基于受激布里渊散射效应和光频梳的微波信号产生方法及装置与流程

本发明属于微波光子学技术领域，具体涉及一种基于高非线性光纤中的受激布里渊散射效应和光频梳的微波信号产生方法及装置。

背景技术：

随着现代光电信息技术的发展，高质量的微波/毫米波信号源越来越受人们的关注，而光电振荡器融合了电学成分和光学成分，由于它具有产生高频率和低相位噪声的微波信号的特点，在光载无线电(radiooverfiber,rof)系统、光纤通信系统、雷达和传感等方面有着多种应用。然而由于传统的电学手段产生信号源的装置中电子器件处理速率的限制，以及电子瓶颈效应使得其对于高速微波信号的产生逐渐接近瓶颈。而光子学领域的光子技术具有处理速率高、在光纤中传输损耗低、带宽大等优点，所以近年来利用光学结合已有的电学手段生成微波/毫米波信号得到了广泛的关注。

目前光生微波/毫米波的产生方法主要有光注入法、光锁相环法、外调制器法、级联电光强度调制器法、相位调制器法、光外差法、高非线性效应法、光电振荡器法等。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于高非线性光纤中的受激布里渊散射效应和光频梳的微波信号的光子学产生方法及装置。

本发明利用光子学手段产生微波信号的装置结构如图1所示，由可调谐激光器、第一耦合器、第二耦合器、第一环行器、第二环行器、第一高非线性光纤、衰减器、第四耦合器、第一光电探测器、功分器、强度调制器、第四直流稳压源、第一双平行马赫曾德尔调制器(dpmzm)、第五直流稳压源、第六直流稳压源、第七直流稳压源、第三环行器、第二高非线性光纤、第三耦合器、第二光电探测器、微波放大器、第二双平行马赫曾德尔调制器、第一流稳压源、第二直流稳压源、第三直流稳压源、隔离器、第五耦合器、第三光电探测器和频谱分析仪组成；

第一双平行马赫曾德尔调制器和第二双平行马赫曾德尔调制器的结构相同，如图2所示，分别由第一马赫曾德尔调制器、第二马赫曾德尔调制器、第三马赫曾德尔调制器组成；第一马赫曾德尔调制器和第二马赫曾德尔调制器作为两个子调制器嵌入在第三马赫曾德尔调制器(作为主调制器)上；第一马赫曾德尔调制器具有第一射频输入端和第一直流偏置端；第二马赫曾德尔调制器具有第二射频输入端和第二直流偏置端；第三马赫曾德尔调制器只具有第三直流偏置端；通过调节第三直流偏置端的电压能够改变双平行马赫曾德尔调制器中第一马赫曾德尔调制器和第二双平行马赫曾德尔调制器两个支路之间的相位，使得第二双平行马赫曾德尔调制器工作在载波相移π/2的双边带调制状态；第一直流稳压电源与第二双平行马赫曾德尔调制器中的第一直流偏置端相连，第二直流稳压电源与第二双平行马赫曾德尔调制器中的第二直流偏置端相连，第三直流稳压电源与第二双平行马赫曾德尔调制器中的第三直流偏置端相连；

可调谐激光器输出的光信号进入到第一耦合器中，光信号被一分为二，分别为第一支路和第二支路；第一支路的光信号进入第二耦合器中，再次被一分为二，分别为第三支路和第四支路；第三支路的光信号由ⅰ端口输入第一环行器，并由ⅱ端口输出进入到第一高非线性光纤中发生受激布里渊散射效应，产生反向的斯托克斯波，这个斯托克斯波从第一环行器的ⅱ端口进入并由ⅲ端口输出，进入到第二环行器的ⅰ端口，从第二环行器的ⅱ端口输出进入到第一高非线性光纤中；这个斯托克斯波再次作为泵浦波发生受激布里渊散射效应，再次产生一个斯托克斯波从第二环行器的ⅱ端口进入并由ⅲ端口输出进入到第四耦合器；因此，从第二环行器的ⅲ端口输出的光信号的频率比可调谐激光器的频率下移了二倍的布里渊频移的量；第二耦合器输出的第四支路的光信号经过衰减器进入到第四耦合器，并和第二环行器ⅲ端口输出的光信号耦合之后进入到第一光电探测器中转换成电信号，该电信号通过功分器一分为二，分别为第五支路和第六支路，第五支路的电信号作为强度调制器的电信号输入，第六支路的电信号作为第一双平行马赫曾德尔调制器的电信号输入；

