CN114696915B - 基于双域锁模技术的分集信号产生系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波光子学技术领域，尤其涉及一种基于双域锁模技术的分集信号产生方法。包括步骤S1，驱动信号对光载波进行驱动经相位调制器进入OEO系统形成闭合OEO环路，另一分路输出至示波器和频谱分析仪进行观察分析；步骤S2，在强度调制器的射频输入端口，输入频率为环路振荡模式自由频谱范围的整数倍的低频信号，在腔内引入周期强度调制，实现每个振荡频率的模态锁定并得到稳定的多模振荡。步骤S3，对激光器输入一个驱动信号，驱动信号的周期与环路振荡模式的自由频谱范围保持一致，本发明利用主动锁模和傅里叶域锁模双域锁模的原理可以产生不同中心频率和带宽的频梳信号生成系统。

Description

基于双域锁模技术的分集信号产生系统及方法

技术领域

本发明涉及微波光子学技术领域，具体涉及一种基于双域锁模技术的分集信号产生系统及方法。

背景技术

光电振荡器（OEO）由于可以产生高频率，低相位噪声，高频谱纯度，高稳定性的微波信号的优势并广泛应用于雷达、传感、信号处理和通信系统等，利用光纤延迟线等高品质因数的储能元件来产生超低相位噪声的微波信号；然而，该器件虽然能产生频率可调、相位噪声低的微波信号，但所产生的波形在时域上是连续的。除了连续单一频率信号，固定载波的脉冲微波信号在现代科学系统中也发挥着重要作用，例如，在预警雷达中应采用大功率脉冲微波进行远程探测；在探地雷达或生命探测雷达中应用窄时间宽带宽的微波脉冲。因此，利用光电技术直接产生脉冲微波信号是一个迫切的需求，但也是一个重大的挑战。主动锁模技术是一种基于锁模技术实现脉冲微波信号产生的光电振荡器应用技术之一，通过向光电谐振腔中注入一个频率等于振荡模式自由频谱范围的整数倍的低频电信号，可以实现振荡模式之间的模式锁定。在这个机制下，与注入信号频率相同间隔的多个模式可以在电滤波器的通带内同时振荡，同时可以根据注入信号的频率产生不同重复频率的微波脉冲信号，这在传统的OEO中是很难实现的；其中，通过改变带通滤波器的中心频率来选择不同的振荡模式，可以简单地调节产生微波脉冲信号的频率。此外，由于在振荡模式下建立稳定的振荡需要一定的时间，所以OEO稳定振荡模式建立时间存在一定的限制。

发明内容

为此，发明提供一种基于双域锁模的宽带频率分集信号产生的系统和方法，

用以克服现有技术中光电振荡器稳定振荡模式建立时间长的问题。

一方面，本发明提供基于双域锁模技术的分集信号产生方法，包括：

步骤S1，激光器接收到驱动信号后对光载波进行驱动以向相位调制器发出连续光波，相位调制器对激光器发出的光波进行相位调制以产生一对具有相反相位的一阶边带信号，所述相位调制器将一阶边带信号输送至强度调制器；

步骤S2，在强度调制器的射频输入端口输入低频信号并将该低频信号的频率设置为环路振荡模式自由频谱范围的整数倍以实现振荡模式之间的模式锁定；使用强度调制器对腔内的增益或损耗进行周期性调制以对每个振荡频率进行模态锁定；

步骤S3，所述强度调制器完成对一阶边带信号的强度进行调制并将调制完成的光信号输送至光环形器，光环形器将接收到的光信号输出至相移光纤布拉格光栅，相移光纤布拉格光栅将光信号反射回光环形器，光环形器将相移光纤布拉格光栅反射的光信号通过延时线输送至光电探测器，延时线延迟光环形器输出的光信号；

步骤S4，所述光电探测器将接收到的光信号转化成电信号并将电信号输送至电放大器以使电放大器补偿环路损耗，电放大器将电信号输送至电带通滤波器，电带通滤波器通过电耦合器将电信号输送至所述相位调制器以形成闭合OEO环路。

