CN111082872A - 一种基于电控扫频的傅里叶域锁模光电振荡器及实现方法 - Google Patents

一种基于电控扫频的傅里叶域锁模光电振荡器及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光电技术领域，具体涉及一种基于电控扫频的傅里叶域锁模光电振荡器及实现方法。本发明采用基于受激布里渊散射的微波光子滤波器，利用电光移频技术实现微波光子滤波器的快速扫频，从而构建傅里叶域锁模光电振荡器，并通过设置微波光子滤波器的扫频周期、扫频范围以及中心频率，实现具有大瞬时带宽、低相位噪声、高频率稳定度和高线性度的线性调频信号产生。

Description

一种基于电控扫频的傅里叶域锁模光电振荡器及实现方法
技术领域
本发明涉及光电技术领域，具体涉及一种基于电控扫频的傅里叶域锁模光电振荡器及实现方法。
背景技术
线性调频信号是指频率随时间呈线性递增或递减的信号，在现代雷达系统中有着广泛的应用。传统基于电子学的线性调频信号产生通常采用直接数字频率合成技术，受限于电子器件的性能，其瞬时带宽以及时间带宽积等参数受到了极大的限制，跨倍频程的扫频带宽难以实现，无法满足现代成像雷达系统对于距离分辨率、作用距离等性能指标的需求。近年来，基于光子学的线性调频信号产生技术受到了国内外研究学者的广泛关注。相比于电子学技术，其产生的线性调频信号具有瞬时带宽宽、灵活可调谐等优势。光电振荡器是一种光电混合式振荡环路，它产生的微波信号具有宽带可调、相位噪声低、杂散抑制比大等优点。在光电振荡器环路中引入线性扫频的模式选择机制，当光电振荡环路的延时是模式选择扫频周期的整数倍时，该结构可实现傅里叶域锁模，从而获得宽带可调、低相位噪声的线性调频信号输出。
目前，针对基于傅里叶域锁模光电振荡器的线性调频信号产生取得了一些研究成果。2018年，中科院半导体研究所的Tengfei Hao等人提出了一种基于扫频微波光子滤波器结构的傅里叶域锁模光电振荡器方案(Tengfei Hao,et al.Breaking the limitation ofmode building time in an optoelectronic oscillator,Nat Commun.2018,9:1839)。该方案利用相移光纤光栅作为光学带阻滤波器，实现相位调制到强度调制的转换，并结合快速扫频的光源构建扫频微波光子滤波器，闭环后实现了带宽可调、中心频率可调的傅里叶域锁模光电振荡器，获得了带宽为7.5GHz、时间带宽积为166650的线性调频信号。该方案存在的主要问题是，由于激光器输出的扫频光信号存在频率漂移，因此该方案产生的线性调频信号线性度较差。2018年，该课题组又提出了一种基于受激布里渊散射效应的可调谐傅里叶域锁模光电振荡器方案(Tengfei Hao,et al.Tunable Fourier domain mode-lockedoptoelectronic oscillator using stimulated Brillouin scattering,IEEEPhoton.Technol.Lett.2018,30(21):1842-1845)。该结构利用受激布里渊散射效应产生的布里渊增益效应对相位调制边带进行选择性放大，实现相位调制到强度调制的转换，通过调节加载在可调激光器上的驱动信号获得快速扫频的光信号，实现带宽可调、中心频率可调的线性调频信号产生。在该结构中，扫频激光器与泵浦激光器之间的波长差决定了光电振荡器输出信号的频率，因此双光源的使用会影响产生线性调频信号的频率稳定性。
综上所述，目前已见报道的傅里叶域锁模光电振荡器方案存在如下问题：第一，由于在扫频范围内存在较大的频率漂移，输出信号的线性度较差；第二，双光源的使用导致输出信号的稳定性较差。上述问题均将会对雷达系统接收端回波信号去斜解调和脉冲压缩性能造成严重的影响。
发明内容
本发明针对现有技术方案的缺点，提出一种基于电控扫频的傅里叶域锁模光电振荡器及实现方法。
