CN115133379A - 基于受激布里渊散射放大的随机信号生成装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于受激布里渊散射放大的随机信号生成装置及方法，该随机信号生成装置包括：泵浦增益模块；第一可调谐激光器；第一相位调制器；第一光耦合器；环形器；非线性光纤；光滤波器；光电探测器；以及功分器。本发明还提供了利用该随机信号生成装置的随机信号生成方法。本发明在非线性光纤中产生中心频率和带宽均可调的随机瑞利散射信号，从而得到了中心频率和带宽均可调的随机微波信号。

Description

基于受激布里渊散射放大的随机信号生成装置及方法

技术领域

本发明涉及微波光子学技术领域，特别涉及基于受激布里渊散射放大的随机信号生成装置及方法。

背景技术

光电振荡器由于其瞬时带宽可调谐特性以及较低的相位噪声特性，可用于产生高质量低相噪的微波信号。通常光电振荡器产生的微波信号局限于单频信号，并通过调节激光器发出光波长的相对位置对产生的单频信号的频率进行调节。近年来，随着光电振荡器的不断完善和发展，更多种类的光电振荡器被提出，例如基于傅里叶域锁模光电振荡器、宇称-时间对称光电振荡器、集成光电振荡器等。以上传统的光电振荡器都是基于完全闭环的光纤环路腔，在固定长度的腔内产生一组离散的腔模，这组离散的腔模具有固定的频率间隔。为满足雷达的逐渐完善和发展，在很多雷达发射机实际应用中需要发射随机信号，而单一频率的光电振荡器则无法满足随机雷达的需求。因此，亟需开展对于频率和带宽均可调的随机微波信号产生技术的研究。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于受激布里渊散射放大的随机信号生成装置及方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种基于受激布里渊散射放大的随机信号生成装置，包括：泵浦增益模块，用于产生受激布里渊散射的泵浦光信号，所述泵浦光信号的频率和带宽可调；第一可调谐激光器，用于产生光信号；第一相位调制器，用于对所述第一可调谐激光器输出的光信号进行相位调制；第一光耦合器，用于将所述泵浦增益模块输出的泵浦光信号和所述第一相位调制器输出的经过相位调制的所述光信号合路，形成合束信号；环形器，用于将所述第一光耦合器输出的合束信号输入到非线性光纤内；非线性光纤，用于输入所述合束信号，使所述合束信号在所述非线性光纤中发生瑞利散射和受激布里渊散射，产生中心频率和带宽可调的且放大的随机光信号，所述随机光信号返回至所述环形器；光滤波器，用于对所述环形器输出的所述随机光信号进行滤波，滤除杂散光信号；光电探测器，用于将所述光滤波器输出的所述随机光信号转换成电信号；以及功分器，用于将所述光电探测器输出的电信号分为两路，一路作为输出，即输出中心频率和带宽可调的随机微波信号，另一路反馈至所述第一相位调制器，构成闭合的光电振荡器环路。

作为本发明的另一个方面，还提供了一种利用上述随机信号生成装置的随机信号生成方法，包括：利用泵浦增益模块产生受激布里渊散射的泵浦光信号；利用第一可调谐激光器产生光信号，并输入第一相位调制器进行相位调制；将经过相位调制的所述光信号和所述泵浦光信号经第一光耦合器合路后，经环形器输入至非线性光纤，产生放大的中心频率和带宽可调的随机信号；将所述随机信号经环形器输入到光滤波器进行滤波；经滤波后的所述随机信号经光电探测器转换为电信号后分为两路，一路作为中心频率和带宽可调的随机微波信号输出，另一路反馈至所述相位调制器，构成闭合的光电振荡器环路。

从上述技术方案可以看出，本发明的基于受激布里渊散射放大的随机信号生成装置及方法具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

