CN109586798A - 一种可调谐多输出微波信号的光子学产生装置 - Google Patents

一种可调谐多输出微波信号的光子学产生装置 Download PDF

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Abstract

一种可调谐多输出微波信号的光子学产生装置，属于微波光子学技术领域。由可调谐激光器、第一耦合器、马赫‑曾德尔调制器、直流稳压电源、任意波形发生器、可调谐光滤波器、掺铒光纤放大器、相位调制器、隔离器、高非线性光纤、环行器、第二耦合器、光电探测器、微波功率放大器、电滤波器、功分器以及频谱分析仪组成。本发明基于多泵浦和高非线性光纤的受激布里渊散射效应通过光电振荡技术产生线宽窄、频谱纯度较好的微波信号，微波信号产生装置输出信号的谱线宽度等于布里渊增益谱线宽。本发明通过改变任意波形发生器的输出即改变泵浦光个数和波长可以实现微波信号多频率输出且频率在一定范围内可调。本发明装置具有光、电两种输出模式。

Description

一种可调谐多输出微波信号的光子学产生装置
技术领域
本发明属于微波光子学技术领域，具体涉及一种基于多泵浦和高非线性光纤受激布里渊散射效应的可调谐多输出微波信号的光子学产生装置。
背景技术
微波信号源在通信、雷达、交通、医疗、检测等领域有广泛的应用，具体包括高速点到点无线局域网、移动宽带无线系统、星间链路、光载射频网络、军事雷达系统、高分辨率车载雷达、鉴别癌症的生物成像、无损探伤等。随着通信技术的快速发展，信息传输量日益增加，各类型无线通信系统相继开发，可利用的频谱日渐饱和，但是人们对无线通讯系统的要求仍然在不停地增加，在这样的需求背景下，探究高质量、多输出、可调谐的高频微波信号成为了研究的重心。
传统的产生微波信号的方法是通过电学手段产生，而电学器件的电子瓶颈效应和调谐带宽以及高频处相位噪声恶化等问题，使得电学方法产生微波信号逐渐研究至瓶颈。而光子学领域的光子技术具有处理速率高、在光纤中传输损耗低、带宽大、重量轻和对电磁干扰的免疫等独特优点，所以近年来利用光学手段结合已有的电学手段的方法及理论生成微波信号得到了广泛的关注。
发明内容
本发明的目的是提供一种可调谐多输出微波信号的光子学产生装置。利用光电振荡器的原理，可以同时产生多个频率可调谐的微波信号。
本发明所述的多输出可调谐微波信号光子学产生装置的结构如图1所示，由可调谐激光器、第一耦合器、马赫-曾德尔调制器、直流稳压电源、任意波形发生器、可调谐光滤波器、掺铒光纤放大器、相位调制器、隔离器、高非线性光纤、环行器、第二耦合器、光电探测器、微波功率放大器、电滤波器、功分器以及频谱分析仪组成。
可调谐激光器输出的光信号fc进入到第一耦合器中，第一耦合器把光信号分成第一支路和第二个支路两个光信号；第一耦合器输出的第一支路光信号作为载波进入到相位调制器中，被功分器输出的第六支路信号调制(第六支路的信号为电信号，在仪器刚开始工作时，功分器输出噪声信号，当进入工作状态以后功分器输出的信号就是装置输出的多输出可调谐微波信号)，经相位调制器调制后的信号通过隔离器进入到高非线性光纤中，作为受激布里渊散射效应的信号光；第二支路光信号进入到马赫-曾德尔调制器，被任意波形发生器输出的微波信号(如图2(a))所调制(以四输出为例)，频率分别为f1，f2，f3，f4；通过调节直流稳压电源的电压改变马赫-曾德尔调制器的输入直流偏置电压，并将直流电压设置为马赫-曾德尔调制器的半波电压，使马赫-曾德尔调制器工作在最小传输点上，生成抑制载波的双边带信号(如图2(b))，其频率分别为fc±f1，fc±f2，fc±f3，fc±f4，这四组输出信号进入可调谐光滤波器，通过调节可调谐光滤波器的中心频率和带宽，滤掉每组调