第一耦合器输出的第二支路的光信号经过第三耦合器，然后被一分为二，分别为第七支路和第八支路；第八支路的光信号输入到第二双平行马赫曾德尔调制器中，第二双平行马赫曾德尔调制器的输出光信号进入隔离器，隔离器中光是单方向通过，即第二双平行马赫曾德尔调制器输出的光信号能进入第五耦合器，而反方向的光信号不能通过，然后耦合到第五耦合器中；第五耦合器的输出分两个支路，分别为第九支路和第十支路，第十支路输出的光信号被送入到第三光电探测器进行光电转换，将光信号转换为电信号；再输入到频谱分析仪中进行频谱测试，观测系统产生的电信号；第九支路输出的光信号进入到第二高非线性光纤中作为受激布里渊散射效应的信号光；

第三耦合器输出的第七支路光信号输入到强度调制器中，被第五支路的电信号调制后输入到第一双平行马赫曾德尔调制器中，第四直流稳压电源为强度调制器提供直流偏置电压，第五直流稳压源、第六直流稳压源、第七直流稳压源分别与第一双平行马赫曾德尔调制器的第一直流偏置端、第二直流偏置端和第三直流偏置端相连，通过调节第四直流稳压源、第五直流稳压源、第六直流稳压源、第七直流稳压源，使第一双平行马赫曾德尔调制器的输出光为五条光频梳，光频梳是梳状的、等频率间隔的离散的光谱；这五条光频梳作为泵浦波信号，由第三环行器的ⅰ端口进入，ⅱ端口输出，进入到第二高非线性光纤中；与第九支路输出的光信号在第二高非线性光纤中相互作用，发生受激布里渊散射效应，经过受激布里渊散射效应处理的信号再由第三环行器的ⅱ端口输入，由ⅲ端口输出，被第二光电探测器转换成电信号，再经微波放大器放大后输入到第二双平行马赫-曾德尔调制器的第一射频输入端作为射频信号输入。

