CN110137778A - 双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器及应用和通讯系统 - Google Patents

Abstract

一种双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器及应用和通讯系统，涉及微波光子学技术领域。双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器，包括两个激光器、光耦合器、调制器、光滤波器、光延时线、光电探测器、功分器以及电放大器；所述两个激光器、调制器、光滤波器和光电探测器一起组成一个双通带扫频微波光子滤波器，所述双通带扫频微波光子滤波器的扫频通过两个激光器的扫频实现或通过光滤波器的扫频实现。本发明提供的双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器不需要借助高速的电子学器件；输出信号具有可调谐性；可输出宽带快速啁啾的微波信号。

Description

双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器及应用和通讯系统

技术领域

本发明涉及微波光子学技术领域，具体涉及一种双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器及应用和通讯系统。

背景技术

在现代雷达系统中，通过发射具有大时间带宽积的啁啾微波信号，辅以脉冲压缩的手段，可在不牺牲探测距离的条件下实现更高的精度。线性调频信号是雷达系统中常用的一种宽带啁啾信号，然而线性调频信号的模糊函数具有锋利的边缘，因此其具有很强的距离-多普勒耦合效应，使雷达对目标的距离测量值产生与速度有关的偏差。采用双啁啾的宽带微波信号可解决这一问题。双啁啾信号在一个周期内包含两个互补的上啁啾和下啁啾分量，距离-多普勒耦合效应可根据双啁啾信号中上啁啾和下啁啾分量提供的信息进行纠正。

传统的啁啾微波信号常采用电子学的手段产生，但受限于电子器件的速度，产生的啁啾信号的中心频率和带宽较低，通常在GHz量级。为了克服电子学手段的弊端，近年来出现了许多光子学的手段来产生啁啾微波信号。比如，线性跳频信号可通过空间到时间的映射、频率到时间的映射以及傅里叶域锁模光电振荡器等手段产生。通过光子学的手段也可以产生宽带的双啁啾微波信号，目前报道的光子学手段包括基于双平行马赫-曾德尔调制器、基于双偏振正交相移调制器以及基于两个级联的马赫和曾德尔调制器等。然而，上述光子学手段仍需借助高速的电子学器件来产生基带的单啁啾波形和微波载波。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的第一个方面，提供了一种双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器，包括：两个激光器、光耦合器、调制器、光滤波器、光延时线、光电探测器、功分器以及电放大器，其中；

两个激光器，用于产生两组光信号；

光耦合器，用于将所述两个激光器输出的两组光信号合路后输出至调制器；

调制器，用于对所述合路后的光信号进行相位调制，产生包含载波和两个边带的调制信号；

光滤波器，用于对所述调制器输出的调制信号的一个边带进行滤除或放大，输出等效强度调制的光信号；

光延时线，位于调制器和光电探测器之间，用于提供光传输延时；

光电探测器，用于将所述光滤波器输出的光信号转换为电信号；

功分器，用于将所述光电探测器输出的电信号按功率分配为两部分，一部分作为输出，另一部分反馈给调制器，构成闭合的光电振荡器环路；

电放大器，位于功分器和光电探测器之间或位于功分器和调制器之间，用于对所述电信号进行放大；

其中，所述两个激光器、调制器、光滤波器和光电探测器一起组成一个双通带扫频微波光子滤波器，所述双通带扫频微波光子滤波器的扫频通过两个激光器的扫频实现或通过光滤波器的扫频实现。

作为本发明的第二个方面，还提供了上述的双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器在雷达或通讯系统中的应用。

作为本发明的第三个方面，还提供了一种通讯系统，包括上述的双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器，用于作为双啁啾的微波信号源。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提供的双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器不需要借助高速的电子学器件，可直接在光电振荡器内自激振荡产生宽带双啁啾微波信号；输出信号具有可调谐性，其啁啾中心频率能够通过控制扫频光源或扫频光滤波器的中心频率调节，啁啾宽度也能够通过控制扫频光源的频率变化幅度调节；可输出宽带快速啁啾的微波信号，其啁啾速度取决于扫频光源或扫频光滤波器的速度，最高可达到MHz量级以上，啁啾范围取决于扫频光源或扫频光滤波器的扫频范围，可达到几十甚至几百GHz。

(2)本发明将上述的双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器在不需借助高速的电子学器件的情况下，便可产生宽带可调的双啁啾微波信号，为雷达或通讯系统提供理想的微波信号源，大大提高探测精度和通讯质量。

