CN110572214B - 一种基于光注入锁定的频率调制信号产生的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光注入锁定的频率调制信号产生的方法，包括第一、二激光器、第一、二微波源、微波放大器、第一、二耦合器、第一、二偏振控制器、隔离器、强度调制器、环形器、声光移频器和光电探测器；调整第一激光器的温度与电流参数对所述第一激光器进行调制，由第一耦合器分成两路：一路通过强度调制器将光信号调制出边带，再将光信号的调制边带注入锁定到无隔离器的第二激光器，使第二激光器相位锁定到第一激光器的高阶边带；另一路通过声光移频器输出频率可线性变化的信号；而后，两路光由第二耦合器耦合，第二耦合器输出端与光电探测器拍频，产生高频宽带可调谐的频率调制信号，具有相位可连续，高稳定性的优点。

Description

一种基于光注入锁定的频率调制信号产生的方法

技术领域

本发明涉及一种基于光注入锁定的频率调制信号产生的系统

背景技术

线性调频(LFM)信号是雷达系统中常用的一种脉冲压缩信号，它能够在增大射频脉冲宽度、提高平均发射功率、加大通信距离的同时又保持足够的信号频谱宽度，保证雷达的距离分辨率，因此在雷达和声呐探测领域得到了广泛的应用。脉冲压缩雷达在工作时发送脉冲较宽的LFM信号，在接收时对其进行脉冲压缩，从而提取目标的距离信息；因此，如何产生高质量的LFM信号，对脉冲压缩雷达是至关重要的。随着雷达的发展，越来越多的科研人员开始寻求低复杂度、高频谱纯度的LFM信号的产生办法。

近些年来，国内外研究人员提出了很多LFM信号的产生方法，例如直接利用电子器件在电子学上产生LFM信号。2018年，P.Zhang等人提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的线性频率参数估计产生线性调频信号的方法，产生了中心频率为100MHz、带宽为80MHz、处理时间小于250ns的线性调频信号。然而，由于电子瓶颈效应，微波领域产生的线性调频信号的中心频率较低，频率可调谐范围较小，且信噪比难以提高。

为了能够产生中心频率更高、带宽更宽的LFM信号，人们提出了基于光子技术的LFM信号产生方案，为产生高频LFM信号提供了新的解决方案。2018年，朱秋晨等人提出了一种基于双平行正交相移键控(DP-QPSK)调制器和相位调制器(PM)产生线性调频信号的方法，产生了中心频率为10GHz、带宽为2GHz的线性调频信号。但是方案中采用了DP-QPSK调制器，要同时精确控制3个偏置电压，增加了系统的复杂度；另外，系统中光信号的偏振态易受环境影响，导致系统产生的LFM信号质量不佳。

为了产生高质量的LFM信号，人们提出了基于光电振荡器(OEO)的LFM信号的产生方案。加拿大渥太华大学的W.Li等人提出了基于可调谐OEO和循环相位调制回路(RPML)产生啁啾微波信号的方法，产生了带宽分别为120、240、480、960和1920MHz，调节时间为15ns的LFM信号。该方案的优势在于通过多次相位调制可以使啁啾率倍增，继而可以调节LFM信号的带宽。但此类方案产生LFM信号的中心频率及带宽受系统中带通滤波器所限制，并且由于调制器的调制系数较小，限制了时间带宽积的进一步提高。

为了产生高质量LFM信号的同时增大其时间带宽积，P.Zhou等人提出了基于光注入锁定可调谐OEO产生LFM信号的方法，通过适当地控制光注入强度，可以产生具有大时间带宽积的线性调频信号。他们利用此类方案先后产生了频率范围分别为7GHz、15.6GHz，持续时间分别为40ns、887.12ns，时间带宽积分别为2804.2、13839.1的LFM信号。这种方法产生的LFM信号具有高带宽、高调谐速率以及频谱纯度高等优点，但是注入锁定时，激光器的驱动电流不断调谐变化，注入锁定状态的稳定性难以保持，极大的限制了此方案的实际应用。

发明内容

针对现有技术，本发明提供了一种基于光注入锁定的频率调制信号产生的方法，解决了现有注入锁定技术稳定性差，相位不连续，不可调谐的不足，本发明的系统结构简单易实现，可以作为一种稳定的产生宽带可调谐线性频率调制信号的信号发生器。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于光注入锁定的频率调制信号产生的方法，包括如下电子器件和光学器件：第一激光器、第二激光器、第一微波源、第二微波源、微波放大器、第一耦合器、第二耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、隔离器、强度调制器、环形器、声光移频器和光电探测器；所述第一激光器发出的直流光经过隔离器后，由第一耦合器将直流光分成两路，其中，一路光进入所述强度调制器进行调制，第二微波源为强度调制器提供调制信号，调制后的光再经过所述第一偏振控制器，然后经由所述环形器和第二激光器进行注入锁定，再由所述环形器输出，另一路依次光经过所述声光移频器和第二偏振控制器，其中，第一微波源输出的微波信号经过微波放大器后，为声光移频器提供输入信号；而后，两路光经由第二耦合器进行耦合，最后在所述光电探测器处进行拍频，由所述光电探测器转化成电信号输出。

