CN110504613A - 傅里叶域锁模光电振荡器 - Google Patents

傅里叶域锁模光电振荡器 Download PDF

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李明
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唐健
石暖暖
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Abstract

一种傅里叶域锁模光电振荡器，包括激光光源、相位调制器、光陷波滤波器、光电探测器、电放大器和功分器；其中，激光光源、相位调制器、光陷波滤波器和光电探测器一起组成扫频微波光子滤波器，所述扫频微波光子滤波器的通频带由激光光源和光陷波滤波器陷波位置对应波长的差值决定。本发明利用激光光源、相位调制器、光陷波滤波器、光电探测器构成一快速扫频的微波光子滤波器，通过激光光源或光陷波滤波器的扫频实现微波光子滤波器通频带的扫频，并使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，实现傅里叶域锁模，能够输出宽带可调的啁啾微波信号。

Description

傅里叶域锁模光电振荡器
技术领域
本发明涉及微波光子学技术领域，具体涉及一种傅里叶域锁模光电振荡器。
背景技术
高质量微波信号源可利用电子学方法或基于光子学的微波信号产生技术实现。其中电子学方法精度高，但瞬时带宽和相位噪声特性较差。为克服电子学方法的缺点，研究人员提出了多种基于光子学的微波信号产生技术，主要包括双波长激光外差法、光脉冲整形法和光电振荡器技术等。其中，双波长激光外差法通过调节激光器的波长，很容易实现宽带、快速调谐的啁啾微波信号产生，其带宽和啁啾速度显著高于电子学手段。然而，由于两束激光的相位相关性较差，因此产生的微波信号的相位噪声较大，甚至较压控振荡器更差。基于光脉冲整形的微波信号产生技术主要基于频-时映射的原理，通过对光频谱的频域整形，可以产生任意波形微波信号。该技术面临的主要问题是重构慢，需要重新对频谱进行整形。此外，由于频谱整形的精度较低，这使得产生的微波信号的相位噪声较大。
光电振荡器技术可以克服上述两种方法的不足，利用光储能获得高性能的谐振腔，产生超低相噪的微波信号。美国空气动力实验室的X.S.Yao等人于1994年提出这个概念后，一直广受关注。美国OEwave公司报道的高质量光电振荡器的相噪低至-160dBc/Hz@10kHz。光电振荡器的调谐性也较强，目前报道的光电振荡器的调谐范围可覆盖几十GHz。然而，在频率调谐时，新的振荡频率需要从噪声重新起振，并达到稳态，这极大地限制了频率调谐的速度。另一方面，由于新的模式是从噪声中重新建立的，该模式与之前模式的相位是不连续或者说是无关的，这意味着在频率调谐过程中微波信号的相位噪声将显著增加。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种傅里叶域锁模光电振荡器，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，本发明提出了一种傅里叶域锁模光电振荡器，包括：激光光源、相位调制器、光陷波滤波器、光电探测器、电放大器和功分器；
其中，所述激光光源用于发出光信号，所述相位调制器用于对所述光信号调制，形成包含载波和两个调制边带，所述光陷波滤波器用于抑制其中一个调制边带，以输出载波和未被抑制的边带，所述光电探测器用于接收所述载波和未被抑制的边带，通过拍频还原相应频率的信号；
所述光电探测器所述激光光源的发光频率或光陷波滤波器的频率配置为可进行周期性的调谐，使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，实现傅里叶域锁模；
其中，所述光电探测器、电放大器、功分器、相位调制器之间通过电缆依次连接，由功分器输出啁啾微波信号；
其中，所述激光光源、相位调制器、光陷波滤波器和光电探测器一起组成一个扫频微波光子滤波器。
在进一步的实施方案中，扫频微波光子滤波器的中心频率配置为等于所述激光光源的光载波与所述光陷波滤波器的中心频率差，微波光子滤波器的扫频配置为通过激光光源或光陷波滤波器的扫频实现。
在进一步的实施方案中，相位调制器、光陷波滤波器、光电探测器通过光纤跳线连接，所述光纤是微波储能元件。
在进一步的实施方案中，激光光源为扫频激光器，或微波信号驱动的单边带调制扫频光源，或单频激光器，用于产生光载波。
在进一步的实施方案中，光陷波滤波器为带宽10-100MHz量级的相移光纤布拉格光栅，或微环谐振器，或基于受激布里渊散射的光滤波器，用于滤除相位调制的一个边带。
在进一步的实施方案中，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：
nT＝Tr；
其中，n是正整数，T是微波光子滤波器的变化周期，Tr是信号在光电振荡器环路中传输一周的延时。
在进一步的实施方案中，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扫频微波光子滤波器控制，所述啁啾微波信号是相位连续的；
