CN113644534B - 一种超快沿微波脉冲产生装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种超快沿微波脉冲产生装置及方法。该装置包括：频率综合器、耗散孤子共振锁模光纤激光器、电光调制器和光电探测器，其中，所述频率综合器包括第一输出端和第二输出端，其中第一输出端输出一个微波脉冲信号作为待整形脉冲，与电光调制器的射频输入端连接；第二输出端输出一个同步时钟信号与耗散孤子共振锁模光纤激光器的输入端连接，用于实现时钟同步；耗散孤子共振锁模光纤激光器的输出端输出一个矩形光脉冲作为光载波，之后与电光调制器的光输入端连接，电光调制器将待整形的微波脉冲信号调制到矩形光脉冲载波上，输出端输出一个被调制的矩形光脉冲，之后经光电探测器转换为矩形微波脉冲。

Description

一种超快沿微波脉冲产生装置及方法
技术领域
本发明涉及光电技术领域。更具体地，涉及一种超快沿微波脉冲产生装置及方法。
背景技术
高速脉冲技术是一门研究高速脉冲产生、传输和测量的技术，其作为现代电子技术的基础，具有广泛的应用领域。其中，脉冲边沿呈现越来越陡峭的趋势，具有超快上升时间和下降时间的超快沿脉冲是一个重要的发展方向。
超快沿脉冲广泛应用与无线通讯、高速信号采样、雷达系统等众多领域，随着研究的逐渐深入，关键指标要求越来越高，边沿时间从ns量级向ps量级发展。采用阶跃恢复二极管、隧道二极管以及非线性传输线等传统电学方法对脉冲边沿进行压缩，可以产生上升时间和下降时间极短的脉冲。目前，Tektronix和Keysight等公司生产的脉冲发生器已经可以产生边沿时间小于10ps的脉冲。然而由于电子器件速率的限制，这些超快沿脉冲无法搬移到微波频段，而直接产生的微波脉冲包络的上升时间只能达到ns量级，这严重制约了雷达系统和高功率微波武器等领域的发展。
发明内容
为了解决上述问题中的至少一个，本发明的一个目的在于提供一种超快沿微波脉冲产生装置及方法。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明第一方面提供一种超快沿微波脉冲产生装置，包括：
频率综合器、耗散孤子共振锁模光纤激光器、电光调制器和光电探测器，其中，
所述频率综合器包括第一输出端和第二输出端，其中第一输出端输出一个微波脉冲信号作为待整形脉冲，与电光调制器的射频输入端连接；第二输出端输出一个同步时钟信号与耗散孤子共振锁模光纤激光器的输入端连接，用于实现时钟同步；耗散孤子共振锁模光纤激光器的输出端输出一个矩形光脉冲作为光载波，之后与电光调制器的光输入端连接，电光调制器将待整形的微波脉冲信号调制到矩形光脉冲载波上，输出端输出一个被调制的矩形光脉冲，之后经光电探测器转换为矩形微波脉冲。
在一个具体示例中，所述电光调制器为强度调制器，包含马赫曾德尔调制器或电吸收调制器。
在一个具体示例中，所述耗散孤子共振锁模光纤激光器为非线性放大环形镜锁模光纤激光器、非线性环形镜锁模光纤激光器、非线性偏振旋转锁模光纤激光器或反向可饱和吸收体锁模光纤激光器。
在一个具体示例中，所述耗散孤子共振锁模光纤激光器具有基于压电陶瓷或光延时线的重复频率控制功能，能够在外部信号源控制下产生特定的重复频率。
在一个具体示例中，所述耗散孤子共振锁模光纤激光器通过改变谐振腔结构和泵浦功率产生不同脉冲宽度和峰值功率的耗散孤子共振矩形脉冲。
在一个具体示例中，所述频率综合器产生单载频信号或线性调频信号的微波脉冲。
本发明第二方面提供一种利用本发明第一方面提供的装置产生微波脉冲的方法，包括：
