CN215870186U - 一种连续调频脉冲微波信号产生装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种连续调频脉冲微波信号产生装置，该装置包括非平衡单臂干涉模块、频时映射模块、光电转换模块，所述非平衡单臂干涉模块依次连接频时映射模块、光电转换模块。本实用新型通过采用非平衡单臂光纤干涉结构实现群延迟时间连续调节，并结合基于色散光纤的频时映射，从而实现连续调频的脉冲微波信号产生。
Description
技术领域
本实用新型涉及微波光子技术领域，特别是涉及一种连续调频脉冲微波信号产生装置。
背景技术
脉冲微波信号产生技术在雷达、无线电通信、电子测试系统等领域具有广阔的应用前景。相较于传统的电子学方法，基于微波光子学产生脉冲微波信号技术由于拥有工作频率高、带宽调谐范围大、可实现任意波形发射等独特优势而在科学研究及工业应用中备受关注。其中，采用光脉冲频谱整形和频率-时间(频时)映射结合产生微波信号被认为是高效的脉冲微波产生方法，且无需任何参考微波源。该方法是将时域上极窄的脉冲光信号经过光学滤波整形器，其输出光信号基于冲激响应将根据滤波整形器的频响特性而实现频谱整形；而后再经过具有特定色散量的色散介质，通过频率-时间映射效应将光脉冲在频域的幅度特性映射至时域，最后通过光电探测器进行光-电转换，最终获得频率可调谐、波形可设计的脉冲微波信号。
目前，利用色散光纤或啁啾布拉格光栅可以实现高质量的频时映射；而频谱整形方法则主要分为空间光调制或光纤滤波整形两个方法。基于液晶阵列的空间光调制器可以实现脉冲微波信号频率的实时调谐，但其体积较大、具有复杂的空间光路结构，导致稳定性较差，不利于实际应用。而光纤滤波整形方法则主要分为基于Sagnac环结构和基于偏振干涉的光梳滤波器，其具有小尺寸、低插损等优势，但由于光纤结构一旦确定，其频谱响应即固定，因此无法实现脉冲微波信号的频率调谐。为了实现基于光纤结构的连续调频脉冲微波信号产生，我国西南交通大学的L.Yan等人利用自制的基于偏振开关结构的群延迟调制器实现了脉冲微波频率的连续调谐，但由于其使用非商用元器件，因而该方法未获得广泛的应用。
发明内容
本实用新型专利提出了一种连续调频脉冲微波信号产生装置。本实用新型装置结构简单、可产生频率可连续调谐的脉冲微波信号。具体采用如下技术方案：
一种连续调频脉冲微波信号产生装置，其特征在于，该装置包括非平衡单臂干涉模块、频时映射模块、光电转换模块，所述非平衡单臂干涉模块依次连接频时映射模块、光电转换模块，其中，非平衡单臂干涉模块包含飞秒锁模激光器、光环形器及等效频域滤波单元，所述等效频域滤波单元由光纤转接结构及群时延发生器组成，其中，所述飞秒锁模激光器输出端与光环形器的输入端端口①连接，光环形器的输出端端口②与光纤转接结构输入端连接，光纤转接结构与群时延发生器共轴，所形成的光干涉频谱整形信号由光环形器的输出端端口③输出，并输入至光电转换模块以产生脉冲微波信号。
进一步，所述等效频域滤波单元中，光纤转接结构为光纤探头，群时延发生器为可调光学延迟线，其连接关系是：光纤探头输出端与可调光学延迟线反光元件共轴。
进一步，所述等效频域滤波单元中，光纤转接结构为光纤准直镜，群时延发生器为轴向镀膜电光调制器，其连接关系是：光纤准直镜与轴向镀膜电光调制器共轴。
进一步，所述频时映射模块为色散光纤，其中，光环形器的端口③与色散光纤输入端连接。
进一步，所述光电转换模块由光功率放大器、光电探测器组成，其中，光功率放大器输入端与色散光纤输出端连接，光功率放大器输出端与光电探测器光输入端连接，所产生的脉冲微波信号即由光电探测器电输出端输出。
本实用新型还提供一种连续调频脉冲微波信号产生方法，该方法包括如下步骤：
S1：基于非等臂干涉模块，利用等效频域滤波单元产生具有群延迟的两束飞秒激光，并通过光环形器进行合束，进而通过频域干涉原理实现飞秒锁模光脉冲信号的频谱整形，将整形后的光脉冲信号输入至频时映射模块；
