CN111193548B - 一种基于循环移频的微波光子波形产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于循环移频的微波光子波形产生装置，包括激光器、循环移频模块、光电探测器和90度电移相器，激光器与循环移频模块的光输入端口b光连接，光电探测器的光输入端口与循环移频模块的光输出端口c光连接，90度电移相器与光电探测器的输出端口电连接。本发明提供了一种基于循环移频的微波光子波形产生装置及方法，能实现二阶谐波分量被完全抑制的宽频可调谐微波信号的波形产生。

Description

一种基于循环移频的微波光子波形产生装置及方法

技术领域

本发明涉及微波光子技术领域，具体涉及一种基于循环移频的微波光子波形产生装置及微波光子波形产生方法。

背景技术

近年来，基于微波光子学的任意波形产生技术因其在雷达、测量、无线通信和微波信号处理中的广泛应用而成为研究的热点，其中矩形波和三角波在光学频率变换、脉冲压缩和信号复制等方面发挥着重要作用。传统的基于电子学的任意波形产生技术由于受到采样速率的限制，难以产生高频的任意波形信号；而基于微波光子学的方法则可以有效的突破“电子瓶颈”，具有带宽大、传输损耗低、隔离度高等优点，实现了在光域中产生高频率和大带宽的任意微波波形信号。

通常，光生任意波形(OWAG)一般分为傅里叶合成法、频率-时间映射法以及外调制法，其中外调制法对连续光直接进行外调制，利用调制过程中的各种调制效应来操控调制边带的幅度和相位，具有简便性和高效性，从而获得了广泛的关注。常见的外调制法包括单频射频信号驱动双平行马赫曾德尔调制器 DPMZM(F.Z.Zhang,X.Z.Ge,S.L.Pan.Triangular pulse generation using a dual-parallel Mach–Zehndermodulator driven by a single-frequency radio frequency signal[J].OpticsLetters,38(21):4491-4493)、单频射频信号驱动双驱马赫曾德尔调制器DDMZM(B.Dai,Z.Gao,X.Wang,H.Chen, N.Kataoka and N.Wada.,Generation of Versatile WaveformsFrom CW Light Using a Dual-Drive Mach-Zehnder Modulator and EmployingChromatic Dispersion[J].Journal of Lightwave Technology,31(1):145-151(2012))或者单驱的马赫-曾德调制器(MZM)(S.Zhu,X.Wang,M.Li.A simple photonic method togenerate square and triangular microwave waveforms[J].Optics Communications,2018,426:654-656))等。就产生三角波而言，以上方法都是通过控制调制系数和偏置电压从而获得频率比为1:3、幅值比为1:9的一阶、三阶谐波分量，这两个谐波恰好等于三角波的前两个傅里叶级数分量，但是却无法完全抑制掉二阶谐波分量，从而对波形的准确性产生一定的影响。

因此，为解决现有技术中存在的问题，需研发一种基于循环移频的微波光子波形产生装置及方法，能实现二阶谐波分量被完全抑制的宽频可调谐微波信号的波形产生。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种基于循环移频的微波光子波形产生装置及方法，能实现二阶谐波分量被完全抑制的宽频可调谐微波信号的波形产生。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于循环移频的微波光子波形产生装置及方法，包括激光器、循环移频模块、光电探测器和90 度电移相器，激光器与循环移频模块的光输入端口b光连接，光电探测器的光输入端口与循环移频模块的光输出端口c光连接，90度电移相器与光电探测器的输出端口电连接。

本发明一个较佳实施例中，光耦合器、偏振控制器、调制器、光放大器、光带通滤波器和45度偏振旋转器之间依次光连接；且调制器和微波源之间电连接。

本发明一个较佳实施例中，调制器采用双平行马赫曾德尔调制器。

本发明一个较佳实施例中，调制器工作在载波抑制单边带调制CS-SSB状态下。

本发明一个较佳实施例中，光带通滤波器的滤波曲线为平顶型或者梯形。

本发明一个较佳实施例中，激光器产生的光载波频率为f₀；微波源产生的移频信号f_s加载在调制器的电输入端口，调整光带通滤波器的滤波曲线为平顶型或梯形，能在光电探测器或90度电移相器后输出频率为f_s的矩形波或三角波。

