CN110912537B

CN110912537B - 基于oeo的频率可调的超低时间抖动的任意波形发生器

Info

Publication number: CN110912537B
Application number: CN201911098227.3A
Authority: CN
Inventors: 王菊; 刘凌超; 于晋龙; 马闯
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2019-11-12
Filing date: 2019-11-12
Publication date: 2023-06-27
Anticipated expiration: 2039-11-12
Also published as: CN110912537A

Abstract

本发明公开了一种基于OEO的频率可调的超低时间抖动的任意波形发生器，利用光学器件和电子器件构成包括1条光电振荡器产生的一阶谐波支路和n‑1条基于注入锁定与光电振荡器产生的2至n阶谐波支路。主要是利用光电振荡器和注入锁定技术产生各阶谐波分量，通过移相器和可调电衰减器调整各阶谐波分量的相位和幅度，使各阶谐波分量满足一定的相位和幅度关系，将具有一定相位和幅度比例关系各阶谐波分量经波分复用器耦合后产生各种近似于理想的波形。本发明产生任意波形不依赖于外部微波源，各支路形成OEO环路产生特定频率微波信号，通过调整分布式反馈激光器的波长以及带通滤波器的中心频率可以调整产生波形的频率，所产生的波形具有较小的时间抖动。

Description

基于OEO的频率可调的超低时间抖动的任意波形发生器

技术领域

本发明涉及任意波形产生领域，特别涉及一种基于OEO的频率可调的超低时间抖动的任意波形产生的方法。

背景技术

波形发生技术是经济建设、科学研究的基础，在微波信号处理、雷达系统以及通信系统中都发挥着至关重要的作用。任意波形发生器是波形发生技术中极具优势的一种。它具有产生波形种类多，产生方式灵活等优点。利用电子技术产生任意波形的方式，其产生的信号往往受到电子器件自身的限制，从而导致所产生的信号带宽有限而不能满足科学研究中的某些需求。近年来，微波光子技术发展迅速，利用微波光子技术产生任意波形的方式也逐渐引起人们的关注。利用微波光子技术产生任意波形能够在一定程度上解决利用传统方式产生波形的带宽有限问题。

目前，常见的利用微波光子技术产生任意波形产生的方法主要有基于带宽光频率梳的任意波形产生、基于外调制技术的任意波形产生、基于OEO的多波形产生方案。上述各方法的基本思路如下：

基于带宽光频率梳的任意波形产生的方法主要有两种，其一是通过滤波器实现将光频率梳中每根谱线分离，然后单独对每根谱线进行处理以实现波形产生。该方法对滤波器的稳定性等性能要求较高；其二是将多路整形后的带宽光频率梳合为一路作为整体进行操作，通过色散光纤对其映射，以得到各种波形。该方法中，由于将带宽光频率梳作为整体，因此难以控制各谱线间的幅度和相位关系，导致产生的任意波形与理想波形有较大偏差。

基于外调制技术的任意波形产生的方法主要有三种：

其一是将外调制技术与时序延时叠加技术相结合从而产生任意波形；其二是将经过外调制技术处理后的光信号分成两路注入到光电振荡器中，将其中一路光信号经过相位延时后与另一路信号叠加以实现任意波形产生；其三是将光信号通过萨格纳克环后，再对其进行外调制处理，经过滤波后可以实现任意波形的产生。由于调制器自身性能限制，以上三种基于外调制技术的方法产生的波形并不太理想。

传统的基于OEO的多波形产生方案主要是将通过OEO振荡得到光信号经调制后得到低阶谐波分量，将低阶谐波分量叠加后得到所需波形。该方法产生的波形具有低时间抖动的优点，但由于该方法只能产生低阶谐波分量，因此只能得到低阶近似的波形，而且该方法由于产生的信号阶数较少，所以只能得到少数几种波形，无法产生任意波形。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于OEO(Optoelectronic Oscillator)的频率可调的超低时间抖动的任意波形发生器，解决了现有技术产生波形不理想的问题。该方案利用光电振荡器产生稳定微波信号，通过非线性调制技术产生一阶谐波。利用注入锁定技术产生高阶谐波与一阶谐波叠加，从而产生接近理想的任意波形。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于OEO的频率可调的超低时间抖动的任意波形发生器，包括如下光学和电子器件：n个激光器、四个波分复用器、一个马赫-增德调制器、n个偏振控制器、n-1个环形器、n-1个分布式反馈激光器、n组长光纤、n组光延时线、n个光电探测器、n个放大器、n个带通滤波器、n个耦合器、n个移相器、n个可调电衰减器；四个波分复用器分别记为第一波分复用器、第二波分复用器、第三波分复用器和第四波分复用器；上述光学器件和电子器件构成了n条支路；所述n条支路包括1条光电振荡器产生的一阶谐波支路和n-1条基于注入锁定与光电振荡器产生的2至n阶谐波支路；通过改变各支路中的移相器，调整产生各阶谐波的相位，以满足各阶谐波间相位比例关系；通过改变各支路中的可调电衰减器，调整产生各阶谐波的幅度，以满足各阶谐波间幅度比例关系；将上述各支路所得各阶谐波分量按一定幅度和相位比例叠加，产生任意波形。