S2：基于频时映射模块对输入的光脉冲信号进行频时映射，获得时域干涉光脉冲信号，将光脉冲信号输入至光电转换模块；
S3：基于光电转换模块，将光脉冲信号进行功率放大，利用光电探测器转化为可调谐脉冲微波信号输出，其中可调谐脉冲微波信号频率的调谐方式为：依据公式fI＝-Δτ·c/DLλ2，通过改变进入光电探测器的两束飞秒激光之间群延迟时间Δτ，以实现可调谐脉冲微波信号频率的实时连续调谐，其中，c为光速，D为色散光纤的色散常数、L为色散光纤的光纤长度，λ为飞秒锁模激光器产生飞秒激光的中心频率，Δτ为进入光电探测器的两束飞秒激光之间(即通过群时延发生器产生的)群延迟时间。
优选地，步骤S3中“可调谐脉冲微波信号的调谐方式”，具体为：依据公式fI＝-2d/DLλ2，通过改变光纤探头表面反射光与光学延迟线反射光之间的光程差d，以实现可调谐脉冲微波信号频率的实时连续调谐，其中，d为光纤探头表面反射光与光学延迟线反射光之间的光程差，D为色散光纤的色散常数，L为色散光纤的光纤长度，λ为飞秒锁模激光器产生飞秒激光的中心频率。
优选地，步骤S3中“可调谐脉冲微波信号的调谐方式”，具体为：依据公式
通过改变轴向镀膜电光调制器的外加电场E，调控轴向镀膜电光调制器中电光晶体未加电压时入射偏振下的折射率na，从而调整两束飞秒激光之间的群延迟时间，以实现可调谐脉冲微波信号频率的实时连续调谐；其中，na为轴向镀膜电光调制器中电光晶体未加电压时入射偏振下的折射率，E为轴向镀膜电光调制器外加电场，γ为轴向镀膜电光调制器中电光晶体电光系数，l为轴向镀膜电光调制器中电光晶体长度，D为色散光纤的色散常数，L为色散光纤的光纤长度，λ为飞秒锁模激光器产生飞秒激光的中心频率。
本实用新型的优点在于利用了基于非平衡单臂干涉和频时映射原理搭建脉冲微波信号产生装置与方法，进而实现偏振不敏感的频率可连续调谐的脉冲微波信号产生。同时，本实用新型结构简单，操作便捷，可以有效的降低脉冲微波信号产生对实验设备性能以及应用环境的要求，这对基于微波光子学的脉冲微波信号产生技术在科研生产等领域的实际应用具有推动作用。
附图说明
图1为本实用新型连续调频脉冲微波信号产生装置结构示意图；
图2为实施例1的连续调频脉冲微波信号产生装置结构示意图；
图3为实施例2的连续调频脉冲微波信号产生装置结构示意图；
图中，1.飞秒锁模激光器 2.光环形器 3.光纤转接结构 4.群时延发生器 5.色散光纤 6.光功率放大器 7.光电探测器 8.脉冲微波信号 9.光纤探头 10.可调光学延迟线11.光纤准直镜 12.轴向镀膜电光调制器。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步阐述。
如图1所示，本专利连续调频脉冲微波信号产生装置包括：
非平衡单臂干涉模块、频时映射模块、光电转换模块，所述非平衡单臂干涉模块依次连接频时映射模块、光电转换模块，其中，非平衡单臂干涉模块包含飞秒锁模激光器1、光环形器2及等效频域滤波单元，所述等效频域滤波单元由光纤转接结构3及群时延发生器4组成，其中，所述飞秒锁模激光器1输出端与光环形器2的输入端端口①连接，光环形器2的输出端端口②与光纤转接结构3输入端连接，光纤转接结构3与群时延发生器4共轴，所形成的光干涉频谱整形信号由光环形器2的输出端端口③输出，并输入至光电转换模块以产生脉冲微波信号8。
所述频时映射模块为色散光纤5，其中，光环形器2的端口③与色散光纤5输入端连接。
所述光电转换模块由光功率放大器6、光电探测器7组成，其中，光功率放大器6输入端与色散光纤5输出端连接，光功率放大器6输出端与光电探测器光输入端7连接，所产生的脉冲微波信号即由光电探测器电输出端输出。
基于该装置的连续调频脉冲微波信号产生方法，包括如下步骤：