系统连接好之后，打开所有的仪器设备开关，使所有的设备处于工作状态，可调谐激光器输出频率为fc的光信号经第一耦合器、第三耦合器进入到第二双平行马赫曾德尔调制器中，第二双平行马赫曾德尔调制器中第二马赫曾德尔调制器的第二射频输入端对地短接，调节第二直流稳压电源使第二马赫曾德尔调制器工作在最大传输点，调节第一直流稳压电源使第一马赫曾德尔调制器工作在载波抑制的双边带工作状态，由于第二马赫曾德尔调制器的第二射频输入端口对地短接，只允许载波输出，调节第三直流稳压电源使第一马赫曾德尔调制器输出边带与第二马赫曾德尔调制器输出的载波的相位相差π/2，这时第二双平行马赫曾德尔调制器工作在载波相移角度为π/2的双边带工作状态。设备刚开始工作时，整个系统会有一些噪声，这些噪声去调制第二双平行马赫曾德尔调制器，由于噪声信号具有随机性，第二双平行马赫曾德尔调制器会产生一系列的调制边带(图3(a))，第二双平行马赫曾德尔调制器输出的被调制的光信号通过隔离器进入到第五耦合器，第五耦合器输出的第九支路信号进入到第二高非线性光纤中作为发生受激布里渊散射效应的信号光。第一耦合器输出的第一支路光进入到第二耦合器中，第二耦合器输出的第三支路光进入到第一环行器的ⅰ端口输入，ⅱ端口输出进入到第一高非线性光纤中发生受激布里渊散射效应，使频率为fc的光信号的频率下移fb(fb为布里渊频移的量)，产生反向的频率为fc-fb的斯托克斯波，这个斯托克斯波从第二环行器的ⅱ端口进入ⅲ端口输出，进入到第二环行器的ⅰ端口，从第二环行器的ⅱ端口输出进入到第一高非线性光纤中，从第二环行器的ⅱ端口输出的信号再次作为泵浦波进入到第一高非线性光纤中发生受激布里渊散射效应，产生一个二阶斯托克斯波频率为fc-2fb，从第二环行器的ⅱ端口进入ⅲ端口输出进入到第四耦合器，因此第二环行器的ⅲ端口输出的信号的频率比可调谐激光器的频率下移了二倍的布里渊频移的量。第二耦合器输出的第四支路的光频率为fc的信号经过衰减器也进入到第四耦合器和第二环行器的ⅲ端口输出的二阶斯托克斯光耦合之后进入到第一光电探测器拍频产生频率为2fb的电信号，这个电信号被功分器分为第五支路和第六支路，第五支路和第六支路的信号分别去调制强度调制器和第一双平行马赫曾德尔调制器。通过调节第四直流稳压源、第五直流稳压源、第六直流稳压源、第七直流稳压源产生五条光频梳，作为五个泵浦波信号(图3(b))，这五个光信号的频率从左到右依次为fc-4fb，fc-2fb，fc，fc+2fb，fc+4fb，第一双平行马赫曾德尔调制器输出的五条光频梳通过第三环行器的ⅰ端口输入、ⅱ端口输出进入到第二高非线性光纤中作为发生受激布里渊散射效应的泵浦信号，由于光频梳的五条泵浦光的功率近似相等，其中泵浦信号fc-4fb产生的损耗谱和泵浦信号fc-2fb产生的增益谱可以刚好抵消，同理，泵浦信号fc-2fb产生的损耗谱和泵浦信号fc产生的增益谱可以刚好抵消，其中泵浦信号fc产生的损耗谱和泵浦信号fc+2fb产生的增益谱可以刚好抵消，其中泵浦信号fc+2fb产生的损耗谱和泵浦信号fc+4fb产生的增益谱可以刚好抵消，因此只剩下泵浦信号fc-4fb产生的增益谱和泵浦信号fc+4fb产生的损耗谱(图3(c))，因此，在第二双平行马赫曾德尔调制器输出的一系列由噪声信号调制的边带信号中，距离载波信号fc的频率间隔为5fb的两个边带信号fc-5fb和fc+5fb被处理，即fc-5fb信号被增强，fc+5fb信号被减弱，这个信号和同方向的信号光fc进行拍频在第二光电探测器后得到频率为5fb的电信号，这个电信号经过微波放大器之后去调制第二双平行马赫曾德尔调制器的第一射频输入端，从而形成正反馈回路。由于第二双平行马赫曾德尔调制器工作在载波相移π/2的双边带工作状态，所以第三光电探测器将频率为fc-5fb、fc和fc-5fb的三个信号(图3(d))拍频输出可以得到频率为10fb的微波信号，输出结果在频谱分析仪上显示。

本发明选用波长为1510nm～1620nm的可调谐激光器作载波光源；第一双平行马赫曾德尔调制器、第二双平行马赫曾德尔调制器工作的光波长为1525nm～1605nm，带宽为60ghz，其中第一马赫曾德尔调制器和第二马赫曾德尔调制器的半波电压为5.5v，第三马赫-曾德尔调制器的半波电压为15v；第一高非线性光纤、第二高非线性光纤长度为500m～2000m，受激布里渊频移量fb为9ghz～11ghz；隔离器的隔离度大于40db；强度调制器工作的光波长为1525nm～1605nm，带宽为20ghz；微波信号源的输出频率范围为1ghz～40ghz；第一光电探测器的带宽为40ghz；第二光电探测器的带宽为60ghz、第三光电探测器的带宽为100ghz；微波放大器的带宽为40ghz，放大倍数大于20db；第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器和第五耦合器的分光比为1：0.5～2；频谱分析仪的带宽为100ghz；第一直流稳压电源、第二直流稳压电源、第三直流稳压电源、第四直流稳压电源、第五直流稳压电源、第六直流稳压电源和第七直流稳压电源的输出电压的幅度在1v～20v可调。