(3)本发明提供的通讯系统，该通讯系统具有理想的微波信号源，大大提高通讯质量。

附图说明

图1是本发明第一实施例的双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器的结构示意图；

图2是本发明第一实施例的双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器内的双通带扫频微波光子滤波器的原理图；

图3是本发明第二实施例的双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器的结构示意图；

图4根据本发明实施例的输出的双啁啾微波信号的时域波形示意图；

图5根据本发明实施例的输出的双啁啾微波信号的瞬时频率示意图。

上述附图中，附图标记含义如下：

1a-第一扫频激光器；1b-第二扫频激光器；1a’-第一单频激光器；1b’-第二单频激光器；2-光耦合器；3-相位调制器；4a-光陷滤波器；4b-扫频光滤波器；5-光纤；6-光电探测器；7-功分器；8-电放大器。

具体实施方式

为使本发明的目的、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，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器，其利用激光光源的激光产生特性、调制器的调制特性、光滤波器的滤波特性、光电探测器的光电转换特性以及光电振荡器的微波发生性能，产生宽带可调的双啁啾微波信号。

请参阅图1-5所示，根据本发明的一些实施例，提供了一种双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器，包括：两个激光器、光耦合器2、调制器、光滤波器、光延时线、光电探测器6、功分器7以及电放大器8，其中；

两个激光器，用于产生两组光信号；

光耦合器2，用于将所述两个激光器输出的两组光信号合路后输出至调制器；

调制器，用于对所述合路后的光信号进行相位调制，产生包含载波和两个边带的调制信号；

光滤波器，用于对所述调制器输出的调制信号的一个边带进行滤除或放大，输出等效强度调制的光信号；

光延时线，位于调制器和光电探测器之间，用于提供光传输延时；

光电探测器6，用于将所述光滤波器输出的光信号转换为电信号；

功分器7，用于将所述光电探测器6输出的电信号按功率分配为两部分，一部分作为输出，另一部分反馈给调制器，构成闭合的光电振荡器环路；

电放大器8，位于功分器7和光电探测器6之间或位于功分器7和调制器之间，用于对所述电信号进行放大；

其中，所述两个激光器、调制器、光滤波器和光电探测器6一起组成一个双通带扫频微波光子滤波器，所述双通带扫频微波光子滤波器的扫频通过两个激光器的扫频实现或通过光滤波器的扫频实现。

通过两个激光器的周期性扫频或通过光滤波器的周期性扫频，可周期性地调谐双通带微波光子滤波器的通频带，使双通带滤波器通频带的变化与信号在光电振荡器环路中传输一周的时间延迟相匹配，可实现傅里叶域锁模条件，从而不同频率的微波信号同时在腔内振荡，在输出端得到双啁啾的微波信号。其中傅里叶域锁模条件为：

nT＝T_r；

其中，n是正整数，T是双通带扫频微波光子滤波器的变化周期，T_r信号在光电振荡器环路中传输一周的延时。

在本发明的一些实施例中，第一激光器和第二激光器为扫频激光器，光滤波器为光陷滤波器4a；或者，第一激光器和第二激光器为单频激光器，光滤波器为扫频光滤波器4b。

在本发明的一些实施例中，调制器为相位调制器3或偏振调制器；优选为相位调制器3。

在本发明的一些实施例中，光滤波器为带宽低至几十MHz量级的相移光纤布拉格光栅、微环谐振器、法布里-帕罗谐振腔或基于受激布里渊散射的光滤波器中的任意一种，用于选择性的滤除或放大相位调制的一个边带。

在本发明的一些实施例中，双通带扫频微波光子滤波器的中心频率等于第一激光器和第二激光器的光载波与光滤波器的中心频率之差。

在本发明的一些实施例中，该双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器还包括光放大器，光放大器设置于相位调制器和光电探测器之间，用于将光信号放大，以促进起振。

在本发明的一些实施例中，光延时线为损耗低至0.2dB/km的储能元件。

在本发明的一些实施例中，光电振荡器环路为单环路、双环路或多环路中的任意一种。

需要说明的是，双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器输出的啁啾微波信号的时频变化由快速扫频微波光子滤波器控制，啁啾微波信号是相位连续的。进一步的，傅里叶域锁模光电振荡器输出的啁啾微波信号宽带可调，其啁啾中心频率能够通过控制扫频激光器或扫频光滤波器的中心频率调节，其啁啾宽度也能够通过控制扫频激光器或扫频光滤波器的频率变化幅度调节。

根据本发明的一些实施例，还提供了上述的双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器在雷达或通讯系统中的应用。

本发明将上述的双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器在不需借助高速的电子学器件的情况下，便可产生宽带可调的双啁啾微波信号，为雷达或通讯系统提供理想的微波信号源，大大提高探测精度和通讯质量。