作为优选，所述傅里叶域锁模光电振荡器输出的啁啾微波信号宽带配置为可调，其啁啾中心频率能够通过控制激光光源或光陷波滤波器的中心频率调节，其啁啾宽度配置为能够通过控制激光光源或光陷波滤波器的频率变化幅度调节。
在进一步的实施方案中，扫频微波光子滤波器的光路中还包括光放大器，用于将光信号放大，以促进起振。
在进一步的实施方案中，傅里叶域锁模光电振荡器中，所述功分器和电放大器的位置互换；
作为优选，所述相位调制器替换为偏振调制器。
在进一步的实施方案中，光电振荡器环路由单环路替换为双环路或更多环路基于上述技术方案可知，本发明的傅里叶域锁模光电振荡器。
相对于现有技术具有如下优点：
(1)可以产生频率宽带可调、低相噪且相位连续的啁啾微波信号；
(2)本发明的微波光子滤波器的调谐速度取决于激光光源或光陷波滤波器的频率调谐速度，可达到MHz量级甚至更快的调谐速度；频率啁啾范围主要由激光光源或光陷波滤波器的动态频率调谐范围决定，可达到几十GHz；由此，本发明的傅里叶域锁模光电振荡器可输出宽带快速啁啾的微波信号；
(3)本发明的微波光子滤波器的通频带仅由激光光源的发光波长和光陷波滤波器陷波位置对应频率的差值决定，啁啾中心频率能够通过控制激光光源或光陷波滤波器的中心频率调节，其啁啾宽度也能够通过控制激光器或光陷波滤波器的频率变化幅度调节，因此，本发明的傅里叶域锁模光电振荡器的啁啾输出信号具有可调谐性；
(4)不同频率成分的信号在不同的时刻通过微波光子滤波器，这些频率成分同时存储在光电振荡器环腔内，因此新的频率成分不需要重新经由噪声开始起震，从而本发明的傅里叶域锁模光电振荡器可输出相位连续的啁啾微波信号。
附图说明
图1是本发明实施例的傅里叶域锁模光电振荡器的结构示意图；
图2是本发明实施例的激光光源的结构图。
图3是本发明的傅里叶域锁模原理图。
图4是本发明另一实施例的激光光源的结构图。
图5是本发明另一实施例的傅里叶域锁模光电振荡器的结构示意图。
图6是根据本发明实施例的10GHz测试范围下输出的8-12GHz啁啾微波信号的频谱示意图。
图7是根据本发明实施例的200kHz测试范围下输出的8-12GHz啁啾微波信号的频谱示意图。
图8是根据本发明实施例的输出8-12GHz啁啾微波信号的时域波形示意图。
图9是根据本发明实施例的输出8-12GHz啁啾微波信号的瞬时频率示意图。
在上述附图中，附图标记含义如下：
1-激光光源 2-相位调制器
3-光陷波滤波器 4-光纤
5-光电探测器 6-电放大器
7-功分器
1a-激光器驱动 1b-扫频激光器
1c-单边带调制器 1d-扫频微波源
1e-单频激光器
3a-光滤波器驱动 3b-扫频光陷波滤波器
21-微波光子滤波器的第一频率位置
22-微波光子滤波器的第二频率位置
23-微波光子滤波器的第三频率位置
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。
为了满足通信和雷达系统对高质量快速啁啾微波信号源的需求，本发明提出了一种傅里叶域锁模光电振荡器，来产生宽带可调的快速啁啾微波信号。本发明公开了一种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、相位调制器的调制特性、光陷波滤波器的滤波特性、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，产生宽带可调的快速啁啾微波信号。
具体地，本发明的傅里叶域锁模光电振荡器主要包括：激光光源、相位调制器、光陷波滤波器、光电探测器、电放大器和功分器；
其中，所述光电探测器、电放大器、功分器、相位调制器之间通过电缆连接；
其中，所述激光光源、相位调制器、光陷波滤波器和光电探测器一起组成一个扫频微波光子滤波器，所述扫频微波光子滤波器的通频带由激光光源和光陷波滤波器陷波位置对应波长的差值决定，微波光子滤波器的扫频通过激光光源或光陷波滤波器的扫频实现。
其中，所述激光光源、相位调制器、光陷波滤波器、光电探测器之间可通过光纤跳线连接。
其中，所述光纤可以是低损耗微波储能元件。
其中，所述激光光源为扫频激光器，或微波信号驱动的单边带调制扫频光源，或单频激光器，用于产生光载波。
其中，所述光陷波滤波器为带宽低至几十MHz的相移光纤布拉格光栅，或微环谐振器，或基于受激布里渊散射的光滤波器，用于滤除相位调制的一个边带。
其中，所述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：
nT＝Tr；
其中，n是正整数，T是微波光子滤波器的变化周期，Tr是信号在光电振荡器环路中传输一周的延时。
其中，所述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，所述啁啾微波信号是相位连续的；
其中，所述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激光光源或光陷波滤波器的中心频率调节，其啁啾宽度也能够通过控制激光光源或光陷波滤波器的频率变化幅度调节。
其中，所述微波光子滤波器的光路中还包括光放大器，用于将光信号放大，以促进起振。
其中，所述傅里叶域锁模光电振荡器中，所述功分器和电放大器的位置互换；
其中，所述相位调制器替换为偏振调制器。
其中，所述光电振荡器环路由单环路替换为双环路或更多环路。
