CN104181748B - 基于光控非线性环形镜的微波脉冲信号产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光控非线性环形镜的微波脉冲信号产生装置，该装置包括：锁模脉冲激光器、第一强度调制器、第一码型发生器、第一光耦合器、第一偏振控制器、第二光耦合器、第二偏振控制器、可调光衰减器、光放大器、窄线宽激光器、半导体光放大器、第三偏振控制器、保偏光纤、第四偏振控制器、光带通滤波器、色散元件、光电探测器、采样示波器、信号源分析仪、第二码型发生器、第二强度调制器。本发明基于光控非线性环形镜产生的微波脉冲信号的相位以及占空比均可调谐，从而克服了传统电子学方法在带宽、重量、体积、电磁干扰等方面的劣势，并突破了电子技术产生高频任意波形微波脉冲信号的瓶颈。

Description

基于光控非线性环形镜的微波脉冲信号产生装置

技术领域

本发明属于微波光子学技术领域，是一种利用光控技术产生任意波形的技术，具体地是一种基于光控非线性环形镜产生相位以及占空比可调谐微波脉冲信号的装置。

背景技术

近几年，基于光子技术产生任意波形的微波信号吸引了广泛的关注，其中包括现代雷达和天线、射频通信***、电子测试***、电子对抗***、以及全光信号处理和操纵等领域，微波技术与光子技术相互融合成为科技进步的必然趋势。利用光子技术产生微波信号克服了传统技术利用电子技术产生微波信号的局限，其中，频率向时间映射是光子技术产生任意波形的微波信号的一项关键技术。频率向时间映射产生任意波形的微波信号已经积累了广泛的研究基础，但是，截止到目前并未有基于全光技术产生相位以及占空比可调谐的微波脉冲信号的技术。

综上所述，为了填补相关领域的技术空缺，本发明提出一种利用光控非线性环形镜产生相位以及占空比可调谐的微波脉冲信号。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于光控非线性环形镜产生相位以及占空比可调谐的微波脉冲信号的装置，以克服传统电子学方法在带宽、重量、体积、电磁干扰等方面的劣势，并突破电子技术产生高频任意波形微波脉冲信号的瓶颈。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于光控非线性环形镜的微波脉冲信号产生装置，该装置包括：锁模脉冲激光器、第一强度调制器、第一码型发生器、第一光耦合器、第一偏振控制器、第二光耦合器、第二偏振控制器、可调光衰减器、光放大器、窄线宽激光器、半导体光放大器、第三偏振控制器、保偏光纤、第四偏振控制器、光带通滤波器、色散元件、光电探测器、采样示波器、信号源分析仪、第二码型发生器、第二强度调制器，其中：