制信号的上边带，保留下边带，输出的抑制载波的单边带信号(如图2(c))经过掺铒光纤放大器进行放大，其频率分别为fc-f1，fc-f2，fc-f3，fc-f4，这四个单边带信号经掺铒光纤放大器放大后作为受激布里渊散射效应泵浦光从环行器的Ⅰ端口进入，Ⅱ端口输出，然后进入到高非线性光纤中；与隔离器输出的相位调制信号在高非线性光纤中相互作用，发生受激布里渊散射效应，经过受激布里渊散射效应处理的光信号(如图2(d))再由环行器的Ⅱ端口输入，频率分别为fc-f1-fb，fc-f2-fb，fc-f3-fb，fc-f4-fb，fb是受激布里渊散射效应的频移，然后由环行器的Ⅲ端口输出，经过第二耦合器后的光信号被一分为二，第四支路的输出信号作为本发明的光信号输出(本发明装置具有光、电两种输出模式，第四支路为光输出，第五支路为电输出)，第三支路输出的光信号被光电探测器转换成电信号，再经微波功率放大器放大和电滤波器滤波选频后，输出频率为f1+fb，f2+fb，f3+fb，f4+fb的电信号(如图2(e))，这四个电信号输入到功分器中被一分为二，第六支路输出的电信号返回调制相位调制器，构成一个振荡器环路；第五支路输出的电信号接频谱分析仪，用来观测最终输出的多输出可调谐微波信号(如图2(e))。本发明所述的“多输出可调谐微波信号”是指第五支路的电信号
本发明装置选用激光器输出光载波的波长为1510nm～1630nm，马赫-曾德尔调制器工作的光波长为1525nm～1605nm，带宽为40GHz，半波电压为5.5V；直流稳压电源的输出电压的幅度在1V～20V可调；任意波形发生的模拟带宽为20GHz；可调谐光滤波器波长调谐范围在1480nm～1620nm，调谐精度为5pm；相位调制器带宽为40GHz；隔离器的隔离度大于40dB；高非线性色散位移光纤500m～2000m，受激布里渊频移量fb为9GHz～11GHz；光电探测器的带宽为40GHz；微波功率放大器的带宽为40GHz，放大倍数大于20dB；第一耦合器、第二耦合器的分光比为1：0.5～2；电滤波器的通带在9.5GHz～40GHz，频谱分析仪的测量信号范围带宽为10Hz～26.5GHz。
不同的高非线性光纤的受激布里渊频移量的数值略有差异，通常在9GHz～11GHz，本发明高非线性光纤的布里渊频移值是9.2GHz。
本发明所述的器件的特点：
(1)基于多泵浦和高非线性光纤的受激布里渊散射效应通过光电振荡技术产生微波信号，微波信号产生装置输出信号的谱线宽度等于布里渊增益谱线宽，因此微波信号的线宽窄、频谱纯度较好。
(2)利用一个激光器和一个任意波形发生器可以产生多输出的可调谐微波信号，通过改变任意波形发生器的输出的信号可以实现任意个可调谐微波信号。
(3)利用布里渊频移量和泵浦光波长的关系，通过改变泵浦光的波长可以实现微波信号输出频率在一定范围内可调。
(4)本发明装置具有光、电两种输出模式。
附图说明
图1：多输出微波信号产生装置示意图；
图2：多输出微波信号产生装置的频谱处理图；
图3：三输出微波信号产生装置的输出频谱图；
图4：四输出微波信号产生装置的输出频谱图。
具体实施方式
实施例1：
可调谐激光器为Santec公司的TSL-510可调激光器，激光器的波长范围为1510nm～1630nm；第一耦合器、第二耦合器为Snow-Sea公司的FBT Fiber Optic