CN110572213B - 一种基于注入锁定和非线性调制的任意波形产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于注入锁定和非线性调制的任意波形产生方法，该方法利用波长为λ1和λ1’，并且λ1和λ1’可调的第一激光器和DFB激光器实现注入锁定以产生高次谐波和偶次谐波；通过第二激光器产生的波长为λ2的光的非线性调制实现奇数次谐波的产生和偏振延时。将λ1支路和λ2支路所产生的谐波分量进行时域叠加并匹配相位和幅度，即可产生具有高阶分量的三角波、方波、锯齿波和反锯齿波中的一种。本发明通过采用外部调制的方式简化了以往多波形产生方案的复杂度，并通过注入锁定放大和增强了高次谐波，实现了频率分量的灵活调整，和固定频谱分量的精确产生从而获得高阶的近似波形。并且理论上讲通过增加注入锁定的支路，还能获得更近似的波形。

Description

一种基于注入锁定和非线性调制的任意波形产生方法
技术领域
本发明涉及一种任意微波信号产生的系统，尤其涉及基于一种结合注入锁定和调制器非线性效应的任意波形产生系统。
背景技术
任意波形发生器在雷达系统，光脉冲压缩、光采样等微波信号处理，以及有线和无线通信系统中有着至关重要的作用。传统的任意波形主要依靠电子技术产生。但是由于电子器件本身带宽窄，抗电磁干扰能力弱，损耗大，可再生能力差等缺点通常会把波形的频率限制在10GHz以内。近年来，研究者们陆续提出了许多依靠微波光子技术产生任意波形信号的方案，成功克服了上述缺点。
傅里叶合成技术是一种典型的方法，该方法通过控制宽带频率梳的各谱线的幅度和相位合成所需波形，Jiang等人曾采用空间光调制器(SLM)独立控制了100根光谱分量产生了理想的三角波的波形。但是采用这种方式需要对每个谱线单独精准地控制，这对各个光谱分量的相位扰动的抑制和滤波器的窗口的稳定性提出了很高的要求。为了解决该问题J.Ye等人提出了利用频域到时域映射的方式(FTTM)产生任意波形。该方式通过将调制后的宽带频率梳分为两路，分别对每一路做频谱整形最终合成脉宽短至2.5ns的脉冲三角波信号。由于该方式采用整体控制谱线的方式，准确性和灵活性往往不太理想，且所得的波形的占空比常小于1。
此外，利用外调制光时产生的非线性效应而生成任意波形由于系统结构简单，近几年引起了广泛的关注。该方法主要依赖光电调制的非线性特性。例如X K.Liu等人结合(SBS)效应和两路波长满足SBS频移的两路光，通过中心波长可调的滤波器滤出载波和一三阶边带的方式产生5-10GHz频率可调的三角波的波形。Y.S.Gao等提出了基于萨格纳克环产生多种波形的方案。它主要是通过光在萨格纳克环中经过相位调制和检偏器后，实现相位和强度的转换，最后经过滤波得到三角波、锯齿波和矩形波三种波形。但是该方式的只能产生较低阶数的频谱分量，不能获得很理想的波形。
任意波形信号也可以通过时域合成，例如Wu等人通过控制偏振调制光电振荡器中的每个谱线合成了方波和三角波，采用级联调制和时域上的延时叠加得到了占空比50％和占空比100％的锯齿波和反锯齿波。为了得到更高频率的多波形信号何禹彤等人将通过载波抑制产生的二倍频信号，并将之注入到DFB激光器中放大高阶分量而产生了6GHz的三角波,为产生高频任意波形提供了新的思路。但是由于采用外调制的方式产生的波形信号频率的阶数和灵活性都受到了限制。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明结合了调制器的非线性效应和注入锁定技术实现了任意波形的产生。该方案以外部调制技术为主，简化了系统结构，并且采用注入锁定技术单独产生偶数次谐波和高次谐波，获得高阶波形。该方案在稳定性、控制灵活性方面均表现出优势。
