CN114374134B - 一种16倍频无锁相双激光源多波段稳频信号发生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种16倍频无锁相双激光源多波段稳频信号发生装置，该装置包括：激光器本振源同步控制器、波长可调谐的第一激光器和第二激光器、频率可调谐的本振源、第一IQ调制器、电移相器、第二IQ调制器、第二端口内置光栅的环形器、第一光电探测器、电带通滤波器、强度调制器、色散补偿器和第二光电探测器。本发明的16倍频无锁相双激光源多波段稳频信号发生装置，可利用双光源外部调制倍频结构实现倍频因子为16、不受非相干光源相位噪声的影响、频率可跨波段调谐且功率能够自发增强的射频信号生成，特别适用于移动通信、雷达测量、车船防撞、地形测绘、射频天文、卫星广播等领域。
Description
技术领域
本发明涉及微波光子学技术领域，特别涉及一种16倍频无锁相双激光源多波段稳频信号发生装置。
背景技术
微波光子学将光学技术与微波技术相融合，在光学领域实现微波、毫米波甚至太赫兹信号稳定生成、远距传输、精准处理，有效地克服传统射频系统电子瓶颈的同时，提高了系统实用性能和适用范围。光载无线通信技术(Radio over Fiber，RoF)是微波光子学在宽带无线传输应用的具体表现形式，其融合了光纤通信与无线通信的优点，作为实现远距离通信和无线接入的重要手段，已在分布式雷达、5G移动通信、宽带多媒体交互等军用/民用领域产生了重要应用价值。
对于RoF传输系统而言，基于光学方法产生较为理想的射频信号对于改善整个RoF传输系统的性能起着决定性的作用，与此同时，所产生的射频信号频率可调谐范围直接决定了整个RoF传输系统的适用范围。为了兼顾两者，往往采用单光源外部调制倍频结构，通过激发高阶光边带进而拍频实现频率稳定且具备调谐特性的射频信号生成，例如中国专利CN202110694481.0，CN202010838087.5，CN201911260928.2，CN202110224443.9，CN201310169851.4以及文献“Filterless frequency 16-tupling millimeter-wavesignal generation with cascaded Mach–Zehnder modulators.Optical Engineering,2021.60(1):p.015101”，“Photonic Generation of Frequency 16-Tupling Millimeter-Wave Signal without Optical Filter.Journal of Applied Mathematics andPhysics,2021.9:p.2995-3005”，“Large Tunable 16-Tupled Millimeter WaveGeneration Utilizing Optical Carrier Suppression With a Tunable SidebandSuppression Ratio.Frontiers in Physics,2021.9”，“Filterless 16-tuplingphotonic millimeter-wave generation with Mach–Zehnder modulators usingremodulation.Applied Optics,2020.59(20):p.6018-6023”，“Filterless 16-TupledOptical Millimeter-Wave Generation Using Cascaded Parallel Mach-ZehnderModulators with Extinction Ratio Tolerance.Progress In ElectromagneticsResearch Letters,2020.91:p.129-135”，“A novel filterless scheme for 16-tupledfrequency millimeter-wave generation based on only two MZMs(17thInternational Conference on Optical Communications and Networks(ICOCN2018)).SPIE,2019,11048.”