CN116759874A - 一种基于注入锁定光电振荡器的低相噪任意波形产生系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于注入锁定光电振荡器的低相噪任意波形产生系统，利用双偏振马赫曾德尔调制器同时实现注入锁定光电振荡器和光域四倍频，可同时实现微波信号产生和信号倍频，生成信号的频率带宽不受注入信号的限制，实现了超宽带信号的产生。
Description
技术领域
本发明属于光电信息技术领域，具体涉及一种基于注入锁定光电振荡器的低相噪任意波形产生系统。
背景技术
随着现代无线通信系统、雷达系统的不断发展，任意波形产生技术已经成为各个领域中不可或缺的关键技术。传统的任意波形产生基于电学器件实现，受到电学器件的限制，生成的信号往往具有频率低、带宽小、相位噪声高等问题。光子技术凭借其与生俱来的大带宽、低传输损耗、抗电磁干扰等特性，可以有效解决电子瓶颈问题。其中，光电振荡器(Optoelectronic Oscillator,OEO)作为一种重要的光生微波系统，由于采用长距离、低损耗的光纤作为储能元件，可以产生高频低相噪的微波信号。然而，传统光电振荡器由于模式竞争效应，无法实现稳定的多模振荡，仅能实现单频信号产生。因此，可控调节光电振荡器的振荡模式，实现不同输出模式的稳定振荡，是利用光电振荡器产生任意波形的关键。
目前，基于傅里叶域锁模技术、主动锁模技术的光电振荡器可以分别实现线性调频(Linear Frequency Modulated,LFM)信号和脉冲信号的产生。傅里叶域锁模光电振荡器利用快速扫频的微波光子滤波器，通过将滤波器的扫频周期设定为和腔内环形时间一致以实现傅里叶域锁模，使扫频范围内的所有模式同时在腔内稳定振荡，突破了传统OEO模式建立时间的限制，实现线性调频信号的产生。但由于激光器扫频的非线性响应、滤波器扫频周期与环路延时不完全匹配、以及光纤易受温度影响等问题，使得输出信号的线性度差、频率稳定性欠佳。主动锁模光电振荡器通过插入电光调制器引入外部周期信号，实现对光波的主动调制，使得腔内多个纵模之间建立了固定的相位关系，从而产生频谱为等间隔梳状的周期性脉冲串。但输出信号的功率平坦性差，且在谐波锁模时存在超模噪声，影响信号的信噪比和稳定性。
为了实现低相位噪声，光电振荡器通常采用长光纤以提高环路Q值，导致振荡模式间距小，增加了单模选择的难度，导致边模出现。注入锁定技术被引入到光电振荡器中，以期提高光电振荡器的边模抑制比。当外部射频信号注入时，与注入信号频率接近的纵模就会被锁定到注入信号上。注入信号能量的加入提高了被锁定振荡模式的竞争能力，使光电振荡器最终选择该模式进行振荡，其他模式则被抑制。除单频信号的产生外，目前已有研究者提出利用注入锁定光电振荡器实现线性调频信号的产生[Liu M,Liu S,Zhu N,etal.Low phase noise wideband LFM signal generation by injection-locking anoptoelectronic oscillator[C]//Optoelectronics and CommunicationsConference.Optica Publishing Group,2021:JS3D.5.]。该方案通过设置注入宽带信号的周期与OEO环路延时一致，调节环路中的移相器实现宽带信号的注入锁定。然而，该方案产生的信号类型单一，难以实现线性调频脉冲信号的产生，且输出信号的频率带宽受限于外部注入信号。
综上所述，目前实现低相位噪声、大带宽、高稳定性的任意波形产生技术仍然是一项重大的挑战。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于注入锁定光电振荡器的低相噪任意波形产生系统，能够实现任意波形信号的产生，同时具有低相位噪声、高稳定性的优势。
实现本发明的技术方案如下：
一种基于注入锁定光电振荡器的低相噪任意波形产生系统，包括注入锁定光电振荡器和光域四倍频；
所述注入锁定光电振荡器由激光器(LD)、偏振控制器(PC1和PC2)、双偏振马赫曾德尔调制器(DP-MZM)中的x-MZM、偏振分束器(PBS)、掺铒光纤放大器(EDFA1)、非零色散位移光纤(NZ-DSF)、光电探测器(PD1)、电移相器、电放大器(EA)、功分器(EC1和EC2)、任意波形发生器(AWG)和任意函数发生器(AFG)构成。激光器输出的单频光载波通过PC1输入至DP-MZM的光输入接口，DP-MZM包括两个双驱动MZM(x-MZM和y-MZM)，在DP-MZM的输出端，来自两个双驱动MZM的调制光信号是偏振正交的，利用PC2和PBS进行分离。利用AFG输出的信号调节x-MZM的偏置电压控制其工作点，调整环路增益。经过x-MZM调制后的光信号经过EDFA1放大后通过NZ-DSF传输至PD1，完成光电转换。输出的射频信号通过电移相器，经EA放大，通过EC1分成两路，一路输入至y-MZM的射频输入端，另一路通过EC2与AWG输出的信号结合，反馈回x-MZM的一个射频输入端，构成OEO环路；
