CN108957147B - 基于受激布里渊散射可调光电振荡器的弱信号探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于受激布里渊散射的可调谐光电振荡器的弱信号探测系统包括：可调谐激光器(1)、相位调制器(2)、高非线性光纤(3)、环行器(4)、掺铒光纤放大器(5)、光滤波器(6)、光电探测器(7)、功分器(8)、耦合器(9)、电放大器(10)、可调光衰减器(11)和泵浦激光器(12)。通过调谐信号光的中心波长，使得受激布里渊的损耗谱(增益谱)与相位调制器的一条一阶边带重合，从而损耗(增益)相位调制的一条边带，由相位调制转化为强度调制，从而将弱信号恢复出来，实现对所信号的探测与放大。

Description

基于受激布里渊散射可调光电振荡器的弱信号探测系统及 方法

技术领域

本公开涉及微波光子学技术领域，尤其涉及一种基于受激布里渊散射的可调谐光电振荡器的弱信号探测系统及方法。

背景技术

关于弱信号的探测与放大，在实际生活中有着非常多且重要的应用，比如在雷达电子战，无线通信，还有天文学探测等方面。在实际中往往是在一个比较混乱的环境中接收到的较弱的信号，如何快速地把它们甄选解调出来并能对他们实施精准的探测与放大就显得尤为重要。很多测量放大的方法被提出但是很多都难以满足测量的瞬时性与大带宽的要求，提出的方法主要有基于电的系统以及基于微波光子学的方法等等。在电子学方案中，因为需要的带宽很窄的滤波器在技术上存在着限制，以及由系统中电放大器引入的噪声使得这个方向实现起来尤为困难。而微波光子学系统，具有着大带宽低损耗抗干扰等的优点为弱信号探测提供了一种可行的方向。比如微波光子学中的光电振荡器系统。以往的工作中，有方案采用多模光电振荡器为跟光电振荡器起振模式匹配的信号提供增益放大；再另外一篇文献中采用基于布拉格光栅的可调光电振荡器进行弱信号探测系统能对1.5GHz-5GHz的射频信号提供10dB的增益。但是该方案所能探测的频率范围较小，难以满足的探测需求。而提出的并通过实验验证过的基于受激布里渊散射损耗谱的光电振荡器系统则很好的弥补了这一缺陷。

为了能够实现对弱信号更大频率范围的探测以及为弱信号提供更高的增益放大，本发明提出了一种基于受激布里渊散射的可调谐光电振荡器的弱信号探测系统，可以通过利用受激布里渊散射的增益谱和损耗谱等两种方案，来实现更大的频率探测范围以及更高增益效果的弱信号探测。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种基于受激布里渊散射的可调谐光电振荡器的弱信号探测系统及方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种基于受激布里渊散射的可调谐光电振荡器的弱信号探测系统，包括：可调谐激光器、相位调制器、高非线性光纤、环行器、掺铒光纤放大器、光滤波器、光电探测器、功分器、耦合器、电放大器、可调光衰减器和泵浦激光器；

其中，所述可调谐激光器1的输出端连接到相位调制器的第一输入端，泵浦激光器输出端连接到可调光衰减器输入端，可调光衰减器输出端连接到环行器第一输入端，相位调制器的输出端通过高非线性光纤连接到环行器第二输入端，环行器输出端依次连接掺铒光纤放大器、光滤波器、光电探测器及功分器，功分器第一输出端进行输出，第二输出端连接到耦合器的第一输入端，耦合器的第二输入端用于输入待探测的弱信号，耦合器的输出端连接到电放大器输入端，电放大器输出端连接到相位调制器第二输入端。

在一些实施例中，可调谐激光器发出的信号光的一阶边带与泵浦光的受激布里渊散射的损耗谱或增益谱重合，实现系统从相位调制到强度调制的转化，通过调节可调光衰减器控制对边带的增益大小，实现对弱信号的探测与放大。