本发明的基于受激布里渊散射放大的随机信号生成装置，在非线性光纤中同时发生瑞利散射和受激布里渊散射，由于瑞利散射的腔长随机，因此不受腔长对应特定频率的限制，从而产生随机光信号；利用受激布里渊散射的增益谱，对瑞利散射产生的随机光信号进行放大，并且所述随机光信号的中心频率和带宽均由所述受激布里渊散射的增益谱的频率和带宽决定，而所述受激布里渊散射的增益谱的频率和带宽由受激布里渊散射的泵浦光信号决定，因此，产生的随机光信号的中心频率和带宽可调。中心频率和带宽可调的随机光信号经光电转换器转换后，可输出中心频率和带宽可调的随机微波信号。

附图说明

图1为本发明实施例1的基于受激布里渊散射放大的随机信号产生装置图；

图2为本发明实施例1泵浦增益模块的装置图；

图3为本发明实施例1泵浦增益模块的装置图；

图4为本发明实施例2的基于受激布里渊散射放大的随机信号产生装置图。

具体实施方式

在实现本发明的过程中发现，现有的可以产生随机信号的光电振荡器，通常是基于拉曼散射的光电振荡器，但是，这种光电振荡器产生的拉曼放大的增益谱很宽，所以，只能产生超宽谱的随机微波信号。在实际应用中，需要用到频率和带宽均可调的随机微波信号，由此，本发明创造性的提出了一种随机信号生成，是基于受激布里渊散射的光电振荡器，所产生的随机微波信号的带宽和中心频率均可调。

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，对本发明作进一步的详细说明。

根据本发明的实施例，提供了一种随机信号生成装置，包括：泵浦增益模块，用于产生受激布里渊散射的泵浦光信号，泵浦光信号的频率和带宽可调；第一可调谐激光器，用于产生光信号；第一相位调制器，用于对第一可调谐激光器输出的光信号进行相位调制；第一光耦合器，用于将泵浦增益模块输出的泵浦光信号和第一相位调制器输出的经过相位调制的光信号合路，形成合束信号；环形器，用于将第一光耦合器输出的合束信号输入到非线性光纤内；非线性光纤，用于输入合束信号，使合束信号在非线性光纤中发生瑞利散射和受激布里渊散射，产生中心频率和带宽可调的且放大的随机光信号，随机光信号返回至环形器；光滤波器，用于对环形器输出的放大的随机光信号进行滤波，滤除杂散光信号；光电探测器，用于将光滤波器输出的随机光信号转换换成电信号；以及功分器，用于将光电探测器输出的电信号分为两路，一路作为输出，即输出随机微波信号，另一路反馈至第一相位调制器，构成闭合的光电振荡器环路。

本发明中在非线性光纤中产生的随机光信号是随机瑞利散射信号。本发明提供的随机信号生成装置的泵浦增益模块产生频率和带宽可调的受激布里渊散射的泵浦光信号，此泵浦光信号和第一可调谐激光器输出的光信号合束后，进入非线性光纤，可以产生受激布里渊散射和瑞利散射。受激布里渊散射是由于非线性光纤中的非线性效应而产生的后向的散射光，包括增益谱和损耗谱。瑞利散射是由于非线性光纤内部的折射率不均匀而产生的各个方向的散射，而在本发明中，只有后向瑞利散射信号才能够回到光电振荡器环路内。瑞利散射在光纤中是在随机位置发生的，因此本发明光电振荡器的腔长是随机的多路腔长的叠加，即随机腔长。根据光电振荡器传统理论，某一腔长对应一组特定的离散的腔模，随机腔长的叠加对应随机的多种离散腔模的叠加。随机腔长导致信号在光电振荡器从噪声中起振的频率是同时且随机的，故产生瑞利散射微波信号是不具有自由光谱范围的随机信号。由于瑞利散射的功率很弱，受激布里渊散射的增益谱会对后向随机瑞利散射信号进行放大，并且后向随机瑞利散射信号的中心频率和带宽均由所述受激布里渊散射的增益谱的频率和带宽决定，而所述受激布里渊散射的增益谱的频率和带宽由受激布里渊散射的泵浦光信号决定，所以产生的后向随机瑞利散射信号的中心频率和带宽可调。中心频率和带宽可调的后向随机瑞利散射信号经光电转换器转换后，输出中心频率和带宽可调的随机微波信号。

