CN116400520A - 一种基于高阶电光调制的光子学超宽带太赫兹跳频源 - Google Patents

一种基于高阶电光调制的光子学超宽带太赫兹跳频源 Download PDF

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Abstract

本发明属于太赫兹信号产生技术领域，具体为一种基于高阶电光调制的光子学超宽带太赫兹跳频源，该光子学超宽带太赫兹跳频源将电信号产生单元生成的电跳频信号作为调制信号，利用其驱动电光调制器产生多频率分量且频率跳变的光跳频信号，随后用光带通滤波器根据需求选择出跳频带宽倍增的高阶边带，并与参考光外差拍频产生跳频带宽倍增至高达数十GHz的太赫兹跳频信号。与现有技术相比，本发明系统结构简单，跳频带宽放大倍数等于调制阶数，降低了电信号模块的成本与复杂度，且突破传统的电子学跳频源的跳频带宽限制。可应用于太赫兹通信及雷达探测、电子对抗等领域。

Description

一种基于高阶电光调制的光子学超宽带太赫兹跳频源
技术领域
本发明涉及太赫兹信号产生技术领域，具体涉及一种基于高阶电光调制的光子学超宽带太赫兹跳频源，所述基于高阶电光调制的光子学超宽带太赫兹跳频源应用于毫米波/太赫兹通信、雷达成像及电子抗干扰等领域。
背景技术
跳频通信即频率跳变的扩展频谱通信，它受特定跳频序列控制，能够在一系列作为信息载波的频率之间跳变，具有减轻符号间干扰，显著提高无线系统的通信容量等优点，其载波频率快速变化能力，可以大大减少多径效应等原因导致的信号干扰，提升系统的安全性。因此，跳频通信系统已广泛应用于卫星通信、雷达系统中。跳频源作为跳频通信系统的核心组成部分，用于产生跳频信号，其工作性能直接影响系统的抗干扰、抗截获能力。目前，基于电子学方法的传统跳频源跳频带宽仅为数GHz，且还未见工作在太赫兹频段的电子学跳频源报道。
近年来新兴的基于光子学方法的跳频源具有天然的宽带优势，同时，基于光外差拍频可以实现由光频至毫米波/太赫兹频段的灵活转换，有望解决电子学跳频源跳频带宽小、工作频率低的问题。例如文献《IEEE Photonics J.2018,10,1–7》报道的通过控制改变双驱马赫曾德尔调制器的静态工作点，来实现4GHz至8GHz、9GHz至18GHz、12GHz至24GHz的两点跳频，虽然实现了大带宽跳频，但是受限于两点跳频，跳频间隔过大。又如文献《IEEEPhotonics J,vol.10,no.3,pp.1-9,2018》报道的通过可调光带通滤波器对光梳进行选频滤波，与载波进行外差拍频得到跳频带宽为9GHz的跳频信号，其工作频段在10GHz以下。可见，目前光子学跳频源仍然存在以下不足：
第一，跳频带宽较小；
第二，工作频段均在较低的微波范围，100GHz以上的太赫兹频段的跳频源研究较少。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有光子学跳频源存在的不足，提供一种基于高阶电光调制的光子学超宽带太赫兹跳频源。该跳频源通过将电跳频信号施加于电光调制器上，对其高阶边带进行滤波并与参考光拍频，实现跳频带宽放大，使其可以在太赫兹频段产生超宽带跳频信号。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于高阶电光调制的光子学超宽带太赫兹跳频源，包括：激光器、电信号生成单元、电光调制器、光带通滤波器、参考激光器、光耦合器以及光电探测器；
所述激光器用于产生光信号并将其发送给电光调制器；
所述电信号生成单元根据需求产生电跳频信号用于驱动电光调制器；
所述电光调制器接收电跳频信号和光信号，在电跳频信号的驱动下利用光信号生成多频率分量且频率跳变的光跳频信号发送给光带通滤波器；
所述光带通滤波器根据跳频带宽要求，从接收的光跳频信号中滤出所需高阶边带，将其作为最终的光跳频信号发送给光耦合器；
所述参考激光器为光耦合器发送参考光；
所述光耦合器对光带通滤波器输出的光跳频信号与参考光进行合束后，发送给光电探测器生成太赫兹跳频信号。
进一步的，所述电信号生成单元包括频率控制单元、频率合成器和微波放大器；频率控制单元根据需求对二进制跳频序列进行译码量化，生成频率控制字发送给频率合成器；频率合成器在频率控制字的控制下，产生电跳频信号发送给微波放大器进行放大后作为调制信号，发送给电光调制器。
进一步的，所述基于高阶电光调制的光子学超宽带太赫兹跳频源，其跳频带宽、频道数量以及频道间隔，均可通过改变电跳频信号的频道数量、间隔和光带通滤波器滤出的边带进行调控。
进一步的，所述光电探测器进行平方律探测，基于外差拍频原理产生太赫兹跳频信号。
