CN114726448A - 基于布里渊效应的高质量时域锁模光电振荡器***及方法 - Google Patents

基于布里渊效应的高质量时域锁模光电振荡器***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及微波光子信号产生技术领域，尤其涉及一种基于布里渊效应的高质量时域锁模光电振荡器***及方法，激光器输出光信号至相位调制器并设置光隔离器保护器件，输出信号至光环形器，光环形器接收由泵浦激光器输入的信号并输出至光衰减器，光衰减器减少信号能量并发送至光电探测器；光电探测器将光信号转换成微波信号，且由电放大器补偿损耗并发送至第一电耦合器；第一电耦合器接收信号后，一路信号传输至电频谱分析仪和数字存储示波器进行储存，一路信号发送至第二电耦合器并接收外部射频信号且将信号输入到相位调制器以关闭回路。实现了相位调制到强度调制的转换，简化了***中光滤波器结构并引入时域锁模操作，可调节和宽带的频梳微波信号。

Description

基于布里渊效应的高质量时域锁模光电振荡器***及方法
技术领域
本发明涉及微波光子信号产生技术领域，尤其涉及一种基于布里渊效应的高质量时域锁模光电振荡器***及方法。
背景技术
光电振荡器(OEO)在产生高频率，低相位噪声，高频谱纯度，高稳定性的微波信号方面的优势广泛应用于雷达传感、信号处理和通信***等领域，利用了光纤延迟线等高品质因数的特性可以产生具有超低相位噪声的微波信号；然而，该器件虽然能产生高频率、低相位噪声的微波信号，但所产生的波形在时域上是连续的。而在雷达探测中采用了大功率脉冲微波来进行探测；在探地雷达或生命探测雷达中利用窄时间、宽带宽的微波脉冲。
时域锁模技术是一种基于锁模技术实现脉冲微波信号产生的光电振荡器应用技术之一，通过向光电谐振腔中注入一个频率等于振荡模式自由频谱范围的整数倍的低频电信号，可以实现振荡模式之间的模式锁定。在这个机制下，与注入信号频率相同间隔的多个模式可以在环路滤波器的通带内同时振荡，同时可以根据注入信号的频率产生不同重复频率的微波脉冲信号，这在传统的光电振荡器中是很难实现的；其中，通过改变环路滤波器的中心频率来选择不同的振荡模式，可以简单地调节产生微波脉冲信号的频率。此外，由于电滤波器的中心频率和带宽较为固定，不利于用来进行频率调谐和产生大带宽的频梳微波信号，在光域，一般采用相位调制到强度调制的方式，在环路中引入一个微波光子滤波器，通过光纤光栅来实现光滤波和信号的拍频，可以通过调节激光器的输出信号的波长和变化周期来实现中心频率的调谐和产生大带宽的扫频微波信号，然后光纤光栅的使用给***增加了成本和复杂度，在此基础上我们发明了一种基于受激布里渊散射的光电振荡器来实现时域锁模，不需要光纤光栅，而是利用高非线性光纤中的受布里渊散射效应来达到光滤波器的效果，实现相位调制到强度调制的转换，简化了***中光滤波器结构，在此基础上引入时域锁模操作，产生中心频率可大范围调谐和宽带的频梳微波信号。
中国专利公开号：CN201920561227.1。公开了一种光载超宽带主动锁模光电振荡器。由此可见，存在以下问题：光电振荡器波形在时域上是连续的，无法根据注入信号的频率产生不同重复频率的微波脉冲信号，不利于用来进行频率调谐和产生大带宽的频梳微波信号，仍需要使用光纤光栅，在使用上有一定的限制性。
发明内容
为此，本发明提供一种基于布里渊效应的高质量时域锁模光电振荡器***及方法。用以克服现有技术中光电振荡器波形在时域上是连续的，无法根据注入信号的频率产生不同重复频率的微波脉冲信号，不利于用来进行频率调谐和产生大带宽的频梳微波信号，仍需要使用光纤光栅，在使用上有一定的限制性的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于布里渊效应的高质量时域锁模光电振荡器***及方法，包括：
步骤S1,相位调制器接收激光器输出的光信号并对光信号进行相位调制，相位调制器在完成对光信号的相位调制时将光信号输出至光隔离器，光隔离器将光信号输出至光环形器；所述光环形器接收泵浦激光器输出的泵浦光源并将泵浦光源与所述光隔离器输出的光信号一同输出至光衰减器；所述光衰减器减少接收光信号的能量并将减少能量后的光信号发送至光电探测器；