本发明的傅里叶域锁模光电振荡器的工作过程为：激光光源发出的光信号经相位调制器调制后通过光陷波滤波器，滤波器滤除相位调制的一个边带，从而将相位调制转换成强度调制，在光电探测器中可得到对应于激光光源发光频率和光陷波滤波器陷波位置对应频率的差值的微波信号。因此，激光光源、相位调制器、光陷波滤波器和光电探测器一起组成了一个微波光子滤波器，该滤波器的通频带由可调谐激光器和光陷波滤波器陷波位置对应频率的差值决定。通过周期性调节激光光源的发光频率或光陷波滤波器的频率，即周期性的调谐微波光子滤波器的通频带，并使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。不同频率的微波信号同时在腔内振荡，在输出端得到快速啁啾的微波信号。
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步阐述说明。
如图1所示，为本发明的傅里叶域锁模光电振荡器的结构示意图，该傅里叶域锁模光电振荡器主要包括：1个激光光源1、1个相位调制器2、1个光陷波滤波器3、1段光纤4、1个光电探测器5、1个电放大器6和1个功分器7。其中激光光源1、相位调制器2、光陷波滤波器3、光纤4、光电探测器5之间通过光纤跳线连接；光电探测器5、电放大器6、功分器7、相位调制器2之间通过电缆连接。
激光光源发出的光信号进入相位调制器中发生相位调制，调制后包含载波和两个调制边带。由相位调制的特性可知，载波和两个调制边带的拍频信号相互抵消，因此无法在光电探测器中还原微波信号。当其中一个调制边带落入光陷波滤波器时，该边带被抑制。载波和另外一个调制边带在探测器中拍频可还原相应频率的微波信号。这就构成了一个等效的微波光子滤波器，其传输响应为带通形状。微波光子滤波器的中心频率等于激光光源的光载波与光陷波滤波器的中心频率差。因此，通过快速改变激光光源的光载波的频率，可以实现快速调谐的微波光子滤波器。如图2所示，本发明中的激光光源包括激光器驱动和扫频激光器，其中扫频激光器可以为分布式反馈(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，微波光子滤波器的通频带也可快速调谐。
本发明的傅里叶域锁模条件为：快速调谐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＝Tr；
其中，n是正整数，T是微波光子滤波器的变化周期，Tr是信号在光电振荡器环路中传输一周的延时。如图3所示，快速调谐微波光子滤波器在第一频率位置21时，光电振荡器产生频率f1信号，f1信号在环形谐振腔内继续传输。在接下来的时间，滤波器调谐到第二频率位置22和第三频率位置23，并分别产生f2和f3信号。当f1信号传输刚好一周时，滤波器刚好回到第一频率位置21，并让f1信号顺利通过滤波器继续在腔内谐振。与之类似，f2和f3信号在传输一周回到起点时也刚好遇到滤波器并保证他们顺利在腔内谐振而不消失。也就是说，不同频率的微波信号同时在腔内振荡，且不同时刻输出的微波信号频率不同，该频率取决于快速调谐滤波器的中心频率。这就产生了啁啾的微波信号。在频率啁啾过程中，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，因此啁啾速度非常快。啁啾信号的时频变化由快速调谐滤波器控制，所以啁啾信号是相位连续的，这极大地降低了啁啾过程中的相位噪声。可以产生低相噪、宽带、快速啁啾的微波信号。啁啾输出信号具有可调谐性，啁啾中心频率可通过驱动电流控制扫频激光器中心发光波长调节，啁啾宽度也可通过控制激光器驱动电流的变化幅度调节。
基于前述傅里叶域锁模光电振荡器的分析，在另一些可选的实施例中，如图4所示，上述激光光源可包括单频激光器1b、单边带调制器1c和扫频微波源1d。其中单频激光器1b用于产生单一频率的光载波，扫频微波源1d发出的微波信号经单边带调制器1c调制到光载波上，形成扫频光源输出。
本实施例与图2所示实施例的区别在于本实施例中扫频光源通过扫频微波信号驱动的单边带调制方式实现，其中激光器是单频的，而图2所示实施例中激光器在周期性驱动信号的作用下直接产生扫频光信号。
在一些可选的实施例中，如图5所示，上述傅里叶域锁模光电振荡器可以包括：单频激光器1b、相位调制器2、扫频光陷波滤波器3a、光滤波器驱动3b、光纤4、光电探测器5、电放大器6、功分器7。其中，单频激光器1b、相位调制器2、扫频光陷波滤波器3a和光纤4相连，扫频光陷波滤波器3a和光滤波器驱动3b相连。单频激光器1b单一频率的光载波，扫频光陷波滤波器3a的通频带在光滤波器驱动3b的作用下周期性的变化。
在本实施例中，单频激光器1b、相位调制器2、扫频光陷波滤波器3a、和光电探测器5一起构成扫频微波光子滤波器。微波光子滤波器的通频带等于单频激光器的发光频率和光陷波滤波器的频率差，微波光子滤波器的扫频通过光陷波滤波器的扫频实现。在满足傅里叶域锁模的条件下，可产生宽带可调的啁啾微波信号。
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：可将功分器和电放大器的位置互换；可将相位调制器更换为偏振调制器；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6-9以一验证实例来对本发明进行详细说明。
