CN113078545A - 一种基于受激布里渊散射的可调谐双频光电振荡器装置 - Google Patents

一种基于受激布里渊散射的可调谐双频光电振荡器装置 Download PDF

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Abstract

一种基于受激布里渊散射可调谐双频光电振荡器装置，其旨在于提供一种能够产生频率可调谐、频率间隔可调谐的高质量双频微波信号的装置，属于光电技术和微波光子领域。该装置包括：激光器，光耦合器，双平行马赫增德尔电光调制器1，双平行马赫增德尔电光调制器2，掺铒光纤放大器1，掺铒光纤放大器2，相位调制器，光环形器，高非线性光纤，光电探测器，电放大器，电功分器，可调谐微波源1，直流电压源1，电桥，可调谐微波源2，直流电压源2。本发明采用基于受激布里渊散射的微波光子滤波器，克服了传统光电振荡器受限于传统微波滤波器性能的缺点，能够产生可调谐、低相位噪声、高频率稳定度的双频微波信号。

Description

一种基于受激布里渊散射的可调谐双频光电振荡器装置
技术领域
本发明属于光电技术领域和微波光子学领域，具体涉及一种基于受激布里渊散射的可调谐双频光电振荡器装置。
背景技术
光生微波技术是微波光子学中最重要的研究内容之一，具有频率高，相位噪声低、结构紧凑等优点，并且能解决电域产生微波信号所面临的电子瓶颈问题，广泛应用于光载无线通信系统,雷达系统,卫星通信等领域。
目前使用较为广泛的光生微波主要有四种：分别是强度调制法、外差法、谐波法和光电振荡器法，而光电振荡器作为光生微波的技术手段之一，近年来发展迅速，优势突出。在通信系统中，振荡器的性能决定了通信信道的容量和密度。传统的电子振荡器在面对现代电子通讯系统不断升级的性能要求挑战时，遭遇电子瓶颈的限制，无法产生低噪声的高频信号，而光电振荡器能够产生高频率(高达几百GHz)、高Q值(高达1010量级)、超低相位噪声的微波信号，并具有高可调谐性，实现光电两种信号同时输出等优点。
随着多频率收发系统及无线通信系统的发展，大量的双频或多频信号得到应用，高频的双频信号广泛应用于雷达系统，无线局域网系统，全球定位系统及蓝牙系统。当前，具有高频率和高带宽的电子信号通常是通过将窄基带信号与低频参考信号拍频，再将频率倍增到所需频率来获得的，这大大恶化了相位噪声，并导致非线性失真。而双射频系统的基本要求是其在高频带下具有较低的相位噪声，这有助于减少无线电信号失真并提高微弱信号检测的效率。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种基于受激布里渊散射的可调谐双频光电振荡器装置。
本发明的技术方案：一种基于受激布里渊散射的双频光电振荡器装置，所述装置包括激光器(1)，光耦合器(2)，双平行马赫增德尔电光调制器1(3)，双平行马赫增德尔电光调制器2(4)，掺铒光纤放大器1(5)，掺铒光纤放大器2(6)，相位调制器(7)，光环形器(8)，高非线性光纤(9)，光电探测器(10)，电放大器(11)，电功分器(12)，可调谐微波源1(13)，直流电压源1(14)，电桥(15)，可调谐微波源2(16)，直流电压源2(17)。
所述一种基于受激布里渊效应的可调谐双频振荡器装置，包括以下步骤：
步骤1：激光器(1)输出频率为fc的直流光，经光耦合器分为上下两路，上支路为信号光直路，下支路为泵浦光支路；
步骤2：信号光支路首先经过双平行马赫增德尔电光调制器1(3)，该调制器由可调谐微波源1(13)输出频率f2的信号经过电桥(15)进行驱动，通过调节直流电压源1(14)改变加载在调制器上的偏置电压，使其工作在载波抑制单边带调制模式，产生下移频的光载波，移频后载波的频率为fc-f1，该光载波经过掺铒光纤放大器1(5)放大后，进入由双频光电振荡器输出的微波信号所调制的电光相位调制器(7)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：泵浦光支路中，泵浦光经过双平行马赫增德尔电光调制器2(4)，该调制器由可调谐微波源2(16)输出频率为f2的射频信号驱动，通过调节直流电源2(17)改变加载在调制器上的偏置电压，使其工作在载波抑制双边带调制模式，产生双音泵浦光信号，频率分别为fc+f2,fc-f2。该双音泵浦光经过掺铒光纤放大器2(6)进行功率补偿后，由光环行器(8)a端口进入，从光环行器(8)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：双音泵浦光在高非线性光纤(9)中传输时，发生受激布里渊散射效应，产生两个窄带布里渊增益谱，两个增益谱的频率位置分别为fc+f2-fb,fc-f2-fb(fb为高非线性光纤的布里渊频移量)。当相向传输的相位调制信号光的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(8)b端口，通过光环行器(8)c端口输入光电探测器(10)，由光电探测器(11)拍频完成相位调制到强度调制的转换，产生双频微波信号；
步骤6：由光电探测器拍频产生的双频微波信号，经过电放大器(11)进行放大后输入至电功分器(12)中，电功分器(12)的一个输出端口连接相位调制器(7)的射频输入端口，构成闭合的光电振荡环路；电功分器(12)的另一个端口用于输出光电振荡环路产生双频微波信号。