进一步讲，本发明所述的基于OEO的频率可调的超低时间抖动的任意波形发生器，所述光电振荡器产生的一阶谐波支路由所述第一激光器、所述第一波分复用器、所述马赫-增德调制器、所述第二波分复用器、所述第一偏振控制器、所述第一长光纤、所述第一光延时线、所述第一光电探测器、所述第一放大器、所述第一带通滤波器、所述第一耦合器、所述第一移相器、所述第一可调电衰减器、所述第三波分复用器、所述第四波分复用器组成；基于注入锁定与光电振荡器产生的m阶谐波支路的组成是，其中m＝2，3，4，…，n-1，n；由所述第m激光器、所述第一波分复用器、所述马赫-增德调制器、所述第二波分复用器、所述第m偏振控制器、所述第m-1环形器、所述第m-1分布式反馈激光器、所述第m长光纤、所述第m光延时线、所述第m光电探测器、所述第m放大器、所述第m带通滤波器、所述第m耦合器、所述第m移相器、所述第m可调电衰减器、所述第三波分复用器、所述第四波分复用器组成。

本发明的波形发生器，各阶谐波分量的产生不依赖于外部微波源，形成光电振荡器环路产生特定频率微波信号；光电振荡器产生特定频率微波信号由该阶谐波支路中的带通滤波器的中心波长及带宽决定。

本发明中，基于注入锁定与光电振荡器产生2至n阶谐波的各支路，通过调整注入锁定激光器波长以产生不同阶数谐波。

本发明的波形发生器，将各支路所得各阶谐波分量按一定幅度和相位比例叠加，产生接近于理想状态下的任意波形。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明各阶谐波分量产生过程中不依赖于外部微波源，通过形成OEO产生所需频率微波信号。

(2)本发明可以通过改变带通滤波器的中心频率以及各支路注入锁定所需的分布式反馈激光器的波长，调整产生的谐波分量阶数，从而改变得到的任意波形的频率。

(3)本发明产生的任意波形时间抖动在飞秒量级，具有超低时间抖动的特性。

附图说明

图1为本发明基于OEO的频率可调的超低时间抖动的任意波形发生器系统示意图；

图2为OEO相位噪声测试图。

图中：

1-1～1-n分别表示第一至n激光器，

2表示第一波分复用器，

3表示马赫-增德调制器，

4表示第二波分复用器，

5-1～5-n分别表示第一至n偏振控制器，

6-2～6-n分别表示第一至n-1环形器，

7-2～7-n分别表示第一至n-1分布式反馈激光器，

8-1～8-n分别表示第一至n长光纤，

9-1～9-n分别表示第一至n光延时线，

10-1～10-n分别表示第一至n光电探测器，

11-1～11-n分别表示第一至n放大器，

12-1～12-n分别表示第一至n带通滤波器，

13-1～13-n分别表示第一至n耦合器，

14-1～14-n分别表示第一至n移相器，

15-1～15-n分别表示第一至n可调电衰减器，

16-表示第三波分复用器，

17-表示第四波分复用器，

Jitter表示时间抖动。

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。

本发明的设计思路为将通过OEO及注入锁定技术产生各阶谐波分量，将各阶谐波分量按一定的幅度和相位关系进行叠加，产生包括接近于理想状态下的三角波、方波和锯齿波等任意波形。

本发明提出的一种基于OEO的频率可调的超低时间抖动的任意波形发生器，用到的实验器件有：激光器、波分复用器、马赫-增德调制器、偏振控制器、环形器、分布式反馈激光器、长光纤、光延时线、光电探测器、放大器、滤波器、耦合器、移相器、可调电衰减器等。

如图1所示，利用上述光学器件和电子器件可以构成n条支路；所述n条支路包括1条光电振荡器产生的一阶谐波支路和n-1条基于注入锁定与光电振荡器产生的2至n阶谐波支路。

