CN114583534A - 一种全波段、多维度可调谐的全光纤体制微波信号产生方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全波段、多维度可调谐的全光纤体制微波信号产生方法。可调谐光路实现在数百GHz范围内连续的宽带光频梳，与本振光合束后进行光电转换，产生全波段覆盖的微波信号。突破当前电光调制器件带宽不够的限制，为全波段微波信号发射应用领域提供光源支撑。通过压电陶瓷器件(PZT)实现激光中心波长的快速调节，不包括空间器件及大量的电学器件，有利于实现系统的小型化和便携化。所有器件可以拆卸维护，具有调整方便，功率监测，结构紧凑，使用方便灵活的特点。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，涉及一种全波段、多维度可调谐的全光纤体制微波信号产生方法
背景技术
传统雷达以电子为载体实现信号的产生与处理，因电子器件的带宽限制，再分辨率与数理速度上存在提升瓶颈。而微波光子雷达以光子为信息载体，能够更好、更快的产生与处理宽带雷达信号。同时，微波光子学作为融合了微波射频技术和光电子技术的新兴交叉学科，广泛应用于通信、传感、生物、医学、航空航天、军事和安全等领域。尤其是随着电子信息系统向宽带化、阵列化和小型化不断发展，微波光子技术被认为是解决信息系统面临的速率和带宽瓶颈的关键技术之一，其不仅具有微波射频技术泛在与灵活的优点，而且具有光子技术宽带与高速的优点。
高质量光源是微波光子系统的重要组成部分，在微波光子研究领域起到重要作用。光频率梳是一种具有多波长，且相邻波长间隔相等的梳状谱激光光源。在频域上光频梳光源具有大量丰富的频谱分量，在微波光子领域可用于任意波形产生、滤波器设计、宽带信号产生等技术领域，已成为微波光子领域的一个重要研究方向。
现代雷达系统为实现不同功能，需要在不同工作频段上进行切换，以实现目标搜索、电子对抗等功能。目前产生宽带微波信号的方法有基于电光调制器对连续激光分成两束，一束通过调制产生多级边带，另一束通过单边带调制产生本振光，两束光通过拍频的方式产生宽带微波信号。但是这种方法受限于调制器与射频源的带宽及加载在调制器上的射频信号功率。目前商用的调制器与射频源带宽均小于100GHz，若想产生多级边带需要在调制器上加载高射频功率，增加了系统的复杂性，整体协调性及稳定性不足。使用两束单频激光器拍频的方式也可以产生宽带微波信号，但是用这种方法两束激光的相位不锁定，产生的微波信号相位噪声较大，无法满足实际应用需求。若扩大带宽需要使用不同波长的激光源，使得系统可调谐性较差。
发明内容
针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种全波段、多维度可调谐的全光纤体制微波信号产生方法，不包含空间器件及大量的电学器件，实现微波光子雷达中微波信号的全波段覆盖及激光中心波长的快速调节。其结构简单,可重构性、稳定性、可调谐性高。
本发明公开了一种全波段、多维度可调谐的全光纤体制微波信号产生方法。通过压电陶瓷器件(PZT)实现激光中心波长的快速调节，两路光频梳共用同一束单频窄线宽激光作为信号光，兼顾双光频率梳的相干性。在可调谐光路中控制电光调制器的工作点使得其工作在线性调制区，对电光调制器产生的线性啁啾进行精确补偿及对系统色散进行精确设计，并借助孤子压缩及时域滤波技术对激光脉冲进行多级压缩，最终泵入色散平坦高非线性光纤中实现在数百GHz范围内连续可调的宽带光频梳，与本振光合束后进行光电转换，产生全波段覆盖的微波信号。
本发明的多维度可调谐全波段微波光子雷达光源，包括：
单频光纤激光器，用于产生单频保偏激光，激光中心波长通过压电陶瓷器件(PZT)实现调谐；
光纤耦合器，用于将激光分成两束；
第一马赫曾德尔强度调制器，用于对连续的信号光进行调制，在频谱上产生多级边带；
第二马赫曾德尔强度调制器，用于对上级调制产生的光进行进一步调制，产生更多的次级边带；
相位调制器，用于对上级调制器调制后的信号光进行进一步调制，引入线性啁啾，产生更多的次级边带；
