CN111048969B - 一种基于受激布里渊散射效应的倍频光电振荡器 - Google Patents

一种基于受激布里渊散射效应的倍频光电振荡器 Download PDF

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Abstract

一种基于受激布里渊散射效应的倍频光电振荡器，属于微波光子学技术领域。所述倍频光电振荡器包括可调谐激光器、双平行马赫‑曾德尔调制器、第一耦合器、第二耦合器、第一单模光纤、第二单模光纤、第三耦合器、第一环形器、第二环形器、高非线性色散位移光纤、第一光电探测器、电放大器、电控移相器、功分器、微波参考源、双平衡混频器、比例‑积分‑微分控制器、第二光电探测器、带通滤波器。本发明提供的一种基于受激布里渊散射效应的倍频光电振荡器，通过调节双平行马赫‑曾德尔调制器中的主MZM‑γ的直流偏压就能够实现输出信号相位可调，最终实现了四倍布里渊频移信号相位0～360°可调谐。

Description

一种基于受激布里渊散射效应的倍频光电振荡器
技术领域
本发明属于微波光子学技术领域，具体涉及一种基于受激布里渊散射效应的倍频光电振荡器。
背景技术
微波光子学的概念最早是在上世纪九十年代提出的，注重微波和光波在概念、器件、系统等方面的结合。它的诞生离不开微波领域和光学领域的飞速发展，微波光子技术与原有光电子技术、微波技术相比发生了质的变化，同时具有微波和光学的优点，能够实现微波和光波之间的转换。光生微波是微波光子学中最重要的研究内容，具有广泛的应用前景。光生微波技术具有频率高、相位噪声低等优点，并且能解决电域产生微波信号所面临的电子瓶颈问题，因而越来越被研究机构所重视。微波光子学服务于微波系统，其它的应用领域包括通信、电子对抗、宽带通信、精密测量、深空探测和雷达导航等。
目前光生微波主要有四种方法，分别是强度调制法、光外差法、谐波法、光电振荡器法。其中光电振荡器是近年来发展迅速，优势突出的一种新型的光生微波方法，它生成的微波信号频率高达几百GHz、Q值高达1010量级、相位噪声尤其低，且具有可调谐性，还能够实现光电两种信号同时输出的特点。光电振荡器由光源，调制器，光纤，光电探测器，微波放大器，微波滤波器构成。其利用光电环路将激光器的光能量转换为微波能量，激光注入调制器，经光纤传输后由光电探测器变换成电信号，经放大、滤波等处理之后返回调制器的射频端口，当环路满足起振条件后，形成正反馈振荡从而生成微波信号。
光纤中的受激布里渊散射效应是一种非线性效应，具有低阈值，窄带宽，频率可灵活调节的特点。利用受激布里渊散射效应的这些特性,可以灵活地实现光域微波信号的放大、产生、信号倍频、上变频、载波抑制、相移等应用。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了一种基于受激布里渊散射效应的倍频光电振荡器，该振荡器能输出高频率、低相噪的高质量微波信号，满足日益增长的需求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于受激布里渊散射效应的倍频光电振荡器，如图1所示，包括可调谐激光器TLS(1)、双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM(2)、第一耦合器OC1(3)、第二耦合器OC2(4)、第一单模光纤SMF1(5)、第二单模光纤SMF2(6)、第三耦合器OC3(7)、第一环形器CIR1(8)、第二环形器CIR2(9)、高非线性色散位移光纤HNL-DSF(10)、第一光电探测器PD1(11)、电放大器EA(12)、电控移相器PS(13)、功分器ED(14)、微波参考源REF(15)、双平衡混频器MIXER(16)、比例-积分-微分控制器PID(17)、第二光电探测器PD2(18)、带通滤波器BPF(19)。
可调谐激光器TLS(1)输出的光信号进入双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM(2)中，再经过第一耦合器OC1(3)和第二耦合器OC2(4)后，光信号分成两路分别通过第一单模光纤SMF1(5)和第二单模光纤SMF2(6)之后再由第三耦合器OC3(7)合二为一继续向后传输，第三耦合器OC3(7)输出的信号经过第一环形器CIR1(8)的1端口进入高非线性色散位移光纤HNL-DSF(10)中产生受激布里渊散射效应，产生反向的斯托克斯波，此波由第一环形器CIR1(8)的2端口输入，再由第一环形器CIR1(8)的3端口输出，进入第二环形器CIR2(9)的1端口，再进入高非线性色散位移光纤HNL-DSF(10)中产生受激布里渊散射效应，产生反向的斯托克斯波，此波由第二环形器CIR2(9)的2端口输入，再由第二环形器CIR2(9)的3端口输出，经过第一光电探测器PD1(11)拍频即可得到频率为2fb的电信号(fb为布里渊频移)；该电信号经过电放大器EA(12)，之后通过电控移相器PS(13)进入锁相环模块，其中锁相环模块由电控移相器PS(13)、功分器ED(14)、微波参考源REF(15)、双平衡混频器MIXER(16)、比例-积分-微分控制器PID(17)组成，微波参考源REF(15)发出的参考信号经过双平衡混频器MIXER(16)、比例-积分-微分控制器PID(17)、电控移相器PS(13)，最后通过功分器ED(14)回到双平衡混频器MIXER(16)形成锁相环路，经过锁相之后此信号经功分器ED(14)返回至双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM(2)的射频端口，经过双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM(2)后通过第一耦合器OC1(3)继续传输至第二光电探测器PD2(18)，拍频即可得到8fb信号；如果经过双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM(2)的信号经过第一耦合器OC1(3)再经过带通滤波器BPF(19)滤波之后继续传输至第二光电探测器PD2(18)，拍频即可得到4fb可调相信号。其中，该倍频光电振荡器中加入了锁相环部分是为了提高频率稳定性；电控移相器PS(13)是为了补偿因温度变化而导致的谐振腔长变化；双平衡混频器MIXER(16)将信号与微波参考源REF(15)信号鉴相，得到相位误差信号；比例-积分-微分控制器PID(17)将相位误差信号处理为控制电压信号，反馈给电控移相器PS(13)，补偿光电振荡器环路的相位漂移。
