CN116192269A - 基于窄线宽、大梳齿间隔光频梳的信道化接收机产生系统 - Google Patents

基于窄线宽、大梳齿间隔光频梳的信道化接收机产生系统 Download PDF

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Abstract

基于窄线宽、大梳齿间隔光频梳的信道化接收机产生系统，不包含空间器件和大量的电学器件，实现微波信号高动态范围、瞬时大带宽、多波段同时接收。其包括：电光调制光频梳产生及性能优化模块、超窄线宽相干泵浦光产生模块、大梳齿间隔宽带光频梳产生模块、微波信号接收与处理模块。

Description

基于窄线宽、大梳齿间隔光频梳的信道化接收机产生系统
技术领域
本发明涉及激光的技术领域，尤其涉及一种基于窄线宽、大梳齿间隔光频梳的信道化接收机产生系统。
背景技术
随着如今通信容量和服务的增长，现代通信系统迫切需要宽带信号处理能力。传统的微波信号接收机受限于电子瓶颈，诸如工作带宽有限、高传输损耗、大体积和重量以及低抗电磁干扰能力。微波光子信道化技术，可以将宽带射频信号划分为窄带信号，能够满足超宽带、多信道、多功能接收的需要。
有三种实现微波光子信道化的主要方法。第一种方法是在光域中对射频信号进行调制，然后用一个光滤波器阵列将频谱分割成不同的信道。第二种方法是将射频信号调制到光频梳上，用周期性滤波器进行滤波，然后用波分复用器进行信道划分，滤波器周期与光梳的梳齿间隔略有不同。第三种方法是基于两个相干的光频梳，梳齿的频率间隔略有不同，其中一个光频梳用于加载并传输射频信号，另一个光频梳用于将射频信号下变频为不同的信道的同中频波段。这些方法一方面要求光滤波器有较高的品质因子和稳定性，另一方面，具有强相干性的两个光频梳需要梳齿数量多、自由光谱范围大，导致多通道信道化接收存在技术障碍。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种基于窄线宽、大梳齿间隔光频梳的信道化接收机产生系统，其不包含空间器件和大量的电学器件，实现微波信号高动态范围、瞬时大带宽、多波段同时接收。
本发明的技术方案是：这种基于窄线宽、大梳齿间隔光频梳的信道化接收机产生系统，其包括：电光调制光频梳产生及性能优化模块、超窄线宽相干泵浦光产生模块、大梳齿间隔宽带光频梳产生模块、微波信号接收与处理模块。
电光调制光频梳产生及性能优化模块包括：单频窄线宽光纤激光器（1）、强度调制器（2）、第一相位调制器（3）、第二相位调制器（4）、射频源（5）、第一射频功率放大器（6）、第二射频功率放大器（7）、第三射频功率放大器（8）、第一移相器（9）、第二移相器（10）、直流电压源（11）、色散补偿光纤（12）、掺铒光纤放大器（13）、镱共掺光纤放大器（14）；
超窄线宽相干泵浦光产生模块包括：可编程光波滤波器（15）、第一布里渊短腔、第二布里渊短腔、第一耦合器（23）；其中第一布里渊短腔由第一环形器（16）、偏振控制器（17）、第一色散平坦高非线性光纤（18）、隔离器（19）、合束器（20）、铒镱共掺增益光纤（21）、第二耦合器（22）构成；
大梳齿间隔宽带光频梳产生模块包括：第二环形器（24）、非线性环形镜（25）、压缩光纤（26）、第二色散平坦高非线性光纤（27）；
微波信号接收与处理模块包括：马赫曾德尔调制器（28）、相干本振光梳源（29）、第一波分复用器（30）、第二波分复用器（31）、微波光子变频和光电转换模块（32）、数字信号处理模块（33）；