Splitter/FBTFiber，分光比为1：1；马赫-曾德尔调制器为Photline公司的强度调制器MX-LN-40-PFA-PFA，带宽为40GHz，半波电压Vπ为5.5V；直流稳压电源为固纬公司的GPS-4303C，输出电压幅度在1V～20V可调；任意波形发生器是安捷伦公司的M8195A；可调谐光滤波器为XTM-50U，波长调谐范围在1480nm～1620nm，调谐精度为5pm，最小半高全宽(FWHM)为32pm(4GHz)，最大半高全宽(FWHM)为650pm(80GHz)，带宽调谐精度为1pm，插入损耗为5dB；掺铒光纤放大器为无锡市中兴光电子技术公司的WZEDFA-SO-P-S-0-1-2；相位调制器为THORLABS的LN66S-FC，带宽为40GHz，半波电压为5.5V；光隔离器的隔离度大于40dB；环行器为深圳市智源光通讯技术公司的CIR-3-1550-900um-1m-FC/APC；高非线性光纤为长飞科技有限公司的1km的高非线性光纤；环行器为深圳市智源光通讯技术公司的CIR-3-1550-900um-1m-FC/APC；光电探测器是Finisar公司生产的XPDV2120RA，带宽为60GHz；微波功率放大器Photline公司的DR-DG-20-HO，带宽为40GHz，放大倍数大于20dB；电滤波器是伟博电讯公司的XHF-1162-DG+和VHF-8400，频谱分析仪是安捷伦公司的N9010A，测量信号范围带宽为10Hz-26.5GHz。
连接好系统之后，打开设备的开关，使所有的设备处于工作状态。以输出三个频率可调谐的毫米波信号为例：可调谐激光器输出波长为1550nm(对应频率大约为fc＝193.4144890THz)的光信号进入到第一耦合器中，第一耦合器把光信号分成第一支路和第二个支路两个光信号；第一耦合器输出的第一支路光信号作为载波进入到相位调制器中，被功分器输出的噪声信号调制，经相位调制器调制后的信号通过隔离器进入到高非线性光纤中，作为受激布里渊散射效应的信号光；第二支路光信号进入到马赫-曾德尔调制器，任意波形发生器输出的频率分别为f1＝10GHz、f2＝13GHz、f3＝15GHz的微波信号，这些频率的微波信号调制激光器输出的光信号，通过调节马赫-曾德尔调制器的输入直流偏置电压设置成半波电压Vπ＝5.5V，使其工作在最小传输点上，生成抑制载波的双边带信号，这些输出的信号的频率分别为(fc±10)GHz，(fc±13)GHz，(fc±15)GHz，然后这三组信号进入可调谐光滤波器，设置可调谐光滤波器的中心频率在1550nm附近，带宽为15GHz，初步设置后，将马赫-曾德尔调制器生成的抑制载波的三组双边带信号输入到可调谐光滤波器滤掉每组调制信号的上边带，保留下边带，输出抑制载波的单边带信号，其频率分别为(fc-10)GHz，(fc-13)GHz，(fc-15)GHz，经过掺铒光纤放大器进行放大，这个抑制载波的单边带信号作为受激布里渊散射效应泵浦光从环行器的Ⅰ端口进入，Ⅱ端口输出，然后进入到高非线性光纤中；与隔离器输出的相位调制信号在高非线性光纤中相互作用，发生受激布里渊散射效应，产生布里渊频移fb＝9.2GHz，经过受激布里渊散射效应处理的光信号频率分别为(fc-19.2)GHz，(fc-22.2，)GHz，(fc-24.2)GHz，再由环行器的Ⅱ端口输入，然后由环行器的Ⅲ端口输出，经过第二耦合器后的光信号被一分为二，第四支路的输出的信号作为本发明的光信号输出，第三支路输出的光信号被光电探测器转换成电信号，再经微波功率放大器放大后输入到电滤波器中，滤掉9.5GHz以下的杂散低频分量，得到频率为19.2GHz，22.2GHz，24.2GHz的电信号，这三个电信号输入到功分器中被一分为二，第六支路输出的电信号又返回调制相位调制器，构成一个振荡器环路；第五支路输出的电信号接频谱分析仪，用来观测最终输出的多输出可调谐微波信号，频率分别19.2GHz，22.2GHz，24.2GHz，见图3。
实施例2：