本发明提出的一种基于注入锁定和非线性调制的任意波形产生方法，包括如下的光学器件和电子器件：两个激光器、三个波分复用器、两个偏振控制器、马赫增德尔调制器、微波源、环形器、光衰减器、光延时线、DFB激光器、光差分延时线和光电探测器；两个激光器记为第一激光器和第二激光器，三个波分复用器记为第一波分复用器、第二波分复用器和第三波分复用器，两个偏振控制器记为第一偏振控制器和第二偏振控制器；所述DFB激光器不带隔离器；所述第一激光器、第二激光器和所述DFB激光器的中心波长分别为λ1、λ2和λ1’；
通过中心波长为λ1和λ1’，且λ1和λ1’可调的第一激光器和DFB激光器实现注入锁定以产生偶次谐波或更高阶的谐波分量；
通过中心波长为λ2的第二激光器实现奇数次谐波的产生和偏振延时；
将所产生的所有谐波在时域上叠加，通过匹配各阶的分量的相位和幅度，即可产生具有高阶分量的三角波、方波、锯齿波和反锯齿波中的一种。
进一步讲，本发明中，通过中心波长为λ1和λ1’，并且λ1和λ1’可调的第一激光器和DFB激光器实现注入锁定以产生偶次谐波或更高阶的谐波分量的具体过程是：所述第一激光器和第二激光器分别产生的中心波长为λ1和λ2的光，由第一波分复用器耦合后进入马赫增德尔调制器，并接受微波源产生的频率为ωm的微波信号的调制；由于调制的非线性，光谱上会出现以中心波长对应的频率ω0为中心，频率间隔为ωm的一系列边带；经过调制后的光由第二波分复用器重新分为λ1和λ2两路；其中，波长为λ1的一路光由第一偏振控制器调整偏振态之后，从环形器的1口注入到所述DFB激光器中，调整DFB激光器的波长λ1’，使其与注入光信号的特定边带重合实现注入锁定；该路光在经过所述光衰减器和光延时线匹配功率和相位之后，进入第三波分复用器与波长为λ2的另一路光耦合，进入光电探测器之后产生偶次或者高次谐波分量，并且增加注入锁定的支路数量可获得更高阶的谐波分量。
通过中心波长为λ2的第二激光器实现奇数次谐波的产生和偏振延时的具体过程是：所述第一激光器和第二激光器分别产生波长为λ1和λ2的光，由第一波分复用器耦合后进入马赫增德尔调制器，并接受所述微波源产生的微波信号的调制；当调制器工作在线性工作点时，即偏置电压为半波电压的一半时，由正弦波调制后的光信号在经过光电探测器之后只会产生调制信号的奇数倍谐波分量；调制后的光信号由第二波分复用器重新分为λ1和λ2两路；其中波长为λ2所在支路的光在经过第二偏振控制器和光差分延时线之后，经由第三波分复用器耦合，进入光电探测器，以产生奇数次谐波分量。
将所产生的所有谐波在时域上叠加，通过匹配各阶的分量的相位和幅度，即通过微波源调整其产生的微波信号的功率、差分延时线的延时量以及DFB激光器的中心波长，从而产生具有高阶分量的三角波、方波、锯齿波和反锯齿波中的一种；具体过程是：通过调整微波源产生的微波信号的功率使λ2支路上第一和第三次谐波分量的幅度满足方波的要求，同时将光差分延时线的延时量设为0，并调整λ1支路上DFB激光器的波长，使注入锁定产生五次谐波分量，匹配两路相位和幅度即可获得高阶方波；保持λ2支路上的设置不变，调整DFB激光器的波长使之锁定在二次谐波分量上，调整光衰减器，使一、二、三次谐波分量的幅度满足锯齿波的要求；调整光延时线使二次谐波和一、三次谐波同相为即可获得锯齿波；使二次谐波和一、三次谐波的相位差为π即可获得反锯齿波；调整λ1支路上DFB激光器的波长使其锁定在五次谐波分量上，调整微波源所产生的信号的功率，使λ2支路上产生的一、三阶的频率的幅度满足三角波的要求，并调整光差分延时线的延时量为π/2，便能获得高阶三角波。