所述光域四倍频用于实现微波信号的四倍频输出。
进一步地，所述光域四倍频包括激光器(LD)、偏振控制器(PC1和PC2)、双偏振马赫曾德尔调制器(DP-MZM)中的y-MZM、偏振分束器(PBS)、相移布拉格光栅(PS-FBG)、掺铒光纤放大器(EDFA2)和光电探测器(PD2)。激光器输出的单频光载波通过PC1输入至DP-MZM的光输入接口，通过EC1分出的一路射频信号输入至y-MZM的射频输入端，调节y-MZM的偏置电压使其工作在最大传输点，从而输出光载波和±2阶边带。通过调节PS-FBG的中心波长，利用其反射谱的notch滤除光载波。保留的±2阶边带经过EDFA2放大后通过PD2完成光电转换，实现微波信号的四倍频输出。
有益效果：
本发明利用双偏振马赫曾德尔调制器同时实现注入锁定光电振荡器和光域四倍频，改变注入信号的类型，可以实现具有高频宽带特性的任意波形信号的产生，且相位噪声性能优于注入信号。
本发明通过方波控制调制器的偏置电压，实现对环路增益的调控，不仅可以输出连续信号，还可以实现脉冲信号的产生。
附图说明
图1为本发明提供的基于注入锁定光电振荡器的任意波形产生系统框图。
其中，1-激光器，2-偏振控制器PC1，3-双偏振马赫曾德尔调制器DP-MZM，4-偏振控制器PC2，5-偏振分束器PBS，6-掺铒光纤放大器EDFA1，7-非零色散位移光纤NZ-DSF，8-光电探测器PD1，9-电移相器，10-电放大器EA，11-功分器EC1，12-功分器EC2，13-任意波形发生器AWG，14-任意函数发生器AFG，15-相移布拉格光栅PS-FBG，16-掺铒光纤放大器EDFA2，17-光电探测器PD2。
图2为本发明中宽带信号注入锁定示意图；其中图2(a)和(b)分别表示注入信号频率分量与临近的OEO振荡模式的频率间隔超出和接近锁定范围，图2(c)表示实现注入锁定后输出的信号。
图3为本发明中连续、脉冲信号产生时环路增益和输出信号示意图；其中图3(a)和(b)分别是连续信号产生时OEO的开环增益和对应的输出信号示意图，图3(c)和(d)分别是脉冲信号产生时OEO的开环增益和对应的输出信号示意图。
图4为本发明提供的输出信号和注入信号的相位噪声对比图。
图5为本发明提供的不同波形信号产生的结果图；其中图5(a)、(c)分别为基于注入锁定OEO生成的5-8GHz的LFM信号和相对应四倍频后生成的20-32GHz的LFM信号的频谱图，图5(b)、(d)分别为对相应的LFM信号时域波形做短时傅里叶变换分析得到的时频图；图5(e)和(f)分别为5-8GHz的脉冲LFM信号的频谱图和对应的时频图；图5(g)为生成的相位编码信号的时域图，图5(h)显示了前0.2μs内对应相位编码信号恢复出的相位信息。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提出一种基于注入锁定光电振荡器的大带宽、低相噪的任意波形产生系统，如图1所示。激光器(1)输出的单频光载波通过PC1(2)输入至DP-MZM(3)的光输入接口，DP-MZM(3)包括两个双驱动MZM(x-MZM和y-MZM)，在DP-MZM的输出端，来自两个双驱动MZM的调制光信号是偏振正交的，当控制PC2(4)将光信号的偏振方向与PBS(5)的主轴对齐时，两个被调制的光信号以高消光比分离开。经过x-MZM调制后的光信号经过EDFA1(6)放大后通过4km的NZ-DSF(7)传输至PD1(8)，完成光电转换。输出的射频信号通过电移相器(9)，电移相器(9)对环路延时进行微调保证注入信号和振荡模式匹配。随后经EA(10)放大，通过EC1(11)分成两路，一路通过EC2(12)与AWG(13)输出的射频信号结合，反馈回x-MZM的一个射频输入端，构成OEO环路。AWG(13)提供不同类型注入信号，包络单频信号、线性调频信号、跳频信号、线性调频脉冲信号、相位编码信号等。在进行宽带信号的注入时，信号周期应设置与环路延时一致，为19.9232μs。AFG(14)输出的直流信号注入到x-MZM的另一个射频输入端，改变输出直流信号的电压可以控制x-MZM的工作状态，实现连续信号或脉冲信号的产生。另一路输入至y-MZM的射频输入端，调节y-MZM的偏置电压使其工作在最大传输点，从而输出光载波和±2阶边带。通过调节PS-FBG(15)的中心波长，利用其反射谱的notch滤除光载波。保留的±2阶边带经过EDFA2(16)放大后通过PD2(17)完成光电转换，实现注入信号的四倍频输出。