本发明的技术方案：一种基于电控扫频的傅里叶域锁模光电振荡器及实现方法，所述装置包括：激光器1，光耦合器2，第一双平行马赫增德尔电光调制器3，90°电桥4，线性调频信号源5，直流电源6，第一掺饵光纤放大器7，电光相位调制器8，高非线性光纤9，第二双平行马赫增德尔电光调制器10，直流电源11，微波信号源12，90°电桥13，第二掺饵光纤放大器14，光环形器15，非零色散位移光纤16，光电探测器17，电放大器18，电功分器19。所述的激光器1的输出端连接光耦合器2的输入端，光耦合器2的一个输出端连接第一双平行马赫增德尔调制3)的光学输入端并作为信号光支路。第一双平行马赫增德尔电光调制器3的射频信号输入端和偏置电压输入端分别连接90°电桥4的输出端和直流电源6的输出端，90°电桥4的输入端连接线性调频信号源的输出端，第一双平行马赫增德尔调制3的光学输出端连接第一掺饵光纤放大器7的输入端。第一掺饵光纤放大器7的输出端连接电光相位调制器8的光学输入端，电光相位调制8)的光学输出端连接高非线性光纤9的输入端，高非线性光纤的输出端连接光环行器15的b端口。光耦合器2的另一个输出端口连接第二双平行马赫增德尔电光调制器10的光学输入端并作为泵浦光支路，第二双平行马赫增德尔电光调制器10的偏置电压输入端和射频信号输入端分别连接直流电源1的输出端和90°电桥13的输出端，90°电桥13的输入端连接微波信号源12的输出端，第二双平行马赫增德尔电光调制器10的光学输出端连接第二掺铒光纤放大器14的输入端，第二掺饵光纤放大器1的输出端口连接光环行器15的a端口。光环行器15的c端口连接非零色散位移光纤16的输入端，非零色散位移光纤16的输出端连接光电探测器17的光学输入端。光电探测17的电学输出端连接电放大器18的输入端，电放大器18的输出端连接电功分器19的输入端。电功分器19的一个输入端连接电光相位调制器8的射频输入端，电功分器19的另一个输入端为整个基于受激布里渊散射傅里叶域锁模光电振荡器的信号输出端。
所述基于电控扫频的傅里叶域锁模光电振荡器的实现方法，包括以下步骤：
步骤1、激光器1输出频率为fc的直流光，经过光耦合2分为两路，一路作为信号光支路，一路作为泵浦光支路；
步骤2、在信号光支路中，直流光首先传输经过第一双平行马赫增德尔电光调制器3，该调制器由线性调频信号源5的输出经过90°电桥4进行驱动，通过调节直流电源6改变加载在调制器上的偏置电压，使其工作在抑制载波的单边带调制模式下，通过电光下移频产生宽带线性扫频光载波。该光载波经过第一掺饵光纤放大器放大后，进入由傅里叶域锁模光电振荡器输出微波信号所调制的电光相位调制器8中，其输出信号进入高非线性光纤9中从左向右正向传输；
步骤3、在泵浦光支路中，直流光传输经过第二双平行马赫增德尔电光调制器10，该调制器由微波信号源12输出频率为fRF的射频信号经过90°电桥13进行驱动，通过调节直流电源11改变加载在调制器上的偏置电压，使其工作在抑制载波的单边带调制模式下，产生如图2所示经过电光上移频的可调泵浦光信号fpump＝fc+fRF。该泵浦光经过第二掺饵光纤放大器14进行功率补偿后，由光环行15a端口进入，从光环行器15b端口输出至高非线性光纤9中从右向左逆向传输；
步骤4、泵浦光在高非线性光纤9中传输时，由于受激布里渊散射效应，在泵浦光的后向布里渊下移频fpump-fB(fB为高非线性光纤的布里渊频移量)处产生一个窄带布里渊增益谱，当相向传输的相位调制信号光的某阶边带位于该布里渊增益区时，其边带幅度将会被选择性放大，进而打破相位调制边带间的幅度平衡；
步骤5、经过受激布里渊散射选择性放大后的相位调制光信号进入光环行器15b端口，通过光环行器15c端口输入至非零色散位移光纤16中，并由光电探测器17完成相位调制到强度调制的转换，实现微波光子滤波；
步骤6、由相位调制到强度调制转换后产生的微波信号，经过电放大器18进行放大后输入至电功分器19中，电功分器19的一个输出端口连接电光相位调制器8的射频输入端口，构成闭合的光电振荡环路；电功分器19的另一个端口用于输出光电振荡环路产生的微波信号；