本发明一个较佳实施例中，基于循环移频的微波光子波形产生装置的方法：

步骤一，产生移频，激光器产生的频率为f₀的光载波通过循环移频模块中的光耦合器的一个光输入端口b进入循环移频模块，利用双平行马赫曾德尔调制器将微波源产生的移频信号加载在光载波上，使光波的频率向短波长方向移动，移频量为微波源的频率f_s；

步骤二，使移频偏振，移频后的光波通过45度偏振旋转器后，偏振方向旋转45度；

步骤三，循环移频，经过3次循环后，循环移频模块输出4根相邻谱线间频率相差f_s、偏振方向相差45度的谱线，通过光电探测器进行光-电转换，在光电探测器或者90度电移相器后输出频率为f_s的矩形波或三角波；

步骤四，微波光子波形输出，利用循环移频模块输出的一系列等频率间隔的光谱线中频率间隔为2f_s的谱线间偏振方向垂直的特点，可以有效的抑制矩形波或者三角波中的二阶谐波，实现二阶谐波被完全抑制的宽频可调谐的微波波形产生。

本发明一个较佳实施例中，光带通滤波器的滤波曲线为平顶矩形时，光电探测器后输出矩形波。

本发明一个较佳实施例中，光带通滤波器的滤波曲线为梯形时，90度电移相器后输出三角波。

本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明的有益效果：

本发明提供一种基于循环移频的微波光子波形产生装置及方法，能实现二阶谐波分量被完全抑制的宽频可调谐微波信号的波形产生。

本发明利用了循环移频模块的移频和偏振旋转特性，使得频率间隔为 2f_s的谱线间偏振方向垂直，有效的抑制了二阶谐波分量，实现了频谱分量纯净的微波波形产生；由于采用了电光调制，通过改变微波源的频率，实现了频率可调谐的微波波形产生。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的一种基于循环移频的微波光子波形产生装置图；

图2代表产生矩形波对应的光带通滤波器的滤波曲线；

图3代表循环移频腔输出的光谱线的偏振方向示意图。

图4是产生三角波对应的滤波器的滤波曲线图中代表平坦区+线性区(虚线部分为滤波曲线)；

图5是产生三角波对应的滤波器的滤波曲线图中代表线性区+平坦区(虚线部分为滤波曲线)。

图6是发明实施例中移频量相同的情况下，光带通滤波器的滤波曲线不同时所产生的不同微波波形，其中对应20GHz的矩形波；

图7是发明实施例中移频量相同的情况下，光带通滤波器的滤波曲线不同时所产生的不同微波波形，其中对应20GHz的三角波。

图8是发明实施例中波形相同的情况下，移频量不同对应产生不同频率的三角波，其中5GHz的三角波时域波形图；

图9是发明实施例中波形相同的情况下，移频量不同对应产生不同频率的三角波其频谱图。

其中附图1标记：1、激光器，2、2×2光耦合器，3、偏振控制器，4、双平行马赫曾德尔调制器，5、光放大器，6、光带通滤波器，7、45度偏振旋转器， 8、微波源，9、循环移频模块，10、光电探测器，11、90度电移相器。

具体实施方式

为了本技术领域的人员更好的理解本发明专利，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

以下所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例公开了为达到上述目的，一种基于循环移频的微波光子波形产生装置及方法，包括激光器1、循环移频模块9、光电探测器 10和90度电移相器11，激光器1与循环移频模块9的光输入端口b光连接，光电探测器10的光输入端口与循环移频模块9的光输出端口c光连接，90度电移相器11与光电探测器10的输出端口电连接。光耦合器2、偏振控制器3、调制器4、光放大器5、光带通滤波器6和45度偏振旋转器7之间依次光连接；且调制器4和微波源8之间电连接。调制器4采用双平行马赫曾德尔调制器。

本发明一个较佳实施例中，调制器4工作在载波抑制单边带调制CS-SSB 状态下。光带通滤波器6的滤波曲线为平顶型或者梯形。激光器1产生的光载波频率为f₀；微波源8产生的移频信号f_S加载在调制器4的电输入端口，调整光带通滤波器6的滤波曲线为平顶型或梯形，能在光电探测器 10或90度电移相器11后输出频率为f_s的矩形波或三角波。