所述频率综合器第一输出端输出一个具有ns量级脉冲边沿和脉冲宽度的微波脉冲信号作为所述待整形脉冲，第二输出端输出一个与该微波脉冲信号同步的同步时钟信号；
所述耗散孤子共振锁模光纤激光器的输出端输出一个脉冲边沿为ps量级的耗散孤子共振矩形光脉冲，所述矩形光脉冲的宽度小于频率综合器第一输出端输出的待整形微波脉冲，且矩形光脉冲的重复频率由同步时钟信号锁定，使其在时间上与待整形微波脉冲一致；
频率综合器第一输出端输出的待整形微波脉冲和耗散孤子共振锁模光纤激光器的输出端输出的矩形光脉冲同时进入电光调制器，由电光调制器将待整形微波脉冲信号调制在矩形光脉冲上；
经过调制的矩形光脉冲最后进入光电探测器中，被还原为矩形微波脉冲信号，产生了脉冲边沿为ps量级的超快沿微波脉冲。
在一个具体示例中，所述脉冲边沿为ps量级的超快沿微波脉冲为脉冲边沿小于20ps超快沿微波脉冲。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的超快沿微波脉冲产生装置利用耗散孤子共振光纤激光器中的非线性效应可以直接产生矩形光脉冲，其脉冲上升和下降时间小于10ps；通过高速电光调制器和光电探测器可以利用矩形光脉冲对微波脉冲进行整形，避免了低速电调制器对脉冲产生装置的限制；通过简单地调节耗散孤子共振光纤激光器的泵浦功率，可以将矩形光脉冲调节到合适地宽度；本方案不需要复杂的外围电路产生超快沿脉冲，通过简单的光电链路可以产生脉冲边沿小于20ps的超快沿微波脉冲。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明提供的超快沿微波脉冲产生装置的结构示意图。
图2示出本发明提供的利用超快沿微波脉冲产生装置产生超快沿微波脉冲的方法的流程图。
图3示出利用提供的利用超快沿微波脉冲产生装置产生超快沿微波脉冲的结构示意图。
图4示出本发明搭建的主动反馈控制激光器重复频率的锁相环系统的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
在现有技术中，微波脉冲的上升和下降时间只能压缩至ns量级，为了进一步获得边沿更窄的超快沿微波脉冲，本发明提出了一种超快沿微波脉冲产生装置，如图1所示，该装置包括频率综合器1、耗散孤子共振锁模光纤激光器2、电光调制器3、光电探测器4。频率综合器1产生一个具有较大脉宽和较慢脉冲边沿的慢沿微波脉冲，同时产生一个同步时钟信号；耗散孤子共振锁模光纤激光器2的重复频率被同步时钟信号锁定，产生一个与慢沿微波脉冲同步的矩形光脉冲；矩形光脉冲在电光调制器3中被慢沿微波脉冲调制，之后通过光电探测器4转换为具有超快脉冲边沿的矩形微波脉冲。
在一个具体示例中，频率综合器1包括第一输出端和第二输出端，其中第一输出端输出一个微波脉冲信号作为待整形脉冲，与电光调制器3的射频输入端连接；第二输出端输出一个同步时钟信号与耗散孤子共振锁模光纤激光器2的输入端连接，用于实现时钟同步；耗散孤子共振锁模光纤激光器2的输出端输出一个矩形光脉冲作为光载波，之后与电光调制器3的光输入端连接，电光调制器3将待整形的微波脉冲信号调制到矩形光脉冲载波上，输出端输出一个被调制的矩形光脉冲，之后经光电探测器4转换为矩形微波脉冲。
在一个具体示例中，所述频率综合器1产生单载频信号、线性调频信号的微波脉冲或其他任意信号形式。
在一个具体示例中，所述耗散孤子共振锁模光纤激光器2为非线性放大环形镜锁模光纤激光器、非线性环形镜锁模光纤激光器、非线性偏振旋转锁模光纤激光器或反向可饱和吸收体锁模光纤激光器。所述耗散孤子共振锁模光纤激光器具有基于压电陶瓷或光延时线的重复频率控制功能，能够在外部信号源控制下产生特定的重复频率。所述耗散孤子共振锁模光纤激光器通过改变谐振腔结构和泵浦功率产生不同脉冲宽度和峰值功率的耗散孤子共振矩形脉冲。