步骤7、如图2中的原理所示，光电振荡环路输出的微波信号频率由信号光支路的光载波频率与泵浦光支路的泵浦光频率之差所决定，即f＝fpump-fB-fc，因此当固定泵浦光信号频率，且信号光支路产生的宽带线性扫频光载波的扫频周期等于光电振荡环路的延时时，该结构可构成基于傅里叶域锁模的光电振荡器，实现宽带线性调频信号的产生，其产生线性调频信号的带宽由加载在第一双平行马赫增德尔电光调制器3上的扫频电信号带宽决定，中心频率的可调谐性可通过调节泵浦光的信号频率实现，即调节加载在第二双平行马赫增德尔电光调制器10上的射频信号频率fRF。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
(1)系统采用基于傅里叶域锁模的光电振荡器结构，利用快速可调谐滤波机制使得不同频率的信号在谐振腔内时分复用、同时起振，使输出的周期性扫频信号具有宽带可调、低相位噪声、高杂散抑制、高相参性等优点；
(2)利用具有大工作带宽、高残余边带抑制比和高载波抑制比的电光移频技术实现线性扫频光载波的产生以及线性调频信号中心频率的调谐，相比于直接采用扫频光源的方案，本发明获得的线性调频信号具有良好的线性度、更加灵活精确的可调谐性；
(3)系统结构中只采用了一个激光器，泵浦光的可调谐性通过工作在抑制载波单边带调制模式下的双平行马赫增德尔电光调制器实现。相比于传统基于受激布里渊散射的傅里叶域锁模光电振荡器方案，本发明具有良好的输出信号频率稳定性(频率漂移量小1MHz)。
附图说明
图1为本发明一种基于电控受激布里渊散射快速可调谐滤波的傅里叶域锁模光电振荡器装置示意图；
图2为本发明一种基于电控受激布里渊散射快速可调谐滤波的傅里叶域锁模光电振荡器工作原理示意图。
其中，1为激光器，2为光耦合器，3为第一双平行马赫增德尔电光调制器，4为90°电桥，5为线性调频信号源，6为直流电源，7为第一掺饵光纤放大器，8为电光相位调制器，9为高非线性光纤，10为第二双平行马赫增德尔电光调制器，11为直流电源，12为微波信号源，13为90°电桥，14为第二掺饵光纤放大器，15为光环形器，16为非零色散位移光纤，17为光电探测器，18为电放大器，19为电功分器。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。结合图2，对本发明中的系统原理做进一步说明如下：
如图1所示，激光器输出频率为fc的直流光信号，经过光耦合器分路后，一路作为信号光支路，一路作为泵浦光支路。对于泵浦光支路，直流光输入至由微波信号源fRF驱动，工作在抑制载波单边带调制模式下的双平行马赫增德尔电光调制器中，输出电控频率可调的泵浦光信号fpump＝fc+fRF；对于信号光支路，直流光进入由电扫频信号驱动，同样工作在抑制载波单边带调制模式下的双平行马赫增德尔电光调制器中，输出线性扫频的光载波信号。光载波信号进入电光相位调制器，被光电振荡环路输出的微波信号所调制，经过相位调制后的光信号输入至后端的高非线性光纤中。信号光与泵浦光在高非线性光纤中相向传输，当泵浦光信号的功率达到受激布里渊散射阈值时，在泵浦光后向的布里渊下移频fpump-fB(fB为高非线性光纤的布里渊频移量)处产生一个窄带布里渊增益谱，当相位调制信号的某阶边带位于该布里渊增益区时，边带将被选择性放大从而打破相位调制边带之间的幅度平衡，再经过非零色散位移光纤传输后通过光电探测器拍频，实现相位调制到强度调制的转换。对于经过相位调制到强度调制转换后产生的微波信号，其频率由泵浦光产生的布里渊增益谱与光载波之间的频率差所决定，未经过相位调制到强度调制转换的信号则不能被恢复，从而实现了具有频率选择性、滤波通带中心为f＝fpump-fB-fc的窄带微波光子滤波功能。