根据本发明的实施例，随机信号生成装置还包括：光放大器，位于泵浦增益模块和光耦合器之间，用于放大泵浦增益模块输出的泵浦光信号；电放大器，位于功分器和第一相位调制器之间，用于放大功分器反馈至第一相位调制器的电信号。

根据本发明的实施例，泵浦增益模块包括：第一任意波形发生器，用于产生白噪声信号或编码信号；直调激光器，用于在第一任意波形发生器产生的白噪声信号或编码信号的驱动下，产生频率和带宽均可调的泵浦光信号。直调激光器输出的光信号频率和带宽均可调。通过调节第一任意波形发生器的编码信号来调节直调激光器输出的光信号的频率和带宽，从而调节泵浦光信号的频率和带宽。

根据本发明的实施例，泵浦增益模块包括：第二可调谐激光器，用于产生带宽固定，频率可调的光信号；第二任意波形发生器，用于产生编码信号；第二相位调制器，用于在第二任意波形发生器的编码信号的驱动下，对第二可调谐激光器产生的光信号进行相位调制，形成频率和带宽均可调的泵浦光信号。该第二可调谐激光器输出的光信号频率可调，带宽固定。相位调制器输出的光信号带宽可调，因此，通过调节第二任意波形发生器的编码信号，来调节第二可调谐激光器和第二相位调制器输出的光信号的频率和带宽，从而调节泵浦光信号的频率和带宽。

根据本发明的实施例，随机信号生成装置还包括第二光耦合器，用于将第一可调谐激光器产生的光信号分为两部分，一部分输入泵浦增益模块，另一部分输入至第一相位调制器；泵浦增益模块包括：微波源，用于产生微波信号；90°电桥，用于将微波源产生的微波信号分成两路分信号，且两路分信号相位差为90度；双平行马赫增德尔调制器，用于在90°电桥输出的两路分信号的驱动下，对第一可调谐激光器输出的部分光信号进行移频；第三任意波形发生器，用于产生编码信号；第三相位调制器，用于在第三任意波形发生器的编码信号的驱动下，对经双平行马赫增德尔调制器移频后输出的光信号进行相位调制，形成频率和带宽均可调的泵浦光信号。

根据本发明的实施例，非线性光纤的远离环形器的开路端设置有切割角，以避免端面处的菲涅尔反射对后向的瑞利散射产生影响。

根据发明的实施例，泵浦增益模块，光放大器，以及第一光耦合器的一个输入端之间通过光纤跳线连接。

根据本发明的实施例，第一可调谐激光器、第一相位调制器、第一光耦合器的另一个输入端、环形器、非线性光纤、光滤波器以及光电探测器之间通过光纤跳线连接。

根据本发明的实施例，光电探测器、功分器以及电放大器之间通过电缆依次连接。

根据本发明的实施例，还提供了一种利用上述随机信号生成装置生成随机信号的方法，包括：利用泵浦增益模块产生受激布里渊散射的泵浦光信号；利用第一可调谐激光器产生光信号，并输入第一相位调制器进行相位调制；将经过相位调制的光信号和泵浦光信号经第一光耦合器合路后，经环形器输入至非线性光纤，产生放大的且中心频率和带宽可调的随机信号；将随机信号经环形器输入到光滤波器进行滤波；经滤波后的随机信号经光电探测器转换为电信号后分为两路，一路作为中心频率和带宽可调的随机微波信号输出，另一路反馈至相位调制器，构成闭合的光电振荡器环路。

以下列举具体实施例来对本发明的技术方案作详细说明。需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本发明。