根据本发明的一些实施例，还提供了一种通讯系统，包括上述的双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器，用于作为双啁啾的微波信号源。

本发明提供的通讯系统，该通讯系统具有理想的微波信号源，大大提高通讯质量。

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的详细描述。

如图1所示，在本发明的第一实施例中，双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器主要包括：第一扫频激光器1a、第二扫频激光器1b、光耦合器2、相位调制器3、光陷滤波器4a、作为光延时线的光纤5、光电探测器6、功分器7以及电放大器8；其中，第一扫频激光器1a和光耦合器2之间通过光纤跳线；其中，第二扫频激光器1b和光耦合器2之间通过光纤跳线；其中，光耦合器2、相位调制器3、光陷滤波器4a、光纤5和光电探测器6之间通过光纤跳线依次连接；其中，光电探测器6、功分器7、电放大器8和相位调制器3之间通过电缆依次连接。

第一扫频激光器1a和第二扫频激光器1b发出的光信号经光耦合器2合路后，进入相位调制器3中发生相位调制，调制后产生包含载波和两个调制边带的两组调制信号，如图2上图所示，其中f_c0为第一扫频激光器1a和第二扫频激光器1b的初始频率位置，f_c1为第一扫频激光器1a发出的最大频偏位置，f_c2为第二扫频激光器1b发出的最大频偏位置。假设光滤波器为陷波型的光陷滤波器4a，对应频率位置为f_notch，当其中一个调制边带，如-1阶边带落入光陷波滤波器4时，该边带被抑制。载波和另外一个调制边带分别在光电探测器6中拍频可还原相应频率的微波信号，换言之，通过将两组相位调制转换成两组强度调制，从而在光电探测器中可得到分别对应于两个扫频激光器的发光频率和光滤波器滤波位置对应频率的差值的微波信号，如图2下图所示，其中f_MPF1和f_MPF2分别为微波光子滤波器通频带1和通频带2的最大频偏位置。上述操作构成了一个等效的双通带扫频微波光子滤波器，其传输响应为两个带通形状。双通带微波光子滤波器的中心频率等于两个扫频激光器的光载波与光陷滤波器4a的中心频率差。同时，通过激光光源的扫频，实现了双通带微波光子滤波器的扫频，如图2所示。本发明中的扫频激光器为分布式反馈(DFB)激光器或分布布拉格反射(DBR)激光器，可通过周期性的驱动电流改变激光器腔内载流子的浓度，使可调谐激光器的发光频率快速调谐。因此，双通带微波光子滤波器的通频带也可快速调谐。

需要说明的是，双通带微波光子滤波器的扫频实现并不局限于图2所示的一种方式，例如，两个载波f_c1和f_c2也可以位于f_noth的两侧，或者采用一个光源和具有两个不同频率的滤波位置的光陷滤波器4，同样可实现扫频双通带微波光子滤波器。

本发明的傅里叶域锁模条件为：双通带扫频微波光子滤波器的调谐周期与信号在光电振荡器环腔内传输一周的时间同步，即：

nT＝T_r；

其中，n是正整数，T是微波光子滤波器的变化周期，T_r是信号在光电振荡器环路中传输一周的延时。经傅里叶域锁模后，光电振荡器环腔中传输的信号经环路传输一周后再次回到双通带滤波器所在的位置时，双通带滤波器的通频带刚好调谐到了同样的位置，因此环腔内传输的所有信号均可以在腔内振荡。当光电振荡器环路的增益大于损耗时，环路内可自激振荡产生双啁啾的微波信号。双啁啾的微波信号的频率啁啾范围和周期由双通带扫频光滤波器的扫频宽度和周期决定，可通过控制扫频激光器的扫频范围和周期实现调谐。

在本发明的第二实施例中，如图3所示，傅里叶域锁模光电振荡器可以包括：第一单频激光器1a’、第二单频激光器1b’、光耦合器2、相位调制器3、扫频光滤波器4b、光纤5、光电探测器6、功分器7以及电放大器8；其中，第一单频激光器1a’和光耦合器2之间通过光纤跳线；其中，第二单频激光器1b’和光耦合器2之间通过光纤跳线；其中，光耦合器2、相位调制器3、扫频光滤波器4b、光纤5和光电探测器6之间通过光纤跳线依次连接；其中，光电探测器6、功分器7、电放大器8和相位调制器3之间通过电缆依次连接。