经过相位调制到强度调制转换后恢复出的微波信号，在射频域由电放大器进行功率补偿后，使整个窄带微波光子滤波器的幅度响应大于0dB。连接该微波光子滤波器的输入端和输出端，闭合整个光电环路，在腔内模式选择机制的作用下，净增益大于0dB的模式由瞬态噪声起振，在光电环路内不断被放大，最后趋于稳定状态输出，而净增益小于0dB以下的模式则被环路有效地抑制。由于环路中采用了高Q值的光学储能器件(长光纤)，因此处于稳定振荡状态的光电振荡器可以产生一个具有超低相噪的微波信号。为了实现线性调频信号的输出，信号光通过被扫频电信号所调制形成快速扫频的光载波信号，由于环路中微波光子滤波器的中心频率由光载波信号与泵浦光信号之间的频率差决定，因此当固定泵浦光信号的频率时，微波光子带通滤波器的中心频率也在快速扫描，扫频范围与加载在光载波信号上的扫频电信号频率范围相同。通过引入一定长度的传输光纤(非零色散位移光纤)，设置扫频电信号的变化周期与光电振荡器环路延时满足如下关系：
Figure BDA0002296788670000051
其中，T为扫频电信号的变化周期，L为光电振荡环路腔长，n0为光纤折射率，c为真空中的光速，N为整数。当光电振荡环路延时为微波光子滤波器的扫频周期的整数倍时，如图2所示，在t1时刻环路中只允许频率为f1的模式起振，在t1+T时刻微波光子滤波器的通带中心仍位于f1，因此频率为f1的模式可以在腔内不断地被循环放大，最终实现稳定输出。而在t2时刻，微波光子滤波器的通带中心位于f2处，频率为f2的模式被选择，并在腔内循环一圈后仍可获得增益，最终实现频率为f2的振荡信号输出，与频率为f1的模式实现同时起振。因此，利用快速扫频滤波机制实现光电振荡腔内不同频率的信号实现时分复用、同时起振，构造高Q值的傅里叶域锁模光电振荡器，最终可以获得稳定、宽带、低相位噪声、高线性度的线性调频信号输出。
综上所述，由于环路内微波光子滤波器的中心频率由泵浦光与信号光之间的频率差决定，因此通过调节泵浦光信号的频率，即调节加载在泵浦光支路中双平行马赫增德尔电光调制器上的调制信号频率fRF，就可以实现输出线性调频信号工作频段的灵活可调谐。此外，由于系统中只采用了一个激光器，电控受激布里渊散射微波光子滤波器具有较高的频率稳定性、精准的频段选择可控性以及高线性度的扫频特性，因此可以准确地把控所产生线性调频信号的工作频段以及有效地提高信号的线性度。进一步地，傅里叶域锁模光电振荡器结构的引入，可以有效地降低输出信号的相位噪声，同时提升信号的边模抑制比和杂散抑制比。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种基于电控扫频的傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于：包括激光器(1)，光耦合器(2)，第一双平行马赫增德尔电光调制器(3)，90°电桥(4)，线性调频信号源(5)，直流电源(6)，第一掺饵光纤放大器(7)，电光相位调制器(8)，高非线性光纤(9)，第二双平行马赫增德尔电光调制器(10)，直流电源(11)，微波信号源(12)，90°电桥(13)，第二掺饵光纤放大器(14)，光环形器(15)，非零色散位移光纤(16)，光电探测器(17)，电放大器(18)，电功分器(19)；
所述的激光器(1)的输出端连接光耦合器(2)的输入端，光耦合器(2)的一个输出端连接第一双平行马赫增德尔调制器(3)的光学输入端；第一双平行马赫增德尔电光调制器(3)的射频信号输入端和偏置电压输入端分别连接90°电桥(4)的输出端和直流电源(6)的输出端，90°电桥(4)的输入端连接线性调频信号源(5)的输出端，第一双平行马赫增德尔调制器(3)的光学输出端连接第一掺饵光纤放大器(7)的输入端；第一掺饵光纤放大器(7)的输出端连接电光相位调制器(8)的光学输入端，电光相位调制器(8)的光学输出端连接高非线性光纤(9)的输入端，高非线性光纤(9)的输出端连接光环行器(15)的b端口；光耦合器(2)的另一个输出端口连接第二双平行马赫增德尔电光调制器(10)的光学输入端，第二双平行马赫增德尔电光调制器(10)的偏置电压输入端和射频信号输入端分别连接直流电源(11)的输出端和90°电桥(13)的输出端，90°电桥(13)的输入端连接微波信号源(12)的输出端，第二双平行马赫增德尔电光调制器(10)的光学输出端连接第二掺铒光纤放大器(14)的输入端，第二掺饵光纤放大器(14)的输出端口连接光环行器(15)的a端口；光环行器(15)的c端口连接非零色散位移光纤(16)的输入端，非零色散位移光纤(16)的输出端连接光电探测器(17)的光学输入端；光电探测器(17)的电学输出端连接电放大器(18)的输入端，电放大器(18)的输出端连接电功分器(19)的输入端；电功分器(19)的一个输入端连接电光相位调制器(8)的射频输入端，电功分器(19)的另一个输入端为整个基于受激布里渊散射傅里叶域锁模光电振荡器的信号输出端。