步骤S2，所述光电探测器将所述光衰减器发送的光信号转换成微波信号并通过电放大器对微波信号的功率进行放大以补偿环路的损耗，放大后的信号发送至第一电耦合器；
步骤S3，所述第一电耦合器接收信号后分成两路信号，一路传输至电频谱分析仪和数字存储示波器以使数字存储示波器储存信号，另一路发送至第二电耦合器；所述第二电耦合器在接收到电信号时还接收外部射频信号端注入的信号并将两信号一同输送至所述相位调制器的射频端口以形成OEO回路。
进一步地，在所述步骤S1中，所述相位调制器的射频端口耦合来自外部射频信号源的低频电信号以实现时域锁模，该低频电信号的频率设置为与环路振荡模式的自由频率范围的整数倍匹配。
进一步地，所述光环形器通过第一端口和第二端口接收所述泵浦激光器输出的信号和所述光隔离器的输出信号并通过第三端口将信号输出至所述光衰减器。
进一步地，所述步骤S1中传输信号为光信号，所述步骤S2和步骤S3中传输信号为微波信号。
进一步地，所述第二电耦合器分别接收所述第一电耦合器和所述外部射频信号端输出的信号，再由输出端发送给相位调制器完成回路。
另一方面，本发明还提供一种基于布里渊效应的高质量时域锁模光电振荡器的***，包括：
激光器，用以发送光信号到相位调制器进行操作；
相位调制器，其与所述激光器相连，用以接收激光器发送的光信号并对该光信号进行相位调制；
光隔离器，其与所述相位调制器相连，用以接收在所述相位调制器输出的光信号并对器件进行保护；
光环形器，其与所述光隔离器相连，包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口用以接收由泵浦激光器输出的泵浦光信号，所述第二端口用以接收由光隔离器发送的光信号，所述第三端口用以输出光信号至光衰减器；
光衰减器，其与所述光环形器相连，用于减少光信号能量；
光电探测器，其与所述光衰减器相连，用以接收在所述光环形器第三端口输出的光信号，将光信号转换成微波信号并将微波信号传输至电放大器；
电放大器，其与所述光电探测器相连，用以接收由光电探测器传输的微波信号，由电放大器对功率进行放大，补偿环路的损耗并将信号发送至第一电耦合器；
第一电耦合器，其与所述电放大器相连相连，用于实现信号的传输，放大后的信号经过第一电耦合器，传输至电频谱分析仪、数字存储示波器和第二电耦合器；
第二电耦合器，其与所述第一电耦合器和所述相位调制器相连，用于实现信号的传输并接收第一电耦合器和外部射频信号端发出的信号，将输入信号耦合后输出到相位调制器的射频端口以形成回路；
外部射频信号端，其与所述第二电耦合器相连，用于注入信号至第二电耦合器。
进一步地，所述光环形器与所述光隔离器通过高非线性光纤连接，用以接收光隔离器发送的光信号。
进一步地，所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，光环形器通过第一端口与所述泵浦激光器相连、通过第二端口与所述光隔离器相连并通过第三端口与光衰减器相连。
进一步地，所述电频谱分析仪用于研究电信号频谱结构，测量信号失真度、调制度、频率稳定度和交调失真的信号参数。
进一步地，所述数字存储示波器以数字编码的形式储存信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，所述激光器输出的光信号在相位调制器处进行信号的相位调制，在所述相位调制器的输出端设置光隔离器对器件进行保护，输出光信号至光环形器，所述光环形器接收由泵浦激光器输入的泵浦光信号并输出光信号至光衰减器，所述光衰减器接收光信号并减少光信号能量，发送至光电探测器；所述光电探测器接收由光衰减器发送的光信号转换成微波信号，然后由电放大器对功率进行放大补偿环路的损耗，放大后的信号发送至第一电耦合器；所述第一电耦合器接收信号后分成两路信号，一路传输至电频谱分析仪(ESA)和数字存储示波器(OSC)进行储存，一个发送至第二电耦合器并接收外部射频信号端注入的信号输入到相位调制器的射频端口以关闭OEO回路，整体流程利用高非线性光纤中的受布里渊散射效应来达到光滤波器的效果，实现相位调制到强度调制的转换，简化了***中光滤波器结构，在此基础上引入时域锁模操作，产生中心频率可大范围调谐和宽带的频梳微波信号。