本发明中，可以通过调整微波源的频率和DFB激光器的波长来调整多波形信号的频率。
由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明可以通过调整调制信号的功率来整体调整奇数谐波的，用简单的结构产生了三角波、方波、锯齿波和反锯齿波等四种常用波形。
(2)本发明结合了注入锁定技术，能够单独精确调整偶数次谐波或者高阶谐波，实现了结构的灵活调整，和固定频谱分量的精确产生。
(3)通过调整调制频率和DFB激光器的波长，就能调整产生的任意波形信号的频率。
(4)通过改变波分复用器的复用分路，并增加注入锁定的支路，能够实现更高阶频谱分量的产生，以得到更高阶的近似波形，具有良好的可扩展功能。
附图说明
图1为本发明基于注入锁定和偏振延时的多波形产生方法。
图2为图1中所示关键节点的光谱和电谱图，其中，(a)对应图一中A处的光谱；(b)对应图1中B处的光谱图；(c)对应图1中DFB锁定在二次边带时得到的频谱图；(d)对应图1中DFB锁定在五次边带时得到的频谱图；(e)对应在D处生成高阶锯齿波的过程；(f)对应在D处生成高阶方波的过程；(g)对应在D处生成高阶三角波的过程。
图中：1-第一激光器，2-第二激光器，3-第一波分复用器，4-调制器，5-微波源，6-第二波分复用器，7-第一偏振控制器，8-环形器，9-光衰减器，10-光延时线，11-DFB激光器，12-光差分延时线，13-第二偏振控制器，14-第三波分复用器，15-光电探测器。
具体实施方式：
结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述。所描述的具体实例仅仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
本发明的设计思路是，一束光经过调制器之后由于非线性效应会产生一系的边带。通过调整调制器的调制度，产生的幅度会随着改变。本发明主要利用这个原理产生低阶的方波和三角波，在此基础上通过注入锁定产生高次谐波能生成高阶分量的方波和三角波，通过注入锁定产生二次谐波可获得锯齿波，生成任意波形。
如图1所示，本发明提出的一种基于注入锁定和非线性调制的任意波形产生方法，包括如下的光学器件和电子器件：两个激光器、三个波分复用器、两个偏振控制器、马赫增德尔调制器4、微波源5、环形器8、光衰减器9、光延时线10、DFB激光器11、光差分延时线12和光电探测器15；两个激光器记为第一激光器1和第二激光器2，三个波分复用器记为第一波分复用器3、第二波分复用器6和第三波分复用器14，两个偏振控制器记为第一偏振控制器7和第二偏振控制器13；所述DFB激光器11不带隔离器；所述第一激光器1、第二激光器2和所述DFB激光器11的中心波长分别为λ1、λ2和λ1’。
如图1中，自第二波分复用器6至第三波分复用器14，其中的上面一路，通过中心波长为λ1和λ1’，且λ1和λ1’可调的第一激光器1和DFB激光器11实现注入锁定以产生偶次谐波或更高阶的谐波分量；其中的下面一路，通过中心波长为λ2的第二激光器(2)实现奇数次谐波的产生和偏振延时；经过第三波分复用器14后，将所产生的所有谐波在时域上叠加，通过匹配各阶的分量的相位和幅度，即可产生具有高阶分量的三角波、方波、锯齿波和反锯齿波中的一种。