本发明中，第一激光器1-1发出的光经过第一波分复用器2后进入到马赫-增德调制器3调制，再通过第二波分复用器4将该波长信号光分出后，经过第一偏振控制器5-1调整偏振态后经过第一长光纤8-1，然后通过第一光延时线9-1、第一光电探测器10-1、第一放大器11-1、第一带通滤波器12-1、第一耦合器13-1、第四波分复用器17后重新回到马赫-增德调制器3内，形成OEO环路，将经OEO振荡后产生的一阶谐波分量从第一耦合器13-1输出，由第一移相器14-1和第一可调电衰减器15-1调节谐波相位和幅度得到所需一阶谐波分量。

第二激光器1-2发出的光发出的光经过第一波分复用器2后进入到马赫-增德调制器3调制，再通过第二波分复用器4将该波长信号光分出后，经过第二偏振控制器5-2调整偏振态后，经过第一环形器6-2，并由第一分布式可调谐激光器7-2注入锁定后再经过第二长光纤8-2，然后通过第二光延时线9-2、第二光电探测器10-2、第二放大器11-2、第二带通滤波器12-2、第二耦合器13-2、第四波分复用器17后重新回到马赫-增德调制器3内，形成OEO环路，将经OEO振荡后产生的二阶谐波分量从第二耦合器13-2输出，由第二移相器14-2和第二可调电衰减器15-2调节谐波相位和幅度得到所需二阶谐波分量。

第n激光器1-n发出的光经过第一波分复用器2后进入到马赫-增德调制器3调制，再通过第二波分复用器4将该波长信号光分出后，经过第n偏振控制器5-n调整偏振态后，经过第n-1环形器6-n，并由第n分布式可调谐激光器7-n注入锁定后再经过第n长光纤8-n，然后通过第n光延时线9-n、第n光电探测器10-n、第n放大器11-n、第n带通滤波器12-n、第n耦合器13-n、第四波分复用器17后重新回到马赫-增德调制器3内，形成OEO环路，将经OEO振荡后产生的n阶谐波分量从第n耦合器13-n输出，由第n移相器14-n和第n可调电衰减器15-n调节谐波相位和幅度得到所需n阶谐波分量。

将上述各支路所得各阶谐波分量经由第三波分复用器16按一定幅度和相位比例叠加，产生接近于理想状态下的任意波形。

本发明中，通过改变各支路中的移相器，调整产生各阶谐波的相位，从而改变各阶谐波相位以满足三角波的谐波比例的需求，以满足各阶谐波间相位比例关系；通过改变各支路中的可调电衰减器，调整产生各阶谐波的幅度，以满足各阶谐波间幅度比例关系；各阶谐波分量的产生不依赖于外部微波源，形成光电振荡器环路产生特定频率微波信号，通过光电振荡器产生稳定内部微波信号，光电振荡器产生特定频率微波信号由该阶谐波支路中的带通滤波器的中心波长及带宽决定，通过改变注入锁定用到的DFB激光器波长，从而产生不同阶的偶次谐波和高次谐波，从而调节产生波形的频率；通过增加注入锁定的支路数，产生更高阶谐波能够得到更理想的波形。

利用如图1所示的基于OEO的频率可调的超低时间抖动的任意波形发生器，将通过OEO及注入锁定技术产生的各阶谐波分量按一定的幅度和相位关系进行叠加，从而产生任意波形，具体实施步骤如下：

步骤一：所述第一激光器1-1、第二激光器1-2至第n激光器1-n输出的光经第一波分复用器2中耦合成一束。将第一波分复用器2输出的单束光经过马赫-增德调制器3调制后，再进入第二波分复用器4解复用，将调制后的光信号分为n路。

步骤二：步骤一中所得n路光信号中与第一激光器1-1输出波长的光信号所对应的一路经过第一偏振控制5-1器调整偏振态后，直接通过第一长光纤8-1和第一光延时线9-1后，由第一光电探测器10-1将光信号转换成电信号，再经由第一放大器11-1、第一带通滤波器12-1、第一耦合器13-1、第四波分复用器17回到马赫-增德调制器，形成OEO环路，经过振荡后产生的微波信号调制后产生一阶谐波分量，并经由第一耦合器13-1输出。