任意波形发生器，用于对调制器提供任意波形的载波；
第一射频功率放大器，用于对提供给第一马赫曾德尔强度调制器的载波进行放大，以满足调制器的工作电压；
第二射频功率放大器，用于对提供给二马赫曾德尔强度调制器的载波进行放大，以满足调制器的工作电压；
第三射频功率放大器，用于对提供给相位调制器的载波进行放大，以满足调制器的工作电压；
移相器，用于对相位调制器上加载的载波进行相位延迟，以满足被调制的信号光中不同边带之间的相位关系；
射频倍频器，用于将加载在相位调制器上的载波进行倍频，以增加被调制的信号光的边带数量；
保偏掺铒光纤放大器，用于将调制后的信号光进行功率的预放大；
保偏铒镱共掺光纤放大器，用于将预防大后的信号光进行功率上的放大；
带通滤波器，用于对放大后的信号光进行滤波，滤除信号光之中由于光放大产生的自发辐射噪声；
压缩光纤，用于对放大后的信号光进行色散补偿，压缩时域脉宽；
增益平坦高非线性光纤，用于对压缩后的脉冲进行光谱上的展宽；
可编程滤波器，用于选择输出激光的波长及频率；
第三马赫曾德尔调制器，用于调制信号光，产生本振信号光；
可编程偏压控制器，用于对第三马赫曾德尔调制器的偏置电压进行控制，确保第三马赫曾德尔调制器工作在单边带调制条件下；
双通道直流电压源，用于对调制器提供直流电压，满足所需要的调制器偏置电压工作点；
宽带光纤耦合器，用于将本振光与调制光进行光路上的耦合；
光电二极管，用于将耦合后的激光进行光电转换，将光信号转换为电信号，得到所需频率的微波信号；
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明可以实现在数百GHz范围内连续可调的宽带光频梳，突破当前电光调制器件带宽不够的限制，为全波段微波信号发射应用领域提供光源支撑。微波信号可从L波段覆盖至毫米波波段(1-300GHz)。所有器件可以拆卸维护，具有调整方便，可重构性高，结构紧凑，使用方便灵活的特点。
附图说明
图1为本发明多维度可调谐全波段微波光子雷达光源结构示意图
其中：1：单频光纤激光器；2：光纤耦合器；3：第一马赫曾德尔强度调制器；4：第二马赫曾德尔强度调制器；5：相位调制器；6：任意波形发生器；7：第一射频功率放大器；8：第二射频功率放大器；9：第三射频功率放大器；10：移相器；11：射频倍频器；12：保偏掺铒光纤放大器；13：保偏铒镱共掺光纤放大器；14：带通滤波器；15:压缩光纤；16：增益平坦高非线性光纤；17：可编程滤波器；18：第三马赫曾德尔调制器；19：第四射频功率放大器；20：可编程偏压控制器；21：双通道直流电压源；22：宽带光纤耦合器；23：光电二极管。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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的一部分实施例，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的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。
针对现有微波光子雷达系统中一台微波信号源无法实现全波段覆盖的问题。本发明使用级联电光调制器产生多梳齿的平坦光频梳，并使用光学放大器将光学信号进行放大后，使用压缩光纤对时域脉冲进行压缩并最终使用高非线性光纤对光频梳频谱展宽，以实现在数百GHz范围内连续可调的宽带光频梳，与本振光合束后进行光电转换，产生全波段覆盖的微波信号。突破当前电光调制器件带宽不够的限制，为全波段微波信号发射应用领域提供光源支撑。
本发明提供一种多维度可调谐全波段微波光子雷达光源，包括：单频光纤激光器；光纤耦合器；第一马赫曾德尔强度调制器；第二马赫曾德尔强度调制器；相位调制器；任意波形发生器；第一射频功率放大器；第二射频功率放大器；第三射频功率放大器；移相器；射频倍频器；保偏掺铒光纤放大器；保偏铒镱共掺光纤放大器；带通滤波器；压缩光纤；增益平坦高非线性光纤；可编程滤波器；第三马赫曾德尔调制器；第四射频功率放大器；可编程偏压控制器；双通道直流电压源；宽带光纤耦合器；光电二极管。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