2.根据权利要求1所述的一种基于电控扫频的傅里叶域锁模光电振荡器实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：激光器(1)输出频率为fc的直流光，经过光耦合器(2)分为两路，一路作为信号光支路，一路作为泵浦光支路；
步骤2：在信号光支路中，直流光首先传输经过第一双平行马赫增德尔电光调制器(3)，该调制器由线性调频信号源(5)的输出经过90°电桥(4)进行驱动，通过调节直流电源(6)改变加载在调制器上的偏置电压，使其工作在抑制载波的单边带调制模式下，通过电光下移频产生宽带线性扫频光载波；该光载波经过第一掺饵光纤放大器放大后，进入被傅里叶域锁模光电振荡器输出微波信号所调制的电光相位调制器(8)中，其输出信号进入高非线性光纤(9)中从左向右正向传输；
步骤3：在泵浦光支路中，直流光传输经过第二双平行马赫增德尔电光调制器(10)，该调制器由微波信号源(12)输出频率为fRF的射频信号经过90°电桥(13)进行驱动，通过调节直流电源(11)改变加载在调制器上的偏置电压，使其工作在抑制载波的单边带调制模式下，产生经过电光上移频的可调泵浦光信号fpump＝fc+fRF。该泵浦光经过第二掺饵光纤放大器(14)进行功率补偿后，由光环行器(15)a端口进入，从光环行器(15)b端口输出至高非线性光纤(9)中从右向左逆向传输；
步骤4：泵浦光在高非线性光纤(9)中传输时，由于受激布里渊散射效应，在泵浦光的后向布里渊下移频fpump-fB，处产生一个窄带布里渊增益谱，当相向传输的相位调制信号光的某阶边带位于该布里渊增益区时，其边带幅度将会被选择性放大，进而打破相位调制边带间的幅度平衡，其中，fB为高非线性光纤的布里渊频移量；
步骤5：经过受激布里渊散射选择性放大后的相位调制光信号进入光环行器(15)b端口，通过光环行器(15)c端口输入至非零色散位移光纤(16)中，并由光电探测器(17)完成相位调制到强度调制的转换，实现微波光子滤波；
步骤6：由相位调制到强度调制转换后产生的微波信号，经过电放大器(18)进行放大后输入至电功分器(19)中，电功分器(19)的一个输出端口连接电光相位调制器(8)的射频输入端口，构成闭合的光电振荡环路；电功分器(19)的另一个端口用于输出光电振荡器产生的微波信号；
步骤7：光电振荡环路输出的微波信号频率由信号光支路的光载波频率与泵浦光支路的泵浦光频率之差所决定，即f＝fpump-fB-fc，因此当固定泵浦光信号频率，信号光支路产生的宽带线性扫频光载波的扫频周期等于光电振荡环路的延时时，该结构可构成基于傅里叶域锁模的光电振荡器，实现宽带线性调频信号的产生，其产生线性调频信号的带宽由加载在第一双平行马赫增德尔电光调制器(3)上的扫频电信号决定，中心频率的可调谐性可通过调节泵浦光的信号频率实现，即调节加载在第二双平行马赫增德尔电光调制器(10)上的射频信号频率fRF。
3.一种如权利要求2所述的基于电控扫频的傅里叶域锁模光电振荡器及实现方法，其特征在于，所述可调谐傅里叶域锁模光电振荡器装置为如权利要求1所述的可调谐傅里叶域锁模光电振荡器装置。
4.一种如权利要求2-3之一所述的基于电控扫频的傅里叶域锁模光电振荡器及实现方法，其特征在于，所述基于电控受激布里渊散射快速可调谐滤波的傅里叶域锁模光电振荡器装置为权利要求1所述的基于电控受激布里渊散射快速可调谐滤波的傅里叶域锁模光电振荡器装置。
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