进一步地，所述相位调制器具有高损伤阈值、较高的线性频率响应带宽、低***损耗以及较低的半波电压的射频端口，所述相位调制器还耦合了来自外部射频信号源的低频电信号，用以实现时域锁模操作，该低频电信号的频率设置为与环路振荡模式的自由频率范围的整数倍匹配，通过设置不同的倍数，可以实现不同带宽的频梳信号产生，结合受激布里渊散射效应，可以实现不同中心频率的大范围调节。
进一步地，本发明通过注入信号与驱动信号使用微波信号，利用微波信号进行通信，微波信号具有容量大、质量好并可远距离传输的特点，普遍适用于各种通信网。
进一步地，所述第一电耦合器将信号发送至电频谱分析仪(ESA)，所述电频谱分析仪用于研究电信号频谱结构，测量信号失真度、调制度、频率稳定度和交调失真的信号参数。
进一步地，所述数字存储示波器(OSC)其工作过程一般分为存储和显示两个阶段；在存储阶段，首先对被测模拟信号进行采样和量化，经A/D转换器转换成数字信号后，依次存入RAM中，当采样频率足够高时，就可以实现信号的不失真存储；当需要观察这些信息时，只要以合适的频率把这些信息从存储器RAM中按原顺序取出，经D/A转换和LPE滤波后送至示波器就可以观察的还原后的波形；便于显示数据，进一步提高了***的工作效率。
进一步地，所述高非线性光纤连接，用以接收由光隔离器发送的光信号，其不仅具有很高的非线性系数,同时还具有很小的群速度色散、较低的损耗、较低的色散斜率且与普通多模光纤熔接具有较小的附件损耗，进一步提高了高非线性光纤的传输效率。
附图说明
图1为本发明所述基于布里渊效应的高质量时域锁模光电振荡器方法的流程图；
图2为本发明所述基于布里渊效应的高质量时域锁模光电振荡器***的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1所示，其本发明为本发明所述基于布里渊效应的高质量时域锁模光电振荡器方法的流程图，包括：步骤S1,相位调制器接收激光器输出的光信号并对光信号进行相位调制，相位调制器在完成对光信号的相位调制时将光信号输出至光隔离器，光隔离器将光信号输出至光环形器；所述光环形器接收泵浦激光器输出的泵浦光源并将泵浦光源与所述光隔离器输出的光信号一同输出至光衰减器；所述光衰减器减少接收光信号的能量并将减少能量后的光信号发送至光电探测器；
步骤S2，所述光电探测器将所述光衰减器发送的光信号转换成微波信号并通过电放大器对微波信号的功率进行放大以补偿环路的损耗，放大后的信号发送至第一电耦合器；
步骤S3，所述第一电耦合器接收信号后分成两路信号，一路传输至电频谱分析仪和数字存储示波器以使数字存储示波器储存信号，另一路发送至第二电耦合器；所述第二电耦合器在接收到电信号时还接收外部射频信号端注入的信号并将两信号一同输送至所述相位调制器的射频端口以形成OEO回路。
请继续参阅图1所示，在所述步骤S1中，所述相位调制器的射频端口耦合来自外部射频信号源的低频电信号以实现时域锁模，该低频电信号的频率设置为与环路振荡模式的自由频率范围的整数倍匹配。
请继续参阅图1所示，所述光环形器通过第一端口和第二端口接收所述泵浦激光器输出的信号和所述光隔离器输入的信号并通过第三端口将信号输出至所述光衰减器。
请继续参阅图1所示，所述步骤S1中传输信号为光信号，所述步骤S2和步骤S3中传输信号为微波信号。
请继续参阅图1所示，所述第二电耦合器分别接收所述第一电耦合器和所述外部射频信号端输出的信号，再由输出端发送给相位调制器完成回路。
请参阅图2所示，其为基于布里渊效应的高质量时域锁模光电振荡器的***的结构框图，包括：
激光器，用以发送光信号到相位调制器进行操作；
相位调制器，其与所述激光器相连，用以接收激光器发送的光信号并对该光信号进行相位调制；
光隔离器，其与所述相位调制器相连，用以接收在所述相位调制器输出的光信号并对器件进行保护；
光环形器，其与所述光隔离器相连，包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口用以接收由泵浦激光器输出的泵浦光信号，所述第二端口用以接收由光隔离器发送的光信号，所述第三端口用以输出光信号至光衰减器；
光衰减器，其与所述光环形器相连，用于减少光信号能量；
光电探测器，其与所述光衰减器相连，用以接收在所述光环形器第三端口输出的光信号，将光信号转换成微波信号并将微波信号传输至电放大器；
