CN109936042A - 一种基于频移反馈激光的任意波形微波信号的发生器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频移反馈激光的微波信号频率上变换的器件，主要由种子激光器、耦合器、声光移频器、光纤放大器、光纤延迟器和光电探测器构成。系统采用单频连续激光，利用光纤构建了一个环形反馈腔，通过光纤放大器提供增益以补偿环形反馈腔的损耗，通过声光移频器对环形反馈腔中的反复通过的激光进行移频，产生高阶移频光，光电探测器对从耦合器输出的高阶移频光进行光电转换，产生高阶谐波。通过调节声光移频器的驱动频率或者改变光纤延迟器的延迟时间，改变高阶谐波的相位，最终得到所需要的时域波形。本发明涉及的均是标准化光纤器件，采用光学的方式实现，实现方便、结构简单、成本低，能够实现时域上任意波形的发生。

Description

一种基于频移反馈激光的任意波形微波信号的发生器件

技术领域

本发明涉及光电子及微波光子学技术，特别是涉及一种基于频移反馈激光的任意波形微波信号的发生器件。

背景技术

传统的通过电子技术产生微波信号受限于器件的带宽及速度问题，不能获得稳定度高、纯度高的高频微波信号。相对于电域方法，通过光学的方法将微波以副载波的形式加载到光波上，在光域中处理电信号，可以避开电域的电学干扰，其优点是具有抗电磁干扰力，相位噪声低，能够产生稳定度高、纯度高的高频信号。利用低频的本振微波信号，通过倍频或者上变频来产生高性能低成本的高频信号，避免直接使用高成本的高频微波发生器。比如利用光电谐振腔的方法产生微波源。

在波形多样化方面，光学方法也能提供丰富的实现方案，如各种特殊波形的产生以及实现可重构的任意波形生成技术。因此，利用光子学方法，产生高频微波信号的质量和灵活性，都具有很大的优势。

当前，光学的任意波形微波信号的产生方法主要有两种方法，基于时域相干光脉冲整形方法以及基于频谱逐行整形的脉冲整形方法。其两种方法主要是采用脉冲激光，通过时频域整形技术来实现任意波的发生，这种基于脉冲激光的时频域整形方法的缺点是，脉冲激光产生机制复杂、价格昂贵，用这种方法产生任意波形时涉及较为复杂的整形技术，不利于推广。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于频移反馈激光的任意波形微波信号的发生器件，该器件结构简单、成本低，用光学的方式实现。采用单频连续激光，通过光纤形成环形反馈腔。通过改变声光移频器的驱动频率或调节环形反馈腔中光纤的长度，调节不同谐波的相位，实现时域上的任意波形发生。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种基于频移反馈激光的任意波形微波信号的发生器件，包括种子激光器、耦合器、声光移频器、光纤放大器、光纤延迟器和光电探测器；

所述种子激光器连接耦合器的一个输入端，所述光电探测器连接耦合器的一个输出端，耦合器的另外一个输入端和另外一个输出端通过光纤连接构成一个环形反馈腔；在环形反馈腔中，连接所述声光移频器、所述光纤放大器和所述光纤延迟器；

所述光纤放大器用于提供增益以补偿环形反馈腔的损耗；

所述声光移频器用于对环形反馈腔中的反复通过的激光进行移频，产生高阶移频光；

所述光电探测器对从耦合器输出的高阶移频光进行光电转换，产生高频微波信号；

通过调节所述光纤延迟器的延迟量，来调节环形反馈腔中光纤的长度，进而改变各阶移频光的相位；

通过调节所述声光移频器的驱动频率，改变各阶移频光的频率；从而实现时域任意波形的发生。

有益效果：

(1)本发明所设计的基于频移反馈激光的任意波形微波信号的发生器件，采用单频连续激光，构造环形反馈腔，激光多次通过声光移频器产生移频反馈激光，通过对产生的激光进行光电转换，产生高阶谐波。利用调节声光移频器的驱动频率和环形反馈腔中光纤的长度，改变各阶移频光的相位，实现时域上的任意波形发生。

(2)本发明涉及的均是标准化光纤器件，实现方便、结构简单、成本低。

附图说明

图1为基于频移反馈激光的任意波形微波信号的发生器件结构示意图；

图2为采用本发明产生的不同波形的实验结果图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种基于频移反馈激光的任意波形微波信号的发生器件，其工作原理如图1所示。

该器件包括种子激光器1、2×2耦合器2、声光移频器3、光纤放大器4、光纤延迟器5、光电探测器6、示波器7。

本实施例中，2×2耦合器2有四个端口，分为两个输入端和两个输出端，种子激光器1连接2×2耦合器2的一个输入端，光电探测器5连接2×2耦合器2的一个输出端，2×2耦合器2的另外一个输入端和另外一个输出端通过光纤连接构成一个环形的反馈腔。在环形反馈腔中，连接有声光移频器3、光纤放大器4和光纤延迟器5，声光移频器3、光纤放大器4和光纤延迟器5在环形反馈腔中的位置可调。