S1：基于非等臂干涉模块，利用等效频域滤波单元产生具有群延迟的两束飞秒激光，并通过光环形器进行合束，进而通过频域干涉原理实现飞秒锁模光脉冲信号的频谱整形，并输入频时映射模块；
S2：基于频时映射模块对输入的光脉冲信号进行频时映射，获得时域干涉光脉冲信号，并输入光电转换模块；
S3：基于光电转换模块，将光信号进行功率放大后，利用光电探测器转化为可调谐脉冲微波信号输出，其中可调谐脉冲微波信号的调谐方式为：依据公式fI＝-Δτ·c/DLλ2，通过改变进入光电探测器的两束飞秒激光之间群延迟时间，以实现可调谐脉冲微波信号频率的实时连续调谐。
关于步骤3中公式fI＝-Δτ·c/DLλ2的具体推导如下：
基于光干涉频谱整形和频时映射效应，光电探测器7输出的脉冲微波信号8，I(t)为：
其中，α2(t)是色散后的光脉冲在时域上的强度，V是时域干涉条纹的对比度，β2和L分别为色散光纤5的群速度色散参量和长度，Δτ为两束飞秒激光通过群时延发生器4产生的群延迟时间。
通过对式(1)进行傅里叶变换即可获得所产生脉冲微波信号8的频率另为：
fI＝Δτ/β2L (2)
同时，由于色散光纤5的色散常数D满足：
D＝-cβ2/λ2 (3)
其中，c是光速，λ为飞秒锁模激光器1产生飞秒激光的中心频率。因此，将式(3)代入式(2)，脉冲微波信号8的频率即为：
fI＝-Δτ·c/DLλ2 (4)
由上式可知，当系统确定时，色散常数D、光纤长度L和飞秒锁模激光器产生飞秒激光的中心频率λ均为常量，所产生的脉冲微波频率与群时延发生器产生的群延迟时间Δτ成正比。因此，通过改变群延迟时间Δτ即可实现脉冲微波信号频率的连续调谐。
上述公式4中，由于等效单元存在多种可能的具体实施结构，关于等效单元不同实施结构涉及公式的具体推导过程如下：
当等效单元如图2所示，光纤转接结构3具体为光纤探头9，群时延发生器具体为可调光学延迟线10时，公式fI＝-Δτ·c/DLλ2具体应为fI＝-2d/DLλ2，具体推导过程如下：
飞秒激光经过光纤探头9表面反射光与经过可调光学延迟线10反射光之间产生延迟，即为群延迟时间Δτ：
Δτ＝2d/c (5)
其中，d为光纤探头表面反射光与光学延迟线反射光之间的光程差。因此，将式(5)代入式(4)，即可获得所产生脉冲微波信号8的频率表达式：
fI＝-2d/DLλ2 (6)
当等效单元如图3所示，光纤转接结构3具体为光纤准直镜11，群时延发生器具体为轴向镀膜电光调制器12时，公式fI＝-Δτ·c/DLλ2具体应为
具体推导过程如下：
飞秒激光经过光纤准直镜11耦合进入轴向镀膜电光调制器12，并经过其前后表面分别反射为两束飞秒激光，其群延迟时间为：
其中，na为轴向镀膜电光调制器12中电光晶体未加电压时入射偏振下的折射率，E为轴向镀膜电光调制器12外加电场，γ为轴向镀膜电光调制器12中电光晶体电光系数，l为轴向镀膜电光调制器12中电光晶体长度。因此，将式(7)代入式(4)，即可获得所产生脉冲微波信号8的频率表达式
本实用新型通过采用非平衡单臂光纤干涉结构实现群延迟时间连续调节，并结合基于色散光纤的频时映射，从而实现连续调频的脉冲微波信号产生。本实用新型专利所述的技术具有非偏振敏感特性，具有较高的稳定性；同时所需元器件均为现有商用元器件，方法简单易行，具有较高的可操作性。
实施例1
本实施例1中，连续调频脉冲微波信号产生装置中等效频域滤波单元为光纤探头9及可调光学延迟线10。
基于该装置，连续调频脉冲微波信号产生方法为：
S1：基于非等臂干涉模块，利用等效频域滤波单元中60dB镀膜光纤探头9表面反射光与可调光学延迟线10反射光形成具有群延迟时间的两束飞秒激光，并通过光环形器进行合束，进而通过频域干涉原理实现飞秒锁模光脉冲信号的频谱整形，并输入频时映射模块；
S2：基于频时映射模块对输入的光脉冲信号进行频时映射，获得时域干涉光脉冲信号，并输入光电转换模块；
