基于频域‑时域映射的波形产生系统及方法与流程

本公开属于微波光子学技术领域，尤其涉及一种基于频域-时域映射的波形产生系统及方法。

背景技术：

具有超低相位噪声、较大频率可调谐范围的微波/毫米波信号源在雷达、无线通信、星间链路及现代测量等诸多领域有着广泛的应用。相位噪声性能会影响接受信号的质量以及微波数字通信系统的误码率，因而，具有较低相位噪声、较大可操作频率范围以及较高的频率可调谐度的微波信号源在实际应用中非常关键。

传统电子学方法由于受限于器件本身的带宽，所能产生的宽带信号的载频及带宽均非常有限，而光子学具备大带宽的优势，因此利用光子学产生宽带微波信号引起了人们的广泛关注。光子学方法产生宽带信号的方法主要包括四类：直接空间-时间脉冲整形法、基于频谱整形及频率-时间映射法、时域脉冲整形法和基于光子微波延迟线滤波法。目前产生啁啾微波信号多采用基于频谱整形及频率时域映射法。基于光谱整形及频率时域映射的任意波形产生系统包括一个光谱构造器和一个色散器件，其中，光谱构造器用于对输入的超短脉冲进行光谱整形，色散器件用于完成光信号频域到时域的映射。经过频谱整形及时域展宽的光脉冲被输入到一个高速光电探测器中实现光电转换，随后在系统输出端产生一个与信号光谱具有相同形状的时域微波信号。基于这种技术的脉冲整形提出的产生任意波形的方法需要通过色散介质引入的频域-时域映射来得到，从而增加了系统的损耗和复杂性，对于传统的色散器件，光纤色散因其受温度等环境影响较大而限制了其应用，另一种色散介质布拉格光纤光栅，一旦被设计好，其色散系数则无法改变，从而限制了系统的可调谐性。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本公开提供了一种基于频域-时域映射的波形产生系统及方法，具有低损耗、结构简单、可重构、以及易于集成的特点。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种基于频域-时域映射的波形产生系统，包括：激光器，用于输出波长随时间连续变化的扫频激光；频谱整形模块，其输入端与所述激光器的输出端相连接，用于接收所述扫频激光并对其进行整形；以及光电探测器，其输入端与所述频谱整形模块的输出端相连，用于将频谱整形模块输出的光信号转化为电信号。

在本公开的一些实施例中，通过频谱整形模块对所述扫频激光进行频谱整形，以改变所述扫频激光的时域波形。

在本公开的一些实施例中，通过对激光器的波长扫描范围、扫频速率或频谱整形模块的工作参数进行调控，以实现对光电探测器输出电信号进行调谐。

在本公开的一些实施例中，所述激光器与频谱整形模块之间、频谱整形模块与光电探测器之间均采用光纤进行连接。

在本公开的一些实施例中，所述频谱整形模块的工作波长范围在所述激光器的波长扫描范围内。

在本公开的一些实施例中，所述激光器为傅里叶域锁模扫频激光器、分布反馈式激光器、分布式布拉格反射激光器或垂直腔面发射激光器。

在本公开的一些实施例中，所述频谱整形模块为可编程波形整形器或光栅。

根据本公开的另一个方面，提供了一种基于频域-时域映射的波形产生方法，包括：激光器输出波长随时间连续变化的扫频激光；频谱整形模块对所述扫频激光进行频谱整形；以及光电探测器将频谱整形后的光信号转化为电信号。

在本公开的一些实施例中，所述频谱整形模块对所述扫频激光进行频谱整形的步骤中，通过频谱整形模块对所述扫频激光进行频谱整形，以改变所述扫频激光的时域波形。

在本公开的一些实施例中，通过对激光器的波长扫描范围、扫频速率或频谱整形模块的工作参数进行改变，以实现对光电探测器输出电信号进行调谐。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开一种基于频域-时域映射的波形产生系统及方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)本公开利用激光器输出的扫频激光波长随时间连续变化的特性，通过频谱整形模块对激光器输出的光信号进行频谱整形，不需要经过色散介质即可直接改变所述扫频激光的时域波形，即实现扫频激光在时域上的映射，降低了系统的复杂性和损耗，且易于集成；