通过调节加载在DPMZM1及DPMZM2上的射频信号频率可以实现双频信号的频率自由可调谐。根据布里渊增益谱位于移频光载波的同侧还是异侧，得到的双频信号的频率调谐范围不同，当布里渊增益谱位于移频光载波的同侧，双频信号的频率调谐范围为高非线性光纤的两倍布里渊频移量，当布里渊增益谱位于移频光载波的异侧时，双频信号的频率调谐范围为高非线性光纤的布里渊频移量。
本发明的有益效果是：(1)能够产生频率，频率间隔自由可调谐的双频信号。(2)系统仅使用一个单频的直流激光源，使得上支路泵浦光和下支路信号光的波长变化一致，确保系统输出的长时间稳定性。
附图说明
图1为本发明一种基于受激布里渊散射的可调谐双频光电振荡器装置示意图。
图2为本发明一种基于受激布里渊散射的可调谐光电振荡器装置工作原理示意图。
图3为本发明一种基于受激布里渊散射的可调谐双频光电振荡器装置的开环响应实例图。
图4为本发明一种基于受激布里渊散射的可调谐双频振荡器装置的双频信号产生实例图。
图5为本发明一种基于受激布里渊散射的可调谐双频光电振荡器装置的双频信号的对称中心频率可调谐实例图
图6为本发明一种基于受激布里渊散射的可调谐双频光电振荡器装置的双频信号的频率间隔可调谐实例图
其中，1-激光器，2-光耦合器，3-双平行马赫增德尔电光调制器1，4-双平行马赫增德尔电光调制器2，5-掺铒光纤放大器1，6-掺铒光纤放大器2，7-相位调制器，8-光环形器，9-高非线性光纤，10-光电探测器，11-电放大器，12-电功分器，13-可调谐微波源1，14-直流电压源1，15-电桥，16-可调谐微波源2，17-直流电压源2。
具体实施方式
下面结合本发明的附图1～2，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，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。基于本发明中的实施例，本领域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，均属于本发明保护范围。
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，泵浦光信号经过由可调谐微波源1(13)输出频率为f1的微波信号驱动，工作在抑制载波双边带调制模式下的双平行马赫增德尔电光调制器，输出频率可调的双音泵浦信号，频率分别为fp1＝fc-f2,fp2＝fc+f2。
对于信号光支路，信号光进入由可调谐微波源2(16)输出频率为f2的微波信号驱动的双平行马赫增德尔电光调制器1，该调制器工作在抑制载波单边带调制模式，输出下移频的光载波信号,频率为fc1＝fc-f1。
移频后的光载波信号进入相位调制器，被光电振荡环路输出的双频微波信号所调制，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fp1-fb,fp2-fb(fb为高非线性光纤的布里渊频移量)处产生窄带布里渊增益谱。
当相位调制信号的边带位于布里渊增益区时，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，通过光电探测器拍频后，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双频微波信号。
经过相位调制到强度调制转换后恢复出的双频微波信号，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。最终产生可调谐的双频振荡信号。
如图2(d)、2(e)、2(f)，根据布里渊增益谱位于移频光载波的同侧还是异侧，得到的双频信号分以下三种情况。
对于图2(d)所示情形，产生的双频信号频率分别为：
ft1＝Δf1＝fb-f2-f1 (1)
ft2＝Δf2＝fb+f2-f1 (2)
双频信号的频率间隔为：
Δf＝ft2-ft1＝2f2 (3)
对于图2(e)所示情形，产生的双频信号频率分别为：
ft1＝Δf1＝f2-f1+fb (4)
ft2＝Δf2＝f2+f1-fb (5)
双频信号的频率间隔为：
Δf＝|ft1-ft2|＝2|f1-fb| (6)
对于图2(f)所示情形，产生的双频信号频率分别为：
ft1＝Δf1＝f1-f2-fb (7)
ft2＝Δf2＝f1+f2-fb (8)
双频信号的频率间隔为：
Δf＝ft2-ft1＝2f2 (9)
实施例
本例中，激光器的输出波长为1549.824nm，功率为16dBm，高非线性光纤的布里渊频移量为9.644GHz。设置可调谐微波源1的频率为18GHz，功率为13dBm，调节直流电压源1使得DPMZM1工作在载波抑制单边带调制模式；设置可调谐微波源2的频率为3.644GHz，功率为13dBm，调节直流电压源2使得DPMZM2工作在载波抑制双边带调制模式；用矢量网络分析仪测得的双频光电振荡器的开环响应如图3所示，用频谱仪测得所产生的双频信号的频谱图如图4所示。
在进行双频光电振荡器的可调谐性验证实验时，首先保持可调谐微波源1的频率为18GHz，依次设置可调谐微波源2的频率为1.644GHz、2644GHz、3.644GHz、4.644GHz、5.644GHz、6.644GHz。得到的双频信号的可调谐实验结果如图5所示；其次，保持可调谐微波源2的频率为3.644GHz，依次设置可调谐微波源1的频率为15GHz、16GHz、17GHz、18GHz、19GHz、20GHz、21GHz、22GHz、23GHz。得到的双频信号的可调谐实验结果如图6所示。
上述两组实验分别实现了双频信号的频率间隔可调谐及对称中心频率可调谐，通过灵活的调谐两个微波源的频率，可实现自由可调谐的双频光电振荡器。

