CN109697336B

CN109697336B - 一种双调制器多波长激光产生的幅度均衡参数仿真方法

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Publication number: CN109697336B
Application number: CN201910086124.9A
Authority: CN
Inventors: 钟欣; 周涛; 陈智宇; 王茂汶; 刘静娴
Original assignee: CETC 29 Research Institute
Current assignee: CETC 29 Research Institute
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2019-01-29
Publication date: 2022-06-28
Anticipated expiration: 2039-01-29
Also published as: CN109697336A

Abstract

本发明涉及微波光子技术领域，公开了一种双调制器多波长激光产生的幅度均衡参数仿真方法。包括以强度调制器和相位调制器的调制过程的数学模型，建立双调制器输出的多波长激光的功率参数的数学模型；将多波长激光的功率参数的数学模型在仿真软件中转化为程序模型；将光调制器的内部参数以常规取值带入程序模型，并将光调制器的外部参数根据实际使用的取值代入程序模型；根据仿真程序模型运行输出结果绘制三维图；根据三维图在三维坐标中的坐标取值，分析多波长激光幅度参数。通过仿真分析快速得到强度调制器上的RF信号的功率值P_RF和外部输入到强度调制器上的偏置点控制信号的直流电压值V_DC的优化设计参数，能够有效地实现基于双调制器产生的多波长激光的幅度均衡。

Description

一种双调制器多波长激光产生的幅度均衡参数仿真方法

技术领域

本发明涉及微波光子技术领域，特别是一种双调制器多波长激光产生的幅度均衡参数仿真方法。

背景技术

信道化接收机是一种重要的接收机体制，能够将较宽频段内的信号划分为若干个相对较窄的子信道，实现并行的接收处理，进而可以应用于对宽带信号处理能力有较强需求的领域，例如电子对抗。电子对抗系统需要兼顾大带宽、大动态范围，信道化接收机是一种较好的解决途径。但是，常规射频体制的信道化接收机需要大量的微波滤波器和微波混频器，系统结构复杂，成本高昂，限制了其应用。近年来，国际上开展了光学信道化接收系统研究，能够有效降低系统复杂度，并提升性能。

在当前具备多信道同步变频的光学信道化接收方案中，需要用到多波长激光，分别作为信号支路中的载波光和本振支路中的本振光。而多波长激光产生装置通常可以采用三种途径实现：

一是采用多个不同波长的独立的单波长激光器构成阵列，这种方案的好处是设计和实现简单，但缺点也很明显：独立激光器输出的激光信号相互之间不具备相干性，无法通过相干光学变频得到高稳定、低相噪的中频信号；激光器在自由运转时波长是随时间漂移的，会导致变频后输出信号的频率也随时间漂移，从而无法准确测量输入信号频率。而如果要将数量众多的独立直流激光器通过锁相方式全部锁定到一起，实现难度非常大且稳定性差。因此，在具备多信道同步变频的光学信道化接收方案中，不采用多个独立单波长激光器构成的多波长激光产生方案。

二是采用锁模激光器作为多波光激光产生装置。锁模激光器的优点是可产生的波长数量很多，利于实现更多信道的处理，且多个波长之间具有较好的相干性。但是，锁模激光器的锁模状态较易受到扰动。例如，随着激光谐振腔长度的漂移，锁模激光器输出的相邻波长之间的频率间隔会发生变化。因此，通常需要对锁模激光器进行谐振腔长度锁定，才能使多波长的频率间隔具有较好的稳定性。并且，当光学信道化处理需要构建两个不同的支路，每个支路中使用的多波长激光的频率间隔存在一定差异时，往往需要使用两个独立的锁模激光器来分别提供两个支路中的多波长激光。此时，由于两个独立锁模激光器之间通常不具备相干性，必须辅以较为复杂的相位锁定技术才能实现获得高稳定、低相噪的信道变频输出。

三是采用双调制器来产生多波长激光。光调制器本身具备非线性效应，能够通过调制过程产生多个波长的激光。由于单个调制器的非线性效应不足，通常采用双调制器来予以增强。这种方案的优点是结构简单，产生的多波长激光的频率间隔取决于外部输入的射频信号频率，因此频率间隔的稳定性非常好，且便于调控。并且，这种方案需要外部注入直流激光，因此在光学信号化处理的两个支路中可以共用一个直流激光源，从而确保这两个支路的多波长激光在具有不同频率间隔的同时，又具有很好的相干性，而不需要使用复杂的锁相装置，故而成为了基于双支路多波长激光相干变频体制的光学信道化接收装置中常用的多波长激光产生方案。