(2)通过对激光器的波长扫描范围、扫频速率或频谱整形模块的工作参数进行改变，可实现对光电探测器输出的电信号的频率进行调谐；

(3)通过频谱整形模块对激光器输出光信号的频域波形进行设计，可实现任意波形的产生。

附图说明

图1为本公开基于频域-时域映射的波形产生系统的结构示意图。

图2a为本实施例中傅里叶域锁模扫频激光器输出光信号的频域波形图。

图2b为本实施例中傅里叶域锁模扫频激光器输出光信号的时域波形图。

图3a为本实施例中经过频谱整形后光信号的频域波形图。

图3b为本实施例中经过频谱整形后光信号的时域波形图。

图4为本实施例中经过光电探测器后输出信号的时域波形图。

【主要元件】

1激光器；2频谱整形模块；3光电探测器。

具体实施方式

为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。

本公开提供了一种基于频域-时域映射的波形产生系统，图1为本公开基于频域-时域映射的波形产生系统的结构示意图，请参照图1，该系统包括：

激光器1，用于输出波长随时间连续变化的扫频激光；

频谱整形模块2，所述频谱整形模块的输入端与所述激光器的输出端相连接，用于接收所述扫频激光并对其进行整形；以及

光电探测器3，所述光电探测器的输入端与所述频谱整形模块的输出端相连，用于将频谱整形模块输出的光信号转化为电信号；其中，

所述激光器1和频谱整形模块2以及频谱整形模块2和光电探测器3之间均通过光纤进行连接；优选的，所述光纤为标准单模光纤，也可以为多模光纤或其他种类的光纤，不影响本公开的实现。

进一步的，所述激光器输出波长随时间连续可调的扫频激光，即不同时刻输出的波长不同。由于激光器输出的激光是波长随时间快速变化的扫频激光，利用这种时变系统的特性，直接采用频谱整形模块对激光器输出的扫频激光进行频谱整形，相应的，扫频激光在时域上的波形也会相应发生改变。由此可见，本公开提供的任意波形产生系统不需要通过色散介质，即可实现扫频激光在时域上的映射；通过对频谱整形模块的工作参数进行调控，即对扫频激光频域波形的形状和频率等参数进行设计，继而通过光电探测器将光信号拍频转化为任意波形的电信号，降低了系统的复杂性和损耗，且结构简单易于集成。

以下结合具体实施例对本公开提供的一种基于频域-时域映射的波形产生系统作进一步的详细说明。

激光器1选取为傅里叶域锁模扫频激光器，该激光器的中心波长可调谐，波长扫描带宽为80nm～140nm可调，最高扫描频率可调谐；

进一步的，本公开中的激光器不限于傅里叶域锁模扫频激光器，还可为分布反馈式激光器、分布式布拉格反射激光器或垂直腔面发射激光器，能够输出激光波长随时间连续变化的扫频激光即可，不影响本公开的实现；其中，分布反馈式激光器、分布式布拉格反射激光器或垂直腔面发射激光器可通过改变电流以输出波长随时间变化的扫频激光；

在本实施例中，扫频激光的中心波长选取为1555nm，波长扫描范围选取为140nm，该波长范围为最小波长与最大波长的差值，扫频速率选取为828.49khz。在上述参数下扫频激光器输出的光信号的频域波形图和时域波形图，如图2a和图2b所示。请参照图2a和图2b，傅里叶域锁模扫频激光器输出的激光在频域上的波形图水平旋转180°后即可得到光信号在时域上的波形图，即扫频激光时域上的波形图和频域上的波形图具有反方向的特点。由于傅里叶域锁模扫频激光器输出的波长随时间呈线性变化，所以水平旋转180°后的频域波形图与时域波形图具有相同的包络；

进一步的，扫频激光的时域波形图与频域波形图具有反方向的特点是由于傅里叶域锁模扫频激光器的波长扫描是从长波到短波的后向扫描；

进一步的，激光器输出的扫频激光的波长随时间的变化不限于本实施例中的线性关系，满足波长随时间连续变化即可，不影响本公开的实现；

进一步的，本公开中激光器的波长扫描范围，扫频速率以及中心波长等参数，不限于本实施例中的具体数值，可根据实际需求进行选择与设置，以实现对激光器输出光信号频率的调谐。

频谱整形模块2选取为可编程的波形整形器，其输入端与傅里叶域锁模扫频激光器的输出端相连接，傅里叶域锁模扫频激光器输出的激光通过光纤传输至可编程的波形整形器。本实施例中，波形整形器的最大工作波长范围为1527.4nm～1567.5nm，该波形整形器的工作波长范围可根据傅里叶域锁模扫频激光器的工作波长进行选取，即波形整形器的工作波长范围在傅里叶域锁模扫频激光器的波长扫描范围内；

进一步的，通过编写程序对波形整形器中波形的形状、带宽、周期、幅度、中心波长等工作参数进行设置，对傅里叶域锁模扫频激光器输出激光的光谱(图2a中所示激光的频域波形图)进行整形。图3a为经过频谱整形后激光的频域波形图，通过频谱整形，实现了对光信号频域波形的改变。由于傅里叶域锁模扫频激光器输出的激光波长随时间呈线性变化，通过波形整形器对激光频谱整形之后，激光的幅度随时间的变化曲线，即经过频域整形后光信号的时域波形图也发生了相同的改变，如图3b所示。通过波形整形器对扫频激光器输出的激光频域波形图的整形，不需要经过色散介质，即直接实现了光信号在时域上的映射；