实施例1

一种基于受激布里渊散射放大的随机信号生成装置，其结构如图1所示，包括泵浦增益模块、光放大器、第一可调谐激光器、第一相位调制器、第一光耦合器、环形器、非线性光纤、光滤波器、光电探测器、功分器和电放大器。

第一可调谐激光器输出光信号进入第一相位调制器，经第一相位调制后和泵浦光信号合束经环形器输入至高非线性光纤中。在高非线性光纤中同时发生瑞利散射和受激布里渊散射效应。瑞利散射是由于光纤内部的折射率不均匀而产生的各个方向的散射，而在本发明中，只有后向瑞利散射才能够回到环腔内；受激布里渊散射是由于光纤中的非线性效应而产生后向的散射光，包括增益谱和损耗谱，本发明利用受激布里渊散射的增益谱对后向的瑞利散射进行放大。所使用的光纤在另一开路端有一切割角，以避免端面处的菲涅尔反射对后向瑞利散射产生影响。在本发明中，受激布里渊散射的增益谱的带宽和频率均可调，由泵浦光的带宽和频率位置决定。因此受激布里渊散射增益谱放大的随机瑞利散射信号的带宽和中心频率也可随泵浦光的带宽和频率进行调节。增益放大后的泵浦光信号进入光电振荡器中实现光电转换，并分为两路，一路作为输出的随机微波信号，另一路反馈至相位调制器构成光电振荡器闭环。因为在本发明中瑞利散射在高非线性光纤中是在随机位置发生的，因此本发明随机信号生成装置的腔长是随机的多路腔长的叠加。根据光电振荡器传统理论，某一腔长对应一组特定的离散的腔模。随机腔长的叠加对应随机的多种离散腔模的叠加。故产生的微波信号是不具有自由光谱范围的随机微波信号。

在本实施例中，泵浦增益模块的装置图可由图2所示，由第一任意波形发生器驱动直调激光器产生泵浦光信号，第一任意波形发生器发出的白噪声和编码信号注入直调激光器，可对出射光信号进行展宽。而泵浦光信号的带宽和形状决定增益谱信号的带宽和形状。

或者，在本实施例中，泵浦增益模块的另一装置图可由图3所示，由第二可调谐激光器输出光信号至第二相位调制器，第二任意波形发生器发出编码信号经第二相位调制器调制到光信号上。泵浦光信号的带宽由第二任意波形发生器发出的编码的速率决定，泵浦光信号的中心频率由第二可调谐激光器的输出波长决定。

实施例2

基于受激布里渊散射放大的随机信号产生的另一装置图如图4所示，其与实施例1的主要区别在于，其泵浦增益模块由第一可调谐激光器经第二光耦合器一分二的分束光、双平行马赫增德尔调制器、90°电桥、微波源、第三相位调制器、第三任意波形发生器构成。其中双平行马赫增德尔调制器、90°电桥和微波源实现载波移频功能，输入至第三相位调制器进行移频后的泵浦光的带宽的展宽。在这种条件下，泵浦光信号的频率由微波源发出的微波信号的频率决定，泵浦光信号的带宽由第三任意波形发生器发出的信号的速率决定。

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，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 (10)

1.一种基于受激布里渊散射放大的随机信号生成装置，包括：

泵浦增益模块，用于产生受激布里渊散射的泵浦光信号，所述泵浦光信号的频率和带宽可调；

第一可调谐激光器，用于产生光信号；

第一相位调制器，用于对所述第一可调谐激光器输出的光信号进行相位调制；

第一光耦合器，用于将所述泵浦增益模块输出的泵浦光信号和所述第一相位调制器输出的经过相位调制的所述光信号合路，形成合束信号；

环形器，用于将所述第一光耦合器输出的合束信号输入到非线性光纤内；

非线性光纤，用于输入所述合束信号，使所述合束信号在所述非线性光纤中发生瑞利散射和受激布里渊散射，产生中心频率和带宽可调的且放大的随机光信号，所述随机光信号返回至所述环形器；