当双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM(2)中的子MZM-α、子MZM-β处于最大偏置点，主MZM-γ处于最大偏置点时，从可调谐激光器TLS(1)输出的光信号经过双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM(2)调制后的输出可以表示为：
Figure BDA0002345609410000031
其中，Ec为可调谐激光器TLS(1)输出的光信号的幅度，ωc为可调谐激光器TLS(1)输出的光信号的角频率，ωRF为加在双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM(2)上的射频驱动信号的角频率，Ji(m)为第一类贝塞尔函数(i＝0，2，4)，j是虚数单位，t表示时间，θ为加载在两个子调制器即子MZM-α、子MZM-β上的射频驱动信号的初始相位差，m＝πVRF/2Vπ为双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM(2)的调制指数(VRF是射频驱动信号的幅度，Vπ是半波电压)。上式能够看出从双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM(2)输出的信号包括光载波、±2阶边带，±4阶边带。当J0(m)＝0，2+2exp(±j4θ)＝0，即m＝2.405，θ＝(2k+1)π/4时，输出信号只剩下正负二阶边带，则拍频后可得到倍频信号。
8fb信号：将上述分析带入基于受激布里渊散射的倍频光电振荡器的结构，刚开始时，可调谐激光器TLS(1)输出的光信号(光信号的频率为fc)被光电振荡器环路的白噪声调制，得到了许多调制边带。发生两次受激布里渊散射效应之后第一光电探测器PD1(11)拍频产生的2fb电信号用来调制双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM(2)，将子MZM-α、子MZM-β设置在最大偏置点，主MZM-γ设置在最大偏置点，此时输出频谱频率包括fc-8fb，fc-4fb，fc，fc+4fb，fc+8fb。令调制指数m＝2.405，θ＝(2k+1)π/4(取k＝0)，此时输出频谱频率包括fc-4fb，fc+4fb，故拍频即可得到8fb信号。
4fb信号可调相：相位可调的输出信号目前已经有着越来越重要的地位，在光纤通信系统往超高速率、超大容量以及超长距离的发展有着极大的实际应用价值。可调谐激光器TLS(1)输出的光信号频率为fc，根据分析，双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM(2)中的子MZM-α设置在载波抑制双边带调制下，子MZM-β设置在最大偏置点并将其射频端口短接，短接是为了直通光载波，此时输出频谱频率包括fc-4fb，fc，fc+4fb。使用带通滤波器BPF(19)滤除不需要的边带fc+4fb，此时双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM(2)的输出可以表示为：
Figure BDA0002345609410000041
其中，Ec为可调谐激光器TLS(1)输出的光信号的幅度，fc为可调谐激光器TLS(1)输出的光信号频率，j是虚数单位，t表示时间，Ji(m)为第一类贝塞尔函数(i＝0，2)，m＝πVRF/2Vπ为双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM(2)的调制指数，VRF是射频驱动信号的幅度，Vπ是半波电压，
Figure BDA0002345609410000042
是双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM(2)中的主调制器MZM-γ的直流偏置电压引起的相位差，VDC3是MZM-γ的直流偏压。此时信号经过第二光电探测器拍频后即可得到4fb信号，仿真设置双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM(2)的半波电压为4V，故在0～8V范围调节双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM(2)中的主MZM-γ的直流偏压就可以实现输出信号的相位0～360°可调谐。
其中，所述第一光电探测器PD1(11)、电放大器(12)、电控移相器PS(13)、功分器ED(14)、微波参考源REF(15)、双平衡混频器MIXER(16)、比例-积分-微分控制器PID(17)和双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM(2)之间是电路。
进一步地，所述可调谐激光器TLS(1)的波长可调谐范围为1510nm～1620nm。
进一步地，所述光电振荡器的双环路采用的都是单模光纤，其中第一单模光纤长度为1.5km，第二单模光纤长度为0.5km。
其中，所述的双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM在系统中至关重要，是整个结构的调制装置。DPMZM由三个MZM组成，两个子MZM即子MZM-α、子MZM-β，分别位于主MZM-γ的上下两臂，通过调节DPMZM的三个直流偏置电压来控制调制方式。
其中，所述光电振荡器结构中加入了锁相环部分，其是由电控移相器PS(13)、功分器ED(14)、微波参考源REF(15)、双平衡混频器MIXER(16)、比例-积分-微分控制器PID(17)共同组成的，能够提高输出信号的频率稳定度。
其中，所述受激布里渊散射效应的介质是一段1km长的高非线性色散位移光纤，在波长为1550nm时，布里渊频移约为9.2GHz。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种基于受激布里渊散射效应的倍频光电振荡器，通过调节激光源的波长就能够实现输出信号频率可调，其频率可调谐范围为70.4197GHz～75.5496GHz，通过调节双平行马赫-曾德尔调制器中的主MZM-γ的直流偏压就能够实现输出信号相位可调，最终实现了四倍布里渊频移信号相位0～360°可调谐。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于受激布里渊散射效应的倍频光电振荡器的结构示意图；