进一步的，所述激光器输出激光频谱波形图的形状可通过设置频谱整形模块的工作参数进行改变，从而得到任意波形的产生；

进一步的，所述频谱整形模块不限于波形整形器，还可以为光栅，通过改变光栅的折射率、光栅的周期等参数对扫频激光进行频谱整形，满足可以对扫频激光的频谱进行整形即可，不影响本公开的实现。

光电探测器3，其输入端通过单模光纤与波形整形器的输出端相连接，本实施例中的光电探测器的带宽大于18ghz，响应度大于0.85a/w。经过波形整形器后的光信号通过光纤进入光电探测器，光信号在光电探测器中经过拍频转化为电信号。图4为波形整形器输出的光信号经过光电探测器后得到的波形图。图3b所示为通过频谱整形模块对扫频激光频域波形图整形而实现光信号在时域上映射后的时域波形图，其与图4所示的波形图具有相同的包络。通过波形整形器对傅里叶域锁模扫频激光器输出的激光频谱图的形状进行设计，继而经过光电探测器后可得到基于频域-时域映射产生的任意波形的微波信号。

进一步的，扫描激光器的波长扫描范围和扫频速率会影响扫频激光的光谱形状，频谱整形模块也能改变激光的频域波形图，所以通过对激光器的波长扫描范围、扫频速率或频谱整形模块的工作参数进行改变，以实现对光电探测器输出的电信号进行调谐。进一步的，所述光电探测器输出的电信号不限于微波信号，还可为其他电信号。

另外，本实施例中激光器输出的扫频激光的波长随时间线性变化时，由于扫频激光的频域波形图和时域波形图具有固定的线性比例关系，经过频谱整形后光信号的频域波形图和时域波形图变化相同，可根据需求设置频谱整形模块的工作参数，即对频域波形图进行整形，从而得到与整形后的光谱形状具有一定比例关系的时域波形图。

本公开中激光器输出的扫频激光的波长随时间也可以为非线性变化，由于经过频谱整形后的光信号的频域波形图和时域波形图变化不相同，可通过观测时域波形图的同时根据需求设置频谱整形模块的工作参数，亦可实现任意波形的产生。

本公开还提供了一种基于频域-时域映射的波形产生方法，包括以下步骤：

步骤s1，激光器输出波长随时间连续变化的扫频激光；

优选的，激光器为傅里叶域锁模扫频激光器，但不限于傅里叶域锁模扫频激光器，还可为分布反馈式激光器、分布式布拉格反射激光器或垂直腔面发射激光器，满足激光器输出波长随时间连续变化的扫频激光即可，不影响本公开的实现；

步骤s2，频谱整形模块对激光器输出的扫频激光进行频谱整形；

进一步的，在步骤s2中，调控频谱整形模块的工作参数，对扫频激光的频谱波形进行改变；由于扫频激光的特性，即波长为时间的连续函数，通过频谱整形模块对扫频激光频谱波形的改变，则频域整形后光信号的时域波形图也会发生改变，不需要经过色散介质，即实现了扫频激光在时域上的映射，降低了损耗和复杂性，且易于集成；

进一步的，所述激光器输出激光频谱波形图的特性可通过设置频谱整形模块的工作参数进行改变，从而得到任意波形的产生；

进一步的，所述频谱整形模块的工作波长范围在激光器的波长扫描范围内；

进一步的，所述频谱整形模块为可编程波形整形器，通过编程对可编程波形整形器中波形的形状、带宽、周期、幅度、中心波长等工作参数进行设置，以实现对扫频激光的频谱进行整形，频谱整形模块还可以为光栅，通过改变光栅的折射率、光栅的周期等参数实现对频谱的整形，满足可以对扫频激光进行频谱整形即可，不影响本公开的实现；

步骤s3，光电探测器将频谱整形后的光信号转化为电信号；

进一步的，频谱整形模块输出的光信号进入光电探测器后经过拍频可转化为电信号；所述电信号的频率和波形可通过对扫频激光器的波长扫描范围、扫频速率或频谱整形模块的工作参数的改变进行调谐；

进一步的，所述激光器、频谱整形模块、光电探测器之间通过光纤进行光信号的传输；优选的，所述光纤为标准单模光纤或多模光纤，也可以为其他种类的光纤，不影响本公开的实现；

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开一种基于频域-时域映射的波形产生系统有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行更改或替换。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。

综上所述，本公开一种基于频域-时域映射的波形产生系统及方法，通过利用激光器输出波长随时间连续变化的扫频激光，不需要经过色散介质，可通过频谱整形模块对激光的频谱进行整形直接实现时域上的映射，继而通过光电探测器可得到任意波形的电信号，具有低损耗、可重构性、产生任意波形、易于集成的特点，从而可以广泛应用于雷达、无线通信、星间链路及现代测量等诸多领域。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。