CN111668696A - 一种基于频移反馈腔的宽带可调谐正弦调频激光信号产生方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于频移反馈腔的宽带可调谐调频激光信号产生方法及装置，通过简单调节相对于反馈腔基频的偏离量Δf，即可实现调频指数连续可调的宽带调频信号,并具有脉冲重复频率连续可调、调制指数大、宽带可调谐、结构简单，便于应用等特点。

Description

一种基于频移反馈腔的宽带可调谐正弦调频激光信号产生方 法及装置

技术领域

本发明涉及光电子技术，特别是涉及一种基于频移反馈腔的宽带可调谐调频激光信号产生方法及装置。

背景技术

随着现代通信技术的快速发展，无线电技术的应用越来越广，其使用范围涵盖了宇航、通信、导航、军事装备等诸多民用和军事领域，成为了提高生产能力、改善生活环境、加快经济发展、提升军队战斗力等方面所不可或缺的手段和工具。这其中，宽带正弦调频信号因具有较强的抗干扰能力，可以实现带宽与信噪比的互换，而被广泛应用于长距离高质量的通信系统中，如空间和卫星通信、调频立体声广播、短波电台等。除此之外，现代雷达也广泛采用宽带调频信号，因其具有抗干扰能力强，抗截获能力强等特点。

利用传统电子技术产生宽带正弦调频信号时，受电子器件的带宽和速度影响，难以直接获得稳定度高、带宽大、调制指数大的宽带正弦调频信号。相对于电子学方法，通过光学的方法将微波以副载波的形式加载到光波上，在光域中处理微波信号，可以避开电域的电学干扰，其优点是具有较强的抗电磁干扰能力，相位噪声低，能够产生稳定度高、带宽大、可调谐的高频信号。

此外，在现有的基于反馈腔的调频应用中，通常令电光相位调制的调制频率等于反馈腔频的整数倍，从而在实施电光相位调制时令调制频率在反馈腔基频若干整数倍之间变换，该调节方式可以实现连续激光向超短脉冲激光的转换，但不能产生宽带调频(正弦)脉冲。除此之外，其他光电子学方法也可以产生宽带正弦调制信号，但存在许多问题：1)调制指数k较小，无法提供足够大的调制指数；2)无法实现脉冲重复频率连续可调；3)结构复杂、价格昂贵，不利于应用。

因此，亟需针对频移反馈腔的频率调制，提出脉冲重复频率连续可调、调制指数大、宽带可调谐、结构简单，便于应用的宽带可调谐调频激光信号产生方法及装置。

发明内容

为克服上述现有技术的缺陷，本发明的第一方面，提供一种基于频移反馈腔的宽带可调谐调频激光信号产生方法，其特征在于，所述方法包括：

设置电光相位调制的调制频率f_m＝pf_c+Δf，即令f_m偏离反馈腔基频f_c整数p倍，其中偏离量为Δf并满足Δf＜＜f_c；

令种子激光注入所述反馈腔，经所述电光相位调制后生成调频激光信号；

通过调节所述偏离量Δf，实现对所述调频激光信号的宽带可调谐。

进一步的，所述反馈腔包括反馈环路，所述种子激光注入所述反馈环路，经所述电光相位调制后生成所述调频激光信号。

进一步的，所述电光相位调制的调制信号为宽带正弦调制信号，所述调频激光信号为正弦频率调制激光信号；当将所述电光相位调制的调制深度设置为π时，该正弦频率调制激光信号的瞬时频率满足：

f_t＝|kf_msin(2πf_mt-πΔfτ)+f_i|；

其中，k为调频指数，满足k＝1/(2Δfτ)；τ为所述种子激光在所述反馈环路中传输一周所需的时间；t为当前时刻；f_i为所述宽带正弦调制信号的载波频率，满足：

f_i＝round{(ω₀τ-2pπ)/2πΔfτ}×f_m；

其中，round{}为取整函数；ω₀为所述种子激光的角频率。

进一步的，所述种子激光为单频连续激光，所述调频激光信号为宽带正弦频率调制的双脉冲激光信号。

根据本发明的第二方面，提供一种基于频移反馈腔的宽带可调谐调频激光信号产生装置，其特征在于，所述装置应用如上所述的激光信号产生方法。

进一步的，所述装置包括：

种子激光发射源，以向所述反馈腔发出并注入所述种子激光；

所述反馈腔，包括用于放大所述种子激光的低噪光学放大器和对所述种子激光进行所述电光相位调制的电光相位调制器；

光电探测器，用于探测所述反馈腔输出的所述调频激光信号；

2X2耦合器，包括与所述种子激光发射源连接的第一输入端IN1、与所述光电探测器连接的第一输出端OUT1，以及与所述反馈腔连接的第二输入端IN2和第二输出端OUT2。