在一些实施例中，其中可调谐激光器，相位调制器，高非线性光纤，环行器，掺铒光纤放大器，光滤波器，光电探测器，可调光衰减器，泵浦激光器之间通过光纤连接。

在一些实施例中，光电探测器、功分器、耦合器、电放大器、相位调制器之间通过电缆连接。

在一些实施例中，可调谐激光器、相位调制器、可调光衰减器、泵浦激光器、高非线性光纤、光滤波器和光电探测器组成了一个微波光子滤波器，该微波光子滤波器的通频带由可调谐激光器的发光波长和受激布里渊散射的损耗谱的波长差决定。

在一些实施例中，可调谐激光器为波长可快速连续调谐的DFB或DBR激光器。

在一些实施例中，泵浦激光器为高功率单波长激光器。

在一些实施例中，高非线性光纤为具有光学非线性的高Q微波储能元件，其长度为数米至数十千米。

根据本公开的另一个方面，提供了一种基于受激布里渊散射的可调谐光电振荡器的弱信号探测系统的方法，包括：

通过调节可调光衰减器控制泵浦激光器输出的进入高非线性光纤的泵浦光的光功率，将整个光电振荡器系统调节至阈值状态，通过相位调制器将系统接收的信号加载到光载波上形成两条正负一阶边带，此时泵浦激光器发出的泵浦光通过环行器进入到高非线性光纤中发生受激布里渊散射，产生一条布里渊散射损耗谱和一条增益谱；

通过光滤波器将泵浦光与增益谱滤除掉，保留损耗谱，同时调节信号光的中心波长，使得光载波的其中一条一阶边带恰好与受激布里渊散射的损耗谱重合，达到损耗掉相位调制的其中一条边带，实现将相位调制转换成强度调制；系统工作过程中通过调节可调光衰减器的衰减大小控制损耗谱对边带的损耗效果；

在光电探测器中得到一个对应于可调谐激光器发光波长和损耗谱对应波长之差的微波信号，弱信号被恢复并放大，

通过计算可调谐激光器发出的光载波的中心波长与损耗谱对应的波长之差计算出射频信号的频率。

根据本公开的另一个方面，提供了一种基于受激布里渊散射的可调谐光电振荡器的弱信号探测系统的方法，包括：

将光电振荡器系统调至阈值状态下，整个光电系统接收到的弱信号通过相位调制器调制到可调谐激光器发出的光载波上；

泵浦激光器在高非线性光纤中激发后向的受激布里渊散射，产生分布在泵浦光左右两侧的损耗谱和增益谱，通过调谐可调谐激光器发出的光载波的中心波长，使得布里渊散射的增益谱恰好与被接收到的弱信号相位调制后的光载波的正一阶边带重合；

利用受激布里渊散射的增益谱，可增益相位调制器调制产生正一阶边带，通过调节可调光衰减器控制增益谱对边带的增益效果，将相位调制转换成强度调制；

该调制信号在光电探测器中拍频得到对应于可调谐激光器发光波长和损耗谱对应波长之差的微波信号，弱信号被恢复并将其进行了放大；

通过计算可调谐激光器发光波长和损耗谱对应波长之差而得出弱信号的频率。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开基于受激布里渊散射的可调谐光电振荡器的弱信号探测系统及方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)通过调谐信号光的中心波长，使得受激布里渊的损耗谱(增益谱)与相位调制器的一条一阶边带重合，从而损耗(增益)相位调制的一条边带，由相位调制转化为强度调制，从而将弱信号恢复出来，实现对所信号的探测与放大；

(2)通过利用受激布里渊散射的增益谱和损耗谱等两种方案，来实现更大的频率探测范围以及更高增益效果的弱信号探测，实现了对几十GHz数量级的微波信号的探测，同时对弱信号提供了较高的增益以及较好的频率探测误差。

附图说明

图1是本公开实施例基于受激布里渊散射的可调谐光电振荡器的弱信号探测系统的结构示意图。

图2是本公开实施例基于受激布里渊散射谱过受激布里渊散射损耗前后的光谱图。

图3是本公开实施例基于受激布里渊增益谱经过受激布里渊散射增益前后的光谱图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1、可调谐激光器； 2、相位调制器