单频光纤激光器(1)经光纤耦合器(2)分为两路，分别进入第一马赫曾德尔强度调制器(3)与第三马赫曾德尔强度调制器(18)。经第一马赫曾德尔强度调制器(2)调制后的光依次进入第二马赫曾德尔强度调制器(4)与相位调制器(5)。任意波形发生器(6)通过第一射频功率放大器(7)连接第一马赫曾德尔强度调制器，为其提供射频信号；任意波形发生器(6)通过第二射频功率放大器(8)连接第二马赫曾德尔强度调制器，为其提供射频信号；任意波形发生器(6)通过射频倍增器(11)依次连接移相器(10)第三射频功率放大器(9)连接相位调制器，为其提供射频信号。保偏掺铒光纤放大器(12)对经相位调制器(5)调制后的激光放大，并进入下级保偏铒镱共掺光纤放大器(13)中进一步放大。带通滤波器(14)对放大后的激光进行自发辐射噪声的滤除，激光随后进入到压缩光纤(15)中进行脉冲的压缩。激光进入到下级的增益平坦高非线性光纤(16)中进行频谱的展宽，实现百GHz的光频梳产生。使用可编程滤波器(17)对展宽后的激光进行频率的选择，得到所需要的频率的光梳。最后与另一路经第三马赫曾德尔强度调制器(18)调制后的激光在宽带光纤耦合器(22)的连接下发生拍频产生微波信号，并经通过光电二极管(23)发生光电转换，将光信号转换为电信号，得到所需要的微波信号。任意波形发生器(6)通过第四射频功率放大器(19)连接第三马赫曾德尔强度调制器，为其提供射频信号。可编程偏压控制器(20)为第三马赫曾德尔调制器提供直流偏压，双通道直流电压源(21)为第一马赫曾德尔调制器与第二马赫曾德尔调制器提提供直流偏压；
其中，单频光纤激光器(1)，用于产生中心波长为λc，中心频率fc的连续信号光；
在具体的实施例子中，单频光纤激光器产生C波段即中心波长为1550nm的保偏激光，通过压电陶瓷器件(PZT)实现中心波长0.015nm/μs的调谐；
通过光纤耦合器(2)激光被分为两束，两束光具有相干性。一束光作为信号光进入第一马赫曾德尔强度调制器中，另一束光作为本振光，进入第三马赫曾德尔强度调制器中；
在具体的实施例子中，分束器选择50：50的保偏分束器；
任意波形发生器(6)为调制器提供驱动信号，用于对调制器提供任意波形的射频信号载波；
在具体的实施例子中，任意波形发生器提供正弦波信号，射频信号频率间隔为fRF，射频信号功率为VRF，射频带宽1～20GHz；
射频信号经功分器分别进入到第一射频功率放大器(7)，第二射频功率放大器(8)，射频倍增器(11)与第四射频功率放大器中(19)；
其中第一射频功率放大器(7)对射频信号的功率进行放大，放大倍率≤30dB，使得加载在第一马赫曾德尔强度调制器(3)上的电压满足调制器的工作电压；
信号光进入第一马赫曾德尔强度调制器(3)，通过第一马赫曾德尔强度调制器(3)对信号光光强的调制作用，在频谱上产生以频率为fc为中心，以fRF为频率间隔的多边带光频梳；
第二射频功率放大器(8)用于对射频信号的功率进行放大，放大倍率≤30dB，使得加载在第二马赫曾德尔强度调制器上(4)的电压满足调制器的工作电压；
经调制后的信号光进入第二马赫曾德尔强度调制器(4)，对上级调制产生的光进行进一步调制产生更多的高阶边带；
双通道直流电压源(21)对第一马赫曾德尔强度调制器(3)与第二马赫曾德尔强度调制器(4)提供直流电压，控制调制器的偏置电压工作在调制器的半波电压处，以产生更多的高阶边带；
射频倍增器(11)用于将射频信号进行倍频，产生倍频信号；
在具体的实施例子中，使用二倍频的射频倍增器，使得射频信号频率间隔为2fRF；
经过倍频后的射频信号进入到移相器(10)中，对射频信号的相位产生相移
在具体的实施例子中，移相器产生的相移
范围为0°至220°；