在一个具体示例中，所述电光调制器3为强度调制器，包含马赫曾德尔调制器或电吸收调制器。
本发明另一个实施例提供一种利用上述装置产生超快沿微波脉冲的方法，如图2和图3所示，该方法包括：
步骤S1、所述频率综合器第一输出端输出一个具有ns量级脉冲边沿和脉冲宽度的微波脉冲信号作为所述待整形脉冲，第二输出端输出一个与该微波脉冲信号同步的同步时钟信号
在一个具体示例中，频率综合器1的一个输出端产生一个频率为20GHz，脉冲宽度为25ns，脉冲上升和下降时间为5ns，周期为10μs的单载频微波脉冲作为待整形脉冲。其另一个输出端产生一个100kHz的基准时钟信号。
步骤S2、所述耗散孤子共振锁模光纤激光器的输出端输出一个脉冲边沿为ps量级的耗散孤子共振矩形光脉冲，所述矩形光脉冲的宽度小于频率综合器第一输出端输出的待整形微波脉冲，且矩形光脉冲的重复频率由同步时钟信号锁定，使其在时间上与待整形微波脉冲一致。
在一个具体示例中，耗散孤子共振锁模光纤激光器2使用掺铒光纤作为增益光纤，腔长2km，使用非线性偏振选择技术进行锁模，产生中心波长1550nm，脉冲宽度为10ns的耗散孤子共振矩形光脉冲，脉冲重复频率约为100kHz。
在一个具体示例中，频率综合器1、混频器、光电探测器、耗散孤子共振锁模光纤激光器2、高压放大器、PID控制器和低通滤波器通过搭建如图4所示的主动反馈控制激光器重复频率的锁相环系统，可以将激光器产生的光脉冲与待整形微波脉冲在时域上对齐，其原理如下：锁模激光器耦合出一部分光进入光电探测器，提取出重复频率，与频率综合器产生的100kHz时钟信号进行混频，再通过低通滤波器滤除和频信号，得到差频信号；差频信号进入比例积分微分PID控制器后将输出的误差电压送入高压放大器放大10倍后再施加到压电陶瓷PZT上，而PZT的伸缩量随电压值线性变化；PZT在光纤形成的激光器腔中无法直接改变腔长，借助平移台，PZT驱动平移台移动，并且将激光器腔内光纤绕在平移台上，从而实现PZT的伸缩引起腔长的变化来调节激光器重复频率，形成了重复频率和基准时钟信号的闭环电路。当激光器的重复频率和基准时钟频率一致时，误差电压变为一个直流量，PZT状态稳定，激光器的重复频率稳定在基准时钟频率上。
步骤S3、频率综合器第一输出端输出的待整形微波脉冲和耗散孤子共振锁模光纤激光器的输出端输出的矩形光脉冲同时进入电光调制器，由电光调制器将待整形微波脉冲信号调制在矩形光脉冲上。
在一个具体示例中，频率综合器1产生的待整形微波脉冲和耗散孤子共振锁模光纤激光器2产生的矩形光脉冲同时进入电光调制器3。电光调制器3为带宽为50GHz的LiNbO3强度调制器，由其将微波脉冲信号调制在矩形光脉冲上；由于矩形光脉冲宽度为10ns，小于待整形微波脉冲的宽度，因此微波脉冲在时域上只有中间部分的信号成功调制到光载波上，其脉冲边沿部分的信号丢失，即矩形光脉冲对微波脉冲进行了切割，形成一个含有微波调制信号的10ns矩形光脉冲。
步骤S4、经过调制的矩形光脉冲最后进入光电探测器中，被还原为矩形微波脉冲信号，产生了脉冲边沿为ps量级的超快沿微波脉冲。
在一个具体示例中，经过调制的矩形光脉冲最后进入光电探测器4中。光电探测器4为带宽50GHz的InGaAs高速光电探测器，矩形光脉冲经其还原为矩形微波脉冲信号，微波脉冲的上升时间和下降时间仅受限于光电探测器4的响应时间，对于50GHz的InGaAs高速光电探测器来说，可以产生脉冲边沿小于20ps的超快沿微波脉冲。