电放大器，其与所述光电探测器相连，用以接收由光电探测器传输的微波信号，由电放大器对功率进行放大，补偿环路的损耗并将信号发送至第一电耦合器；
第一电耦合器，其与所述电放大器相连相连，用于实现信号的传输，放大后的信号经过第一电耦合器，传输至电频谱分析仪、数字存储示波器和第二电耦合器；
第二电耦合器，其与所述第一电耦合器和所述相位调制器相连，用于实现信号的传输并接收第一电耦合器和外部射频信号端发出的信号，将输入信号耦合后输出到相位调制器的射频端口以形成回路；
外部射频信号端，其与所述第二电耦合器相连，用于注入信号至第二电耦合器。
请继续参阅图2所示，所述光环形器与所述光隔离器通过高非线性光纤连接，用以接收光隔离器发送的光信号。
请继续参阅图2所示，所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，光环形器通过第一端口与所述泵浦激光器相连、通过第二端口与所述光隔离器相连并通过第三端口与光衰减器相连。
请继续参阅图2所示，所述电频谱分析仪用于研究电信号频谱结构，测量信号失真度、调制度、频率稳定度和交调失真的信号参数。
请继续参阅图2所示，所述数字存储示波器以数字编码的形式储存信号。
请继续参阅图2所示，激光器输出的光在相位调制器处进行信号的相位调制，在相位调制器的输出端经过一个光隔离器对器件进行保护，信号由一高非线性光纤传输，在一个光环形器的2端口输入，在光环形器的1端口，由来自泵浦激光器的泵浦光信号输入，在3端口输出的光信号通过光电探测器转换成微波信号，然后由电放大器对功率进行放大补偿环路的损耗，放大后的信号经过一个电耦合器分成两路信号，一路传输至电频谱分析仪(ESA)和数字存储示波器(OSC)分析，一个与来自外部射频信号源输出信号耦合输入到相位调制器的射频端口以关闭OEO回路。
激光器输出的信号光在高阶非线性光纤中与来自泵浦激光器中的泵浦光发生受激布里渊散射效应，在泵浦光波的右边区域产生一个增益区，该增益区在载波经相位调制产生的一阶边带处进行功率放大，打破正负一阶边带之间的相位平衡，实现相位调制到强度调制的转换。在相位调制器的射频端口，除了环路产生的微波信号外，还耦合了来自外部射频信号源的低频电信号，为了实现时域锁模操作，该低频电信号的频率设置为与环路振荡模式的自由频率范围的整数倍匹配，通过设置不同的倍数，可以实现不同带宽的频梳信号产生，结合受激布里渊散射效应，可以实现不同中心频率的大范围调节。
时域锁模技术是一种基于锁模技术实现脉冲微波信号产生的光电振荡器应用技术之一，通过向光电谐振腔中注入一个频率等于振荡模式自由频谱范围的整数倍的低频电信号，可以实现振荡模式之间的模式锁定。在这个机制下，与注入信号频率相同间隔的多个模式可以在环路滤波器的通带内同时振荡，同时可以根据注入信号的频率产生不同重复频率的微波脉冲信号，这在传统的光电振荡器中是很难实现的；其中，通过改变环路滤波器的中心频率来选择不同的振荡模式，可以简单地调节产生微波脉冲信号的频率。此外，由于电滤波器的中心频率和带宽较为固定，不利于用来进行频率调谐和产生大带宽的频梳微波信号，在光域，一般采用相位调制到强度调制的方式，在环路中引入一个微波光子滤波器，通过光纤光栅来实现光滤波和信号的拍频，可以通过调节激光器的输出信号的波长和变化周期来实现中心频率的调谐和产生大带宽的扫频微波信号，然后光纤光栅的使用给***增加了成本和复杂度，在此基础上我们发明了一种基于受激布里渊散射的光电振荡器来实现时域锁模，不需要光纤光栅，而是利用高非线性光纤中的受布里渊散射效应来达到光滤波器的效果，实现相位调制到强度调制的转换，简化了***中光滤波器结构，在此基础上引入时域锁模操作，产生中心频率可大范围调谐和宽带的频梳微波信号。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种基于布里渊效应的高质量时域锁模光电振荡器的方法，其特征在于，包括：
步骤S1,相位调制器接收激光器输出的光信号并对光信号进行相位调制，相位调制器在完成对光信号的相位调制时将光信号输出至光隔离器，光隔离器将光信号输出至光环形器；所述光环形器接收泵浦激光器输出的泵浦光源并将泵浦光源与所述光隔离器输出的光信号一同输出至光衰减器；所述光衰减器减少接收光信号的能量并将减少能量后的光信号发送至光电探测器；