图2为本发明提供的一种基于受激布里渊散射效应的倍频光电振荡器中，双平行马赫-曾德尔调制器的内部结构图；
图3为本发明提供的一种基于受激布里渊散射效应的倍频光电振荡器输出的八倍布里渊频移信号；
图4为本发明提供的一种基于受激布里渊散射效应的倍频光电振荡器的频率调谐范围；
图5为本发明提供的一种基于受激布里渊散射效应的倍频光电振荡器的相位调谐范围。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的实现方式。
图1为本发明提供的一种基于受激布里渊散射效应的倍频光电振荡器的结构示意图；如图1所示，所述倍频光电振荡器包括可调谐激光器TLS(1)、双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM(2)、第一耦合器OC1(3)、第二耦合器OC2(4)、第一单模光纤SMF1(5)、第二单模光纤SMF2(6)、第三耦合器OC3(7)、第一环形器CIR1(8)、第二环形器CIR2(9)、高非线性色散位移光纤HNL-DSF(10)、第一光电探测器PD1(11)、电放大器EA(12)、电控移相器PS(13)、功分器ED(14)、微波参考源REF(15)、双平衡混频器MIXER(16)、比例-积分-微分控制器PID(17)、第二光电探测器PD2(18)、带通滤波器BPF(19)。
可调谐激光器TLS(1)输出的光信号进入双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM(2)中，再经过第一耦合器OC1(3)和第二耦合器OC2(4)后，光信号分成两路分别通过第一单模光纤SMF1(5)和第二单模光纤SMF2(6)之后再由第三耦合器OC3(7)合二为一继续向后传输，第三耦合器OC3(7)输出的信号经过第一环形器CIR1(8)的1端口进入高非线性色散位移光纤HNL-DSF(10)中产生受激布里渊散射效应，产生反向的斯托克斯波，此波由第一环形器CIR1(8)的2端口输入，再由第一环形器CIR1(8)的3端口输出，进入第二环形器CIR2(9)的1端口，再进入高非线性色散位移光纤HNL-DSF(10)中产生受激布里渊散射效应，产生反向的斯托克斯波，此波由第二环形器CIR2(9)的2端口输入，再由第二环形器CIR2(9)的3端口输出，经过第一光电探测器PD1(11)拍频即可得到频率为2fb的电信号(fb为布里渊频移)；该电信号经过电放大器EA(12)，之后通过电控移相器PS(13)进入锁相环模块，其中锁相环模块由电控移相器PS(13)、功分器ED(14)、微波参考源REF(15)、双平衡混频器MIXER(16)、比例-积分-微分控制器PID(17)组成，微波参考源REF(15)发出的参考信号经过双平衡混频器MIXER(16)、比例-积分-微分控制器PID(17)、电控移相器PS(13)，最后通过功分器ED(14)回到双平衡混频器MIXER(16)形成锁相环路，经过锁相之后此信号经功分器ED(14)返回至双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM(2)的射频端口，经过双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM(2)后通过第一耦合器OC1(3)继续传输至第二光电探测器PD2(18)，拍频即可得到8fb信号；如果经过双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM(2)的信号经过第一耦合器OC1(3)再经过带通滤波器BPF(19)滤波之后继续传输至第二光电探测器PD2(18)，拍频即可得到4fb可调相信号。
图2为本发明提供的一种基于受激布里渊散射效应的倍频光电振荡器中，双平行马赫-曾德尔调制器的内部结构图；双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM在系统中至关重要，是整个结构的调制装置。DPMZM由三个马赫-曾德尔调制器MZM组成，两个子MZM即子MZM-α、子MZM-β，分别位于主MZM-γ的上下两臂，通过控制双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM的三个直流偏置电压可以得到不同的调制方式。图中的VDC1、VDC2、VDC3分别是MZM-α、MZM-β、MZM-γ的直流偏压，VRF是射频驱动信号的幅度。
图3为本发明提供的一种基于受激布里渊散射效应的倍频光电振荡器输出的八倍布里渊频移信号，表明可调谐激光源TLS(1)的激光波长为1550nm时的输出信号频率：当可调谐激光源TLS(1)的激光波长处于1550nm时，布里渊频移fb为9.2GHz，所以得到频率为73.5952GHz的信号。
图4为本发明提供的一种基于受激布里渊散射效应的倍频光电振荡器的频率调谐范围；由于布里渊频移fb＝2nνA/λp，其中n是光纤折射率，νA是声波的速度，λp是泵浦波长，可以看出fb具有波长依赖性，fb和波长λp呈现反比关系，所以仅通过调节激光源的波长就可以实现输出信号的频率可调谐。整体结构图中使用的可调谐激光源TLS(1)的波长调谐范围为1510nm～1620nm，当以10nm为步进进行仿真时，得到的输出信号频谱如图4所示，表明信号的可调谐范围为70.4197GHz～75.5496GHz。
图5为本发明提供的一种基于受激布里渊散射效应的倍频光电振荡器的相位调谐范围；设置双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM(2)的半波电压为4V，故在0～8V范围调节双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM(2)中的主MZM-γ的直流偏压就可以实现输出信号的相位0～360°可调谐，如图所示分别为0°(360°)、90°、180°、270°时的输出信号，另外根据波长依赖性，此时的信号不仅相位可调谐而且频率可调谐。