可调谐激光器为Santec公司的TSL-510可调激光器，激光器的波长范围为1510nm～1630nm；第一耦合器、第二耦合器为Snow-Sea公司的FBT Fiber Optic Splitter/FBTFiber，分光比为1：1；马赫-曾德尔调制器为Photline公司的强度调制器MX-LN-40-PFA-PFA，带宽为40GHz，半波电压Vπ为5.5V；直流稳压电源为固纬公司的GPS-4303C，输出电压幅度在1V～20V可调；任意波形发生器是安捷伦公司的M8195A；可调谐光滤波器为XTM-50U，波长调谐范围在1480nm～1620nm，调谐精度为5pm，最小半高全宽(FWHM)为32pm(4GHz)，最大半高全宽(FWHM)为650pm(80GHz)，带宽调谐精度为1pm，插入损耗为5dB；掺铒光纤放大器为无锡市中兴光电子技术公司的WZEDFA-SO-P-S-0-1-2；相位调制器为THORLABS的LN66S-FC，带宽为40GHz，半波电压为5.5V；光隔离器的隔离度大于40dB；环行器为深圳市智源光通讯技术公司的CIR-3-1550-900um-1m-FC/APC；高非线性光纤为长飞科技有限公司的1km的高非线性光纤；环行器为深圳市智源光通讯技术公司的CIR-3-1550-900um-1m-FC/APC；光电探测器是Finisar公司生产的XPDV2120RA，带宽为60GHz；微波功率放大器Photline公司的DR-DG-20-HO，带宽为40GHz，放大倍数大于20dB；电滤波器是伟博电讯公司的XHF-1162-DG+和VHF-8400，频谱分析仪是安捷伦公司的N9010A，测量信号范围带宽为10Hz-26.5GHz。
连接好系统之后，打开设备的开关，使所有的设备处于工作状态。以输出四个频率可调谐的毫米波信号为例：可调谐激光器输出波长为1550nm(对应频率大约为fc＝193.4144890THz)的光信号进入到第一耦合器中，第一耦合器把光信号分成第一支路和第二个支路两个光信号；第一耦合器输出的第一支路光信号作为载波进入到相位调制器中，被功分器输出的噪声信号调制，经相位调制器调制后的信号通过隔离器进入到高非线性光纤中，作为受激布里渊散射效应的信号光；第二支路光信号进入到马赫-曾德尔调制器，任意波形发生器输出的频率分别为f1＝2GHz、f2＝3GHz、f3＝4GHz、f4＝5GHz的微波信号，这些频率的微波信号调制激光器输出的光信号，通过调节马赫-曾德尔调制器的输入直流偏置电压设置成半波电压Vπ＝5.5V，使其工作在最小传输点上，生成抑制载波的双边带信号，这些输出的信号的频率分别为(fc±2)GHz，(fc±3)GHz，(fc±4)GHz，(fc±5)GHz，然后这四组信号进入可调谐光滤波器，设置可调谐光滤波器的中心频率在1550nm附近，带宽为15GHz，初步设置后，将马赫-曾德尔调制器生成的抑制载波的四组双边带信号输入到可调谐光滤波器滤掉每组调制信号的上边带，保留下边带，输出抑制载波的单边带信号，其频率分别为(fc-2)GHz，(fc-3)GHz，(fc-4)GHz，(fc-5)GHz，经过掺铒光纤放大器进行放大，这个抑制载波的单边带信号作为受激布里渊散射效应泵浦光从环行器的Ⅰ端口进入，Ⅱ端口输出，然后进入到高非线性光纤中；与隔离器输出的相位调制信号在高非线性光纤中相互作用，发生受激布里渊散射效应，产生布里渊频移fb＝9.2GHz，经过受激布里渊散射效应处理的光信号频率分别为(fc-11.2)GHz，(fc-12.2，)GHz，(fc-13.2)GHz，(fc-14.2)GHz，再由环行器的Ⅱ端口输入，然后由环行器的Ⅲ端口输出，经过第二耦合器后的光信号被一分为二，第四支路的输出的信号作为本发明的光信号输出，第三支路输出的光信号被光电探测器转换成电信号，再经微波功率放大器放大后输入到电滤波器中，滤掉9.5GHz以下的杂散低频分量，得到频率为11.2GHz，12.2GHz，13.2GHz，14.2GHz的电信号，这四个电信号输入到功分器中被一分为二，第六支路输出的电信号又返回调制相位调制器，构成一个振荡器环路；第五支路输出的电信号接频谱分析仪，用来观测最终输出的多输出可调谐微波信号，频率分别11.2GHz，12.2GHz，13.2GHz，14.2GHz，见图4。