通过中心波长为λ1和λ1’，并且λ1和λ1’可调的第一激光器1和DFB激光器11实现注入锁定以产生偶次谐波或更高阶的谐波分量的具体过程是：所述第一激光器1和第二激光器2分别产生的中心波长为λ1和λ2的光，由第一波分复用器3耦合后进入马赫增德尔调制器4，并接受微波源5产生的频率为ωm的微波信号的调制；由于调制的非线性，光谱上会出现以中心波长对应的频率ω0为中心，频率间隔为ωm的一系列边带；经过调制后的光由第二波分复用器6重新分为λ1和λ2两路；其中，波长为λ1的一路光由第一偏振控制器7调整偏振态之后，从环形器8的1口注入到所述DFB激光器11中，调整DFB激光器11的波长λ1’，使其与注入光信号的特定边带重合实现注入锁定；该路光在经过所述光衰减器9和光延时线10匹配功率和相位之后，进入第三波分复用器14与波长为λ2的另一路光耦合，进入光电探测器15之后产生偶次或者高次谐波分量，并且增注入锁定的支路数量可获得更高阶的谐波分量。
通过中心波长为λ2的第二激光器2实现奇数次谐波的产生和偏振延时的具体过程是：所述第一激光器1和第二激光器2分别产生波长为λ1和λ2的光，由第一波分复用器3耦合后进入马赫增德尔调制器4，并接受所述微波源5产生的微波信号的调制；当调制器工作在线性工作点时，即偏置电压为半波电压的一半时，由正弦波调制后的光信号在经过光电探测器之后只会产生调制信号的奇数倍谐波分量；调制后的光信号由第二波分复用器6重新分为λ1和λ2两路；其中波长为λ2所在支路的光在经过第二偏振控制器13和光差分延时线12之后，经由第三波分复用器14耦合，进入光电探测器15，以产生奇数次谐波分量。
将所产生的所有谐波在时域上叠加，通过匹配各阶的分量的相位和幅度，即通过微波源5调整其产生的微波信号的功率、差分延时线12的延时量以及DFB激光器11的中心波长，从而产生具有高阶分量的三角波、方波、锯齿波和反锯齿波中的一种；具体过程是：通过调整微波源5产生的微波信号的功率使λ2支路上第一和第三次谐波分量的幅度满足方波的要求，同时将光差分延时线的延时量12设为0，并调整λ1支路上DFB激光器11的波长，使注入锁定产生五次谐波分量，匹配两路相位和幅度即可获得高阶方波；保持λ2支路上的设置不变，调整DFB激光器11的波长使之锁定在二次谐波分量上，调整光衰减器8，使一、二、三次谐波分量的幅度满足锯齿波的要求；调整光衰减器9使二次谐波和一、三次谐波同相为即可获得锯齿波；使二次谐波和一、三次谐波的相位差为π即可获得反锯齿波；调整λ1支路上DFB激光器11的波长使其锁定在五次谐波分量上，调整微波源5所产生的信号的功率，使λ2支路上产生的一、三阶的频率的幅度满足三角波的要求，并调整光差分延时线12的延时量为π/2，便能获得高阶三角波。
本发明中，可以通过调整微波源5的频率和DFB激光器11的波长来调整多波形信号的频率。
实施例1、具有高阶频谱分量的方波的合成
调整第一激光器1的波长为λ1，调整第二激光器2的波长λ2，两个波长的光通过第一波分复用器3耦合为一路。经过一定频率的微波信号的调制之后，由第二波分复用器6解复用为不同波长的两路光。调整调制器4的偏压，使得其工作在线性调制点上，调整波长为λ2所在支路上的差分延时线，使得延时量为0。调整微波信号的功率改变一次谐波和三次谐波的幅度比，使之满足3:1的关系，此时可获得具有三阶频谱分量的方波。调整DFB激光器11的波长，使得调制后的五次谐波的边带刚好落入锁定区，一次产生五次谐波分量。调整五次谐波分量的幅度，使之和λ2路产生的一次谐波分量比值为1:5。调整光延时线使一、三、五次谐波同相后，耦合两个波长的光经过PD之后就能获得具有五阶频率分量的方波。