Claims (1)

1.一种基于受激布里渊散射效应的倍频光电振荡器，其特征在于，包括可调谐激光器、双平行马赫-曾德尔调制器、第一耦合器、第二耦合器、第一单模光纤、第二单模光纤、第三耦合器、第一环形器、第二环形器、高非线性色散位移光纤、第一光电探测器、电放大器、电控移相器、功分器、微波参考源、双平衡混频器、比例-积分-微分控制器、带通滤波器和两个第二光电探测器；
可调谐激光器输出的光信号进入双平行马赫-曾德尔调制器中，再经过第一耦合器和第二耦合器后，光信号分成两路分别通过第一单模光纤和第二单模光纤之后再由第三耦合器合二为一，第三耦合器输出的信号经过第一环形器的1端口进入高非线性色散位移光纤中产生受激布里渊散射效应，产生反向的斯托克斯波输入第一环形器的2端口，再由第一环形器的3端口输出，进入第二环形器的1端口，再进入高非线性色散位移光纤中产生受激布里渊散射效应，产生反向的斯托克斯波输入第二环形器的2端口，再由第二环形器的3端口输出，经过第一光电探测器拍频即可得到频率为2fb的电信号，fb为布里渊频移；该电信号经过电放大器，之后通过电控移相器进入锁相环模块，经过锁相之后的信号经功分器返回至双平行马赫-曾德尔调制器的射频端口，经过双平行马赫-曾德尔调制器后通过第一耦合器传输至其中一个第二光电探测器，所述双平行马赫-曾德尔调制器中的子MZM-α、子MZM-β处于最大偏置点，主MZM-γ处于最大偏置点，m＝2.405，θ＝(2k+1)π/4时，得到8fb信号，其中，m＝πVRF/2Vπ为双平行马赫-曾德尔调制器的调制指数，k为正整数，VRF是射频驱动信号的幅度，Vπ是半波电压，θ为加载在子MZM-α、子MZM-β上的射频驱动信号的初始相位差；经过双平行马赫-曾德尔调制器的信号经第一耦合器、带通滤波器滤波之后传输至另一个第二光电探测器，所述双平行马赫-曾德尔调制器中的子MZM-α设置在载波抑制双边带调制下，子MZM-β设置在最大偏置点，得到4fb信号；在0～8V范围内调节双平行马赫-曾德尔调制器中的主MZM-γ的直流偏压实现输出信号的相位0～360°可调谐。
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