进一步的，所述电光相位调制器内设置有射频驱动器，以发出射频驱动信号用于所述电光相位调制。

进一步的，所述反馈腔还包括光学窄带滤波器，所述光学窄带滤波器的中心波长与所述种子激光的波长相同。

因此，本发明通过简单调节相对于反馈腔基频的偏离量Δf，即可实现调频指数连续可调的宽带调频信号，并具有脉冲重复频率连续可调、调制指数大、宽带可调谐、结构简单，便于应用等特点。

附图说明

图1是本发明的一种实施例中，基于频移反馈腔的宽带可调谐调频激光信号产生装置的结构示意图；

图2(a)是本发明在图1所对应的实施例中，调制频率f_m＝10MHz+20kHz时得到的调频激光信号的时域与瞬时频率分布示意图。

图2(b)是本发明在图1所对应的实施例中，调制频率f_m＝10MHz+10kHz时得到的调频激光信号的时域与瞬时频率分布示意图。

图2(c)是本发明在图1所对应的实施例中，调制频率f_m＝10MHz+5kHz时得到的调频激光信号的时域与瞬时频率分布示意图。

附图标记说明：

1-种子激光发射源；2-2X2耦合器；3-电光相位调制器；31-射频驱动器；4-低噪光学放大器；5-光学窄带滤波器；6-光电探测器；7-高速采集系统。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见附图1，为本发明的一种实施例中，基于频移反馈腔的宽带可调谐调频激光信号产生装置的结构示意图。

在该实施例中，种子发射源1发出种子激光，并经2X2耦合器2注入到反馈腔中(如附图1所示，在本实施例中反馈腔为一反馈环路)，依次经过电光相位调制器3(包含输出射频驱动信号的射频驱动器31)、低噪光学放大器4、光学窄带滤波器5后再次反馈至耦合器2的输入端IN2，耦合器的另一输出端OUT1直接接光电探测器6。此外，还可以设置一高速采集系统7连接至光电探测器6，从而对输出的调频激光信号进行高速、实时测量。

优选地，2X2耦合器采用光纤耦合器，其在可靠性、稳定性以及体积方面具有一定的优势。

优选地，令光学窄带滤波器5的中心波长与种子激光波长相同，从而起到光谱滤波、提高环路自激阈值的作用。

优选地，所述种子激光为单频连续激光，所述调频激光信号为宽带正弦频率调制的双脉冲激光信号。这里，关于双脉冲激光信号的形成，可令种子激光注入反馈环路中，经过相位调制器3产生双边带移频，经过双边带移频后的种子激光再次反馈到环路输入端，重复上述过程，从而利用电光相位调制器的双边带调制特性在一个调制周期内产生双脉冲激光信号。

下面结合该实施例中所给出的宽带可调谐调频激光信号产生装置，进一步说明本发明基于频移反馈腔的宽带可调谐调频激光信号产生方法的形成与实施过程：

首先，设置电光相位调制的调制频率f_m＝pf_c+Δf，即令f_m偏离反馈腔基频f_c(对应本实施例，f_c即环路基频)整数p倍，其中偏离量为Δf并满足Δf＜＜f_c；这里，环路基频f_c由环路长度决定，可表达为：f_c＝1/τ＝c/L，其中c为真空中光速，L为环路长度。

这样，根据延迟自外差干涉理论模型，频移反馈腔的输出端的光强I可以表示为：

式(1)中，real{}为取实部运算，t₂₂表示2X2耦合器2的传输矩阵

(式中前侧的1、2分别代表IN1和IN2，后侧的1、2分别代表OUT1和OUT2)中从IN2到OUT2的传输路径部分。种子激光的电场表达式为

其中种子激光角频率为ω_o＝2πf_o，f_o为种子激光频率。种子激光在环路中传输一周所需时间为τ，γ为增益系数(如经放大器4增益)，电光强度调制的传输函数为

其中δ＝πV_m/V_π为电光相位调制的调制深度(V_m为电光相位调制器的射频电压，V_π为电光相位调制器的半波电压)。

由于调制频率满足f_m＝pf_c+Δf关系，且调制频率可调谐，那么上述式(1)中的光强I表达可简化为：

式(2)中，

表示宽带正弦调频信号。为进一步简化计算，本发明可通过将所述电光相位调制的调制深度设置为π(如调节电光相位调制器3的射频驱动器31的射频驱动信号功率，使得调制深度δ等于π)，使得此时该宽带正弦调频信号的瞬时频率简化表示为：

f_p＝(1/2π)dθ/dt＝kf_msin(2πf_mt-πΔfτ)

其中k＝1/(2Δfτ)为宽带正弦调频信号的调频指数。

式(2)中，求和部分可根据雅可比-安格尔公式(

其中J_n(k)为第一类n阶贝塞尔函数)展开，并可近似得到：

其中对式(3)进行仿真，其表示一种射频调制的双脉冲信号激光。该射频调制的调制频率(如图1中射频驱动器31所提供射频驱动信号的射频频率，或称宽带正弦调制信号的载波频率)可表示为：f_i＝round{(ω₀τ-2pπ)/2πΔfτ}×f_m，可见其由单频连续激光的瞬时频率与调制频率共同决定，其中round{x}为取整函数。