，“Frequency 16Tupling Technique with the use of FourParallel Polarization Modulators,in 2019International Conference on WirelessCommunications Signal Processing and Networking(WiSPNET),2019,p.282-286”，“Photonic generation of frequency 16-tupling Millimeter wave signal usingpolarization property without an optical filter.Optik,2019.184:p.348-355.”，“Optical generation of millimeter-wave signals via frequency 16-tuplingwithout an optical filter.Optics Communications,2015.354:p.40-47.”，“Anoptical millimeter-wave generation scheme based on two parallel dual-parallelMach–Zehnder modulators and polarization multiplexing.Journal of ModernOptics,2015.62(18):p.1502-1509”，“A Filterless Optical Millimeter-WaveGeneration based on Frequency 16-tupling,in Asia Communications and PhotonicsConference2013,Beijing,p.AF3B.4”均采用这种结构实现了16倍频射频信号生成。
然而，采用单光源外部调制倍频结构获取射频信号无法回避因采用单一光载波激发高阶光边带导致的能量大幅损失问题，所生成的射频信号功率往往不高，一般需要配合光放大器件以提升最终射频信号功率。为此，中国专利CN201310142262.7以及文献“D-bandmillimeter-wave generator based on afrequency 16-tupling feed-forwardmodulation technique.Optical Engineering,2013.52(7):p.076104”提出了基于双光源外部调制倍频结构的16倍频射频信号生成方法，双载波的使用可有效改善所生成射频信号功率不高的问题并且在这种方法下所生成射频信号频率稳定且不受非相干光源相位噪声的影响。令人遗憾的是，基于双光源外部调制倍频结构的频射频信号生成方法采用二次调制结构且存在内置滤波器件，器件有限的带宽与响应频率会限制所生成射频信号的频率调谐特性，进而降低整个系统的灵活性和适用范围。
因此，如果能够在双光源外部调制倍频结构下获得较高倍频因子、不受非相干光源相位噪声的影响、频率可跨波段调谐且功率能够自发增强的射频信号，则将能够同时解决上述两种结构所存在问题。
发明内容
本发明提供了一种16倍频无锁相双激光源多波段稳频信号发生装置，以解决在RoF系统中，采用单光源外部调制倍频结构实现射频信号生成由于使用单一光载波激发高阶光边带导致能量大幅损失，所生成的射频信号功率往往不高，一般需要配合光放大器件以提升最终射频信号功率；采用双光源外部调制倍频结构实现射频信号生成由于使用二次调制结构且存在内置滤波器件，器件有限的带宽与响应频率会限制所生成射频信号的频率调谐特性，进而降低整个系统的灵活性和适用范围的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