单频窄线宽光纤激光器输出激光经强度调制器调制后依次进入第一相位调制器、第二相位调制器，色散补偿光纤补偿第二相位调制器输出脉冲的啁啾，压缩脉宽，掺铒光纤放大器对脉宽压缩后的激光进行小信号放大，后进入铒镱共掺光纤放大器进一步提升功率，可编程光波滤波器选择满足信道带宽的两根梳齿，并分别输入第一布里渊短腔和第二布里渊短腔压窄梳齿线宽，第一耦合器合束两窄线宽梳齿作为产生宽光谱光梳的泵浦光，非线性环形镜滤除泵浦光梳的脉冲基座，并经过压缩光纤进一步压窄脉宽，泵浦光进入下级的第二色散平坦高非线性光纤中进行频谱展宽，得到高信噪比、窄线宽的宽光谱光梳，马赫曾德尔调制器将接收信号调制到光梳上，信号光经第一波分复用器进行信道化分，相干本振光梳经第二波分复用器进行信道化分，微波光子变频和光电转换模块进行微波光子变频和光电转换，后经数字信号处理模块进行数字信号处理，还原接收信号；
射频源提供的射频信号经过第一射频功率放大器、第二射频功率放大器和第三射频功率放大器进行功率放大，分别调制强度调制器、第一相位调制器和第二相位调制器，第一移相器和第二移相器调节射频信号到第一相位调制器和第二相位调制器的相位信息，直流电压源控制强度调制器的偏置电压。
本发明通过外调制连续光方法产生高信噪比、高平坦度、梳齿间隔可调的光频梳作为后续行波扩谱种子源，系统内采用色散管理，时域脉冲整形和MOPA级联功率放大技术手段均为提升行波扩谱时展宽器的品质因数，提高光频梳频谱展宽效率，使用布里渊环形腔压窄梳齿线宽，保证泵浦光间的相干性，提高光频梳传输时的相干长度和频率稳定性，在非线性光纤处完成行波扩谱，产生宽带、窄线宽、高信噪比、高相干性的平坦光频梳，因此该系统不包含空间器件和大量的电学器件，实现微波信号高动态范围、瞬时大带宽、多波段同时接收。
附图说明
图1为本发明的系统的结构示意图。
图2为本发明的电光调制光频梳产生及性能优化模块示意图。
图3为本发明的超窄线宽相干泵浦光产生模块示意图。
图4为本发明的大梳齿间隔宽带光频梳产生模块示意图。
图5为本发明的微波信号接收与处理模块示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
如图1所示，这种基于窄线宽、大梳齿间隔光频梳的信道化接收机产生系统，其包括：电光调制光频梳产生及性能优化模块、超窄线宽相干泵浦光产生模块、大梳齿间隔宽带光频梳产生模块、微波信号接收与处理模块；
电光调制光频梳产生及性能优化模块包括：单频窄线宽光纤激光器1、强度调制器2、第一相位调制器3、第二相位调制器4、射频源5、第一射频功率放大器6、第二射频功率放大器7、第三射频功率放大器8、第一移相器9、第二移相器10、直流电压源11、色散补偿光纤12、掺铒光纤放大器13、镱共掺光纤放大器14；
超窄线宽相干泵浦光产生模块包括：可编程光波滤波器15、第一布里渊短腔、第二布里渊短腔、第一耦合器23；其中第一布里渊短腔由第一环形器16、偏振控制器17、第一色散平坦高非线性光纤18、隔离器19、合束器20、铒镱共掺增益光纤21、第二耦合器22构成；
大梳齿间隔宽带光频梳产生模块包括：第二环形器24、非线性环形镜25、压缩光纤26、第二色散平坦高非线性光纤27；
微波信号接收与处理模块包括：马赫曾德尔调制器28、相干本振光梳源25、第一波分复用器30、第二波分复用器31、微波光子变频和光电转换模块32、数字信号处理模块33；