其中，种子激光器1，用于产生单频连续激光，将单频连续激光输入到2×2耦合器2。

声光移频器3，用于对2×2耦合器2输出的单频连续激光进行移频，产生移频激光。声光移频器是利用声光互作用(主要为布拉格衍射)来获得光的移频。激光通过声光介质被超声光栅衍射，其传播方向和激光频率都将发生变化。衍射光的频率在原输入激光频率上叠加了一个超声频率，光频的改变量等于外加射频信号的频率。移频激光在环形反馈腔中反复通过声光移频器3，使得激光频率得到多次调制。

光纤放大器4，用于提供增益，通过提供的增益来补偿环形反馈腔的损耗，但是光纤放大器增益必须小于环形反馈腔的损耗，否则会导致环形反馈腔的自激。

单频连续激光在通过声光移频器3的移频和光纤放大器4增益后，产生对应的高阶移频光(高阶频率)。

光纤延迟器5，用于调节环形反馈腔中光纤的长度，通过调节光纤延迟器5的延迟量，来控制光纤的长度，实现不同的延迟时间，从而改变各阶移频光的相位。

光电探测器6，用于对从2×2耦合器2输出的高阶移频光进行光电转换。

示波器7，用于在实验中将得到波形在示波器上观察。在实际应用中可以省略。

假定声光移频器的驱动频率为ω_i，则光电探测器输出的拍频信号包含ω_i、2ω_i、3ω_i、…、nω_i，最高阶的谐波由环形反馈腔的损耗以及光纤放大器的增益决定，降低损耗或者提高增益都可以提高谐波阶次(提高最高阶频率)。

2×2耦合器的传输损耗矩阵为[t_ij]；i＝1,2；j＝1,2，E_in1为种子激光器1连接2×2耦合器2输入端的输入激光电场，E_in2为环形反馈腔连接2×2耦合器2输入端的输入激光电场，E_out1为光电探测器5连接2×2耦合器2输出端的输出激光电场，E_out2为环形反馈腔连接2×2耦合器2输出端的输出激光电场；

当环路闭合时，环形反馈腔连接2×2耦合器2输入端的输入激光电场可以表示为：

其中，是多项因子的乘积，其中η为声光移频器效率、G为光纤放大器增益、eⁱ为耦合器相移，为声光移频器调制参数，由于不影响实验结果默认为零。f_AO是声光移频器的驱动频率；τ是闭合环路长度对应的延迟时间(闭合环路长度为连接2×2耦合器2的环形反馈腔中光纤的长度、2×2耦合器2本身长度、声光移频器本身的长度、光纤放大器本身的长度和光纤延迟器的延迟量的总和)。

环形反馈腔连接2×2耦合器2输出端的输出激光电场可以表示为：

E_out2(t)＝t₂₁E_in1(t)+t₂₂E_in2(t) (3)

由公式(2)和(3)可得：

递推公式(4)，可得：

将公式(5)带入(4)中，可得：

光电探测器5连接2×2耦合器2输出端的输出端口为频移反馈激光的输出，根据公式(1)和(6)，可得：

当输入为单频连续激光，P_in为单频连续激光的功率时，公式(7)可化简为：

根据公式(8)和光电探测器的光功率探测特性，输出光电流：

i(t)∝E² _out1(t) (9)

对光电流i(t)做傅里叶变换将时域信号转换为频域信号：

根据以上分析，通过调节声光移频器的驱动频率f_AO，就可以使得其高阶谐波的频率发生变化，进而使得相位发生变化。通过调节环形反馈腔中光纤的长度，会直接使得各个高阶谐波的相位发生变化。所以，通过调节声光移频器的驱动频率f_AO，或者通过调节光纤延迟器5的延迟量，来调节环形反馈腔中光纤的长度实现了对各阶次谐波的相位的改变，最终可以得到所需要的时域波形。

图2为采用本方案产生的3种不同波形的实验结果图。

本发明用光学的方式实现，采用单频连续激光，通过光纤形成环形反馈腔。将激光多次反馈通过声光频移器，加入光纤放大器，补偿损耗，并加入光纤延迟器改变环形反馈腔中光纤的长度，然后利用光学拍频的方式即可获得高阶谐波，通过改变各个高阶谐波的相位，实现时域上的任意波形发生。其涉及的均是标准化光纤器件，实现方便、结构简单、成本低。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，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 (1)

1.一种基于频移反馈激光的任意波形微波信号的发生器件，其特征在于，包括种子激光器(1)、耦合器(2)、声光移频器(3)、光纤放大器(4)、光纤延迟器(5)和光电探测器(6)；

所述种子激光器(1)连接耦合器(2)的一个输入端，所述光电探测器(6)连接耦合器(2)的一个输出端，耦合器(2)的另外一个输入端和另外一个输出端通过光纤连接构成一个环形反馈腔；在环形反馈腔中，连接所述声光移频器(3)、所述光纤放大器(4)和所述光纤延迟器(5)；

所述光纤放大器(4)用于提供增益以补偿环形反馈腔的损耗；

所述声光移频器(3)用于对环形反馈腔中的反复通过的激光进行移频，产生高阶移频光；

所述光电探测器(6)对从耦合器(2)输出的高阶移频光进行光电转换，产生高频微波信号；

通过调节所述光纤延迟器(5)的延迟量，来调节环形反馈腔中光纤的长度，进而改变各阶移频光的相位；

通过调节所述声光移频器(3)的驱动频率，改变各阶移频光的频率；从而实现时域任意波形的发生。