一种16倍频无锁相双激光源多波段稳频信号发生装置，包括：激光器本振源同步控制器、波长可调谐的第一激光器和第二激光器、频率可调谐的本振源、第一IQ调制器、电移相器、第二IQ调制器、第二端口内置光栅的环形器、第一光电探测器、电带通滤波器、强度调制器、色散补偿器以及第二光电探测器；
所述激光器本振源同步控制器的三个控制端口分别与所述第一激光器的波长调节端口、第二激光器的波长调节端口及本振源的频率调谐端口连接；所述第一激光器和第二激光器的输出端连接所述第一IQ调制器的光输入端；所述本振源的输出端分别连接所述第一IQ调制器的电输入端和电移相器的输入端；所述第一IQ调制器的输出端连接所述第二IQ调制器的光输入端；所述电移相器的输出端连接所述第二IQ调制器的电输入端，所述第二IQ调制器的输出端连接所述环形器的第一端口，所述环形器8的第二端口连接所述强度调制器的光输入端，所述环形器的第三端口连接所述第一光电探测器的输入端；所述第一光电探测器的输出端连接所述电带通滤波器的输入端，所述电带通滤波器的输出端连接所述强度调制器的电输入端，所述强度调制器的输出端连接所述色散补偿器的输入端，所述色散补偿器的输出端连接所述第二光电探测器的输入端。
进一步地，初始状态下所述第一激光器与所述第二激光器输出光载波波长间隔乘以125减去8倍所述本振源输出驱动信号频率大于所述第一光电探测器的最低可探测频率，同时大于所述强度调制器的最低可响应驱动信号频率，同时小于所述环形器的光栅带宽，同时小于所述电带通滤波器的带宽。
进一步地，所述第一IQ调制器与所述第二IQ调制器的结构相同，均为在马赫曾德尔调制器的平行上下臂分别集成一个马赫曾德尔调制器。
进一步地，所述第一IQ调制器集成于上下两臂的马赫曾德尔调制器偏置于最大传输点的同时被集成的马赫曾德尔调制器偏执于最小传输点；
所述第二IQ调制器集成于上下两臂的马赫曾德尔调制器偏置于最大传输点的同时被集成的马赫曾德尔调制器偏执于最小传输点。
进一步地，所述本振源用于向所述第一IQ调制器和所述第二IQ调制器提供射频驱动信号；其中，所述第一IQ调制器集成于上下两臂的马赫曾德尔调制器射频驱动信号相位差为π/2；所述第二IQ调制器集成于上下两臂的马赫曾德尔调制器射频驱动信号相位差为π/2。
进一步地，所述电移相器提供相位偏移为π/4。
进一步地，当所述激光器本振源同步控制器控制所述第一激光器与所述第二激光器的输出光载波波长间隔与所述本振源输出驱动信号频率，按照所述输出光载波波长间隔变化量等于8乘以输出所述驱动信号频率变化量除以125的变化规则进行变化时，所述第二光电探测器输出信号频率变化量等于16乘以所述本振源输出驱动信号频率变化量，在所述变化规则基础上不断提升所述本振源输出驱动信号频率，即可实现所述第二光电探测器输出信号频率跨波段调谐。
进一步地，所述色散补偿器用于控制所述第二光电探测器输入端光信号所含两对等间隔相干光边带的相位，进而控制两对等间隔相干光边带光电转换后所生成的同频信号叠加过程，从而实现对生成信号功率的调谐与自发增强。
本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本发明的双激光源多波段稳频信号发生装置可利用双光源外部调制倍频结构实现倍频因子为16、不受非相干光源相位噪声的影响、频率可跨波段调谐且功率能够自发增强的射频信号生成，解决了在RoF系统中，采用单光源外部调制倍频结构实现射频信号生成由于使用单一光载波激发高阶光边带导致能量大幅损失，生成的射频信号功率往往不高，一般需要配合光放大器件以提升最终射频信号功率；采用双光源外部调制倍频结构实现射频信号生成由于使用二次调制结构且存在内置滤波器件，器件有限的带宽与响应频率会限制所生成射频信号的频率调谐特性，进而降低整个系统的灵活性和适用范围的问题。特别适用于移动通信、雷达测量、车船防撞、地形测绘、射频天文、卫星广播等领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的16倍频无锁相双激光源多波段稳频信号发生装置的结构示意图。
附图标记说明：
1、激光器本振源同步控制器；2、第一激光器；3、第二激光器；