进一步讲，本发明所述基于光注入锁定的频率调制信号产生的方法，其中，所述第一激光器和第二激光器均为无隔离器激光器，且第一激光器、隔离器，和第一耦合器均为保偏光学器件。

调整所述第一微波源的频率范围，使所述声光移频器的频率范围进行变化，从而产生频率可线性变化的低频扫频信号。

调整所述第二激光器的温度和电流改变中心波长，使所述第一激光器对所述第二激光器进行注入锁定并由光电探测器得到拍频信号。

本发明所述的基于光注入锁定的频率调制信号产生的方法，具体步骤如下：

步骤一、调整所述第一激光器的温度和电流参数，使得第一激光器产生的光信号通过隔离器以及第一耦合器；

步骤二、第一激光器输出的光信号，作为强度调制器的光载波信号，通过调节强度调制器的偏置电压，使第二微波源经过强度调制器后输出调制后的宽谱光信号；

步骤三、调制后输出的宽谱光信号，经过第一偏振控制器后，通过环形器注入到第二激光器中，将第二激光器相位锁定到第一激光器的高阶边带；

步骤四、通过调整第二激光器的温度和电流参数改变第二激光器的中心波长，通过改变波长使第二激光器的波长处于第一激光器输出光谱某一高阶频谱可锁定频率范围内，从而使得两激光器注入锁定后经由环形器输出；

步骤五、第一激光器输出的光信号，作为声光移频器的光载波信号，第一微波源经过微波放大器为声光移频器提供调制信号，产生频率可线性变化的低频扫频信号，再经过第二偏振控制器后输出；

步骤六、注入锁定后的经由环形器输出的光信号，与通过第二偏振控制器的低频扫频信号一同耦合进第二耦合器中，然后接入到所述光电探测器中进行拍频，最后输出高频宽带可调谐的频率可调制信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

由于本发明利用了声光移频器，可以产生一个频率可以线性变化的低频扫频信号，使最后产生的高频宽带频率调制信号的相位可连续。其次通过改变第二激光器的温度和电流参数，使激光器的波长发生改变，从而改变注入锁定的高阶边带和中心频率的频率差，最后可以得到高频宽带可调谐发频率调制信号，有效解决了注入锁定所带来的稳定性差、相位不连续等问题。

附图说明

图1为本发明基于光注入锁定的频率调制信号产生的系统装置图；

图2是本发明线性调频信号输出频谱图；

图3是本发明线性调频信号时域图。

图中：1-第一激光器，2-隔离器，3-第一耦合器，4-强度调制器，5-第二微波源，6-第一偏振控制器，7-环形器，8-第二激光器，9-第二耦合器，10-第二偏振控制器，11-声光移频器，12-微波放大器，13-第一微波源，14-光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

本发明提出的一种基于光注入锁定的频率调制信号产生的方法，如图1所示，其中所涉及到的电子器件和光学器件包括：第一激光器1、第二激光器8、第一微波源13、第二微波源5、微波放大器12、第一耦合器3、第二耦合器9、第一偏振控制器6、第二偏振控制器10、隔离器2、强度调制器4、环形器7、声光移频器11和光电探测器14。

所述第一激光器1和第二激光器8均为无隔离器激光器，且第一激光器1、隔离器2，和第一耦合器3均为保偏光学器件。

本发明基于激光器的注入锁定原理，根据声光移频器产生的低频扫频信号，以及温度影响激光器输出波长进行激光器调制，注入锁定后根据激光器波长和温度的相互作用检测出高频宽带可调谐的频率调制信号的输出。

调整第一激光器1的温度与电流参数对所述第一激光器1进行正常的低速率信号的调制，经过隔离器2后，由第一耦合器3将直流光分成两路，其中，一路通过强度调制器4，利用高频的调制信号将光信号调制出边带信号，再利用调制后的宽谱光信号经由所述环形器7注入锁定到无隔离器的第二激光器8，使得第二激光器8相位锁定到第一激光器1的高阶边带，再由所述环形器7输出；另一路作为声光移频器11的输入光载波信号，使其输出频率可线性变化的信号；调整所述第一微波源13的频率范围，使所述声光移频器11的频率范围进行变化，从而产生频率可线性变化的低频扫频信号。而后，两路光经由第二耦合器9进行耦合，最后在所述光电探测器14处进行拍频，由所述光电探测器14转化成电信号输出。由于激光器温度与波长之间的特性，调整第二激光器8的温度参数，可以改变第二激光器8的中心波长，使得第二耦合器9输出端与光电探测器14连接，调整所述第二激光器8的温度和电流改变中心波长，使所述第一激光器1对所述第二激光器8进行注入锁定并由光电探测器14得到拍频信号，产生高频宽带可调谐的频率调制信号，具有相位可连续，高稳定性的优点。