通过上述分析可知，通过调节调制频率偏离整数倍腔基频，且偏离量远小于腔基频，单频连续激光经频移反馈腔后输出宽带正弦频率调制的双脉冲激光，其瞬时频率满足

f_t＝|f_p+f_i|＝|kf_msin(2πf_mt-πΔfτ)+f_i| (4)

根据上述分析，该宽带正弦调制信号的载波频率为f_i(由激光频率和调制频率共同决定)；最大频率偏移kf_m由调频指数k和调制频率f_m决定。通过调节Δf，可以实现调频指数的改变，进而实现输出脉冲信号瞬时频率的改变；即通过简单调节Δf，即可实现调频指数连续可调的宽带正弦调频信号。

作为对上述实施例的激光调频可调谐性的一种验证，可参见附图2(a)、2(b)和2(c)，其分别对应一组实验仿真验证结果。此三组实验仿真验证所基于的共同条件是：腔基频为10MHz，腔内增益损失综合系数t₂₂γ＝0.97，种子激光频率恒定且满足ω₀τ＝2kπ。

通过调节偏离量Δf，使得电光相位调制的调制频率f_m分别为f_m＝10MHz+20kHz(此时Δf为20kHz)，f_m＝10MHz+10kHz(此时Δf为10kHz)和f_m＝10MHz+5kHz(此时Δf为5kHz)。其对应的调频激光信号的调频结果分别如图2(a)、2(b)和2(c)所示，并且在图2(a)、2(b)和2(c)中，其上半部分表示调频激光信号的时域分布，下半部分表示其通过短时傅里叶变换得到的瞬时频率分布。

可见，本发明通过简单调节Δf，即可实现调频指数连续可调的宽带正弦调频信号，并具有脉冲重复频率连续可调、调制指数大、宽带可调谐、结构简单，便于应用的特点。

需要说明的是，上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于频移反馈腔的宽带可调谐调频激光信号产生方法，其特征在于，所述方法包括：

设置电光相位调制的调制频率f_m＝pf_c+Δf，即令fm偏离反馈腔基频f_c整数p倍，其中偏离量为Δf并满足Δf＜＜f_c；

令种子激光注入所述反馈腔，经所述电光相位调制后生成调频激光信号；

通过调节所述偏离量Δf，实现对所述调频激光信号的宽带可调谐。

2.根据权利要求1所述的激光信号产生方法，其特征在于，所述反馈腔包括反馈环路，所述种子激光注入所述反馈环路，经所述电光相位调制后生成所述调频激光信号。

3.根据权利要求2所述的激光信号产生方法，其特征在于，所述电光相位调制的调制信号为宽带正弦调制信号，所述调频激光信号为正弦频率调制激光信号；当将所述电光相位调制的调制深度设置为π时，该正弦频率调制激光信号的瞬时频率满足：

f_t＝|kf_msin(2πf_mt-πΔfτ)+f_i|；

其中，k为调频指数，满足k＝1/(2Δfτ)；τ为所述种子激光在所述反馈环路中传输一周所需的时间；t为当前时刻；f_i为所述宽带正弦调制信号的载波频率，满足：

f_i＝round{(ω₀τ-2pπ)/2πΔfτ}×f_m；

其中，round{}为取整函数；ω₀为所述种子激光的角频率。

4.根据权利要求3所述的激光信号产生方法，其特征在于，所述种子激光为单频连续激光，所述调频激光信号为宽带正弦频率调制的双脉冲激光信号。

5.一种基于频移反馈腔的宽带可调谐调频激光信号产生装置，其特征在于，所述装置应用权利要求1-4中任一所述的激光信号产生方法。

6.根据权利要求5所述的激光信号产生装置，其特征在于，所述装置包括：

种子激光发射源(1)，以向所述反馈腔发出并注入所述种子激光；

所述反馈腔，包括用于放大所述种子激光的低噪光学放大器(4)和对所述种子激光进行所述电光相位调制的电光相位调制器(3)；

光电探测器(6)，用于探测所述反馈腔输出的所述调频激光信号；

2X2耦合器(2)，包括与所述种子激光发射源(1)连接的第一输入端IN1、与所述光电探测器(6)连接的第一输出端OUT1，以及与所述反馈腔连接的第二输入端IN2和第二输出端OUT2。

7.根据权利要求6所述的激光信号产生装置，其特征在于，所述电光相位调制器(3)内设置有射频驱动器(31)，以发出射频驱动信号用于所述电光相位调制。

8.根据权利要求7所述的激光信号产生装置，其特征在于，所述反馈腔还包括光学窄带滤波器(5)，所述光学窄带滤波器(5)的中心波长与所述种子激光的波长相同。

Images