4、本振源；5、第一IQ调制器；6、电移相器；7、第二IQ调制器；
8、环形器；9、第一光电探测器；10、电带通滤波器；
11、强度调制器；12、色散补偿器；13、第二光电探测器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
第一实施例
本实施例提供了一种16倍频无锁相双激光源多波段稳频信号发生装置，如图1所示，该16倍频无锁相双激光源多波段稳频信号发生装置包括：激光器本振源同步控制器1、波长可调谐的第一激光器2、波长可调谐的第二激光器3、频率可调谐的本振源4、第一IQ调制器5、电移相器6、第二IQ调制器7、第二端口内置光栅的环形器8、第一光电探测器9、电带通滤波器10、强度调制器11、色散补偿器12以及第二光电探测器13；其中，
上述各元器件的连接方式为：所述激光器本振源同步控制器1的三个控制端口分别与所述第一激光器2的波长调节端口、第二激光器3的波长调节端口、本振源4的频率调谐端口连接；所述第一激光器2和第二激光器3的输出端连接所述第一IQ调制器5的光输入端；所述本振源4的输出端分别连接所述第一IQ调制器5的电输入端和电移相器6的输入端；所述第一IQ调制器5的输出端连接所述第二IQ调制器7的光输入端；所述电移相器6的输出端连接所述第二IQ调制器7的电输入端，所述第二IQ调制器7的输出端连接所述环形器8的第一端口，所述环形器8的第二端口连接所述强度调制器11的光输入端，所述环形器8的第三端口连接所述第一光电探测器9的输入端；所述第一光电探测器9的输出端连接所述电带通滤波器10的输入端，所述电带通滤波器10的输出端连接强度调制器11的电输入端，所述强度调制器11的输出端连接色散补偿器12的输入端，所述色散补偿器12的输出端连接第二光电探测器13的输入端。
上述各元器件之间参数配置关系为：初始状态下所述第一激光器2与所述第二激光器3输出光载波波长间隔乘以125减去8倍所述本振源4输出驱动信号频率应大于所述第一光电探测器9的最低可探测频率，同时应大于所述强度调制器11的最低可响应驱动信号频率，同时应小于所述环形器8的光栅带宽，同时应小于所述电带通滤波器10的带宽。所述第一IQ调制器5与所述第二IQ调制器7的结构相同，即在马赫曾德尔调制器的平行上下臂分别集成一个马赫曾德尔调制器。所述第一IQ调制器5集成于上下两臂的马赫曾德尔调制器偏置于最大传输点的同时被集成的马赫曾德尔调制器偏执于最小传输点；所述第二IQ调制器7的参数设置与所述第一IQ调制器5相同。所述本振源4用于向所述第一IQ调制器5和所述第二IQ调制器7提供射频驱动信号；其中，所述第一IQ调制器5集成于上下两臂的马赫曾德尔调制器射频驱动信号相位差为π/2；所述第二IQ调制器7集成于上下两臂的马赫曾德尔调制器射频驱动信号相位差为π/2。所述电移相器6提供相位偏移为π/4。
通过本实施例的装置生成信号频率跨波段调谐方法为：所述激光器本振源同步控制器1控制所述第一激光器2与所述第二激光器3的输出光载波波长间隔与所述本振源4输出驱动信号频率，按照所述输出光载波波长间隔变化量等于8乘以输出所述驱动信号频率变化量/125的规则变化时，所述第二光电探测器13输出信号频率变化量等于16乘以所述本振源4输出驱动信号频率变化量，在变化规则基础上不断提升所述本振源4输出驱动信号频率，即可实现所述第二光电探测器13输出信号频率跨波段调谐。
通过该装置在不改变光源与本振源输入功率的情况下生成信号功率调谐与自发增强方法为：利用所述色散补偿器12控制第二光电探测器13输入端光信号所含两对等间隔相干光边带的相位，进而控制两对等间隔相干光边带光电转换后所生成的同频信号叠加过程，从而实现对生成信号功率的调谐与自发增强。
具体地，本实施例中本振源4的输出频率范围为0-5GHz，初始输出频率为4GHz。第一激光器2的初始中心波长为1550nm，第二激光器3的初始中心波长为1550.32nm，初始状态下第一激光器2与第二激光器3输出光载波波长间隔乘以125减去8倍本振源4输出驱动信号频率为8GHz。电移相器6提供相位偏移为π/4，环形器8内置光栅带宽10GHz，第一光电探测器9正常响应范围0-10GHz，电带通滤波器10带宽10GHz，强度调制器11正常响应范围0-10GHz，第二光电探测器13正常响应范围0-90GHz。经过图1所示两次调制过程后，在初始状态下第二光电探测器13可得到64GHz毫米波信号且该信号不受非相干光源相位噪声的影响频率稳定。