但是，由于双调制器所产生的多波长激光是由多个非线性边带叠加而成，通常情况下，复杂的叠加关系使得各个波长的信号功率往往存在较大的差别，如果不予以优化将导致信道化接收机的各信道之间的幅度响应不一致。针对该问题的解决途径通常是对强度调制器上加载的射频信号功率和偏置点控制电压进行调谐，此举能够改变多个非线性边带之间的幅度和相位关系，从而改变叠加后的功率，使得多波长激光的功率趋于一致。然而，由于这两个参数对于多波长激光的影响是同时并相互关联的，且参数调控的规律不显性，因此目前尚无相关的设计方法来指导这两个参数的优化设置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种双调制器多波长激光产生的幅度均衡参数仿真方法。

本发明采用的技术方案如下：一种双调制器多波长激光产生的幅度均衡参数仿真方法，包括：

步骤S1，以强度调制器和相位调制器的调制过程的数学模型，建立双调制器输出的多波长激光的功率参数的数学模型；

步骤S2，将多波长激光的功率参数的数学模型在仿真软件中转化为程序模型；

步骤S3，将光调制器的内部参数以常规取值带入程序模型，并将光调制器的外部参数根据实际使用的取值代入程序模型；

步骤S4，根据仿真程序模型运行输出结果绘制三维图；

步骤S5，根据三维图在三维坐标中的坐标取值，分析多波长激光幅度均衡性能以及对应选取的参数。

进一步的，所述步骤1中，双调制器输出的第K个波长对应的激光功率的数学模型为：

其中：P_K代表当前为第K个波长的激光功率值；P₀是直流激光器输出的单波长直流激光的功率；J_n(·)代表n阶的第一类贝塞尔函数；V_DC是外部输入到强度调制器上的偏置点控制信号的直流电压值：V_{π_IM}是所述强度调制器的半波电压参数，所述半波电压参数是强度调制器内部固有的物理量；P_RF是外部输入到所述强度调制器上的RF信号的功率值；R_IM是所述强度调制器阻抗值；P_{RF_PM}是外部输入到相位调制器上的RF信号的功率值；R_PM是所述相位调制器阻抗值；V_{π_PM}是所述相位调制器的半波电压参数；上述各参数中，所述P_RF和V_DC是需要进行优化设计的参数；所述V_{π_IM}、V_{π_PM}、R_IM和R_PM是所述强度调制器和相位调制器的内部实际参数，由设计和生产决定；所述K、P₀和P_{RF_PM}是外部参数，通常根据实际使用中的取值进行设定。

进一步的，所述步骤2中采用MATLAB仿真程序模型，将输入到强度调制器上的RF信号的功率参数P_RF和偏置点控制信号的直流电压参数V_DC设置为变量，所述变量的取值区间和取值步进由用户根据需要设置。

进一步的，所述步骤3中，所述内部参数包括半波电压值V_{π_IM}，阻抗值R_IM，半波电压值V_{π_PM}，阻抗值R_PM。

进一步的，所述步骤3中，所述外部参数包括多波长激光的波长数量K，RF信号的功率值P_{RF_PM}，直流激光器输出的激光功率P₀。

进一步的，所述步骤4中，将MATLAB程序模型输出的多波长激光的功率值的最大值与最小值之差(即多波长激光的功率一致性范围)作为Z轴的取值，所述P_RF参数作为X轴的取值，所述V_DC参数作为Y轴的取值，在三维坐标中绘制三维图形。

进一步的，所述步骤5中，采用三维图形在Z轴方向的投影高度表征多波长激光的功率一致性。

进一步的，所述步骤5中，采用三维图像在Z轴上最小值处对应的XY平面上的投影区域所对应的X轴的取值表征外部输入的RF信号的功率值P_RF的优化设计结果；采用三维图像在Z轴上最小值处对应的XY平面上的投影区域所对应的Y轴的取值表征外部输入的偏置点控制信号的直流电压值V_DC的优化设计结果。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明技术方案提供的方法主要是面向双调制器所产生的多波长激光的功率一致性优化，通过仿真分析快速得到强度调制器上的RF信号的功率值P_RF和外部输入到强度调制器上的偏置点控制信号的直流电压值V_DC的优化设计参数，使得设计人员不必在实际操作中通过遍历尝试的方法去寻找所述的优化参数取值，能够有效的提高双调制器多波长激光产生的优化效率。