步骤三：步骤一中所得n路光信号中与第二激光器1-2输出波长的光信号所对应的一路经过第二偏振控制5-2器调整偏振态后，通过第一环形器6-2，由第一分布式反馈激光器7-2注入锁定后再经过第二长光纤8-2和第二光延时线9-2后，由第二光电探测器10-2将光信号转换成电信号，再经由第二放大器11-2、第二带通滤波器12-2、第二耦合器13-2、第四波分复用器17回到马赫-增德调制器，形成OEO环路，经过振荡后产生的微波信号调制后产生二阶谐波分量，并经由第二耦合器13-2输出。。

步骤四：步骤一中所得n路光信号中剩下的n-2路经过与步骤三所述相同处理后，分别产生不同阶的谐波分量。

步骤五：各支路耦合器输出的不同阶谐波分量分别经过移相器14和可调电衰减器15按一定比例关系调节各阶谐波分量的相位和幅度。

步骤六：将步骤五所得一定比例关系的各阶谐波分量经过第三波分复用器16耦合成一路，得到所需波形。

综上，本发明波形发生器是利用光电振荡器和注入锁定技术产生各阶谐波分量，通过移相器和可调电衰减器调整各阶谐波分量的相位和幅度，使各阶谐波分量满足一定的相位和幅度关系，将具有一定相位和幅度比例关系各阶谐波分量经波分复用器耦合后产生各种近似于理想波形。产生任意波形不依赖于外部微波源，各支路形成OEO环路产生特定频率微波信号，通过调整分布式反馈激光器的波长以及带通滤波器的中心频率可以调整产生波形的频率，并且该方法产生的波形时间抖动较小。4km单环OEO输出微波信号的相位噪声测试结果如图2所示，在100Hz至1MHz频率范围内时间抖动仅为7.569fs。

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

1.一种基于OEO的频率可调的超低时间抖动的任意波形发生器，包括如下光学和电子器件：n个激光器、四个波分复用器、一个马赫-增德调制器(3)、n个偏振控制器、n-1个环形器、n-1个分布式反馈激光器、n组长光纤、n组光延时线、n个光电探测器、n个放大器、n个带通滤波器、n个耦合器、n个移相器、n个可调电衰减器；四个波分复用器分别记为第一波分复用器(2)、第二波分复用器(4)、第三波分复用器(16)和第四波分复用器(17)；上述光学器件和电子器件构成了n条支路；所述n条支路包括1条光电振荡器产生的一阶谐波支路和n-1条基于注入锁定与光电振荡器产生的2至n阶谐波支路；通过改变各支路中的移相器，调整产生各阶谐波的相位，以满足各阶谐波间相位比例关系；通过改变各支路中的可调电衰减器，调整产生各阶谐波的幅度，以满足各阶谐波间幅度比例关系；将上述各支路所得各阶谐波分量按一定幅度和相位比例叠加，产生任意波形；其特征在于，

所述光电振荡器产生的一阶谐波支路由所述第一激光器、所述第一波分复用器(2)、所述马赫-增德调制器(3)、所述第二波分复用器(4)、所述第一偏振控制器、所述第一长光纤、所述第一光延时线、所述第一光电探测器、所述第一放大器、所述第一带通滤波器、所述第一耦合器、所述第一移相器、所述第一可调电衰减器、所述第三波分复用器(16)、所述第四波分复用器(17)组成；

基于注入锁定与光电振荡器产生的m阶谐波支路的组成是，其中m＝2，3，4，…，n-1，n；由所述第m激光器、所述第一波分复用器(2)、所述马赫-增德调制器(3)、所述第二波分复用器(4)、所述第m偏振控制器、所述第m-1环形器、所述第m-1分布式反馈激光器、所述第m长光纤、所述第m光延时线、所述第m光电探测器、所述第m放大器、所述第m带通滤波器、所述第m耦合器、所述第m移相器、所述第m可调电衰减器、所述第三波分复用器(16)、所述第四波分复用器(17)组成。

2.根据权利要求1所述一种基于OEO的频率可调的超低时间抖动的任意波形发生器，其特征在于，各阶谐波分量的产生不依赖于外部微波源，通过光电振荡器环路即可产生特定频率微波信号；光电振荡器产生特定频率微波信号由该阶谐波支路中的带通滤波器的中心波长及带宽决定。

3.根据权利要求1所述一种基于OEO的频率可调的超低时间抖动的任意波形发生器，其特征在于，基于注入锁定与光电振荡器产生2至n阶谐波的各支路，通过调整注入锁定激光器波长以产生不同阶数谐波。

4.根据权利要求1所述一种基于OEO的频率可调的超低时间抖动的任意波形发生器，其特征在于，将各支路所得各阶谐波分量按一定幅度和相位比例叠加，可产生接近于理想状态下的任意波形。