单频窄线宽光纤激光器输出激光经强度调制器调制后依次进入第一相位调制器、第二相位调制器，色散补偿光纤补偿第二相位调制器输出脉冲的啁啾，压缩脉宽，掺铒光纤放大器对脉宽压缩后的激光进行小信号放大，后进入铒镱共掺光纤放大器进一步提升功率，可编程光波滤波器选择满足信道带宽的两根梳齿，并分别输入第一布里渊短腔和第二布里渊短腔压窄梳齿线宽，第一耦合器合束两窄线宽梳齿作为产生宽光谱光梳的泵浦光，非线性环形镜滤除泵浦光梳的脉冲基座，并经过压缩光纤进一步压窄脉宽，泵浦光进入下级的第一色散平坦高非线性光纤中进行频谱展宽，得到高信噪比、窄线宽的宽光谱光梳，马赫曾德尔调制器将接收信号调制到光梳上，信号光经第一波分复用器进行信道化分，相干本振光梳经第二波分复用器进行信道化分，微波光子变频和光电转换模块进行微波光子变频和光电转换，后经数字信号处理模块进行数字信号处理，还原接收信号；
射频源提供的射频信号经过第一射频功率放大器、第二射频功率放大器和第三射频功率放大器进行功率放大，分别调制强度调制器、第一相位调制器和第二相位调制器，第一移相器和第二移相器调节射频信号到第一相位调制器和第二相位调制器的相位信息，直流电压源控制强度调制器的偏置电压。
布里渊短腔包括：第一环形器、第一色散平坦高非线性光纤、偏振控制器、隔离器、第二耦合器、铒镱共掺增益光纤、合束器。经可编程光波滤波器挑选后的梳齿作为泵浦光注入布里渊短腔内，由环形器2口输出并传输至第二色散平坦高非线性光纤处，泵浦光在第二色散平坦高非线性光纤内传输时，受布里渊散射的影响，转变为反向传输的频移光，并由于增益窄带效应，泵浦光线宽被压缩，消除放大器自由相位光子对泵浦光相干性的影响；线宽压缩后的泵浦光输入环形器2口，由3口输出注入到铒镱共掺光纤放大器中提升泵浦光功率；偏振控制器调节泵浦光的偏振；第二耦合器输出泵浦光，通过第一耦合器与另一路布里渊短腔输出的泵浦光合束。
本发明通过外调制连续光方法产生高信噪比、高平坦度、梳齿间隔可调的光频梳作为后续行波扩谱种子源，系统内采用色散管理，时域脉冲整形和MOPA级联功率放大技术手段均为提升行波扩谱时展宽器的品质因数，提高光频梳频谱展宽效率，使用布里渊环形腔压窄梳齿线宽，保证泵浦光间的相干性，提高光频梳传输时的相干长度和频率稳定性，在非线性光纤处完成行波扩谱，产生宽带、窄线宽、高信噪比、高相干性的平坦光频梳，因此该系统不包含空间器件和大量的电学器件，实现微波信号高动态范围、瞬时大带宽、多波段同时接收。
优选地，单频窄线宽光纤激光器产生单频激光作为电光调制种子光，其中心波长在1550.1nm到1550.8nm范围内可调；强度调制器与第一相位调制器和第二相位调制器均采用铌酸锂电光调制器，控制强度调制器偏置电压，配合调节第一移相器和第二移相器，可以获得平坦光频梳输出。
优选地，色散补偿光纤采用在激光中心波长附近为负色散的单模光纤，补偿相位调制器带来的线性正啁啾，压缩脉冲宽度。
优选地，调制产生的光频梳输出功率低，采用掺铒光纤放大器与铒镱共掺光纤放大器级联放大的形式提升电光梳功率，减少放大过程中产生的ASE噪声，并且铒镱共掺光纤放大器中包含带通滤波器，用于滤除ASE噪声和残余泵浦光，实现纯净的信号光输出。
优选地，可编程光波滤波器为四通道输出，可设置四种不同带通滤波同时输出，挑选电光梳源不同阶的梳齿作为行波扩谱泵浦光，可以实现高相干、大梳齿间隔且间隔大范围可调的宽带光频梳输出，减少大梳齿间隔光频梳对电光调制器工作带宽的压力。