由于不同光纤的折射率等参数不同，因此不同的高非线性光纤中的布里渊频移的数值不同，一般在9ghz～11ghz，因此本发明微波信号产生装置的输出频率根据所选用的高非线性光纤不同可在90ghz～110ghz的范围内，并且第一高非线性光纤和第二高非线性光纤在本装置中采用同样类型、同样长度的两个性质相同的光纤。当高非线性光线确定后，装置产生的输出频率就确定下来了，值为10fb。由于布里渊频移的数值与泵浦波的波长有关，故通过调节可调谐激光器的波长可以实现微波信号发生装置的输出频率改变，实现输出频率可调谐。当调节可调节激光器的波长从1540nm～1570nm变化时，即泵浦波的波长发生变化，布里渊频移量fb的数值是从9.2613ghz到9.0813ghz之间变化，因此微波信号产生装置输出的微波信号的频率从92.6130ghz～90.8130ghz变化。

本发明装置的特点：

(1)基于受激布里渊散射效应和增益补偿技术产生微波/毫米波信号。由于光电振荡器具有选模和正反馈的优点，因此输出的微波信号的频谱纯度好、噪声低。

(2)由于利用受激布里渊散射效应产生的增益谱代替了传统的电滤波器，而且布里渊增益的线宽较窄，所以滤波时滤出的频谱也比较窄，滤波效果比较好，同时布里渊散射效应为整个环路也提供了增益。

(3)用sbs效应产生2fb信号，所以在实现增益补偿时可以很好的实现增益谱和损耗谱完全抵消的结果。

(4)由于布里渊频移依赖于泵浦波的改变的特性，通过改变泵浦波的波长可以实现微波信号发生装置的输出频率在一定范围内可调谐。

附图说明

图1：微波信号发生器装置示意图；

图2：双平行马赫-曾德尔调制器的内部结构示意图；

图3：微波信号发生器装置的频谱处理图；

图4：微波信号发生器装置的输出频谱图；

图5：微波信号发生器装置的输出频率可调谐图。

具体实施方式

实施例1：

可调谐激光器为santec公司的tsl-510可调激光器，激光器的波长范围为1510nm～1630nm波长；第一双平行强度调制器和第二双平行强度调制器为photline公司的mxiq-ln-30-p-p，带宽为40ghz，工作的光波长为1530nm～1580nm，其中第一马赫-曾德尔调制器和第二马赫-曾德尔调制器的半波电压为5.5v，第三马赫-曾德尔调制器的半波电压为15v；长飞科技有限公司的两段性质相同的高非线性光纤：长度为1000m，增益和损耗峰值为5db，在光载波波长为1550nm时，受激布里渊增益谱线宽为γb＝30mhz，受激布里渊频移量fb＝9.1994ghz；thorlabs公司生产的io-g-1550-apc的光隔离器的隔离度大于40db，工作波长1530～1570nm；强度调制器为photline公司的mxan-ln-20，半波电压为5.5v，带宽为20ghz；第一光电探测器是optilab公司的pd-40-m的带宽为40ghz；第二光电探测器是finisar公司生产的xpdv2120ra，带宽为60ghz，速率40gbps；第三光电探测器是finisar公司的xpdv2320r的带宽为100ghz。微波放大器是photline公司的dr-dg-20-ho，带宽为40ghz，放大倍数为20db；第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器和第五耦合器均为snow-sea公司的fbtfiberopticsplitter/fbtfiber，分光比为1：1；频谱分析仪是安捷伦公司的e5052b连同安捷伦公司的上变频器e5053，测量信号范围带宽为10mhz～110ghz；第一直流稳压电源、第二直流稳压电源、第三直流稳压电源、第四直流稳压电源、第五直流稳压电源、第六直流稳压电源和第七直流稳压电源的均为固纬公司的gps-4303c，输出电压幅度在1v～20v可调。