进一步地，所述光环形器通过第一端口接收所述强度调制器输出的光信号并通过第二端口将光信号输出至所述相移光纤布拉格光栅。

进一步地，所述步骤S1中，应用傅里叶域锁模技术对激光器输入驱动信号并使驱动信号的周期与环路振荡模式的自由频谱范围保持一致。

进一步地，所述低频信号与驱动信号均为电信号。

进一步地，所述电带通滤波器对电放大器输出的电信号进行频段选择。

进一步地，所述步骤S4中，当所述电带通滤波器通过电耦合器将电信号输送至所述相位调制器时，电耦合器将电信号输出至频谱仪以显示电信号的频谱并将电信号输出至示波器以显示电信号的波形。

进一步地，所述延时线选用单模光纤。

另一方面，本发明还提供一种基于双域锁模技术的分集信号产生系统，包括：

激光器，用以接收驱动信号输出对应频率和振幅的载波光信号；

相位调制器，其与所述激光器相连，用以接收激光器输出的光信号并对光信号进行调制处理；

强度调制器，其与所述相位调制器相连，用以对相位调制器输出的光信号进行强度调制；

光环形器，其与所述强度调制器相连，用以接收强度调制器调制后的光信号

相移布拉格光栅，其与所述光环形器第二端口相连，用于把光环形器输入的信号反射到光环形器第三端口并被单模光纤延迟；

光电探测器，其与所述光环形器的第三端口通过延时线相连，用以将光环形器输出的光信号转化为电信号；

电放大器，其与所述电耦合器的输入端口相连，用以放大光电探测器转化的电信号；

电带通滤波器，其与所述光电探测器和电耦合器相连，用以对所选出的频率可调谐的射频信号进行增益补偿，以补偿射频信号通过各器件所造成的衰减；

电耦合器，其与所述电带通滤波器相连，用以把电带通滤波器增益补偿后的电信号输送至所述相位调制器。

进一步地，所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，光环形器通过第一端口与所述光输入单元相连、通过第二端口与所述光力谐振模块相连并通过第三端口与光电探测器相连；所述第三端口与所述光电探测器通过所述延时线相连。

进一步地，所述基于双域锁模技术的分集信号产生系统，其特征在于，系统还包括：

频谱仪，其与所述电耦合器相连，用以对电耦合器输出的信号进行频谱显示；

示波器，其与所述电耦合器相连，用以对电耦合器输出的信号进行波形显示。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明通过采用主动锁模技术和傅里叶域锁模技术，对光电振荡器腔中产生的纵模进行相位锁定，使其实现稳定的多模振荡。由于纵模之间存在确定的相位关系，因此所有振荡模式在时域内相干叠加，形成具有宽带的微波脉冲信号输出，该信号可用于实现任意波形产生、雷达系统以及超宽带通信系统中；采用傅里叶域锁模技术，可以实现频域上的模式锁定，综合两种锁模技术的利用，可以实现在频域和时域上模式的同时锁定，缩短和稳定了振荡模式建立的周期，有效降低了光电振荡器稳定振荡模式的建立时长。

进一步地，本发明通过在光环形器的第二端口设置相移光纤布拉格光栅，通过利用相移布拉格光栅可以从光载波中滤波出预设波长的光载波信号的性质，能够筛选出系统中的预设波长，从而有效减少建立稳定振荡所需的时间。

进一步地，本发明通过低频信号与驱动信号使用电信号，利用了电信号相比于光信号更稳定的优点，从而使环路振荡的周期更加稳定，从而进一步降低了光电振荡器稳定振荡模式的建立时长。

进一步地，本发明通过单模光纤延迟相移光纤布拉格光栅反射回光环形器三端口的信号，以使光信号在环路振荡模式里的周期与驱动信号的周期保持一致，从而缩短了产生环路振荡模式的周期，从而缩短了稳定振荡模式建立的时间。

进一步地，本发明通过延时线选用单模光纤，利用了单模光纤极低的传输损耗的性质，单模光纤作为储能介质，使该光电振荡环路具有高Q值，使其输出射频信号具有良好的相位噪声，从而进一步降低了光电振荡器稳定振荡模式的建立时长。