优选地，第一布里渊短腔和第二布里渊短腔内非线性光纤长度使用较短，满足在布里渊增益带宽内只有一个模式输出，有效压窄梳齿线宽，减少放大器中自由相位光子对光频梳梳齿间相位的影响，保证行波扩谱时泵浦光的高相干性，并提高泵浦光脉冲在光纤内传输时的相干长度和频率稳定性。内置有铒镱共掺光纤放大器，实现高功率、窄线宽的基阶布里渊激光输出。
优选地，针对电光调制过程中引入的无法使用色散补偿消除的非线性啁啾，采用非线性环形镜滤除包括由非线性啁啾引起的脉冲旁瓣在内的低功率频率分量，可以有效滤除脉冲基座，进一步压缩脉冲宽度，提高非线性扩谱时的效率；设置环形器监测和排除非线性环形镜产生的反向光。
优选地，色散平坦高非线性光纤采用在1.3um-2um区间色散近零平坦的正常色散光纤，其有效模场面积Aeff较小，非线性系数γ较大；脉冲在其中传输时，由自相位调制效应感应的频率啁啾，使脉冲前后沿分布着许多蓝移光和红移光，在光纤色散的作用下，频移光与非频移光重合发生四波混频效应，提升光谱中心平坦度，并使光谱向两侧延伸，可以获得宽带宽、窄线宽、高相干性、高平坦度的光频梳输出，为接收机提供优质的光载波。
优选地，相干本振光梳与信号光梳的产生方法相同，梳齿间隔与信号光梳不同，电光调制过程中使用的单频激光由单频窄线宽光纤激光器分束获得，保证信号光与本振光的相干性。
优选地，微波光子变频和光电转换模块采用镜像抑制下变频，减少两通道间的串扰；数字信号处理模块还原切片后的窄带信号，经过频谱组合还原接收的微波信号信息。
综上，本发明实现了一种基于窄线宽、大梳齿间隔光频梳的信道化接收机产生方法，通过可编程光波滤波器挑选电光调制光频梳梳齿，受激布里渊增益窄带效应，结合色散管理，MOPA放大系统，非线性环形镜和行波扩谱的方式实现高平坦度、窄线宽大梳齿间隔光频梳产生，为接收机提供高质量载波。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.基于窄线宽、大梳齿间隔光频梳的信道化接收机产生系统，其特征在于：其包括：电光调制光频梳产生及性能优化模块、超窄线宽相干泵浦光产生模块、大梳齿间隔宽带光频梳产生模块、微波信号接收与处理模块；
电光调制光频梳产生及性能优化模块包括：单频窄线宽光纤激光器（1）、强度调制器（2）、第一相位调制器（3）、第二相位调制器（4）、射频源（5）、第一射频功率放大器（6）、第二射频功率放大器（7）、第三射频功率放大器（8）、第一移相器（9）、第二移相器（10）、直流电压源（11）、色散补偿光纤（12）、掺铒光纤放大器（13）、镱共掺光纤放大器（14）；
超窄线宽相干泵浦光产生模块包括：可编程光波滤波器（15）、第一布里渊短腔、第二布里渊短腔、第一耦合器（23）；其中第一布里渊短腔由第一环形器（16）、偏振控制器（17）、第一色散平坦高非线性光纤（18）、隔离器（19）、合束器（20）、铒镱共掺增益光纤（21）、第二耦合器（22）构成；
大梳齿间隔宽带光频梳产生模块包括：第二环形器（24）、非线性环形镜（25）、压缩光纤（26）、第二色散平坦高非线性光纤（27）；
微波信号接收与处理模块包括：马赫曾德尔调制器（28）、相干本振光梳源（29）、第一波分复用器（30）、第二波分复用器（31）、微波光子变频和光电转换模块（32）、数字信号处理模块（33）；