具体步骤如下：

步骤一、调整所述第一激光器1的温度和电流参数，使得第一激光器1产生的光信号通过隔离器2以及第一耦合器3；

步骤二、第一激光器1输出的光信号，作为强度调制器4的光载波信号，通过调节强度调制器4的偏置电压，使第二微波源5经过强度调制器4后输出调制后的宽谱光信号；

步骤三、调制后输出的宽谱光信号，经过第一偏振控制器6后，通过环形器7注入到第二激光器8中，将第二激光器8相位锁定到第一激光器11的高阶边带；

步骤四、通过调整第二激光器8的温度和电流参数改变第二激光器8的中心波长，通过改变波长使第二激光器8的波长处于第一激光器1输出光谱某一高阶频谱可锁定频率范围内，从而使得两激光器注入锁定后经由环形器7输出；

步骤五、第一激光器1输出的光信号，作为声光移频器11的光载波信号，第一微波源13经过微波放大器12为声光移频器11提供调制信号，产生频率可线性变化的低频扫频信号，再经过第二偏振控制器10后输出；

步骤六、注入锁定后的经由环形器7输出的光信号，与通过第二偏振控制器10的低频扫频信号一同耦合进第二耦合器9中，然后接入到所述光电探测器14中进行拍频，最后输出高频宽带可调谐的频率可调制信号。

综上，本发明不但很好地解决了现有技术中注入锁定所产生的稳定性差，相位不连续，不可调谐的技术问题，更为重要的是通过声光移频器的移频特性和激光器温度和波长之间相互影响的特性，产生了高频宽带线性调频信号，并且线性调频信号是可调谐的，具有很高的稳定性，如图2和图3所示。

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)

1.一种基于光注入锁定的频率调制信号产生的方法，其特征在于，包括如下电子器件和光学器件：第一激光器（1）、第二激光器（8）、第一微波源（13）、第二微波源（5）、微波放大器（12）、第一耦合器（3）、第二耦合器（9）、第一偏振控制器（6）、第二偏振控制器（10）、隔离器（2）、强度调制器（4）、环形器（7）、声光移频器（11）和光电探测器（14）；

所述第一激光器（1）发出的直流光经过隔离器（2）后，由第一耦合器（3）将直流光分成两路，其中，一路光进入所述强度调制器（4）进行调制，第二微波源（5）为强度调制器（4）提供调制信号，调制后的光再经过所述第一偏振控制器（6），然后经由所述环形器（7）和第二激光器（8）进行注入锁定，再由所述环形器（7）输出，另一路依次光经过所述声光移频器（11）和第二偏振控制器（10），其中，第一微波源（13）输出的微波信号经过微波放大器（12）后，为声光移频器（11）提供输入信号；而后，两路光经由第二耦合器（9）进行耦合，最后在所述光电探测器（14）处进行拍频，由所述光电探测器（14）转化成电信号输出。

2.根据权利要求1所述基于光注入锁定的频率调制信号产生的方法，其特征在于，所述第一激光器（1）和第二激光器（8）均为无隔离器激光器，且第一激光器（1）、隔离器（2），和第一耦合器（3）均为保偏光学器件。

3.根据权利要求2所述基于光注入锁定的频率调制信号产生的方法，其特征在于，调整所述第一微波源（13）的频率范围，使所述声光移频器（11）的频率范围进行变化，从而产生频率可线性变化的低频扫频信号。

4.根据权利要求1所述基于光注入锁定的频率调制信号产生的方法，其特征在于，调整所述第二激光器（8）的温度和电流改变中心波长，使所述第一激光器（1）对所述第二激光器（8）进行注入锁定并由光电探测器（14）得到拍频信号。

5.根据权利要求1所述的基于光注入锁定的频率调制信号产生的方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、调整所述第一激光器（1）的温度和电流参数，使得第一激光器（1）产生的光信号通过隔离器（2）以及第一耦合器（3）；

步骤二、第一激光器（1）输出的光信号，作为强度调制器（4）的光载波信号，通过调节强度调制器（4）的偏置电压，使第二微波源（5）经过强度调制器（4）后输出调制后的宽谱光信号；

步骤三、调制后输出的宽谱光信号，经过第一偏振控制器（6）后，通过环形器（7）注入到第二激光器（8）中，将第二激光器（8）相位锁定到第一激光器（1）的高阶边带；

步骤四、通过调整第二激光器（8）的温度和电流参数改变第二激光器（8）的中心波长，通过改变波长使第二激光器（8）的波长处于第一激光器（1）输出光谱某一高阶频谱可锁定频率范围内，从而使得两激光器注入锁定后经由环形器（7）输出；

步骤五、第一激光器（1）输出的光信号，作为声光移频器（11）的光载波信号，第一微波源（13）经过微波放大器（12）为声光移频器（11）提供调制信号，产生频率可线性变化的低频扫频信号，再经过第二偏振控制器（10）后输出；

步骤六、注入锁定后的经由环形器（7）输出的光信号，与通过第二偏振控制器（10）的低频扫频信号一同耦合进第二耦合器（9）中，然后接入到所述光电探测器（14）中进行拍频，最后输出高频宽带可调谐的频率可调制信号。

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