3、高非线性光纤； 4、环行器

5、掺铒光纤放大器； 6、光滤波器

7、光电探测器； 8、功分器

9、耦合器； 10、电放大器

11、可调光衰减器； 12、泵浦激光器

具体实施方式

本公开提供了一种基于受激布里渊散射的可调谐光电振荡器的弱信号探测系统及方法。利用可调谐激光器的波长快速可调谐性，相位调制器的调制特性，高非线性光纤的非线性特性，布里渊散射损耗谱的损耗特性(增益谱的增益特性)，以及光电振荡器的微波发生性能，来实现对弱信号的探测与放大。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以由许多不同形式实现，而不应被解释为限于此处所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种基于受激布里渊散射的可调谐光电振荡器的弱信号探测系统，可以对接收到的弱信号进行探测与放大。图1是本公开实施例基于受激布里渊散射的可调谐光电振荡器的弱信号探测系统的结构示意图。如图1所示，基于受激布里渊散射的可调谐光电振荡器的弱信号探测系统包括：可调谐激光器1、相位调制器2、高非线性光纤3、环行器4、掺铒光纤放大器5、光滤波器6、光电探测器7、功分器8、耦合器9、电放大器10、可调光衰减器11和泵浦激光器12。

所述可调谐激光器1的输出端连接到相位调制器2的第一输入端，泵浦激光器12输出端连接到可调光衰减器11输入端，可调光衰减器11输出端连接到环行器4第一输入端，相位调制器2的输出端通过高非线性光纤3连接到环行器4第二输入端，环行器4输出端依次连接掺铒光纤放大器5、光滤波器6、光电探测器7及功分器8，功分器8第一输出端进行输出，第二输出端连接到耦合器9的第一输入端，耦合器的第二输入端用于输入待探测的弱信号，耦合器9的输出端连接到电放大器10输入端，电放大器10输出端连接到相位调制器第二输入端。

其中可调谐激光器1，相位调制器2，高非线性光纤3，环行器4，掺铒光纤放大器5，光滤波器6，光电探测器7，可调光衰减器11，泵浦激光器12之间通过光纤连接；光电探测器7，功分器8，耦合器9，电放大器10，相位调制器2之间通过电缆连接。

进一步地，可调谐激光器1、相位调制器2、可调光衰减器11，泵浦激光器12、高非线性光纤3、光滤波器6和光电探测器7一起组成了一个微波光子滤波器，该微波光子滤波器的通频带由可调谐激光器的发光波长和受激布里渊散射的损耗谱的波长差决定。

可调谐激光器1发出的信号光的一阶边带恰好与泵浦光的受激布里渊散射的损耗谱(增益谱)重合从而实现系统从相位调制到强度调制的转化，通过调节可调光衰减器控制对边带的增益大小，从而将弱信号恢复出来，实现对弱信号的探测与放大。

具体地，可调谐激光器1为波长可快速连续调谐的DFB或DBR激光器；泵浦激光器12是高功率单波长激光器。高非线性光纤3是具有光学非线性的高Q微波储能元件，其长度为数米至数十千米不等。

图2是基于受激布里渊散射谱过受激布里渊散射损耗前后的光谱图，其中，图中的虚线是光滤波器6的通频带。基于受激布里渊散射损耗谱的弱信号探测的工作过程包括：通过调节可调光衰减器11控制泵浦激光器12输出的进入高非线性光纤3的泵浦光的光功率，从而将整个光电振荡器系统调节至阈值状态，通过相位调制器2将系统接收的信号加载到光载波上形成两条正负一阶边带，此时泵浦激光器12发出的泵浦光通过环行器4进入到高非线性光纤中3发生受激布里渊散射，产生一条宽约几十MHz的布里渊散射损耗谱和一条增益谱，它们与泵浦光对应的频率相差大约10GHz左右，此时通过光滤波器6将泵浦光与增益谱滤除掉，只留下损耗谱(如图2中虚线框的区域即光滤波器6的通频带)，同时调节信号光的中心波长，使得光载波的其中一条一阶边带恰好与受激布里渊散射的损耗谱重合，达到损耗掉相位调制的其中一条边带，从而达到了将相位调制转换成强度调制的目的。