所述锁模脉冲激光器用于向强度调制器提供脉冲光信号；

所述第一码型发生器用于向所述强度调制器输出电脉冲信号，作为调制信号；

所述第一强度调制器用于根据所述调制信号调节所述锁模脉冲激光器输出的脉冲光信号的占空比，并将调节占空比之后的光信号发送给所述第一光耦合器；

所述第一光耦合器用于将接收到的光信号分为两束，以形成环形镜，所述第一光耦合器的输出输入至所述光带通滤波器；

所述第一偏振控制器用于改变顺时针传输的光信号的偏振态，以使其在所述半导体光放大器中发生的相移最大；

所述窄线宽激光器用于产生发生非线性相移的泵浦光信号；

所述第二码型发生器用于产生高速的电脉冲信号作为强度调制信号；

所述第二强度调制器用于根据所述强度调制信号对于所述窄线宽激光器输出的泵浦光信号进行强度调制；

所述光放大器用于对所述窄线宽激光器输出的泵浦光信号进行功率放大；

所述可调光衰减器用于所接收到的泵浦光信号的功率进行细调节；

所述第二偏振控制器用于调节所接收到的泵浦光信号的偏振态，以使其在所述半导体光放大器中发生的相移最大；

所述第二光耦合器用于将泵浦光信号和顺时针方向传输的光信号同向入射到所述半导体光放大器中；

所述半导体光放大器用于将顺时针方向传输的光信号相对于逆时针方向传输的光信号产生一定的相移；

所述第三偏振控制器用于调节顺时针传输的光信号的偏振态，以调节所述保偏光纤产生的光滤波器的周期；

所述保偏光纤用于传输光信号，并产生具有一定自由光谱范围的光滤波器；

所述第四偏振控制器用于调节逆时针传输的光信号的偏振态，以调节所述保偏光纤产生的光滤波器的周期；

所述光带通滤波器用于滤除所接收到的光信号中的泵浦光信号；

所述色散元件用于实现光信号频率向时间的映射，以产生微波脉冲信号；

所述光电探测器用于对于光信号进行光电转换，得到微波信号；

所述采样示波器用于测量产生的微波信号，观测产生的微波信号的时域波形；

所述信号源分析仪用于测量产生的微波信号的频谱。

其中，所述第一码型发生器与所述锁模脉冲激光器同步。

其中，所述脉冲光信号的占空比取决于第一码型发生器输出的调制信号的频率。

其中，所述第一光耦合器为2×2耦合器，所述第二光耦合器为1×2耦合器。

其中，所述锁模脉冲激光器为半导体激光器或光纤激光器。

其中，所述第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器和第四偏振控制器为光纤结构的偏振控制器、波导结构的偏振控制器或空间结构的偏振控制器。

其中，所述窄线宽激光器为半导体激光器或光纤激光器。

其中，所述半导体光放大器由掺锗高非线性光纤或硫化物高非线性光纤代替。

其中，所述色散元件是色散补偿光纤、色散位移光纤、单模光纤或光纤光栅。

其中，所述光电探测器为光电二极管或光电倍增管，采用磷化铟材料或硅基材料。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的基于光控非线性环形镜产生相位以及占空比可调谐微波脉冲信号的装置，由于采用全光信号处理的方案所以克服了传统电子学方法在带宽、重量、体积、电磁干扰等方面的劣势，并突破了电子技术产生高频任意波形微波脉冲信号的瓶颈。

2、本发明提供的基于光控非线性环形镜产生相位以及占空比可调谐微波脉冲信号的装置，由于利用半导体光放大器实现光控相移所以结构简单，成本低，全光处理不涉及到电光转化，响应速度快，功率损耗小，可以产生任意高频任意波形微波信号甚至可以产生太赫兹频段的微波信号，产生的微波信号为高频、宽带可调谐、形状任意，可以实现与全光网络以及光载射频网络兼容。

3、由于采用全光的方法以及环形镜产生微波脉冲信号，顺时针和逆时针传播的光信号将经历相同的环境变化影响，并且两个方向传播的光信号是来自于同一个光源，故其产生的微波脉冲信号的相位噪声低，频谱纯度高；该方案的相关器件都为市场可以购买的器件，故该方案可以实现实用化，结构稳定，成本低廉。

附图说明

图1是本发明提供的基于光控非线性环形镜产生相位以及占空比可调谐的微波脉冲信号的装置的结构示意图；

图2是本发明提供的非线性环形镜产生光滤波器示意图；

图3是本发明提供的非线性环形镜光滤波之后的光谱图；

图4(a)是根据本发明产生的微波脉冲的时域波形示意图；图4(b)是根据本发明产生的微波脉冲信号对应的频谱图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的基于光控非线性环形镜产生相位以及占空比可调谐的微波脉冲信号的装置中，锁模脉冲激光器输出的脉冲光信号入射到强度调制器，强度调制器调节脉冲光信号的占空比，占空比取决于码型发生器输出的频率；环形镜的形成是基于2×2的光耦合器，环形镜对应的光滤波器的自由光谱范围取决于环内部的保偏光纤的长度以及顺时针和逆时针方向传播的光信号的偏振态，由于保偏光纤具有快轴和慢轴，对于一定长度的保偏光纤，当顺时针方向传播的光信号对准其中一个轴，逆时针方向传播的光信号对准另一个轴，对应的光滤波器的自由光谱范围最大，故通过调节保偏光纤两侧的偏振控制器可以实现滤波器的自由光谱范围调谐；窄线宽激光器发生的连续泵浦光与顺时针传播的探测光信号同向入射到半导体光放大器，在半导体光放大器内部顺时针传播的光信号和逆时针传播的光信号都经历相移，由于半导体光放大器置于非线性环形镜非对称处，故顺势针传播的光信号相对于逆时针传播的光信号所经历的相移不同，而且这个相移差依赖于泵浦光的光功率和偏振态，这样环形镜对应的光滤波器的相位可以实现调谐，相位调谐的大小取决于泵浦光信号的光功率大小以及泵浦光信号的偏振态；由于非线性环形镜输出的光信号包括泵浦光和信号光，而泵浦光是不希望被探测到的，故将泵浦光滤除掉，经过光滤波之后的光脉冲入射到色散元件实现频率向时间的映射，经过光电转换之后即可产生相位及占空比可调谐的微波信号。