基于上述，通过激光器本振源同步控制器1控制第一激光器2与第二激光器3输出光载波波长间隔与本振源4输出驱动信号频率按照输出光载波波长间隔变化量等于8乘以输出驱动信号频率变化量/125的规则变化，调节本振源4的输出频率在0-5GHz区间内变化，则可实现第二光电探测器13输出信号频率在0-80GHz区间跨微波、毫米波波段调谐。利用色散补偿器12控制第二光电探测器13输入端光信号所含两对等间隔相干光边带的相位进而控制两对等间隔相干光边带光电转换后所生成的同频信号叠加过程可实现第二光电探测器13输出信号功率在至多2倍于初始状态下第二光电探测器13生成信号功率内变化。
第二实施例
本实施例提供了一种16倍频无锁相双激光源多波段稳频信号发生装置，其元器件组成及连接关系与第一实施例中的装置相同，区别在于：本实施例中本振源4输出频率范围为10-20GHz，初始输出频率为10GHz。第一激光器2初始中心波长为1549nm，第二激光器3初始中心波长为1549.8nm，初始状态下第一激光器2与第二激光器3输出光载波波长间隔乘以125减去8倍本振源4输出驱动信号频率为20GHz。电移相器6提供相位偏移为π/4，环形器8内置光栅带宽25GHz，第一光电探测器9正常响应范围0-25GHz，电带通滤波器10带宽25GHz，强度调制器11正常响应范围0-25GHz，第二光电探测器13正常响应范围160-320GHz。经图1所示两次调制过程后，在初始状态下第二光电探测器13可得到160GHz毫米波信号且该信号不受非相干光源相位噪声的影响频率稳定。
通过激光器本振源同步控制器1控制第一激光器2与第二激光器3输出光载波波长间隔与本振源4输出驱动信号频率按照输出光载波波长间隔变化量等于8乘以输出驱动信号频率变化量/125的规则变化，调节本振源4的输出频率在10-20GHz区间内变化，则可实现第二光电探测器13输出信号频率在160-320GHz区间跨毫米波、太赫兹波段调谐。利用色散补偿器12控制第二光电探测器13输入端光信号所含两对等间隔相干光边带的相位进而控制两对等间隔相干光边带光电转换后所生成的同频信号叠加过程可实现第二光电探测器13输出信号功率在至多2倍于初始状态下第二光电探测器13生成信号功率内变化。
第三实施例
本实施例提供了一种16倍频无锁相双激光源多波段稳频信号发生装置，其元器件组成及连接关系与第一实施例中的装置相同，区别在于：本实施例中本振源4的输出频率范围为0-20GHz，初始输出频率为15GHz。第一激光器2的初始中心波长为1551nm，第二激光器3的初始中心波长为1552nm，初始状态下第一激光器2与第二激光器3输出光载波波长间隔乘以125减去8倍本振源4输出驱动信号频率为5GHz。电移相器6提供相位偏移为π/4，环形器8内置光栅带宽8GHz，第一光电探测器9正常响应范围0-8GHz，电带通滤波器10带宽8GHz，强度调制器11正常响应范围0-8GHz，第二光电探测器13正常响应范围0-320GHz。经过图1所示两次调制过程后，在初始状态下第二光电探测器13可得到240GHz毫米波信号且该信号不受非相干光源相位噪声的影响频率稳定。
通过激光器本振源同步控制器1控制第一激光器2与第二激光器3输出光载波波长间隔与本振源4输出驱动信号频率按照输出光载波波长间隔变化量等于8乘以输出驱动信号频率变化量/125的规则变化，调节本振源4的输出频率在0-20GHz区间内变化，则可实现第二光电探测器13输出信号频率在0-320GHz区间跨微波、毫米波、太赫兹波段调谐。利用色散补偿器12控制第二光电探测器13输入端光信号所含两对等间隔相干光边带的相位进而控制两对等间隔相干光边带光电转换后所生成的同频信号叠加过程可实现第二光电探测器13输出信号功率在至多2倍于初始状态下第二光电探测器13生成信号功率内变化。