系统工作过程中可以通过调节可调光衰减器11的衰减大小控制损耗谱对边带的损耗效果，于是就可以在光电探测器7中得到了一个对应于可调谐激光器1发光波长和损耗谱对应波长之差的微波信号，于是弱信号即被恢复并放大，从而可以通过计算可调谐激光器1发出的光载波的中心波长与损耗谱对应的波长之差计算出射频信号的频率。

图3是本实施例基于受激布里渊增益谱经过受激布里渊散射增益前后的光谱图。基于受激布里渊散射增益谱的弱信号探测包括：将光电振荡器系统调至阈值状态下，整个光电系统接收到的弱信号通过相位调制器2调制到可调谐激光器1发出的光载波上；具体地，泵浦激光器12在高非线性光纤3中激发后向的受激布里渊散射，会产生分布在泵浦光左右两侧带宽约几十MHz的损耗谱和增益谱。其中泵浦光和受激布里渊散射区的增益谱与损耗谱对应的频率相差约10GHz。如图3所示，通过调谐可调谐激光器1发出的光载波的中心波长，使得布里渊散射的增益谱恰好与被接收到的弱信号相位调制后的光载波的正一阶边带重合。利用受激布里渊散射的增益谱，可增益相位调制器2调制产生的正一阶边带。正、负一阶边带的大小不再相等，通过调节可调光衰减器11控制增益谱对边带的增益效果，因此相位调制转换成了强度调制。该调制信号在光电探测器7中拍频可得到对应于可调谐激光器1发光波长和损耗谱对应波长之差的微波信号，也就是接收到的弱信号的频率，即，将接收到的弱信号恢复了出来，并将其进行了放大。而弱信号的频率则通过计算可调谐激光器1发光波长和损耗谱对应波长之差而得出，因此弱信号在得到放大的同时也得到了较高精度的探测。

在系统基于受激布里渊散射的增益谱进行弱信号探测时，通过以上的分析可得，不需要光滤波器。该系统实现了对几十GHz数量级的微波信号的探测，同时对弱信号提供了较高的增益以及较好的频率探测误差。

上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域的普通技术人员可对其结构进行简单地熟知地替换，如：可改变电放大器，或者掺铒光纤放大器的位置或者仅仅使用光放大器或者是电放大器，增加偏振控制器，在相位调制器与高非线性光纤之间增加一个光隔离器等，在基于受激布里渊散射的增益谱的方案时去掉光滤波器等。并且，所附的附图是简化过且作为例示用。附图中所示的器件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且器件的配置可能更为复杂。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于受激布里渊散射的可调谐光电振荡器的弱信号探测系统，包括：可调谐激光器(1)、相位调制器(2)、高非线性光纤(3)、环行器(4)、掺铒光纤放大器(5)、光滤波器(6)、光电探测器(7)、功分器(8)、耦合器(9)、电放大器(10)、可调光衰减器(11)和泵浦激光器(12)；

其中，所述可调谐激光器(1)的输出端连接到相位调制器(2)的第一输入端，泵浦激光器(12)输出端连接到可调光衰减器(11)输入端，可调光衰减器(11)输出端连接到环行器(4)第一输入端，相位调制器(2)的输出端通过高非线性光纤(3)连接到环行器(4)第二输入端，环行器(4)输出端依次连接掺铒光纤放大器(5)、光滤波器(6)、光电探测器(7)及功分器(8)，功分器(8)第一输出端进行输出，第二输出端连接到耦合器(9)的第一输入端，耦合器的第二输入端用于输入待探测的弱信号，耦合器(9)的输出端连接到电放大器(10)输入端，电放大器(10)输出端连接到相位调制器第二输入端；