图1是本发明提供的基于光控非线性环形镜产生相位以及占空比可调谐的微波脉冲信号的装置的结构示意图，如图1所示，该装置包括锁模脉冲激光器1、第一强度调制器2、第一码型发生器3、第一光耦合器4、第一偏振控制器5、第二光耦合器6、第二偏振控制器7、可调光衰减器8、光放大器9、窄线宽激光器10、半导体光放大器11、第三偏振控制器12、保偏光纤13、第四偏振控制器14、光带通滤波器15、色散元件16、光电探测器17、采样示波器18、信号源分析仪19、第二码型发生器20、第二强度调制器21，其中：

所述锁模脉冲激光器1用于向第一强度调制器2提供脉冲光信号；

所述第一码型发生器3用于向所述第一强度调制器2输出电脉冲信号，作为调制信号；

其中，所述电脉冲具有特定码速率和占空比的开光键控码。

其中，所述第一码型发生器3与所述锁模脉冲激光器1同步。

所述第一强度调制器2用于根据所述调制信号调节所述锁模脉冲激光器输出的脉冲光信号的占空比，并将调节占空比之后的光信号发送给第一光耦合器4；

其中，所述脉冲光信号的占空比取决于第一码型发生器3输出的调制信号的频率。

所述第一光耦合器4用于将接收到的光信号分为两束，以形成环形镜，所述第一光耦合器4的输出输入至所述光带通滤波器15；

在本发明一实施例中，所述第一光耦合器4为2×2耦合器。

所述第一偏振控制器5用于改变顺时针传输的光信号的偏振态，以使其在所述半导体光放大器11中发生的相移最大；

所述窄线宽激光器10用于产生发生非线性相移的泵浦光信号；

所述第二码型发生器20用于产生高速的电脉冲信号作为强度调制信号；

所述第二强度调制器21用于根据所述强度调制信号对于所述窄线宽激光器10输出的泵浦光信号进行强度调制，从而实现高速的相位控制，即产生高速相位可调谐的微波脉冲信号；

所述光放大器9用于对所述窄线宽激光器10输出的泵浦光信号进行功率放大；

所述可调光衰减器8用于所接收到的泵浦光信号的功率进行进一步地细调节，以得到环形镜中传输的光信号在半导体光放大器11中产生的相移与泵浦光功率之间的关系；

所述第二偏振控制器7用于调节所接收到的泵浦光信号的偏振态，以使其在所述半导体光放大器11中发生的相移最大；

所述第二光耦合器6用于将泵浦光信号和顺时针方向传输的光信号同向入射到所述半导体光放大器11中；

在本发明一实施例中，所述第二光耦合器6为1×2耦合器。

所述半导体光放大器11用于将顺时针方向传输的光信号相对于逆时针方向传输的光信号产生一定的相移；

所述半导体光放大器11基于半导体光放大器的双折射效应来产生光的相移；

所述第三偏振控制器12用于调节顺时针传输的光信号的偏振态，以调节所述保偏光纤13产生的光滤波器的周期；

所述保偏光纤13用于传输光信号；

在所述保偏光纤13中，由于顺时针方向传播的光信号相对于逆时针方向传播的光信号产生一定的延时差，从而产生具有一定自由光谱范围的光滤波器；

所述第四偏振控制器14用于调节逆时针传输的光信号的偏振态，以调节所述保偏光纤13产生的光滤波器的周期；

所述光带通滤波器15用于滤除所接收到的光信号中的泵浦光信号；

所述色散元件16用于实现光信号频率向时间的映射，以产生微波脉冲信号；

所述光电探测器17用于对于光信号进行光电转换，得到微波信号；

所述采样示波器18用于测量产生的微波信号，观测产生的微波信号的时域波形；

所述信号源分析仪19用于测量产生的微波信号的频谱。

其中，所述锁模脉冲激光器1可以是半导体激光器或光纤激光器；

所述第一偏振控制器5、第二偏振控制器7、第三偏振控制器12和第四偏振控制器14可以是光纤结构的偏振控制器、波导结构的偏振控制器或空间结构的偏振控制器；

所述强度调制器2和21可采用铌酸锂晶体、半导体聚合物(如硅基调制器、磷化铟调制器以及III-V型调制器)或有机聚合物(如石墨烯调制器)的强度调制器；

所述码型发生器3和20可以是PPG或者是任意波形发生器；

所述窄线宽激光器10可以是半导体激光器或光纤激光器；

所述半导体光放大器11也可以用掺锗高非线性光纤或硫化物高非线性光纤代替；

所述光带通滤波器15是基于硅基液晶技术的波形整形器，或者是光滤波器，或者是波分复用器，或者是光纤光栅；

所述色散元件16是色散补偿光纤、色散位移光纤、单模光纤或者是光纤光栅；

所述光电探测器17是光电二极管或光电倍增管，采用磷化铟材料或硅基材料；

所述采样示波器18是泰克的采样示波器也可以是安捷伦的采样示波器，如果产生微波信号的相位很稳定时可以应用实时示波器采集；

所述频谱分析仪19可以是频谱分析仪，也可以是信号源分析仪。

图2给出了本发明提供的基于光控非线性环形镜产生相位以及占空比可调谐微波脉冲信号对应的光滤波器的示意图；图3给出了本发明产生的经过光带通滤波器15的光信号的光谱图，图3中，横轴为光波长，纵轴为光功率，0.6nm表示自由光谱范围，由非线性环形镜对应的光滤波器的自由光谱范围决定。