Claims (2)

1.一种可调谐多输出微波信号光子学产生装置，其特征在于：由可调谐激光器、第一耦合器、马赫-曾德尔调制器、直流稳压电源、任意波形发生器、可调谐光滤波器、掺铒光纤放大器、相位调制器、隔离器、高非线性光纤、环行器、第二耦合器、光电探测器、微波功率放大器、电滤波器、功分器以及频谱分析仪组成；
可调谐激光器输出的光信号fc进入到第一耦合器中，第一耦合器把光信号分成第一支路和第二个支路两个光信号；第一耦合器输出的第一支路光信号作为载波进入到相位调制器中，被功分器输出的第六支路信号调制，经相位调制器调制后的信号通过隔离器进入到高非线性光纤中，作为受激布里渊散射效应的信号光；第二支路光信号进入到马赫-曾德尔调制器，被任意波形发生器输出的微波信号所调制，频率分别为f1，f2，f3，f4……；通过调节直流稳压电源的电压改变马赫-曾德尔调制器的输入直流偏置电压，并将直流电压设置为马赫-曾德尔调制器的半波电压，使马赫-曾德尔调制器工作在最小传输点上，生成抑制载波的双边带信号，其频率分别为fc±f1，fc±f2，fc±f3，fc±f4……，这几组输出信号进入可调谐光滤波器，通过调节可调谐光滤波器的中心频率和带宽，滤掉每组调制信号的上边带，保留下边带，输出的抑制载波的单边带信号经过掺铒光纤放大器进行放大，其频率分别为fc-f1，fc-f2，fc-f3，fc-f4……，这几个单边带信号经掺铒光纤放大器放大后作为受激布里渊散射效应泵浦光从环行器的Ⅰ端口进入，Ⅱ端口输出，然后进入到高非线性光纤中；与隔离器输出的相位调制信号在高非线性光纤中相互作用，发生受激布里渊散射效应，经过受激布里渊散射效应处理的信号再由环形器的Ⅱ端口输入，频率分别为fc-f1-fb，fc-f2-fb，，fc-f3-fb，fc-f4-fb……，fb是受激布里渊散射效应的频移，然后由环形器的III端口输出，经过第二耦合器后的光信号被一分为二，第四支路的输出的信号作为本发明的光信号输出，第三支路输出的光信号被光电探测器转换成电信号，再经微波功率放大器放大和电滤波器滤波选频后，输出频率为f1+fb，f2+fb，f3+fb，f4+fb……的信号，这几个信号输入到功分器中被一分为二，第六支路输出的电信号返回调制相位调制器，构成一个振荡器环路；第五支路输出的电信号接频谱分析仪，用来观测最终输出的多输出可调谐微波信号。
2.如权利要求1所述的一种可调谐多输出微波信号光子学产生装置，其特征在于：可调谐激光器输出光载波的波长为1510nm～1630nm，马赫-曾德尔调制器工作的光波长为1525nm～1605nm，带宽为40GHz，半波电压为5.5V；直流稳压电源的输出电压的幅度在1V～20V可调；任意波形发生的模拟带宽为20GHz；可调谐光滤波器波长调谐范围在1480～1620nm，调谐精度为5pm；相位调制器是1550nm波段的、带宽为40GHz；隔离器的隔离度大于40dB；高非线性色散位移光纤500m～2000m，受激布里渊频移量fb为9GHz～11GHz；光电探测器的带宽为40GHz；微波功率放大器的带宽为40GHz，放大倍数大于20dB；第一耦合器、第二耦合器的分光比为1:0.5～2；电滤波器的通带在9.5GHz～40GHz，频谱分析仪的测量信号范围带宽为10Hz～26.5GHz。
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