S3：基于光电转换模块，将光信号进行功率放大后，利用光电探测器转化为可调谐脉冲微波信号输出，具体依据公式fI＝-2d/DLλ2，通过改变光纤探头9表面反射光与光学延迟线10反射光之间的光程差d，以实现可调谐脉冲微波信号频率的实时连续调谐，其中，d为光纤探头表面反射光与光学延迟线反射光之间的光程差，D为色散光纤5的色散常数，L为色散光纤5的光纤长度，λ为飞秒锁模激光器1产生飞秒激光的中心频率。
实施例2
本实施例2中，连续调频脉冲微波信号产生装置中等效频域滤波单元为光纤准直镜11和轴向镀膜电光调制器12。
基于该装置，连续调频脉冲微波信号产生方法为：
S1：基于非等臂干涉模块，利用等效频域滤波单元中光纤准直镜11将飞秒激光耦合进入轴向镀膜电光调制器12，其中轴向镀膜电光调制器12前表面镀半透半反膜，后表面镀全反膜，因此飞秒激光经过其前后表面将分别反射为具有群延迟时间两束飞秒激光，并通过光环形器进行合束，进而通过频域干涉原理实现飞秒锁模光脉冲信号的频谱整形，并输入频时映射模块；
S2：基于频时映射模块对输入的光脉冲信号进行频时映射，获得时域干涉光脉冲信号，并输入光电转换模块；
S3：基于光电转换模块，将光信号进行功率放大后，利用光电探测器转化为可调谐脉冲微波信号输出；具体为：依据公式
通过改变轴向镀膜电光调制器12的外加电场E，调控轴向镀膜电光调制器12中电光晶体未加电压时入射偏振下的折射率na，从而调整两束飞秒激光之间的群延迟时间，以实现可调谐脉冲微波信号频率的实时连续调谐；其中，na为轴向镀膜电光调制器12中电光晶体未加电压时入射偏振下的折射率，E为轴向镀膜电光调制器12外加电场，γ为轴向镀膜电光调制器12中电光晶体电光系数，l为轴向镀膜电光调制器12中电光晶体长度，D为色散光纤5的色散常数，L为色散光纤5的光纤长度，λ为飞秒锁模激光器1产生飞秒激光的中心频率。
Claims (5)
1.一种连续调频脉冲微波信号产生装置，其特征在于，该装置包括非平衡单臂干涉模块、频时映射模块、光电转换模块，所述非平衡单臂干涉模块依次连接频时映射模块、光电转换模块，其中，非平衡单臂干涉模块包含飞秒锁模激光器(1)、光环形器(2)及等效频域滤波单元，所述等效频域滤波单元由光纤转接结构(3)及群时延发生器(4)组成，其中，所述飞秒锁模激光器(1)输出端与光环形器(2)的输入端端口①连接，光环形器(2)的输出端端口②与光纤转接结构(3)输入端连接，光纤转接结构(3)与群时延发生器(4)共轴，所形成的光干涉频谱整形信号由光环形器(2)的输出端端口③输出，并输入至光电转换模块以产生脉冲微波信号(8)。
2.根据权利要求1所述的连续调频脉冲微波信号产生装置，其特征在于，所述等效频域滤波单元中，光纤转接结构(3)为光纤探头(9)，群时延发生器(4)为可调光学延迟线(10)，其连接关系是：光纤探头(9)输出端与可调光学延迟线(10)反光元件共轴。
3.根据权利要求1所述的连续调频脉冲微波信号产生装置，其特征在于，所述等效频域滤波单元中，光纤转接结构(3)为光纤准直镜(11)，群时延发生器(4)为轴向镀膜电光调制器(12)，其连接关系是：光纤准直镜(11)与轴向镀膜电光调制器(12)共轴。
4.根据权利要求1～3任一项所述的连续调频脉冲微波信号产生装置，其特征在于，所述频时映射模块为色散光纤(5)，其中，光环形器(2)的端口③与色散光纤(5)输入端连接。
5.根据权利要求1～3任一项所述的连续调频脉冲微波信号产生装置，其特征在于，所述光电转换模块由光功率放大器(6)、光电探测器(7)组成，其中，光功率放大器(6)输入端与色散光纤(5)输出端连接，光功率放大器(6)输出端与光电探测器光输入端(7)连接，所产生的脉冲微波信号即由光电探测器电输出端输出。
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