经过移相器(10)后的信号进入到第三射频功率放大器(9)对射频信号的功率进行放大，放大倍率≤30dB，使得加载在相位调制器上的电压满足调制器的工作电压；
经上级调制器调制后的信号光进入相位调制器(5)，用信号光进行进一步调制，引入线性啁啾，产生更多的高阶边带，同时改变移相器产生的相移
调整各阶边带之间的相位关系以改善光谱平坦度；
以中心频率fc处的光梳为第一根梳齿，向高频方向以此递增，此时，经调制器调制之后在频谱上产生中心频率为fc，频率间隔为fRF的N根光频梳，第N根光频梳的频率表示为：fN＝fC+NfRF(N为正整数，N＝1，2，3…)；
在具体的实施例子中，马赫曾德尔调制器与相位调制器均使用铌酸锂调制器，工作带宽20GHz，半波电压为5.5V；
在具体的实施例子中，保偏掺铒光纤放大器(12)的增益光纤采用纤芯为8μm包层为125μm，在1530nm波段纤芯吸收效率≥80dB/m的保偏掺铒光纤。经调制器调制之后的信号光进入保偏掺铒光纤放大器(12)，将调制后的信号光进行功率的预放大，放大倍率≤20dB；
在具体的实施例子中，保偏铒镱共掺光纤放大器(13)的增益光纤采用采用纤芯为10μm包层为125μm，在1530nm波段纤芯吸收效率≥83dB/m的双包层保偏铒镱共掺光纤。经预放大后的信号光进入保偏铒镱共掺光纤放大器(13)，用于将预防大后的信号光进行功率上的放大，放大倍率≤30dB；
在具体的实施例子中，带通滤波器(14)的工作中心波长为1550nm。经两级放大后的信号光接入带通滤波器中(14)，对放大后的信号光进行滤波，滤除信号光之中由于光放大产生的自发辐射噪声；
在具体的实施例子中，使用单模光纤作为压缩光纤(15)，在1550nm处提供负色散，群色散速度为|β2|＝20ps2/km；调制器对信号光的调制会对信号光的引入线性啁啾，导致时域脉宽被展宽，降低峰值功率。将经过带通滤波器滤除自发辐射噪声的信号光接入压缩光纤中，对此时的信号光进行色散补偿，压缩时域脉宽；
在具体的实施例子中，使用在1550nm-1600nm处增益平坦的高非线性光纤(16)，其非线性系数≥10W-1·Km-1；经色散补偿及时域压缩后的脉冲此时具有较高的峰值功率，将其接入增益平坦高非线性光纤(16)，产生光纤自相位调制作用。频谱得到大范围展宽，产生数百GHz范围内连续可调的宽带光频梳；
经过高非线性光纤展宽后的频谱实现1400nm-1600nm的覆盖，不同的微波波段对应不同的频率值，使用可编程滤波器(17)，选择需要的第N根光频梳的频率，表示为fN＝fC+NfRF(N为正整数，N＝1，2，3…)；
射频信号经第四射频功率放大器(19)进行功率放大，放大倍率≤30dB，使得加载在第三马赫曾德尔强度调制器上的电压以满足调制器的工作电压；
本振光进入第三马赫曾德尔强度调制器(18)进行调制，使用偏压控制器控制调制器的偏置电压工作在单边带调制状态，只产生正一阶边带，其中正一阶边带的中心频率fl表示为：fl＝fc+fRF，fc为单频光纤激光器(1)中心频率，fRF为射频信号频率间隔；
可编程偏压控制器(20)具有对光路进行实时监测与反馈调节的作用，电光调制器的偏压点由于工作时间的延长与环境温度的变化会发生偏移，偏压控制器内置10：90耦合器对光路进行实时监测与反馈控制，使得电光调制器始终工作在单边带调制电压点，降低最终输出射频信号的相位噪声；
经过一系列调制与色散补偿及频谱展宽后并使用可编程滤波器选择后的信号光fN＝fC+NfRF(N为正整数，N＝1，2，3…)在宽带光纤耦合器(22)中与中心频率fl＝fc+fRF的本振光发生拍频；使用光电二极管(23)对耦合后的激光进行光电转换，将光信号转换为微波信号；
本发明的优点：
1、本发明实现在数百GHz范围内连续可调的宽带光频梳，与本振光合束后进行光电转换，产生全波段覆盖的微波信号。突破当前电光调制器件带宽不够的限制，为全波段微波信号发射应用等应用领域提供光源支撑。所有器件可以拆卸维护，具有调整方便，可重构性高，结构紧凑，使用方便灵活的特点；
2、本发明在电光调制器、射频放大器、保偏掺铒光纤放大器、保偏铒镱共掺光纤放大器工作环境中放置温度传感器，用于监测电光调制器、射频放大器、保偏掺铒光纤放大器、保偏铒镱共掺光纤放大器的工作情况；