附图说明

图1为双调制器多波长激光产生装置的组成结构示意图。

图2是本发明双调制器多波长激光产生的幅度均衡参数仿真方法流程示意图。

图3是本发明的双调制器多波长激光产生过程建模后用Matlab仿真得到的多波长的功率一致性随参数变化的三维图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

双调制器多波长激光产生装置：

如图1所示产生装置包含：直流激光器(101)，强度调制器(102)和相位调制器(103)。其中，强度调制器(102)和相位调制器(103)的顺序是可以交换的。本实施例中采用强度调制器(102)在前，相位调制器(103)在后。所述双调制器多波长激光产生装置的结构是本行业人员所公知的。

直流激光器(101)输出的是单波长的直流激光。本发明提供的双调制器多波长激光产生的参数优化设计方法对所述直流激光器(101)的波长不构成限制。

强度调制器(102)有3个输入信号和1个输出信号，输入信号包含：来自直流激光器(101)的单波长直流激光信号；外部输入的RF信号，所述RF信号包含的参数为RF信号的功率，以P_RF代表；外部输入的偏置点控制信号，所述偏置点控制信号包含的参数为直流电压，以V_DC代表。输出信号包含：经过强度调制后输出的多波长激光信号。

相位调制器(103)有2个输入信号和1个输出信号，输入信号包含：来自强度调制器(102)的多波长激光信号；外部输入的RF信号，所述RF信号与强度调制器(102)上输入的RF信号来自同一个信号源，并且在相位上被控制为两者同步。输出信号包含：多波长激光信号。

双调制器多波长激光产生的参数仿真方法：

如图2所述的流程示意图，一种双调制器多波长激光产生的幅度均衡参数仿真方法，包括：

(1)S1：以强度调制器和相位调制器的调制过程的数学模型，建立双调制器输出的多波长激光的功率参数的数学模型；

步骤S1中，双调制器输出的第K个波长对应的激光功率的数学模型为：

(2)S2，将多波长激光的功率参数的数学模型在仿真软件中转化为程序模型；

步骤S2中仿真软件可以采用MATLAB，将所述多波长激光的功率参数的数学模型转化为可执行的仿真程序模型。本实施例以MATLAB软件为例，但在其他编程软件中也可以完成该数学模型的转化，区别在于MATLAB软件提供了多种函数库文件，可以使得编程工作得到简化。

在所述的程序模型中，将输入到强度调制器上的RF信号的功率参数P_RF和偏置点控制信号的直流电压参数V_DC设置为变量，所述变量的取值区间和取值步进由用户根据需要设置。

(3)S3，将光调制器的内部参数以常规取值带入程序模型，并将光调制器的外部参数根据实际使用的取值代入程序模型；

步骤S3中，将光调制器的内部实际参数的具体数值代入到所述程序模型中。所述内部实际参数包含：所述强度调制器(102)的半波电压值V_{π_IM}，所述强度调制器(102)的阻抗值R_IM，所述相位调制器(103)半波电压值V_{π_PM}，所述相位调制器(103)的阻抗值R_PM。以及，将程序模型中的外部参数的具体数值代入所述程序模型中。所述外部参数包含：所述多波长激光的波长数量K，所述相位调制器(103)的RF信号的功率值P_{RF_PM}，以及所述直流激光器输出的激光功率P₀。上述各参数符合常规应用实际情况的一个取值示例如表1所示。

表1程序模型中内部固有物理参数的取值示例

参数	单位	取值示例
			V<sub>π_IM</sub>	V	5
R<sub>IM</sub>	Ω	50
			V<sub>π_IM</sub>	V	5
R<sub>IM</sub>	Ω	50
			K	—	11
P<sub>RF_PM</sub>	W	2
			P<sub>0</sub>	mW	14

(4)S4，根据仿真程序模型运行输出结果绘制三维图；

步骤S4中，如图3的多波长功率一致性随强度调制器偏置电压V_DC和强度调制器驱动功率P_RF变化的三维图像。将MATLAB程序模型输出的多波长激光的功率值的最大值与最小值之差(即多波长激光的功率一致性范围)作为Z轴的取值，所述P_RF参数作为X轴的取值，所述V_DC参数作为Y轴的取值，在三维坐标中绘制三维图形。