步骤S2，所述光电探测器将所述光衰减器发送的光信号转换成微波信号并通过电放大器对微波信号的功率进行放大以补偿环路的损耗，放大后的信号发送至第一电耦合器；
步骤S3，所述第一电耦合器接收信号后分成两路信号，一路传输至电频谱分析仪和数字存储示波器以使数字存储示波器储存信号，另一路发送至第二电耦合器；所述第二电耦合器在接收到电信号时还接收外部射频信号端注入的信号并将两信号一同输送至所述相位调制器的射频端口以形成OEO回路。
2.根据权利要求1所述的基于布里渊效应的高质量时域锁模光电振荡器的方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述相位调制器的射频端口耦合来自外部射频信号源的低频电信号以实现时域锁模，该低频电信号的频率设置为与环路振荡模式的自由频率范围的整数倍匹配。
3.根据权利要求1所述的基于布里渊效应的高质量时域锁模光电振荡器的方法，其特征在于，所述光环形器通过第一端口和第二端口接收所述泵浦激光器输出的信号和所述光隔离器发送的光信号并通过第三端口将信号输出至所述光衰减器。
4.根据权利要求1所述的基于布里渊效应的高质量时域锁模光电振荡器的方法，其特征在于，所述步骤S1中传输信号为光信号，所述步骤S2和步骤S3中传输信号为微波信号。
5.根据权利要求1所述的基于布里渊效应的高质量时域锁模光电振荡器的方法，其特征在于，所述第二电耦合器分别接收所述第一电耦合器和所述外部射频信号端输出的信号，再由输出端发送给相位调制器完成回路。
6.一种使用权利要求1-5任一项权利要求所述的基于布里渊效应的高质量时域锁模光电振荡器的***，其特征在于，包括：
激光器，用以发送光信号到相位调制器进行操作；
相位调制器，其与所述激光器相连，用以接收激光器发送的光信号并对该光信号进行相位调制；
光隔离器，其与所述相位调制器相连，用以接收在所述相位调制器输出的光信号并对器件进行保护；
光环形器，其与所述光隔离器相连，包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口用以接收由泵浦激光器输出的泵浦光信号，所述第二端口用以接收由光隔离器发送的光信号，所述第三端口用以输出光信号至光衰减器；
光衰减器，其与所述光环形器相连，用于减少光信号能量；
光电探测器，其与所述光衰减器相连，用以接收在所述光环形器第三端口输出的光信号，将光信号转换成微波信号并将微波信号传输至电放大器；
电放大器，其与所述光电探测器相连，用以接收由光电探测器传输的微波信号，由电放大器对功率进行放大，补偿环路的损耗并将信号发送至第一电耦合器；
第一电耦合器，其与所述电放大器相连相连，用于实现信号的传输，放大后的信号经过第一电耦合器，传输至电频谱分析仪、数字存储示波器和第二电耦合器；
第二电耦合器，其与所述第一电耦合器和所述相位调制器相连，用于实现信号的传输并接收第一电耦合器和外部射频信号端发出的信号，将输入信号耦合后输出到相位调制器的射频端口以形成回路；
外部射频信号端，其与所述第二电耦合器相连，用于注入信号至第二电耦合器。
7.根据权利要求6所述的基于布里渊效应的高质量时域锁模光电振荡器的***及方法，其特征在于，所述光环形器与所述光隔离器通过高非线性光纤连接，用以接收光隔离器发送的光信号。
8.根据权利要求6所述的基于布里渊效应的高质量时域锁模光电振荡器的***及方法，其特征在于，所述光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，光环形器通过第一端口与所述泵浦激光器相连、通过第二端口所述光隔离器的输出相连并通过第三端口与光衰减器相连。
9.根据权利要求6所述的基于布里渊效应的高质量时域锁模光电振荡器的***及方法，其特征在于，所述电频谱分析仪用于研究电信号频谱结构，测量信号失真度、调制度、频率稳定度和交调失真的信号参数。
10.根据权利要求6所述的基于布里渊效应的高质量时域锁模光电振荡器的***及方法，其特征在于，所述数字存储示波器以数字编码的形式储存信号。
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