5V、光插入损耗13dB、电移相器相移为0°、下面主电移相器相移为30°；光电探测器PD的响应度为1A/W；
2)可调谐激光源TLS产生种子光源f0，通过光学耦合器OC入射到光学回路中的DP-QPSK调制器中；
3)光在DP-QPSK调制器中发生强度调制，通过控制DP-QPSK调制器中子马赫曾德尔调制器的偏置电压和相邻马赫曾德尔调制器之间的相位差，产生频率间隔等于1倍、2倍或4倍射频信号RF频率的光梳；
4)产生的光梳经光放大器OA放大，放大至种子光源水平；
5)经光放大器OA放大后的光梳注入到带通滤波器BPF中滤除带外噪声；
6)经过带通滤波器BPF后的光梳与种子光源耦合作为下一次回路的输入光源；循环N次后，根据DP-QPSK调制器偏置电压和相位的不同，分别获得频率间隔等于1倍RF频率或2倍RF频率的光梳；当光学回路达到稳态后，获得带宽宽、稳定的光梳；所述光学回路达到稳态是指光梳功率较上一次变化率低于10-4；
7)将光梳注入到光电探测器PD中拍频，产生频率范围为Δf～3NΔf、谱线间距为Δf、带宽为3NΔf或频率范围为2Δf～4NΔf、谱线间距为2Δf、带宽为4NΔf的微波频率梳。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中，种子光源的波长为处于光纤的最低损耗波长1550nm处。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤5)中，N为Optisystem软件能循环的极限次数。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中，设置DP-QPSK调制器的上QPSK中两个子马赫增德尔调制器之间相位差为0°、子马赫曾德尔调制器的偏置电压均为0V、半波电压为0V，产生2根功率相等的光。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中，设置DP-QPSK调制器的上QPSK中两个子马赫增德尔调制器之间相位差为45°、子马赫曾德尔调制器的偏置电压均为0V、半波电压均为0.8V，产生3根功率相等的光。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中，设置DP-QPSK调制器的上QPSK中两个子马赫增德尔调制器之间相位差为0°、子马赫曾德尔调制器的偏置电压均为2V、半波电压为1V，产生4根功率相等的光。
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