CN114978329A - 一种基于微波光子信道化合成的任意波形产生装置及方法 - Google Patents

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刘彦丹
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张磊
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Abstract

本发明公开了一种基于微波光子信道化合成的任意波形产生装置及方法，属于光通信技术领域。本发明由光源、信号源1、信号源2、信号源3、分束器、光频梳产生器1、光频梳产生器2、合束器、双平行马赫曾德调制器、波分解复用器、多路可调谐延迟线、多路可调衰减器、波分复用器、光电探测器组成。本发明产生两个不同重频的光频梳，用波分解复用器将双光频梳划分到不同的通道，每个通道分别产生等于重频差及其整数倍的信号，通过每个通道内的可调延迟线和可调衰减器，使得各阶谐波之间的幅相关系满足特定波形的傅立叶展开，合路并光电转换后及合成对应波形。本发明能够产生五阶近似三角波、锯齿波和方波，降低产生波形与理想波形的均方根误差。

Description

一种基于微波光子信道化合成的任意波形产生装置及方法
技术领域
本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种基于微波光子信道化合成的任意波形产生的装置及合成方法。
背景技术
任意波形产生在通信、雷达、微波信号处理和医学成像等领域中有着非常重要的应用，这些领域快速发展对高频率高质量的任意波形信号需求日益增大，其中最常用波形包括三角波、锯齿波和方波，这些波形的具体应用包括线性调频信号的产生，作为时钟信号以及信号压缩及波长转换等。传统任意波形产生装置如直接数字合成器受到电子器件带宽的限制，频率可调范围受到时钟信号频率和数模转换器带宽的限制，难以满足应用要求。
微波光子学融合了光子技术高速率、大带宽、低损耗、抗电磁干扰能力强等特点，在一定程度上弥补了电子技术的不足，因此近年来，基于微波光子技术的任意波形产生方案陆续受到研究者们的关注。光学任意微波波形产生方法主要包括频率-时间映射法、外部调制法和光频率梳法，其中频率-时间映射法利用色散将频域内具备特定波形的光谱线映射到时域产生波形，但产生波形占空比小应用局限，而且这类方案将所有谱线作为一个整体进行处理，谱线间的幅度与相位关系难以精确控制，生产的波形质量不理想；外部调制法利用电光调制器控制光边带的幅度和相位，但能够精确控制的谱线数量很少，只能产生低阶近似的波形信号，因此产生信号的波形与理想波形差别较大。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提出了一种基于信道化合成的任意波形产生装置及方法，能够在不同信道中同时产生各阶谐波并分别控制幅度和相位关系，实现高阶近似波形的合成，降低合成波形与理想波形的均方根误差。
本发明为了实现上述目的，具体采用了以下技术方案：
一种基于微波光子信道化合成的任意波形产生装置，包括光源、第一信号源、第二信号源、第三信号源、分束器、双平行马赫曾德调制器、第一光频梳产生器、第二光频梳产生器、合束器、波分解复用器、多路可调谐延迟线、多路可调衰减器、波分复用器、光电探测器；
光源发出的光信号通过分束器分为上支路和下支路，上支路光与第一信号源信号输入第一光频梳产生器，产生光频梳；
下支路光与第三信号源信号输入双平行马赫曾德调制器进行电光移频，移频后光信号与第二信号源信号输入第二光频梳产生器产生光频梳；
两个光频梳经过合束器合束后输入波分解复用器划分为多路通道，每路通道单独由对应的可调延迟线和对应的可调衰减器调谐幅度和相位，最后经过波分复用器合路，输入光电探测器进行光电转换，得到目标波形信号。
一种基于微波光子信道化合成的任意波形产生方法，使用上述基于微波光子信道化合成的任意波形产生装置，将两个不同重复频率的光频梳通过波分解复用器划分为多个通道，每个通道包含两根频率间隔等于光频梳重频或其整数倍的梳齿，对应拍频产生等于光频梳重频差的基波及高阶谐波，每一路通过对应的可调延迟线和对应的可调衰减器控制每一路信号的幅度和相位关系，使其满足特定波形傅立叶展开关系，合成对应的波形。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明利用双光梳划分为多个信道同时外差产生基频和高阶谐波，可以实现五阶近似的波形合成。
2、本发明中，各阶谐波可以通过每一个信道内的可调延迟线和可调衰减器灵活控制，信号频率能够通过信号源改变双光梳重频差控制，能够灵活重构实现三角波、方波、锯齿波等多种波形的产生。
附图说明
图1为本发明实施例中任意波形发生装置的结构示意图。
图2为本发明实施例中的信道划分示意图。
图3为本发明实施例中产生的6GHz和10GHz三角波信号时域波形图。
图4为本发明实施例中产生的6GHz三阶近似和五阶近似矩形波时域波形图。
图5为本发明实施例中产生的6GHz二阶近似和三阶近似和五阶近似锯齿波时域波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细描述。
如图1所示，一种基于信道化合成的任意波形发生装置，包括光源、信号源1、信号源2、信号源3、分束器、光频梳产生器1、光频梳产生器2、合束器、双平行马赫曾德调制器、波分解复用器、多路可调延迟线和可调衰减器、波分复用器、光电探测器。