3、本发明的压缩光纤及增益平坦的高非线性光纤外接环境隔离，减少其工作时所受的干扰。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种全波段、多维度可调谐的全光纤体制微波信号产生方法，其特征在于：是由单频光纤激光器；光纤耦合器；第一马赫曾德尔强度调制器；第二马赫曾德尔强度调制器；相位调制器；任意波形发生器；第一射频功率放大器；第二射频功率放大器；第三射频功率放大器；移相器；射频倍频器；保偏掺铒光纤放大器；保偏铒镱共掺光纤放大器；带通滤波器；压缩光纤；增益平坦高非线性光纤；可编程滤波器；第三马赫曾德尔调制器；第四射频功率放大器；可编程偏压控制器；双通道直流电压源；宽带光纤耦合器；光电二极管组成；
单频光纤激光器(1)经光纤耦合器(2)分为两路，分别进入第一马赫曾德尔强度调制器(3)与第三马赫曾德尔强度调制器(18)；
经第一马赫曾德尔强度调制器(2)调制后的光依次进入第二马赫曾德尔强度调制器(4)与相位调制器(5)；保偏掺铒光纤放大器(12)对经相位调制器(5)调制后的激光放大，并进入下级保偏铒镱共掺光纤放大器(13)中进一步放大；带通滤波器(14)对放大后的激光进行自发辐射噪声的滤除，激光随后进入到压缩光纤(15)中进行脉冲的压缩；激光进入到下级的增益平坦高非线性光纤(16)中进行频谱的展宽，实现百GHz的光频梳产生；使用可编程滤波器(17)对展宽后的激光进行频率的选择，得到所需要的频率的光梳；最后与另一路经第三马赫曾德尔强度调制器(18)调制后的激光在宽带光纤耦合器(22)的连接下发生拍频产生微波信号，并经通过光电二极管(23)发生光电转换，将光信号转换为电信号，得到所需要的微波信号；
任意波形发生器(6)通过第一射频功率放大器(7)连接第一马赫曾德尔强度调制器，为其提供射频信号；任意波形发生器(6)通过第二射频功率放大器(8)连接第二马赫曾德尔强度调制器，为其提供射频信号；任意波形发生器(6)通过射频倍增器(11)依次连接移相器(10)第三射频功率放大器(9)连接相位调制器，为其提供射频信号；任意波形发生器(6)通过第四射频功率放大器(19)连接第三马赫曾德尔强度调制器，为其提供射频信号；可编程偏压控制器(20)为第三马赫曾德尔调制器提供直流偏压，双通道直流电压源(21)为第一马赫曾德尔调制器与第二马赫曾德尔调制器提提供直流偏压。
2.如权利要求1所述的一种全波段、多维度可调谐的全光纤体制微波信号产生方法，其特征在于：单频光纤激光器(1)，单频光纤激光器产生C波段即中心波长为1550nm的保偏激光，通过压电陶瓷器件(PZT)实现中心波长0.015nm/μs的调谐；马赫曾德尔调制器与相位调制器均使用铌酸锂调制器，工作带宽20GHz，半波电压为5.5V。
3.如权利要求1所述的一种全波段、多维度可调谐的全光纤体制微波信号产生方法，其特征在于：可编程偏压控制器(20)内置10：90光耦合器。
4.如权利要求1所述的一种全波段、多维度可调谐的全光纤体制微波信号产生方法，其特征在于：使用单模光纤作为压缩光纤在1550nm处提供负色散，群色散速度为|β2|＝20ps2/km，使用在1550nm-1600nm处增益平坦的高非线性光纤(16)，其非线性系数≥10W-1·Km-1。
5.如权利要求1所述的一种全波段、多维度可调谐的全光纤体制微波信号产生方法，其特征在于：保偏掺铒光纤放大器(12)的增益光纤采用纤芯为8μm包层为125μm，在1530nm波段纤芯吸收效率≥80dB/m的保偏掺铒光纤；保偏铒镱共掺光纤放大器(13)的增益光纤采用采用纤芯为10μm包层为125μm，在1530nm波段纤芯吸收效率≥83dB/m的双包层保偏铒镱共掺光纤。
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2022
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