(5)S5，根据三维图在三维坐标中的坐标取值，分析多波长激光幅度均衡性能以及对应选取的参数。

如图3，所述三维图形在Z轴方向的投影高度代表了多波长激光的功率一致性，所述投影高度越低则多波长激光的功率一致性越好，所述高度越高则多波长激光的功率一致性越差。即，在所述三维图形中，“谷底”(例如图中S点)处对应的Z轴取值代表了多波长激光功率一致性能够达到的最好边界。图3中，所述三维图形有两个Z轴高度相同的“谷底”，它们在Z轴投影的最小值被标记为Z₁，实际仿真得到数值约为13dB。

如图3，所述“谷底”在XY平面上投影出的区域(考虑到图形的清晰情况该区域未在图3中标注)所对应的X轴的取值即为外部输入到所述强度调制器(102)上的RF信号的功率值P_RF的优化设计结果，在图3中，三维图形的两个“谷底”在X轴上投影的值相同，被标记为X₁，约为0.32W；对应的Y轴的取值即为外部输入到所述强度调制器(102)上的偏置点控制信号的直流电压值V_DC的优化设计结果，在图3中，三维图形的两个“谷底”在Y轴上投影的值不同，被分别标记为Y₁和Y₂，其中，Y₁约为2V，Y₂约为8V。(考虑到图形的清晰情况投影值均未在图3中标注，上述值均是采用本实施例中的方法实际得到的结果)

因此，利用本项目提供的方法，在该实施例中得到了双调制器多波长激光产生的幅度均衡参数值，设计人员可以根据仿真结果快速获得参数的取值区间，并进一步进行更精细的调节，还可以根据Z轴“谷底”所在位置，预设并合理缩小控制电路的参数区间，进而提高参数的控制精度和缩短达到稳定状态的时间。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims

1.一种双调制器多波长激光产生的幅度均衡参数仿真方法，其特征在于，包括：

步骤S4，根据仿真程序模型运行输出结果绘制三维图；

2.如权利要求1所述的双调制器多波长激光产生的幅度均衡参数仿真方法，其特征在于，所述步骤1中，双调制器输出的第K个波长对应的激光功率的数学模型为：

3.如权利要求2所述的双调制器多波长激光产生的幅度均衡参数仿真方法，其特征在于，所述步骤2中采用MATLAB仿真程序模型，将输入到强度调制器上的RF信号的功率参数P_RF和偏置点控制信号的直流电压参数V_DC设置为变量，所述变量的取值区间和取值步进由用户根据需要设置。

4.如权利要求3所述的双调制器多波长激光产生的幅度均衡参数仿真方法，其特征在于，所述步骤3中，所述内部参数包括半波电压值V_{π_IM}，阻抗值R_IM，半波电压值V_{π_PM}，阻抗值R_PM。

5.如权利要求4所述的双调制器多波长激光产生的幅度均衡参数仿真方法，其特征在于，所述步骤3中，所述外部参数包括多波长激光的波长数量K，RF信号的功率值P_{RF_PM}，直流激光器输出的激光功率P₀。

6.如权利要求5所述的双调制器多波长激光产生的幅度均衡参数仿真方法，其特征在于，所述步骤4中，将MATLAB程序模型输出的多波长激光的功率值的最大值与最小值之差作为Z轴的取值，所述P_RF参数作为X轴的取值，所述V_DC参数作为Y轴的取值，在三维坐标中绘制三维图形。

7.如权利要求6所述的双调制器多波长激光产生的幅度均衡参数仿真方法，其特征在于，所述步骤5中，采用三维图形在Z轴方向的投影高度表征多波长激光的功率一致性。

8.如权利要求7所述的双调制器多波长激光产生的幅度均衡参数仿真方法，其特征在于，所述步骤5中，采用三维图像在Z轴上最小值处对应的XY平面上的投影区域所对应的X轴的取值表征外部输入的RF信号的功率值P_RF的优化设计结果；采用三维图像在Z轴上最小值处对应的XY平面上投影的区域所对应的Y轴的取值表征外部输入的偏置点控制信号的直流电压值V_DC的优化设计结果。