实施例2、具有高阶频谱分量的三角波的合成
在生成五阶方波的基础上保持其他条件不变，调整调制信号的幅度，使得第一和第三阶频率分量的比值为9:1。由于此时的三次谐波的相位没有匹配，需要采用偏振延时方法。调整偏振控制器PC4，使得波长为λ2的光信号的偏振态与差分延时线的慢轴成45°，调整光差分延时线12使其中一路引入π/2的相位差，可以获得合成的三阶的三角波。调整λ1所在支路注入锁定产生的五次谐波的幅度，使第一阶和第五阶分量幅度比为25：1，调整相位后耦合两路光，可获得具有高阶分量的三角波。
实施例3、锯齿波和反锯齿波的合成
调整波长为λ2所在支路上的差分延时线，使得延时量为0。调整微波信号的功率改变一次谐波和三次谐波的幅度比，使之满足3:1的关系，此时可获得具有三阶频谱分量的方波。调整DFB激光器的波长，使得调制后的二次边带刚好落入锁定区，以产生二次谐波分量。调整二次谐波分量的幅度，使之和λ2路产生的五次谐波分量比值为1:2。耦合两个波长的光经过PD之后就能获得具有三阶频率分量的锯齿波，改变二次谐波的相位使之和一次谐波相差π，便可得到反锯齿波。
图2示出了图1中有关关键节点的光谱和电谱图，其中，(a)对应图一中A处的光谱；(b)对应图1中B处的光谱图；(c)对应图1中DFB锁定在二次边带时得到的频谱图；(d)对应图1中DFB锁定在五次边带时得到的频谱图；(e)对应在D处生成高阶锯齿波的过程；(f)对应在D处生成高阶方波的过程；(g)对应在D处生成高阶三角波的过程。
综上，本发明基于注入锁定和偏振延时的多波形产生方法主要是利用调制的非线性效应产生一系列奇数次谐波，从而获得低阶近似的任意波形。为了优化波形质量和灵活调整波形参数，本发明引进了光注入锁定技术，通过将调制过后的光的特定边带注入到DFB激光器来获得偶数次或更高阶谐波分量。两种方式产生的频率分量在进过相位和幅度的匹配之后可产生高阶近似的三角波、方波、锯齿波和反锯齿波。本发明通过采用外部调制的方式简化了以往多波形产生方案的复杂度，通过注入锁定能精确控制每个频率分量，两种调整方式的结合简化了结构并增加了灵活性，同时波形的合成在光上实现，能有效抵抗电磁干扰，并能在光纤中远距离传输。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种基于注入锁定和非线性调制的任意波形产生方法，其特征在于，包括如下的光学器件和电子器件：两个激光器、三个波分复用器、两个偏振控制器、马赫增德尔调制器(4)、微波源(5)、环形器(8)、光衰减器(9)、光延时线(10)、DFB激光器(11)、光差分延时线(12)和光电探测器(15)；两个激光器记为第一激光器(1)和第二激光器(2)，三个波分复用器记为第一波分复用器(3)、第二波分复用器(6)和第三波分复用器(14)，两个偏振控制器记为第一偏振控制器(7)和第二偏振控制器(13)；所述DFB激光器(11)不带隔离器；
所述第一激光器(1)、第二激光器(2)和所述DFB激光器(11)的中心波长分别为λ1、λ2和λ1’；
通过中心波长为λ1和λ1’，且λ1和λ1’可调的第一激光器(1)和DFB激光器(11)实现注入锁定以产生偶次谐波或更高阶的谐波分量；
通过中心波长为λ2的第二激光器(2)实现奇数次谐波的产生和偏振延时；
将所产生的所有谐波在时域上叠加，通过匹配各阶的分量的相位和幅度，即可产生具有高阶分量的三角波、方波、锯齿波和反锯齿波中的一种。