本实施例与第一实施例的区别在于，本实施例中双通带微波光子滤波器的扫频是通过扫频光滤波器4b的扫频，而非光源的扫频实现的。其中，两个光源是单频的，提供固定的两个载波。由于双通带微波光子滤波器的通频带的中心频率等于两个光源的光载波与扫频光滤波器4b的中心频率差，通过扫频光滤波器4b的扫频，同样可以实现双通带微波光子滤波器的扫频。在满足傅里叶域锁模的条件下，同样可产生宽带可调的双啁啾微波信号。

对于上述各模块，可以采用公知的功能模块来实现。此外，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：扫频激光器也可以是基于射频信号驱动的单边带调制扫频光源，或其它类型的频率可快速扫描的光源；可将功分器7和电放大器8的位置互换；可将相位调制器3更换为偏振调制器；可在环路中加入光放大器对信号进行放大，可将单环路替换为多环路等。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。

下面结合图4和图5以一验证实例来对本发明进行详细说明。

可以看出，光电振荡器不同频率的模式同时在腔内振荡。因此在傅里叶域锁模的条件下，不同频率的微波信号不需要经历从噪声中建立并达到稳态的过程。

图4和图5示例性地给出了双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器输出信号的时域波形和瞬时频率图。其中，图4为双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器输出的双啁啾微波信号的时域波形图。输出双啁啾微波信号的幅度只有很小的起伏。图5为根据图4的时域信息，经短时傅里叶变换计算得到的双啁啾微波信号的瞬时频率图。可以看出，输出双啁啾信号的中心频率在10GHz，带宽为2.8GHz，周期为22.22μs。因此，本发明通过采用上述技术方案，可获得宽带的双啁啾微波信号。

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

Claims (10)

1.一种双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，包括两个激光器、光耦合器、调制器、光滤波器、光延时线、光电探测器、功分器以及电放大器，其中；

两个激光器，用于产生两组光信号；

光耦合器，用于将所述两个激光器输出的两组光信号合路后输出至调制器；

调制器，用于对所述合路后的光信号进行相位调制，产生包含载波和两个边带的调制信号；

光滤波器，用于对所述调制器输出的调制信号的一个边带进行滤除或放大，输出等效强度调制的光信号；

光延时线，位于调制器和光电探测器之间，用于提供光传输延时；

光电探测器，用于将所述光滤波器输出的光信号转换为电信号；

功分器，用于将所述光电探测器输出的电信号按功率分配为两部分，一部分作为输出，另一部分反馈给调制器，构成闭合的光电振荡器环路；

电放大器，位于功分器和光电探测器之间或位于功分器和调制器之间，用于对所述电信号进行放大；

其中，所述两个激光器、调制器、光滤波器和光电探测器一起组成一个双通带扫频微波光子滤波器，所述双通带扫频微波光子滤波器的扫频通过两个激光器的扫频实现或通过光滤波器的扫频实现。

2.根据权利要求1所述的双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，所述双通带扫频微波光子滤波器的变化周期与信号在光电振荡器环路中传输一周的延时相匹配，满足傅里叶域锁模条件，从而在所述光电振荡器环路中产生双啁啾的微波信号进行输出：

nT＝T_r；

其中，n是正整数，T是双通带扫频微波光子滤波器的变化周期，Tr信号在光电振荡器环路中传输一周的延时。

3.根据权利要求1所述的双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于：所述两个激光器分别为扫频激光器，所述光滤波器为光陷滤波器；或者

所述两个激光器分别为单频激光器，所述光滤波器为扫频光滤波器。

4.根据权利要求1所述的双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，所述调制器为相位调制器或偏振调制器；优选为相位调制器。

5.根据权利要求1所述的双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，所述光滤波器为带宽低至几十MHz量级的相移光纤布拉格光栅、微环谐振器、法布里-帕罗谐振腔或基于受激布里渊散射的光滤波器中的任意一种，用于选择性的滤除或放大相位调制的一个边带。

6.根据权利要求1所述的双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，所述双通带扫频微波光子滤波器的中心频率等于所述两个激光器的光载波与所述光滤波器的中心频率之差。

7.根据权利要求1所述的双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，所述双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器还包括光放大器，所述光放大器设置于调制器和光电探测器之间，用于将光信号放大，以促进起振。

8.根据权利要求1所述的双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于：所述光延时线为损耗低至0.2dB/km的储能元件；

所述光电振荡器环路为单环路、双环路或多环路中的任意一种。

9.权利要求1-8任一项所述的双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器在雷达或通讯系统中的应用。

10.一种通讯系统，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的双啁啾傅里叶域锁模光电振荡器，用于作为双啁啾的微波信号源。