图2给出宽带信号注入锁定示意图，其中图2(a)和(b)分别表示注入信号频率分量与临近的OEO振荡模式的频率间隔超出和接近锁定范围，图2(c)表示实现注入锁定后输出的信号。为了实现宽带信号的产生，AWG(13)输出的信号周期需设置与OEO环路延时一致，即注入LFM信号的频率间隔应等于OEO的纵模间距。如图2(a)所示，注入信号的频率分量与OEO振荡模式不匹配，此时未实现注入锁定。通过调节环路中的电移相器(11)，微调环路延时，使得OEO振荡模式接近注入信号，如图2(b)所示，当小于注入锁定范围时，从而实现注入锁定。由于频率牵引，此时注入锁定OEO输出的信号频率与注入信号的频率一致，如图2(c)所示。
图3给出连续、脉冲信号产生时环路增益和输出信号示意图，其中图3(a)和(b)分别是连续信号产生时OEO的开环增益和对应的输出信号示意图，图3(c)和(d)分别是脉冲信号产生时OEO的开环增益和对应的输出信号示意图。当AFG(14)输出电压稳定不变的直流信号时，OEO环路的开环增益保持不变，输出信号为连续信号，如图3(a)和(b)所示。此时，AWG(13)输出连续信号注入到OEO即可实现连续信号的注入锁定。由于OEO会在无注入信号的情况下自由振荡，在AWG(13)输出脉冲信号注入到OEO的情况下，注入锁定OEO输出的并不是脉冲信号。因此，为了实现脉冲信号的产生，利用AFG(14)输出方波信号控制x-MZM的偏置电压以改变工作点，实现对环路的开环增益调控。方波信号应设置与注入信号的周期同步，在有信号注入的时间内，方波位于高电平，此时x-MZM的损耗小，开环增益高，可以实现对注入信号的锁定；在无信号注入的时间内，方波位于低电平，此时x-MZM的损耗大，开环增益低，OEO不能进行自由振荡，此时OEO无输出信号，从而实现了脉冲信号的产生，如图3(c)和(d)所示。
实验中通过相位噪声分析仪分别测试AWG(13)输出的单频信号和注入锁定OEO输出的单频信号的相位噪声。图4给出频率为5GHz的输出信号和注入信号的相位噪声对比图。虚线为注入信号的相位噪声曲线，实线为输出信号的相位噪声曲线，在10kHz频偏处的相位噪声分别为-101.46dBc/Hz和-123.18dBc/Hz，经注入锁定后相位噪声提高了20dB以上。图5给出不同波形信号产生的结果图，其中图5(a)、(c)分别为基于注入锁定OEO生成的5-8GHz的LFM信号和相对应四倍频后生成的20-32GHz的LFM信号的频谱图，图5(b)、(d)分别为对相应的LFM信号时域波形做短时傅里叶变换分析得到的时频图；图5(e)和(f)分别为5-8GHz的脉冲LFM信号的频谱图和对应的时频图；图5(g)为生成的相位编码信号的时域图，在一个周期(19.9232μs)内传输了3900-bits，图5(h)显示了前0.2μs内对应相位编码信号恢复出的相位信息。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (2)
1.一种基于注入锁定光电振荡器的低相噪任意波形产生系统，其特征在于，包括注入锁定光电振荡器和光域四倍频；
所述注入锁定光电振荡器由激光器、偏振控制器PC1和PC2、双偏振马赫曾德尔调制器DP-MZM中的x-MZM、偏振分束器PBS、掺铒光纤放大器EDFA1、非零色散位移光纤NZ-DSF、光电探测器PD1、电移相器、电放大器EA、功分器EC1和EC2、任意波形发生器AWG和任意函数发生器AFG构成；激光器输出的单频光载波通过PC1输入至DP-MZM的光输入接口，DP-MZM包括两个双驱动MZM，在DP-MZM的输出端，来自两个双驱动MZM的调制光信号是偏振正交的，利用PC2和PBS进行分离；利用AFG输出的信号调节x-MZM的偏置电压控制其工作点，调整环路增益；经过x-MZM调制后的光信号经过EDFA1放大后通过NZ-DSF传输至PD1，完成光电转换；输出的射频信号通过电移相器，经EA放大，通过EC1分成两路，一路输入至y-MZM的射频输入端，另一路通过EC2与AWG输出的信号结合，反馈回x-MZM的一个射频输入端，构成OEO环路；
所述光域四倍频用于实现微波信号的四倍频输出。
2.如权利要求1所述的任意波形产生系统，其特征在于，所述光域四倍频包括激光器、偏振控制器PC1和PC2、双偏振马赫曾德尔调制器DP-MZM中的y-MZM、偏振分束器PBS、相移布拉格光栅PS-FBG、掺铒光纤放大器EDFA2和光电探测器PD2；激光器输出的单频光载波通过PC1输入至DP-MZM的光输入接口，通过EC1分出的一路射频信号输入至y-MZM的射频输入端，调节y-MZM的偏置电压使其工作在最大传输点，从而输出光载波和±2阶边带；通过调节PS-FBG的中心波长，利用其反射谱的notch滤除光载波；保留的±2阶边带经过EDFA2放大后通过PD2完成光电转换，实现微波信号的四倍频输出。
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