进一步的，所述的光电探测器为PIN型结构或单行载流子结构的光电二极管，其工作带宽大于太赫兹跳频源的最大工作频率。
进一步的，上述基于高阶电光调制的光子学超宽带太赫兹跳频源还包括光放大器，光放大器的输入端连接电光调制器，输出端连接光带通滤波器；光放大器接收电光调制器输出的多频率分量且频率跳变的光跳频信号，并对其进行放大后发送给光带通滤波器。
进一步的，所述频率控制单元还包括跳频序列发生器和译码器，跳频序列发生器用于根据需求产生二进制信号发送给译码器；译码器对接收的二进制信号进行译码后发送至频率控制器；频率控制器根据接收的译码后的二进制信号生成频率控制字并将其发送给频率合成器；频率合成器在频率控制字的控制下产生电跳频信号。
更进一步的，所述电光调制器为双驱动马赫曾德尔调制器，其施加直流偏置电压并工作于线性工作点；所述电信号生成单元还包括功分器和电移相器；所述微波放大器由放大器1和放大器2组成；功分器接收频率控制单元提供的电跳频信号，并将其分成两路，其中一路经放大器1放大后发送给双驱动马赫曾德尔调制器，另一路依次经电移相器移相、放大器2放大后发送给双驱动马赫曾德尔调制器。
本发明提供的一种基于高阶电光调制的光子学超宽带太赫兹跳频源，将电信号产生单元生成的电跳频信号作为调制信号，利用其驱动电光调制器产生多频率分量且频率跳变的光跳频信号，随后用光带通滤波器根据需求选择出跳频带宽倍增的高阶边带，并与参考光外差拍频产生太赫兹跳频信号，实现光子学超宽带跳频源。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明通过电光调制将低带宽的电跳频信号变为带宽倍增的高阶边带，跳频带宽放大倍数等于调制阶数，降低了电信号模块的成本与复杂度，且突破传统的电子学跳频源的跳频带宽限制。
2.本发明中，根据需求调整参考光信号频率，实现太赫兹信号大范围调谐使整个系统工作频率高、灵活可控。
附图说明
图1为本发明提出的光子学超宽带太赫兹跳频源结构示意图；
图2为本发明提出的基于高阶电光调制的光子学超宽带太赫兹跳频源工作原理示意图；
图3为实施例1的光子学超宽带太赫兹跳频源结构示意图；
图4为实施例1的光子学超宽带太赫兹跳频源中电跳频信号的时频图。
具体实施方式
下面结合附图以及光子学超宽带太赫兹跳频源的具体实施例对本发明中的技术方案进一步说明。
下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明，需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
如图1所示，本发明提供的一种基于高阶电光调制的光子学超宽带太赫兹跳频源，包括激光器、电信号生成单元、电光调制器、光带通滤波器、参考激光器、光耦合器以及光电探测器。电光调节器的输入端连接激光器和电信号生成单元，输出端经光带通滤波器连接光耦合器的第一输入端。光耦合器的第二输入端连接参考激光器，输出端连接光电探测器的输入端。电信号生成单元由依次串联的频率控制单元、频率合成器和微波放大器组成。实施时，所述光电探测器可以选择PIN型结构或单行载流子结构光电二极管，其工作带宽应大于太赫兹跳频源的最大工作频率。
如图2所示，激光器产生的光信号作为光载波输入电光调制器，频率控制器控制频率合成器产生带宽为Δf的电跳频信号，电跳频信号经放大后驱动电光调制器产生多个频率跳变的光调制边带送入光带通滤波器，光带通滤波器根据需求从多个光调制边带中选中某一高阶边带送入光耦合器中，与光参考激光器提供的参考激光于光耦合器合路，然后输入至光电探测器进行平方率探测，基于外差拍频原理产生太赫兹跳频信号。需要说明的是，在电跳频信号的驱动下利用光信号生成多个频率跳变的光调制边带中，每个光调制边带内的信号频率等间隔且随时间随机跳变，其频率分量间隔为电跳频信号频率间隔的整数倍。光带通滤波器的带宽大于等于所需调制高阶边带带宽，同时不与相邻边带频率范围重合，其选中的高阶边带中包含有该高阶边带的所有跳变频率分量。以下以一具体实施例来进行说明：
实施例1
依据上述结构和原理，本实施例提供了一种基于高阶电光调制的光子学超宽带太赫兹跳频源。如图3所示，一频率为193.1THz的激光器经光纤与双驱动马赫曾德尔调制器连接，双驱动马赫曾德尔调制器施加0.5倍半波电压的直流偏置使其工作在正交点。本实施例中，电信号产生单元包括频率控制单元、频率合成器、功分器、电移相器和微波放大器。其中频率控制单元由跳频序列发生器、译码器和频率控制器组成。微波放大器可以使电光调制器产生足够多的调制边带数量，由放大器1和放大器2组成。跳频序列发生器产生二进制信号发送给译码器，译码器对二进制信号进行译码后发送至频率控制器，频率控制器根据接收的译码后的二进制信号生成频率控制字发送给频率合成器，频率合成器在频率控制字的控制下，产生跳频范围21～25GHz、频率间隔0.4GHz的电跳频信号并将其发送给功分器，功分器分别连接放大器1和放大器2，即功分器将电跳频信号分成两路经放大器放大后施加在双驱动马赫曾德尔调制器上，其中一路含有电移相器。