图4(a)为通过采样示波器采集得到的微波脉冲的时域波形示意图，图4(a)中，横轴为时间，纵轴为归一化的光强，图中的104ps对应于产生的微波脉冲的周期，该周期由色散元件的色散系数决定的，图4(b)为根据本发明产生的微波脉冲信号对应的频谱图，图4(b)中，横轴为电频率，纵轴为电功率大小，是微波脉冲的频域表示，其中9.62GHz对应于微波脉冲的频率，-8.1dBm是参考功率大小，10dB/div为纵轴每格对应的功率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于光控非线性环形镜的微波脉冲信号产生装置，其特征在于，该装置包括：锁模脉冲激光器、第一强度调制器、第一码型发生器、第一光耦合器、第一偏振控制器、第二光耦合器、第二偏振控制器、可调光衰减器、光放大器、窄线宽激光器、半导体光放大器、第三偏振控制器、保偏光纤、第四偏振控制器、光带通滤波器、色散元件、光电探测器、采样示波器、信号源分析仪、第二码型发生器、第二强度调制器，其中：

所述锁模脉冲激光器用于向强度调制器提供脉冲光信号；

所述第一码型发生器用于向所述强度调制器输出电脉冲信号，作为调制信号；

所述第一强度调制器用于根据所述调制信号调节所述锁模脉冲激光器输出的脉冲光信号的占空比，并将调节占空比之后的光信号发送给所述第一光耦合器；

所述第一光耦合器用于将接收到的光信号分为两束，以形成环形镜，所述第一光耦合器的输出输入至所述光带通滤波器；

所述第一偏振控制器用于改变顺时针传输的光信号的偏振态，以使其在所述半导体光放大器中发生的相移最大；

所述窄线宽激光器用于产生发生非线性相移的泵浦光信号；

所述第二码型发生器用于产生高速的电脉冲信号作为强度调制信号；

所述第二强度调制器用于根据所述强度调制信号对于所述窄线宽激光器输出的泵浦光信号进行强度调制；

所述光放大器用于对所述窄线宽激光器输出的泵浦光信号进行功率放大；

所述可调光衰减器用于所接收到的泵浦光信号的功率进行细调节；

所述第二偏振控制器用于调节所接收到的泵浦光信号的偏振态，以使其在所述半导体光放大器中发生的相移最大；

所述第二光耦合器用于将泵浦光信号和顺时针方向传输的光信号同向入射到所述半导体光放大器中；

所述半导体光放大器用于将顺时针方向传输的光信号相对于逆时针方向传输的光信号产生一定的相移；

所述第三偏振控制器用于调节顺时针传输的光信号的偏振态，以调节所述保偏光纤产生的光滤波器的周期；

所述保偏光纤用于传输光信号，并产生具有一定自由光谱范围的光滤波器；

所述第四偏振控制器用于调节逆时针传输的光信号的偏振态，以调节所述保偏光纤产生的光滤波器的周期；

所述光带通滤波器用于滤除所接收到的光信号中的泵浦光信号；

所述色散元件用于实现光信号频率向时间的映射，以产生微波脉冲信号；

所述光电探测器用于对于光信号进行光电转换，得到微波信号；

所述采样示波器用于测量产生的微波信号，观测产生的微波信号的时域波形；

所述信号源分析仪用于测量产生的微波信号的频谱；

所述第一码型发生器与所述锁模脉冲激光器同步。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉冲光信号的占空比取决于第一码型发生器输出的调制信号的频率。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光耦合器为2×2耦合器，所述第二光耦合器为1×2耦合器。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述锁模脉冲激光器为半导体激光器或光纤激光器。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器和第四偏振控制器为光纤结构的偏振控制器、波导结构的偏振控制器或空间结构的偏振控制器。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述窄线宽激光器为半导体激光器或光纤激光器。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述半导体光放大器由掺锗高非线性光纤或硫化物高非线性光纤代替。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述色散元件是色散补偿光纤、色散位移光纤、单模光纤或光纤光栅。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光电探测器为光电二极管或光电倍增管，采用磷化铟材料或硅基材料。