泵浦激光器(12)发出的泵浦光通过环行器(4)进入到高非线性光纤(3)中发生受激布里渊散射，产生一条布里渊散射损耗谱和一条增益谱，通过光滤波器(6)将泵浦光与增益谱滤除掉，保留损耗谱；

所述可调谐激光器(1)发出的信号光的一阶边带与泵浦光的受激布里渊散射的损耗谱或增益谱重合，实现系统从相位调制到强度调制的转化，通过调节可调光衰减器(11)控制对边带的增益大小，实现对弱信号的探测与放大。

2.根据权利要求1所述的弱信号探测系统，其中可调谐激光器(1)，相位调制器(2)，高非线性光纤(3)，环行器(4)，掺铒光纤放大器(5)，光滤波器(6)，光电探测器(7)，可调光衰减器(11)，泵浦激光器(12)之间通过光纤连接。

3.根据权利要求2所述的弱信号探测系统，光电探测器(7)、功分器(8)、耦合器(9)、电放大器(10)、相位调制器(2)之间通过电缆连接。

4.根据权利要求1所述的弱信号探测系统，可调谐激光器(1)、相位调制器(2)、可调光衰减器(11)、泵浦激光器(12)、高非线性光纤(3)、光滤波器(6)和光电探测器(7)组成了一个微波光子滤波器，该微波光子滤波器的通频带由可调谐激光器的发光波长和受激布里渊散射的损耗谱的波长差决定。

5.根据权利要求1所述的弱信号探测系统，可调谐激光器(1)为波长可快速连续调谐的DFB或DBR激光器。

6.根据权利要求1所述的弱信号探测系统，泵浦激光器(12)为高功率单波长激光器。

7.根据权利要求1所述的弱信号探测系统，高非线性光纤(3)为具有光学非线性的高Q微波储能元件，其长度为数米至数十千米。

8.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射的可调谐光电振荡器的弱信号探测系统的方法，包括：

通过调节可调光衰减器(11)控制泵浦激光器(12)输出的进入高非线性光纤(3)的泵浦光的光功率，将整个光电振荡器系统调节至阈值状态，通过相位调制器(2)将系统接收的信号加载到光载波上形成两条正负一阶边带，此时泵浦激光器(12)发出的泵浦光通过环行器(4)进入到高非线性光纤(3)中发生受激布里渊散射，产生一条布里渊散射损耗谱和一条增益谱；

通过光滤波器(6)将泵浦光与增益谱滤除掉，保留损耗谱，同时调节信号光的中心波长，使得光载波的其中一条一阶边带恰好与受激布里渊散射的损耗谱重合，达到损耗掉相位调制的其中一条边带，实现将相位调制转换成强度调制；系统工作过程中通过调节可调光衰减器(11)的衰减大小控制损耗谱对边带的损耗效果；

在光电探测器(7)中得到一个对应于可调谐激光器(1)发光波长和损耗谱对应波长之差的微波信号，弱信号被恢复并放大，

通过计算可调谐激光器(1)发出的光载波的中心波长与损耗谱对应的波长之差计算出射频信号的频率。

9.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射的可调谐光电振荡器的弱信号探测系统的方法，包括：

将光电振荡器系统调至阈值状态下，整个光电系统接收到的弱信号通过相位调制器(2)调制到可调谐激光器(1)发出的光载波上；

泵浦激光器(12)在高非线性光纤(3)中激发后向的受激布里渊散射，产生分布在泵浦光左右两侧的损耗谱和增益谱，通过调谐可调谐激光器(1)发出的光载波的中心波长，使得布里渊散射的增益谱恰好与被接收到的弱信号相位调制后的光载波的正一阶边带重合；

利用受激布里渊散射的增益谱，可增益相位调制器(2)调制产生正一阶边带，通过调节可调光衰减器(11)控制增益谱对边带的增益效果，将相位调制转换成强度调制；

调制信号在光电探测器(7)中拍频得到对应于可调谐激光器(1)发光波长和损耗谱对应波长之差的微波信号，弱信号被恢复并将其进行了放大；

通过计算可调谐激光器(1)发光波长和损耗谱对应波长之差而得出弱信号的频率。

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