本发明一个较佳实施例中，基于循环移频的微波光子波形产生装置的方法：步骤一，产生移频，激光器1产生的频率为f₀的光载波通过循环移频模块 9中的光耦合器2的一个光输入端口b进入循环移频模块9，利用双平行马赫曾德尔调制器将微波源8产生的移频信号加载在光载波上，使光波的频率向短波长方向移动，移频量为微波源8的频率f_s；步骤二，使移频偏振，移频后的光波通过45度偏振旋转器7后，偏振方向旋转45度；步骤三，循环移频，经过3 次循环后，循环移频模块9输出4根相邻谱线间频率相差f_s、偏振方向相差45度的谱线，通过光电探测器10进行光一电转换，在光电探测器10或者90度电移相器11后输出频率为f_s的矩形波或三角波；步骤四，微波光子波形输出，利用循环移频模块9输出的一系列等频率间隔的光谱线中频率间隔为2f_s的谱线间偏振方向垂直的特点，可以有效的抑制矩形波或者三角波中的二阶谐波，实现二阶谐波被完全抑制的宽频可调谐的微波波形产生。

本发明一个较佳实施例中，光带通滤波器6的滤波曲线为平顶矩形时，光电探测器10后输出矩形波。或，光带通滤波器6的滤波曲线为梯形时，90度电移相器11后输出三角波。

本发明一个较佳实施例中在时域上产生波形可调、频率可调的微波波形，获得的是功率或者幅度-时间曲线。

本发明工作原理：一种基于循环移频的微波光子波形产生装置图如图1所示，激光器1产生的频率为f₀的光载波进入循环移频模块9后，利用双平行马赫曾德尔调制器将微波源8产生的移频信号f_s加载在光载波上，产生光载波的 +1阶光边带和-3阶边带，同时实现微波信号的电光调制和电光移频。移频后的光波通过45度偏振旋转器7后，偏振方向旋转45度。通过控制光可调带通滤波器的通带范围，使其通带范围为f₀～f₀+3f_s。调整调制系数，使得J₁远大于 J_-3，因此-3阶光边带可忽略不计，因此光波每经过一次双平行马赫曾德尔调制器，频率增加f_s，每经过一次循环移频模块9，光波的偏振方向旋转45度。所以经过三次循环移频后，循环移频模块9将输出四根相邻频率间隔为f_s、偏振方向相差45度的光谱线，通过控制光带通滤波器6的滤波曲线，在光电探测器 10或90 度电移相器 11 后将输出频率为f_s的矩形波或者三角波，改变微波源8 的频率，将实现频率可调谐的微波波形产生。

本发明的一种基于循环移频的微波光子波形产生的原理如下：设光载波频率为f₀，强度为E₀，偏振方向为y轴，因此光载波的琼斯矢量为：

t表示时间，j表示虚数单位；

双平行马赫曾德尔调制器DPMZM工作在载波抑制单边带CS-SSB调制状态下，相当于一个移频器，移频量等于加载在DPMZM上的微波源频率f_s。环腔的延迟为τ，循环移频腔对环腔内频率为f₀+if_s(i＝1，2，3)的光信号的响应为h_i，由光放大器5的增益和光带通滤波器的滤波曲线共同决定；45 度偏振旋转器7的琼斯矩阵为：

其中G为45度偏振旋转器7的琼斯矩阵；

因此循环1圈后，输出的光场强度为：

循环2圈后，输出的光场强度为：

循环3圈后，输出的光场强为：

调节光放大器的增益，并使光带通滤波器的响应曲线为平顶型，则h_i＝1, 所以5式可以写成：

n代表循环的次数；

调节环腔延迟，使得f_sτ＝integer，因此6式可以进一步化简为：

通过控制光放大器的增益和光带通滤波器的通带及滤波曲线，使得循环移频腔最终通过输出端口c输出4条频率间隔相同为移频量f_s，相邻谱线间偏振方向相差45度的平坦的光频梳，如图2所示，进入光电探测器从而实现光-电转换。由于相邻的谱线偏振方向相差45度，而相间的谱线间偏振方向相差90 度如图3所示，所以可以有效的抑制频率为2f_s的光电流分量，因此在最终的光电流频率分量中，只有频率为f_s和3f_s的光电流：第1根f₀谱线和第2根 f₀+f_s、第2根和第3根f₀+2f_s谱线、第3根谱线和第4根f₀+3f_s谱线之间拍频得到频率为f_s的电信号，第1根和第4根谱线拍频得到频率为3f_s的电信号。