Claims (5)

1.一种基于受激布里渊散射的可调谐双频振荡器装置，其特征在于：包括激光器(1)，光耦合器(2)，双平行马赫增德尔电光调制器1(3)，双平行马赫增德尔电光调制器2(4)，掺铒光纤放大器1(5)，掺铒光纤放大器2(6)，相位调制器(7)，光环形器(8)，高非线性光纤(9)，光电探测器(10)，电放大器(11)，电功分器(12)，可调谐微波源1(13)，直流电压源1(14)，电桥(15)，可调谐微波源2(16)，直流电压源2(17)。
2.根据权利要求1所述的一种基于受激布里渊散射的可调谐双频光电振荡器装置，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，经光耦合器分为上下两路，上支路为信号光直路，下支路为泵浦光支路；
步骤2：信号光支路首先经过双平行马赫增德尔电光调制器1(3)，该调制器由可调谐微波源1(13)输出频率f1的信号经电桥(15)进行驱动，通过调节直流电压源1(14)改变加载在调制器上的偏置电压，使其工作在载波抑制单边带调制模式，产生下移频的光载波，移频后的光载波经过掺铒光纤放大器1(5)放大后，进入由双频光电振荡器输出的微波信号所调制的相位调制器(7)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：泵浦光支路中，泵浦光经过双平行马赫增德尔电光调制器2(4)，该调制器由可调谐微波源2(16)输出频率为f2的射频信号驱动，通过调节直流电源2(17)改变加载在调制器上的偏置电压，使其工作在载波抑制双边带调制模式，产生双音泵浦光信号。该双音泵浦光经过掺铒光纤放大器2(6)进行功率补偿后，由光环行器(8)a端口进入，从光环行器(8)b端口输出至高非线性光纤(9)从右向左逆向传输；
步骤4：双音泵浦光在高非线性光纤(9)中传输时，发生受激布里渊散射效应，产生两个窄带布里渊增益谱，当相向传输的相位调制信号光的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(8)b端口，通过光环行器(8)c端口输入光电探测器(10)，由光电探测器(10)拍频完成相位调制到强度调制的转换，产生双频微波信号；
步骤6：由光电探测器拍频产生的双频微波信号，经过电放大器(11)进行放大后输入至电功分器(12)中，电功分器(12)的一个输出端口连接相位调制器(7)的射频输入端口，构成闭合的光电振荡环路；电功分器(12)的另一个端口用于输出光电振荡环路产生双频微波信号。
3.根据权利要求1-2所述的一种基于受激布里渊散射的可调谐双频光电振荡器装置，其特征在于，由受激布里渊散射产生的两个损耗谱的频率位于相位调制器的带宽外。
4.根据权利要求1-3所述的一种基于受激布里渊散射的可调谐双频光电振荡器装置，其特征在于，通过调节加载在DPMZM1及DPMZM2上的射频信号频率可以实现双频信号的频率自由可调谐。
5.根据权利要求1-4所述的一种基于受激布里渊散射的可调谐双频光电振荡器装置，其特征在于，根据布里渊增益谱位于移频光载波的同侧还是异侧，得到的双频信号的频率调谐范围不同，当布里渊增益谱位于移频光载波的同侧，双频信号的频率调谐范围为高非线性光纤的两倍布里渊频移量，当布里渊增益谱位于移频光载波的异侧时，双频信号的频率调谐范围为高非线性光纤的布里渊频移量。
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