系统连接好之后，打开所有的仪器设备开关，使所有的设备处于工作状态，可调谐激光器输出的频率为fc＝193.414thz(即波长为1550nm)的光信号进入到第二双平行马赫曾德尔调制器中，第二双平行马赫曾德尔调制器中第二直流偏置端的电压设置在最大传输点为0v，第二射频输入端接地，第一直流偏置端的电压设置在最小传输点为5.5v，使第一马赫曾德尔调制器工作在载波抑制的双边带状态，第三直流偏置端的电压为0v，这时第二双平行马赫曾德尔调制器工作在载波相移角度为π/2的双边带工作状态。设备刚开始工作时，整个系统会有一些噪声，这些噪声去调制第二双平行马赫曾德尔调制器，由于噪声信号具有随机性，第二双平行马赫曾德尔调制器会产生一系列的调制边带，被调制的光信号通过隔离器进入到第五耦合器，第五耦合器输出的第九支路信号进入到第二高非线性光纤中作为发生受激布里渊散射效应的信号光。第一耦合器输出的第一支路光进入到第二耦合器中，第二耦合器输出的第三支路光进入到第一环行器的ⅰ口输入，ⅱ端口输出进入到第一高非线性光纤中发生受激布里渊散射效应，使频率为fc的光信号的频率下移fb＝9.1994ghz，产生反向的频率为fc-fb的斯托克斯波，这个斯托克斯波从第二环行器的ⅱ端口进入ⅲ端口输出，进入到第二环行器的ⅰ端口，从第二环行器的ⅱ端口输出进入到第一高非线性位移光纤中，从第二环行器的ⅱ端口输出的信号再次作为泵浦波进入到第一高非线性光纤中发生受激布里渊散射效应，产生一个二阶斯托克斯波频率为fc-2fb，从第二环行器的ⅱ口进入ⅲ口输出进入到第四耦合器，因此第二环行器的ⅲ端口输出的信号的频率比可调谐激光器的频率下移了二倍的布里渊频移的量。第二耦合器输出的第四支路的光频率为fc的信号经过衰减器也进入到第四耦合器和第二的ⅲ口输出的二阶斯托克斯光耦合之后进入到第一光电探测器拍频产生频率为2fb＝19.3988ghz的电信号，这个电信号被功分器分为第五支路和第六支路，第五支路和第六支路的信号分别去调制强度调制器和第一双平行马赫曾德尔调制器。通过调节第四直流稳压源、第五直流稳压源、第六直流稳压源、第七直流稳压源产生五条光频梳，作为五个泵浦波信号(图3(b))，这五个光信号的频率从左到右依次为fc-4fb、fc-2fb、fc、fc+2fb、fc+4fb，第一双平行马赫曾德尔调制器输出的五条光频梳的幅度相等，频率间隔为2fb＝18.3988ghz，五条光频梳通过第三环行器的ⅰ端口输入、ⅱ端口输出进入到第二高非线性光纤中作为发生受激布里渊散射效应的泵浦信号，其中泵浦信号fc-4fb产生的损耗谱和泵浦信号fc-2fb产生的增益谱可以刚好抵消，同理，泵浦信号fc-2fb产生的损耗谱和泵浦信号fc产生的增益谱可以刚好抵消，其中泵浦信号fc产生的损耗谱和泵浦信号fc+2fb产生的增益谱可以刚好抵消，其中泵浦信号fc+2fb产生的损耗谱和泵浦信号fc+4fb产生的增益谱可以刚好抵消，因此剩下泵浦信号fc-4fb产生的增益谱和泵浦信号fc+4fb产生的损耗谱，因此，由第二双平行马赫-曾德尔调制器输出的一系列噪声边带信号中，距离载波信号fc的频率间隔为5fb的两个边带信号fc-5fb和fc+5fb被处理，即fc-5fb信号被增强，fc+5fb信号被减弱，这个信号和同方向的信号光fc进行拍频在第二光电探测器后得到频率为5fb＝45.997ghz的电信号，这个电信号经过微波放大器之后去调制第二双平行马赫曾德尔调制器的第一射频输入端，从而形成正反馈回路。由于第二双平行马赫曾德尔调制器工作在载波相移π/2的双边带工作状态，所以第三光电探测器将频率为fc-5fb、fc和fc+5fb的三个信号拍频输出可以得到频率为10fb＝91.994ghz的微波信号，输出结果如附图4。

可调谐激光器的波长为1540nm、1550nm、1560nm、1570nm时，受激布里渊频移量fb的数值对应为9.2613ghz、9.1994ghz、9.1403ghz、9.0813ghz，光电振荡器输出的微波信号的频率92.6130ghz、91.9940ghz、91.4030ghz、90.8130ghz，如图5所示。