单频窄线宽光纤激光器输出激光经强度调制器调制后依次进入第一相位调制器、第二相位调制器，色散补偿光纤补偿第二相位调制器输出脉冲的啁啾，压缩脉宽，掺铒光纤放大器对脉宽压缩后的激光进行小信号放大，后进入铒镱共掺光纤放大器进一步提升功率，可编程光波滤波器选择满足信道带宽的两根梳齿，并分别输入第一布里渊短腔和第二布里渊短腔压窄梳齿线宽，第一耦合器合束两窄线宽梳齿作为产生宽光谱光梳的泵浦光，非线性环形镜滤除泵浦光梳的脉冲基座，并经过压缩光纤进一步压窄脉宽，泵浦光进入下级的第二色散平坦高非线性光纤中进行频谱展宽，得到高信噪比、窄线宽的宽光谱光梳，马赫曾德尔调制器将接收信号调制到光梳上，信号光经第一波分复用器进行信道化分，相干本振光梳经第二波分复用器进行信道化分，微波光子变频和光电转换模块进行微波光子变频和光电转换，后经数字信号处理模块进行数字信号处理，还原接收信号；
射频源提供的射频信号经过第一射频功率放大器、第二射频功率放大器和第三射频功率放大器进行功率放大，分别调制强度调制器、第一相位调制器和第二相位调制器，第一移相器和第二移相器调节射频信号到第一相位调制器和第二相位调制器的相位信息，直流电压源控制强度调制器的偏置电压。
2.根据权利要求1所述的基于窄线宽、大梳齿间隔光频梳的信道化接收机产生系统，其特征在于：单频窄线宽光纤激光器产生单频激光作为电光调制种子光，其中心波长在1550.1nm到1550.8nm范围内可调；强度调制器与第一相位调制器和第二相位调制器均采用铌酸锂电光调制器，控制强度调制器偏置电压，配合调节第一移相器和第二移相器，获得平坦光频梳输出。
3.根据权利要求2所述的基于窄线宽、大梳齿间隔光频梳的信道化接收机产生系统，其特征在于：色散补偿光纤采用在激光中心波长附近为负色散的单模光纤，补偿相位调制器带来线性正啁啾，压缩脉冲宽度。
4.根据权利要求3所述的基于窄线宽、大梳齿间隔光频梳的信道化接收机产生系统，其特征在于：采用掺铒光纤放大器与铒镱共掺光纤放大器级联放大的形式，并且铒镱共掺光纤放大器中包含带通滤波器。
5.根据权利要求4所述的基于窄线宽、大梳齿间隔光频梳的信道化接收机产生系统，其特征在于：可编程光波滤波器为四通道输出，设置四种不同带通滤波同时输出，挑选电光梳源不同阶的梳齿作为行波扩谱泵浦光。
6.根据权利要求5所述的基于窄线宽、大梳齿间隔光频梳的信道化接收机产生系统，其特征在于：第一布里渊短腔和第二布里渊短腔的结构相同，环形腔内非线性光纤长度较短，满足在布里渊增益带宽内只有一个模式输出，并且在布里渊增益的影响下，不断压缩梳齿线宽，实现泵浦信号超窄线宽输出；内置放大器结构，实现泵浦信号高功率输出。
7.根据权利要求6所述的基于窄线宽、大梳齿间隔光频梳的信道化接收机产生系统，其特征在于：非线性环形镜滤除包括由非线性啁啾引起的脉冲旁瓣在内的低功率频率分量；设置环形器监测和排除非线性环形镜产生的反向光。
8.根据权利要求7所述的基于窄线宽、大梳齿间隔光频梳的信道化接收机产生系统，其特征在于：色散平坦高非线性光纤采用在1.3um-2um区间色散近零平坦的正常色散光纤。
9.根据权利要求8所述的基于窄线宽、大梳齿间隔光频梳的信道化接收机产生系统，其特征在于：相干本振光梳与信号光梳的产生方法相同，梳齿间隔与信号光梳不同，电光调制过程中使用的单频激光由单频窄线宽光纤激光器分束获得。
10.根据权利要求9所述的基于窄线宽、大梳齿间隔光频梳的信道化接收机产生系统，其特征在于：微波光子变频和光电转换模块采用镜像抑制下变频，数字信号处理模块还原切片后的窄带信号，经过频谱组合还原接收的微波信号信息。
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