2.根据权利要求1所述基于注入锁定和非线性调制的任意波形产生方法，其特征在于，通过中心波长为λ1和λ1’，并且λ1和λ1’可调的第一激光器(1)和DFB激光器(11)实现注入锁定以产生偶次谐波或更高阶的谐波分量的具体过程是：
所述第一激光器(1)和第二激光器(2)分别产生的中心波长为λ1和λ2的光，由第一波分复用器(3)耦合后进入马赫增德尔调制器(4)，并接受微波源(5)产生的频率为ωm的微波信号的调制；由于调制的非线性，光谱上会出现以中心波长对应的频率ω0为中心，频率间隔为ωm的一系列边带；经过调制后的光由第二波分复用器(6)重新分为λ1和λ2两路；其中，波长为λ1的一路光由第一偏振控制器(7)调整偏振态之后，从环形器(8)的1口注入到所述DFB激光器(11)中，调整DFB激光器(11)的波长λ1’，使其与注入光信号的特定边带重合实现注入锁定；该路光在经过所述光衰减器(9)和光延时线(10)匹配功率和相位之后，进入第三波分复用器(14)与波长为λ2的另一路光耦合，进入光电探测器(15)之后产生偶次或者高次谐波分量，并且增注入锁定的支路数量可获得更高阶的谐波分量。
3.根据权利要求1所述基于注入锁定和非线性调制的任意波形产生方法，其特征在于，通过中心波长为λ2的第二激光器(2)实现奇数次谐波的产生和偏振延时的具体过程如下：
所述第一激光器(1)和第二激光器(2)分别产生波长为λ1和λ2的光，由第一波分复用器(3)耦合后进入马赫增德尔调制器(4)，并接受所述微波源(5)产生的微波信号的调制；当调制器工作在线性工作点时，即偏置电压为半波电压的一半时，由正弦波调制后的光信号在经过光电探测器之后只会产生调制信号的奇数倍谐波分量；调制后的光信号由第二波分复用器(6)重新分为λ1和λ2两路；其中波长为λ2所在支路的光在经过第二偏振控制器(13)和光差分延时线(12)之后，经由第三波分复用器(14)耦合，进入光电探测器(15)，以产生奇数次谐波分量。
4.根据权利要求1所述基于注入锁定和非线性调制的任意波形产生方法，其特征在于，将所产生的所有谐波在时域上叠加，通过匹配各阶的分量的相位和幅度，即通过微波源(5)调整其产生的微波信号的功率、光差分延时线(12)的延时量以及DFB激光器(11)的中心波长，从而产生具有高阶分量的三角波、方波、锯齿波和反锯齿波中的一种；具体过程如下：
通过调整微波源(5)产生的微波信号的功率使λ2支路上第一和第三次谐波分量的幅度满足方波的要求，同时将光差分延时线(12)的延时量设为0，并调整λ1支路上DFB激光器(11)的波长，使注入锁定产生五次谐波分量，匹配两路相位和幅度即可获得高阶方波；
保持λ2支路上的设置不变，调整DFB激光器(11)的波长使之锁定在二次谐波分量上，调整光衰减器(9)，使一、二、三次谐波分量的幅度满足锯齿波的要求；
调整光衰减器(9)使二次谐波和一、三次谐波同相为即可获得锯齿波；使二次谐波和一、三次谐波的相位差为π即可获得反锯齿波；
调整λ1支路上DFB激光器(11)的波长使其锁定在五次谐波分量上，调整微波源(5)所产生的信号的功率，使λ2支路上产生的一、三阶的频率的幅度满足三角波的要求，并调整光差分延时线(12)的延时量为π/2，便能获得高阶三角波。
5.根据权利要求1至4中任一所述基于注入锁定和非线性调制的任意波形产生方法，其特征在于，通过调整微波源(5)的频率和DFB激光器(11)的波长来调整多波形信号的频率。
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