图6和图7示例性地给出了傅里叶域锁模光电振荡器不同测试范围下输出的X波段啁啾微波信号的频谱图。其中，图6是当测试范围为10GHz时测得的频谱图。从图6可以看出，傅里叶域锁模光电振荡器输出扫频信号的带宽可覆盖8-12GHz，即整个X波段。图7是当测试范围为200kHz时测得的频谱图，中心测试频率与图6一致，为10GHz。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8和图9示例性地给出了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8为傅里叶域锁模光电振荡器输出的X波段啁啾微波信号的时域波形图，其中插图表示虚线框处的局部放大示意图。输出啁啾微波信号的幅度只有很小的起伏，其相位是连续的。图9所示为根据图8的时域信息，经短时傅里叶变换计算得到的啁啾微波信号的瞬时频率图。可以看出，在一个啁啾周期内，输出信号的频率近似线性的从8GHz增加到了12GHz。因此，本发明实施例通过采用上述技术方案，可获得宽带且相位连续的啁啾微波信号。
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)

1.一种傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，包括：激光光源、相位调制器、光陷波滤波器、光电探测器、电放大器和功分器；
其中，所述激光光源用于发出光信号，所述相位调制器用于对所述光信号调制，形成包含载波和两个调制边带，所述光陷波滤波器用于抑制其中一个调制边带，以输出载波和未被抑制的边带，所述光电探测器用于接收所述载波和未被抑制的边带，通过拍频还原相应频率的信号；
所述光电探测器所述激光光源的发光频率或光陷波滤波器的频率配置为可进行周期性的调谐，使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，实现傅里叶域锁模；
其中，所述光电探测器、电放大器、功分器、相位调制器之间通过电缆依次连接，由功分器输出啁啾微波信号；
其中，所述激光光源、相位调制器、光陷波滤波器和光电探测器一起组成一个扫频微波光子滤波器。
2.根据权利要求1所述的傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，所述扫频微波光子滤波器的中心频率配置为等于所述激光光源的光载波与所述光陷波滤波器的中心频率差，微波光子滤波器的扫频配置为通过激光光源或光陷波滤波器的扫频实现。
3.根据权利要求1所述的傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，所述相位调制器、光陷波滤波器、光电探测器通过光纤跳线连接，所述光纤是微波储能元件。
4.根据权利要求1所述的傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，所述激光光源为扫频激光器，或微波信号驱动的单边带调制扫频光源，或单频激光器，用于产生光载波。
5.根据权利要求1所述的傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，所述光陷波滤波器为带宽10-100MHz量级的相移光纤布拉格光栅，或微环谐振器，或基于受激布里渊散射的光滤波器，用于滤除相位调制的一个边带。
6.根据权利要求1所述的傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，所述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：
nT＝Tr；
其中，n是正整数，T是微波光子滤波器的变化周期，Tr是信号在光电振荡器环路中传输一周的延时。
7.根据权利要求1所述的傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，所述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扫频微波光子滤波器控制，所述啁啾微波信号是相位连续的；
作为优选，所述傅里叶域锁模光电振荡器输出的啁啾微波信号宽带配置为可调，其啁啾中心频率能够通过控制激光光源或光陷波滤波器的中心频率调节，其啁啾宽度配置为能够通过控制激光光源或光陷波滤波器的频率变化幅度调节。
8.根据权利要求1所述的傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，所述扫频微波光子滤波器的光路中还包括光放大器，用于将光信号放大，以促进起振。
9.根据权利要求1所述的傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，所述傅里叶域锁模光电振荡器中，所述功分器和电放大器的位置互换；
作为优选，所述相位调制器替换为偏振调制器。
10.根据权利要求1所述的傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，所述光电振荡器环路由单环路替换为双环路或更多环路。
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