所以循环移频腔最终输出的光强的表达式为：

矩形波的傅里叶展开可以近似表示为：

其中S(t)为矩形波的时域表达符号，A为矩形波的直流幅值，θ代表矩形波中基波的初始相位。

对比式8和式9，可以看出该装置可以实现矩形波的产生。

对于三角波，其傅里叶展开式为：

其中T(t)为三角波的时域表达符号，B为三角波的直流幅值，θ代表三角波中基波的初始相位。

由于高阶谐波分量的功率衰减的很迅速，所以一般情况下只考虑到三阶谐波分量。由式10可以看出，和矩形波类似，三角波的傅里叶展开中也只包含奇次阶谐波分量，所以仍然可以利用图1所示装置来抑制二阶谐波分量。

对于矩形波，其一阶和三阶谐波分量的比值为3，当循环移频腔输出的光谱平坦时，拍频后一次和三次谐波分量的比值刚好为3，相位之比为1∶3且有一个π的相位延迟相位相反，刚好满足矩形波的傅里叶展开形式。但是对于三角波，一阶和三阶谐波分量的比值为9，二者同相且满足1∶3的比例关系。所以当循环移频腔的滤波器曲线为平顶时，输出的光谱拍频后不能满足9∶1的幅值关系，并且不能满足1∶3的相位关系。

为了解决一阶和三阶谐波分量的大小关系，需要改变循环移频腔的滤波曲线，在此，不妨将矩形滤波器改成梯形滤波器，即滤波曲线既有平坦区域，又有线性区域。

对于式5，如果认为光滤波器的滤波曲线不是平坦的，那么h_i就是一个变量，仍然令f_sτ＝integer，所以式5可以改写为：

其中H_n代表循环移频腔输出光谱中频率为f₀+nf_s的光谱线的场强大小。所以循环移频腔最终输出的光强的表达式为：

对于三角波，一阶和三阶谐波分重的比值为9∶1，所以：

H₀H₁+H₁H₂+H₂H₃＝9H₀H₃； 公式13；

假设f₀、f₀+f_s、f₀+2f_s处于滤波曲线的平坦区，即 H₀＝H₁＝H₂，则H₀＝4H₃，f₀+3f_s处于线性区，所以四根谱线的光强之比为I₀∶I₁∶I₂∶I₃＝16∶16∶16∶1，转换成对数坐标后，前三根光谱线的功率相等，和第四根光谱线的功率之比为 12dB10lg16≈12。因此，在选择循环移频腔的滤波器时，只需要满足上述关系即可，滤波曲线如图4所示。

同理，当f₀处于滤波曲线的线性区，f₀+f_s、f₀+2f_s、f₀+3f_s处于滤波曲线的平坦区，即H₁＝H₂＝H₃，则H₁＝4H₀，所以循环移频腔输出的四根谱线的光强之比为I₀∶I₁∶I₂∶I₃＝1∶16∶16∶16，转换为对数坐标后，后三根光谱线的功率相等，和第一根光谱线的功率之比为12dB，因此，在选择循环移频腔的滤波器时，只需要满足上述关系即可，滤波曲线如图5所示。

由上文的讨论可知，通过合理的设置滤波器的滤波曲线，可以使拍频后的一次和三次谐波分量满足9∶1的关系，公式12可以改写为：

I∝9E₀ ²cos(2πf_st+2πf₀τ)-E₀ ²cos(2π·3f_st+2π·3f₀τ)

＝9E₀ ²cos(2πf_st+2πf₀τ)+E₀ ²cos(2π·3f_st+2π·3f₀τ+π)； 公式14；

由三角波的傅里叶展开式10可知，一阶和三阶谐波的大小不仅需要满足9∶1 的关系，它们的相位也需要满足1∶3的关系。由式14可知，拍频后经过光电探测器的电流谐波分量的相位不满足三角波谐波分量的相位关系，为此，在光电探测器之后引入一个90度电移相器，实验框图如图1所示，则式14可以改写为：

综上，通过合理的设置滤波器的滤波曲线以及光电探测器之后引入90度移相器，利用循环移频腔的偏振特性，就可以在电域内实现三角波的产生。

实施例1

移频量相同的情况下，带通滤波器不同的滤波曲线对应产生不同的微波波形。

光载波波长λ＝1550nm，移频量f_s＝20GHz，环路延迟τ＝10^-8s，光载波功率为0dBm，当滤波器的滤波曲线为平顶型时，产生的矩形波如图6所示，获得的矩形波的周期为50ps。