本发明提供的超快沿微波脉冲产生装置及方法，利用耗散孤子共振光纤激光器中的非线性效应可以直接产生矩形光脉冲，其脉冲上升和下降时间小于10ps；通过高速电光调制器可以将矩形光脉冲搬移到微波频段，避免了低速电调制器对脉冲产生装置的限制；通过简单地调节耗散孤子共振光纤激光器的泵浦功率，可以将矩形光脉冲调节到合适地宽度；本方案不需要复杂的外围电路产生超快沿脉冲，通过简单的光电链路可以产生脉冲边沿小于20ps的超快沿微波脉冲。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种超快沿微波脉冲产生装置，其特征在于，包括：
频率综合器、耗散孤子共振锁模光纤激光器、电光调制器和光电探测器，其中，
所述频率综合器包括第一输出端和第二输出端，其中第一输出端输出一个微波脉冲信号作为待整形脉冲，与电光调制器的射频输入端连接；第二输出端输出一个同步时钟信号与耗散孤子共振锁模光纤激光器的输入端连接，用于实现时钟同步；耗散孤子共振锁模光纤激光器的输出端输出一个矩形光脉冲作为光载波，之后与电光调制器的光输入端连接，电光调制器将待整形的微波脉冲信号调制到矩形光脉冲载波上，输出端输出一个被调制的矩形光脉冲，之后经光电探测器转换为矩形微波脉冲。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电光调制器为强度调制器，包含马赫曾德尔调制器或电吸收调制器。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述耗散孤子共振锁模光纤激光器为非线性放大环形镜锁模光纤激光器、非线性环形镜锁模光纤激光器、非线性偏振旋转锁模光纤激光器或反向可饱和吸收体锁模光纤激光器。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述耗散孤子共振锁模光纤激光器具有基于压电陶瓷或光延时线的重复频率控制功能，能够在外部信号源控制下产生特定的重复频率。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述耗散孤子共振锁模光纤激光器通过改变谐振腔结构和泵浦功率产生不同脉冲宽度和峰值功率的耗散孤子共振矩形脉冲。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述频率综合器产生单载频信号或线性调频信号的微波脉冲。
7.一种利用权利要求1-6中任一项所述的装置产生超快沿微波脉冲的方法，其特征在于，包括：
所述频率综合器第一输出端输出一个具有ns量级脉冲边沿和脉冲宽度的微波脉冲信号作为所述待整形脉冲，第二输出端输出一个与该微波脉冲信号同步的同步时钟信号；
所述耗散孤子共振锁模光纤激光器的输出端输出一个脉冲边沿为ps量级的耗散孤子共振矩形光脉冲，所述矩形光脉冲的宽度小于频率综合器第一输出端输出的待整形微波脉冲，且矩形光脉冲的重复频率由同步时钟信号锁定，使其在时间上与待整形微波脉冲一致；
频率综合器第一输出端输出的待整形微波脉冲和耗散孤子共振锁模光纤激光器的输出端输出的矩形光脉冲同时进入电光调制器，由电光调制器将待整形微波脉冲信号调制在矩形光脉冲上；
经过调制的矩形光脉冲最后进入光电探测器中，被还原为矩形微波脉冲信号，产生了脉冲边沿为ps量级的超快沿微波脉冲。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述脉冲边沿为ps量级的超快沿微波脉冲为脉冲边沿小于20ps超快沿微波脉冲。
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