采用该装置的任意波形产生方法如下：
如图2所示，光源经过分束器等分为两束，一路直接进入光频梳产生器1，另一路进入双平行马赫曾德调制器进行电光移频ωshift后进入光频梳产生器2，ωshift等于信号源3的频率。不同频率的信号源1和信号源2控制光频梳产生器产生不同自由光谱范围(即FSR)光频梳，位于上支路的信号光频梳的FSR为ωFSRsig，位于下支路的本振光频梳的FSR为ωFSRLO，两光频梳的FSR的差值为ωΔFSR＝|ωFSRsig-ωFSRLO|。两光频梳经过合束器合束，产生双光频梳的光
场为：
Figure BDA0003639847340000031
Figure BDA0003639847340000032
波分解复用器将光频梳的每个梳齿划分到不同的通道，每个通道各包含一个本振光频梳齿和信号光频梳齿，分别通过可调延迟线和可调衰减器控制每个通道的相位和幅度，多个通道由波分复用器合路，最后经过光电探测器光电转换。当本振光频梳和信号光频梳在第一根梳齿对齐时，第k对梳齿的频率差为k·ωΔFSR，即各个通道分别产生成倍数关系的一组射频信号，基频为光频率梳的重频差ωΔFSR。当基频和高次谐波满足特殊波形的傅立叶展开时，产生相应的波形。
以下为一个更具体的例子：
仍见图1，一种基于微波光子信道化合成的任意波形产生装置，主要由光源、信号源1、信号源2、信号源3、分束器、光频梳产生器1、光频梳产生器2、双平行马赫曾德调制器、合束器、波分解复用器、多路可调延迟线和可调衰减器、波分复用器、光电探测器组成。
其中，光源是稳定输出载波193350GHz的激光，信号源1和信号源2的频率分别为24.5GHz和26GHz，光频梳产生器1和光频梳产生器2分别产生重复频率为98GHz和104GHz光频梳。信号源3频率为15GHz，双平行马赫曾德调制器对光载波进行抑制载波单边带调制使得两梳齿在193105GHz处对齐。波分解复用器五个通道分别为C32、C33、C34、C35、C36，分别对应6GHz至30GHz的拍频信号。通过衰减器增大偶数阶谐波的衰减，并使奇数阶谐波的幅度和相位关系满足傅立叶展开：
Figure BDA0003639847340000033
得到6GHz的三角波，改变信号源1，3频率分别为23.5GHz和25GHz，得到10GHz的图3为产生6GHz和10GHz三角波信号时域波形图。类似的，改变谐波间的关系与合成通道数量分别得到不同阶数近似的方波和锯齿波如图4和图5。高阶近似波形与理想波形更相近，从数学上分析，五阶近似的锯齿波和二阶近似的锯齿波与理想锯齿波的均方根误差分别为0.2949和0.3241，通过引入高阶谐波拟合将均方根误差降低约20％。
总之，本发明首先产生两个不同重频的光频梳，用波分解复用器将双光频梳划分到不同的通道，每个通道分别产生等于重频差及其整数倍的信号，通过每个通道内的可调延迟线和可调衰减器，使得各阶谐波之间的幅相关系满足特定波形的傅立叶展开，合路并光电转换后及合成对应波形。相比现有技术，本发明能够产生五阶近似三角波、锯齿波和方波，降低产生波形与理想波形的均方根误差。
以上所述仅为本发明在实施例中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于微波光子信道化合成的任意波形产生装置，其特征在于，包括光源、第一信号源、第二信号源、第三信号源、分束器、双平行马赫曾德调制器、第一光频梳产生器、第二光频梳产生器、合束器、波分解复用器、多路可调谐延迟线、多路可调衰减器、波分复用器、光电探测器；
光源发出的光信号通过分束器分为上支路和下支路，上支路光与第一信号源信号输入第一光频梳产生器，产生光频梳；
下支路光与第三信号源信号输入双平行马赫曾德调制器进行电光移频，移频后光信号与第二信号源信号输入第二光频梳产生器产生光频梳；
两个光频梳经过合束器合束后输入波分解复用器划分为多路通道，每路通道单独由对应的可调延迟线和对应的可调衰减器调谐幅度和相位，最后经过波分复用器合路，输入光电探测器进行光电转换，得到目标波形信号。
2.一种基于微波光子信道化合成的任意波形产生方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的基于微波光子信道化合成的任意波形产生装置，将两个不同重复频率的光频梳通过波分解复用器划分为多个通道，每个通道包含两根频率间隔等于光频梳重频或其整数倍的梳齿，对应拍频产生等于光频梳重频差的基波及高阶谐波，每一路通过对应的可调延迟线和对应的可调衰减器控制每一路信号的幅度和相位关系，使其满足特定波形傅立叶展开关系，合成对应的波形。
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US20080089698A1 (en) * 2006-05-19 2008-04-17 Zhi Jiang Optical arbitrary waveform generation and processing using spectral line-by-line pulse shaping
CN112165361A (zh) * 2020-09-29 2021-01-01 中国船舶重工集团公司第七二四研究所 一种频率范围可调谐的光信道化装置及方法

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