进一步地，本发明通过采用频谱仪和示波器，使本发明系统产生的微波信号更加具体和直观。

附图说明

图1为本发明所述基于双域锁模技术的分集信号产生系统的结构框图；

图2为本发明所述基于双域锁模技术的分集信号产生方法的流程图

具体实施方式

为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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，还需要说明的是，在本发明的描述中，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。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1所示，其为本发明所述基于双域锁模技术的分集信号产生系统的结构框图，为本发明所述基于双域锁模技术的分集信号产生系统包括激光器、相位调制器、强度调制器、光环形器、相移布拉格光栅、延时线、光电探测器、电放大器、电带通滤波器、电耦合器、频谱仪和示波器；其中，所述激光器用以接收驱动信号输出对应频率和振幅的载波光信号；所述相位调制器与所述激光器相连，用以接收激光器输出的光信号并对光信号进行调制处理；所述强度调制器与所述相位调制器相连，用以对相位调制器输出的光信号进行强度调制；所述光环形器与所述强度调制器相连，用以接收强度调制器调制后的光信号；所述相移布拉格光栅与所述光环形器第二端口相连，用于把光环形器输入的信号反射到光环形器第三端口并被单模光纤延迟；所述光电探测器与所述光环形器的第三端口通过延时线相连，用以将光环形器输出的光信号转化为电信号；电放大器与所述电耦合器的输入端口相连，用以放大光电探测器转化的电信号；电带通滤波器与所述光电探测器和电耦合器相连，用以对所选出的频率可调谐的射频信号进行增益补偿，以补偿射频信号通过各器件所造成的衰减；电耦合器与所述电带通滤波器相连，用以把电带通滤波器增益补偿后的电信号输送至所述相位调制器。

请继续参阅图1所示，所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，光环形器通过第一端口与所述光输入单元相连、通过第二端口与所述光力谐振模块相连并通过第三端口与光电探测器相连；所述第三端口与所述单模光纤相连。

请继续参阅图1所示，所述频谱仪与电耦合器相连，用以对电耦合器输出的信号进行频谱显示；示波器与电耦合器相连，用以对电耦合器输出的信号进行波形显示。

请参阅图2所示，其为本发明所述基于双域锁模技术的分集信号产生方法的流程图，本发明基于双域锁模技术的分集信号产生方法包括以下步骤：

步骤S1，激光器接收到驱动信号后对光载波进行驱动以向相位调制器发出连续光波，相位调制器对激光器发出的光波进行相位调制以产生一对具有相反相位的一阶边带信号，所述相位调制器将一阶边带信号输送至强度调制器；

步骤S2，在强度调制器的射频输入端口输入低频信号并将该低频信号的频率设置为环路振荡模式自由频谱范围的整数倍以实现振荡模式之间的模式锁定；使用强度调制器对腔内的增益或损耗进行周期性调制以对每个振荡频率进行模态锁定；

步骤S3，所述强度调制器完成对一阶边带信号的强度进行调制并将调制完成的光信号输送至光环形器，光环形器将接收到的光信号输出至相移光纤布拉格光栅，相移光纤布拉格光栅将光信号反射回光环形器，光环形器将相移光纤布拉格光栅反射的光信号通过延时线输送至光电探测器，延时线延迟光环形器输出的光信号；

步骤S4，所述光电探测器将接收到的光信号转化成电信号并将电信号输送至电放大器以使电放大器补偿环路损耗，电放大器将电信号输送至电带通滤波器，电带通滤波器通过电耦合器将电信号输送至所述相位调制器以形成闭合OEO环路。

请继续参阅图2所示，所述步骤S1中，应用傅里叶域锁模技术对激光器输入驱动信号并使驱动信号的周期与环路振荡模式的自由频谱范围保持一致。

请继续参阅图2所示，所述发明中的频率信号产生回路构成了一个环形的光电振荡器谐振腔，其配置要求是在满足傅里叶域锁模条件时，能够产生低相位噪声宽带频率信号。激光器输出的光信号作为光载波，由强度调制器对光信号的强度进行调制，经过强度调制后的光信号经过单模光纤传递到进入光电探测器，在经过光电转换后，由电放大器进行电信号放大后，经过电带通宽带滤波器进行滤波，之后，再输入到电耦合器分一路到相位调制器，由此形成闭合的反馈环路。

请继续参阅图2所示，所述低频信号与驱动信号均为电信号。

请继续参阅图2所示，所述电带通滤波器对电放大器输出的电信号进行频段选择。

请继续参阅图2所示，所述电带通滤波器通过电耦合器将电信号输送至所述相位调制器时，电耦合器将电信号输出至频谱仪以显示电信号的频谱并将电信号输出至示波器以显示电信号的波形。