光滤波器，用于对所述环形器输出的所述随机光信号进行滤波，滤除杂散光信号；

光电探测器，用于将所述光滤波器输出的所述随机光信号转换成电信号；以及

功分器，用于将所述光电探测器输出的电信号分为两路，一路作为输出，即输出中心频率和带宽可调的随机微波信号，另一路反馈至所述第一相位调制器，构成闭合的光电振荡器环路。

2.如权利要求1所述的随机信号生成装置，其中，所述随机信号生成装置还包括：

光放大器，位于所述泵浦增益模块和所述第一光耦合器之间，用于放大所述泵浦增益模块输出的泵浦光信号；

电放大器，位于所述功分器和所述第一相位调制器之间，用于放大所述功分器反馈至所述第一相位调制器的电信号。

3.如权利要求1所述的随机信号生成装置，其中，所述泵浦增益模块包括：

第一任意波形发生器，用于产生白噪声信号或编码信号；

直调激光器，用于在所述第一任意波形发生器产生的白噪声信号或编码信号的驱动下，产生频率和带宽均可调的所述泵浦光信号。

4.如权利要求1所述的随机信号生成装置，其中，所述泵浦增益模块包括：

第二可调谐激光器，用于产生带宽固定，频率可调的光信号；

第二任意波形发生器，用于产生编码信号；

第二相位调制器，用于在所述第二任意波形发生器的编码信号的驱动下，对所述第二可调谐激光器产生的所述光信号进行相位调制，形成频率和带宽均可调的所述泵浦光信号。

5.如权利要求1所述的随机信号生成装置，其中，所述随机信号生成装置还包括第二光耦合器，用于将第一可调谐激光器产生的光信号分为两部分，一部分输入所述泵浦增益模块，另一部分输入至所述第一相位调制器；

所述泵浦增益模块包括：微波源，用于产生微波信号；

90°电桥，用于将所述微波源产生的微波信号分成两路分信号，且两路分信号具有90度相位差；

双平行马赫增德尔调制器，用于在所述90°电桥输出的两路分信号的驱动下，对所述第一可调谐激光器输出的部分光信号进行移频；

第三任意波形发生器，用于产生编码信号；

第三相位调制器，用于在所述第三任意波形发生器的编码信号的驱动下，对经所述双平行马赫增德尔调制器移频后输出的光信号进行相位调制，形成频率和带宽均可调的所述泵浦光信号。

6.如权利要求1所述的随机信号生成装置，其中，所述非线性光纤的远离所述环形器的开路端设置有切割角，以避免端面处的菲涅尔反射对后向的瑞利散射产生影响。

7.如权利要求2所述的随机信号生成装置，其中，所述泵浦增益模块，光放大器，以及第一光耦合器的一个输入端之间通过光纤跳线连接。

8.如权利要求2所述的随机信号生成装置，其中，所述第一可调谐激光器、第一相位调制器、第一光耦合器的另一个输入端、环形器、非线性光纤、光滤波器以及光电探测器之间通过光纤跳线连接。

9.如权利要求2所述的随机信号生成装置，其中，所述光电探测器、功分器以及电放大器之间通过电缆依次连接。

10.一种利用权利要求1-9中任一项所述的随机信号生成装置的随机信号生成方法，包括：

利用泵浦增益模块产生受激布里渊散射的泵浦光信号；

利用第一可调谐激光器产生光信号，并输入第一相位调制器进行相位调制；

将经过相位调制的所述光信号和所述泵浦光信号经第一光耦合器合路后，经环形器输入至非线性光纤，产生放大的且中心频率和带宽可调的随机信号；

将所述随机信号经环形器输入到光滤波器进行滤波；

经滤波后的所述随机信号经光电探测器转换为电信号后分为两路，一路作为中心频率和带宽可调的随机微波信号输出，另一路反馈至所述相位调制器，构成闭合的光电振荡器环路。

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