本实施例中，为避免所需的第N阶电光调制高阶边带与其相邻的边带发生混叠，电跳频信号工作范围应满足f0/Δf＞N，其中f0为电跳频信号的最小频率，Δf为电跳频信号的跳频带宽。电光调制器产生的第N阶边带信号，其频率跳变范围等于施加在电光调制器上的电跳频信号跳频范围的N倍。电跳频信号时频图如图4所示，调节两路电信号的功率以及电移相器，使电光调制器的输出端产生较为平坦的光调制边带。其中第五阶边带为距载波0.105-0.125THz、带宽20GHz的跳变光信号且与其他边带不发生混叠，双驱动马赫曾德尔调制器产生的光调制边带经光放大器放大后，由中心频率为193.215THz、带宽为20GHz的光带通滤波器所滤出，与另一频率为193.0THz的参考激光经光耦合器耦合后输入至光电探测器，拍频产生频率范围为0.205THz-0.225THz、跳频带宽为20GHz的太赫兹跳频信号。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于高阶电光调制的光子学超宽带太赫兹跳频源，包括：激光器、电信号生成单元、电光调制器、光带通滤波器、参考激光器、光耦合器以及光电探测器，其特征在于：
所述激光器用于产生光信号并将其发送给电光调制器；
所述电信号生成单元根据需求产生电跳频信号用于驱动电光调制器；
所述电光调制器接收电跳频信号和光信号，在电跳频信号的驱动下利用光信号生成多频率分量且频率跳变的光跳频信号发送给光带通滤波器；
所述光带通滤波器根据跳频带宽要求，从接收的光跳频信号中滤出所需高阶边带，将其作为最终的光跳频信号发送给光耦合器；
所述参考激光器为光耦合器发送参考光；
所述光耦合器对光带通滤波器输出的光跳频信号与参考光进行合束后，发送给光电探测器生成太赫兹跳频信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于高阶电光调制的光子学超宽带太赫兹跳频源，其特征在于：所述电信号生成单元包括频率控制单元、频率合成器和微波放大器；频率控制单元根据需求对二进制跳频序列进行译码量化，生成频率控制字发送给频率合成器；频率合成器在频率控制字的控制下，产生电跳频信号发送给微波放大器进行放大后作为调制信号，发送给电光调制器。
3.根据权利要求1所述的一种基于高阶电光调制的光子学超宽带太赫兹跳频源，其特征在于：所述基于高阶电光调制的光子学超宽带太赫兹跳频源，其跳频带宽、频道数量以及频道间隔，均可通过改变电跳频信号的频道数量、间隔和光带通滤波器滤出的边带进行调控。
4.根据权利要求1所述的一种基于高阶电光调制的光子学超宽带太赫兹跳频源，其特征在于：所述的光电探测器为PIN型结构或单行载流子结构的光电二极管，其工作带宽大于太赫兹跳频源的最大工作频率。
5.根据权利要求1所述的一种基于高阶电光调制的光子学超宽带太赫兹跳频源，其特征在于：所述基于高阶电光调制的光子学超宽带太赫兹跳频源还包括光放大器，光放大器的输入端连接电光调制器，输出端连接光带通滤波器；光放大器接收电光调制器输出的多频率分量且频率跳变的光跳频信号，并对其进行放大后发送给光带通滤波器。
6.根据权利要求2所述的一种基于高阶电光调制的光子学超宽带太赫兹跳频源，其特征在于：所述频率控制单元还包括跳频序列发生器和译码器，跳频序列发生器用于根据需求产生二进制信号发送给译码器；译码器对接收的二进制信号进行译码后发送至频率控制器；频率控制器根据接收的译码后的二进制信号生成频率控制字并将其发送给频率合成器；频率合成器在频率控制字的控制下产生电跳频信号。
7.根据权利要求6所述的一种基于高阶电光调制的光子学超宽带太赫兹跳频源，其特征在于：所述电光调制器为双驱动马赫曾德尔调制器，其施加直流偏置电压并工作于线性工作点；所述电信号生成单元还包括功分器和电移相器；所述微波放大器由放大器1和放大器2组成；功分器接收频率控制单元提供的电跳频信号，并将其分成两路，其中一路经放大器1放大后发送给双驱动马赫曾德尔调制器，另一路依次经电移相器移相、放大器2放大后发送给双驱动马赫曾德尔调制器。
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