综上，本发明的双激光源多波段稳频信号发生装置可利用双光源外部调制倍频结构实现倍频因子为16、不受非相干光源相位噪声的影响、频率可跨波段调谐且功率能够自发增强的射频信号生成，解决了在RoF系统中，采用单光源外部调制倍频结构实现射频信号生成由于使用单一光载波激发高阶光边带导致能量大幅损失，生成的射频信号功率往往不高，一般需要配合光放大器件以提升最终射频信号功率；采用双光源外部调制倍频结构实现射频信号生成由于使用二次调制结构且存在内置滤波器件，器件有限的带宽与响应频率会限制所生成射频信号的频率调谐特性，进而降低整个系统灵活性和适用范围的问题。特别适用于移动通信、雷达测量、车船防撞、地形测绘、射频天文、卫星广播等领域。
此外，需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
Claims (3)
1.一种16倍频无锁相双激光源多波段稳频信号发生装置，其特征在于，所述16倍频无锁相双激光源多波段稳频信号发生装置包括：激光器本振源同步控制器、波长可调谐的第一激光器和第二激光器、频率可调谐的本振源、第一IQ调制器、电移相器、第二IQ调制器、第二端口内置光栅的环形器、第一光电探测器、电带通滤波器、强度调制器、色散补偿器以及第二光电探测器；其中，
所述激光器本振源同步控制器的三个控制端口分别与所述第一激光器的波长调节端口、第二激光器的波长调节端口及本振源的频率调谐端口连接；所述第一激光器和第二激光器的输出端连接所述第一IQ调制器的光输入端；所述本振源的输出端分别连接所述第一IQ调制器的电输入端和电移相器的输入端；所述第一IQ调制器的输出端连接所述第二IQ调制器的光输入端；所述电移相器的输出端连接所述第二IQ调制器的电输入端，所述第二IQ调制器的输出端连接所述环形器的第一端口，所述环形器(8)的第二端口连接所述强度调制器的光输入端，所述环形器的第三端口连接所述第一光电探测器的输入端；所述第一光电探测器的输出端连接所述电带通滤波器的输入端，所述电带通滤波器的输出端连接所述强度调制器的电输入端，所述强度调制器的输出端连接所述色散补偿器的输入端，所述色散补偿器的输出端连接所述第二光电探测器的输入端；
初始状态下所述第一激光器与所述第二激光器输出光载波波长间隔乘以125减去8倍所述本振源输出驱动信号频率大于所述第一光电探测器的最低可探测频率，同时大于所述强度调制器的最低可响应驱动信号频率，同时小于所述环形器的光栅带宽，同时小于所述电带通滤波器的带宽；
所述第一IQ调制器与所述第二IQ调制器的结构相同，均为在马赫曾德尔调制器的平行上下臂分别集成一个马赫曾德尔调制器；
所述第一IQ调制器集成于上下两臂的马赫曾德尔调制器偏置于最大传输点的同时被集成的马赫曾德尔调制器偏执于最小传输点；
所述第二IQ调制器集成于上下两臂的马赫曾德尔调制器偏置于最大传输点的同时被集成的马赫曾德尔调制器偏执于最小传输点；
所述本振源用于向所述第一IQ调制器和所述第二IQ调制器提供射频驱动信号；其中，所述第一IQ调制器集成于上下两臂的马赫曾德尔调制器射频驱动信号相位差为π/2；所述第二IQ调制器集成于上下两臂的马赫曾德尔调制器射频驱动信号相位差为π/2；
所述电移相器提供相位偏移为π/4。
2.如权利要求1所述的16倍频无锁相双激光源多波段稳频信号发生装置，其特征在于，当所述激光器本振源同步控制器控制所述第一激光器与所述第二激光器的输出光载波波长间隔与所述本振源输出驱动信号频率，按照所述输出光载波波长间隔变化量等于8乘以输出所述驱动信号频率变化量除以125的变化规则进行变化时，所述第二光电探测器输出信号频率变化量等于16乘以所述本振源输出驱动信号频率变化量，在所述变化规则基础上不断提升所述本振源输出驱动信号频率，即可实现所述第二光电探测器输出信号频率跨波段调谐。
3.如权利要求1所述的16倍频无锁相双激光源多波段稳频信号发生装置，其特征在于，所述色散补偿器用于控制所述第二光电探测器输入端光信号所含两对等间隔相干光边带的相位，进而控制两对等间隔相干光边带光电转换后所生成的同频信号叠加过程，从而实现对生成信号功率的调谐与自发增强。
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