请继续参阅图2所示，所述延时线选用单模光纤。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

以上所述仅为本发明的优选实施例，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 (9)

1.一种基于双域锁模技术的分集信号产生方法，其特征在于，包括：

步骤S1，激光器接收到驱动信号后对光载波进行驱动以向相位调制器发出连续光波，相位调制器对激光器发出的光波进行相位调制以产生一对具有相反相位的一阶边带信号，所述相位调制器将一阶边带信号输送至强度调制器；

所述步骤S1中，应用傅里叶域锁模技术对激光器输入驱动信号并使驱动信号的周期与环路振荡模式的自由频谱范围保持一致；

步骤S2，在强度调制器的射频输入端口输入低频信号并将该低频信号的频率设置为环路振荡模式自由频谱范围的整数倍以实现振荡模式之间的模式锁定；使用强度调制器对腔内的增益或损耗进行周期性调制以对每个振荡频率进行模态锁定；

步骤S3，所述强度调制器完成对一阶边带信号的强度进行调制并将调制完成的光信号输送至光环形器，光环形器将接收到的光信号输出至相移光纤布拉格光栅，相移光纤布拉格光栅将光信号反射回光环形器，光环形器将相移光纤布拉格光栅反射的光信号通过延时线输送至光电探测器，延时线延迟光环形器输出的光信号；

步骤S4，所述光电探测器将接收到的光信号转化成电信号并将电信号输送至电放大器以使电放大器补偿环路损耗，电放大器将电信号输送至电带通滤波器，电带通滤波器通过电耦合器将电信号输送至所述相位调制器以形成闭合OEO环路。

2.根据权利要求1所述的基于双域锁模技术的分集信号产生方法，

其特征在于，所述光环形器通过第一端口接收所述强度调制器输出的光信号并通过第二端口将光信号输出至所述相移光纤布拉格光栅。

3.根据权利要求1所述的基于双域锁模技术的分集信号产生方法，其特征在于，所述低频信号与驱动信号均为电信号。

4.根据权利要求1所述的基于双域锁模技术的分集信号产生方法，其特征在于，所述电带通滤波器对电放大器输出的电信号进行频段选择。

5.根据权利要求1所述的基于双域锁模技术的分集信号产生方法，其特征在于，在所述步骤S4中，当所述电带通滤波器通过电耦合器将电信号输送至所述相位调制器时，电耦合器将电信号输出至频谱仪以显示电信号的频谱并将电信号输出至示波器以显示电信号的波形。

6.根据权利要求1所述的基于双域锁模技术的分集信号产生方法，其特征在于，所述延时线选用单模光纤。

7.一种使用权利要求1-6任一项权利要求所述方法的基于双域锁模技术的分集信号产生系统，其特征在于，包括：

激光器，用以接收驱动信号输出对应频率和振幅的载波光信号；

相位调制器，其与所述激光器相连，用以接收激光器输出的光信号并对光信号进行调制处理；

强度调制器，其与所述相位调制器相连，用以对相位调制器输出的光信号进行强度调制；

光环形器，其与所述强度调制器相连，用以接收强度调制器调制后的光信号

相移布拉格光栅，其与所述光环形器第二端口相连，用于把光环形器输入的信号反射到光环形器第三端口并被单模光纤延迟；

光电探测器，其与所述光环形器的第三端口通过延时线相连，用以将光环形器输出的光信号转化为电信号；

电放大器，其与所述电耦合器的输入端口相连，用以放大光电探测器转化的电信号；

电带通滤波器，其与所述光电探测器和电耦合器相连，用以对所选出的频率可调谐的射频信号进行增益补偿，以补偿射频信号通过各器件所造成的衰减；

电耦合器，其与所述电带通滤波器相连，用以把电带通滤波器增益补偿后的电信号输送至所述相位调制器。

8.根据权利要求7所述的基于双域锁模技术的分集信号产生系统，其特征在于，所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，光环形器通过第一端口与光输入单元相连、通过第二端口与光力谐振模块相连并通过第三端口与光电探测器相连；所述第三端口与所述光电探测器通过所述延时线相连。

9.根据权利要求7所述的基于双域锁模技术的分集信号产生系统，其特征在于，系统还包括：

频谱仪，其与所述电耦合器相连，用以对电耦合器输出的信号进行频谱显示；

示波器，其与所述电耦合器相连，用以对电耦合器输出的信号进行波形显示。