调节滤波器的滤波曲线为梯形时，其他参数保持不变，在光电探测器后面添加一个90度电移相器，产生的三角波如图7所示。

综上，在移频量相同的情况下，利用本装置及方法，可以实现波形可调谐的微波波形产生。

实施例2

波形相同的情况下，移频量不同对应产生不同频率的三角波。

在实施例1中，移频量为20GHz，调节移频量至5GHz，获得的三角波频率为5GHz，时域波形如图8所示。图9对应5GHz三角波的频谱图，由频谱图可以看出，只包含一阶5GHz谐波和三阶15GHz谐波，二者的功率比约为20dB，和理想功率比19.085dB接近。

综上，在波形保持不变的情况下，利用本装置及方法，可以实现频率可调的微波波形产生。

以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。

Claims (8)

1.一种基于循环移频的微波光子波形产生装置，包括激光器（1）、循环移频模块（9）、光电探测器（10）和90度电移相器（11），其特征在于：激光器（1）与循环移频模块（9）的光输入端口b光连接，光电探测器（10）的光输入端口与循环移频模块（9）的光输出端口c光连接，90度电移相器（11）与光电探测器（10）的输出端口电连接；循环移频模块（9）包括光耦合器（2）、偏振控制器（3）、调制器（4）、光放大器（5）、光带通滤波器（6）和45度偏振旋转器（7）；光耦合器（2）、偏振控制器（3）、调制器（4）、光放大器（5）、光带通滤波器（6）和45度偏振旋转器（7）之间依次光连接；且调制器（4）和微波源（8）之间电连接；且，光耦合器（2）的b端为循环移频模块（9）的光输入端口b，光耦合器（2）的c端为循环移频模块（9）的光输出端口c；光耦合器（2）的a端与45度偏振旋转器（7）光连接，光耦合器（2）的d端与偏振控制器（3）光连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于循环移频的微波光子波形产生装置，其特征在于：所述调制器（4）采用双平行马赫曾德尔调制器。

3.根据权利要求1中所述的一种基于循环移频的微波光子波形产生装置，其特征在于：调制器（4）工作在载波抑制单边带调制CS-SSB状态下。

4.根据权利要求1中所述的一种基于循环移频的微波光子波形产生装置，其特征在于：所述光带通滤波器（6）的滤波曲线为平顶型或者梯形。

5.根据权利要求1中所述的一种基于循环移频的微波光子波形产生装置，其特征在于：所述激光器（1）产生的光载波频率为 f₀；微波源（8）产生的移频信号f_s加载在调制器（4）的电输入端口，调整光带通滤波器（6）的滤波曲线为平顶型或梯形，能在光电探测器（10）或90度电移相器（11）后输出频率为f_s的矩形波或三角波。

6.根据权利要求2~5中任一权利要求所述的一种基于循环移频的微波光子波形产生装置的方法，其特征在于：

步骤一，产生移频，激光器（1）产生的频率为f₀的光载波通过循环移频模块（9）中的光耦合器（2）的一个光输入端口b进入循环移频模块（9），利用双平行马赫曾德尔调制器将微波源（8）产生的移频信号加载在光载波上，使光波的频率向短波长方向移动，移频量为微波源（8）的频率f_s；

步骤二，使移频偏振，移频后的光波通过45度偏振旋转器（7）后，偏振方向旋转45度；

步骤三，循环移频，经过3次循环后，循环移频模块（9）输出4根相邻谱线间频率相差f_s、偏振方向相差45度的谱线，通过光电探测器（10）进行光-电转换，在光电探测器（10）或者90度电移相器（11）后输出频率为f_s的矩形波或三角波；

步骤四，微波光子波形输出，利用循环移频模块（9）输出的一系列等频率间隔的光谱线中频率间隔为2f_s的谱线间偏振方向垂直的特点，可以有效的抑制矩形波或者三角波中的二阶谐波，实现二阶谐波被完全抑制的宽频可调谐的微波波形产生。

7.根据权利要求6中所述的一种基于循环移频的微波光子波形产生装置的方法，其特征在于：光带通滤波器（6）的滤波曲线为平顶矩形时，光电探测器（10）后输出矩形波。

8.根据权利要求6中所述的一种基于循环移频的微波光子波形产生装置的方法，其特征在于：光带通滤波器（6）的滤波曲线为梯形时，90度电移相器（11）后输出三角波。

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