一种基于光频梳和频谱整形的任意波形发生装置及方法与流程

本申请属于微波光子信号生成领域，具体涉及一种基于光频梳和频谱整形的任意波形发生装置及方法。

背景技术：

目前半导体激光器、光纤光学和微波天线、微波单片集成电路等光学与微波相结合的技术正在高速发展，产生了微波光子学这种结合了微波和光纤通信的交叉学科，而微波光子方法中的任意波形信号发生方法，正是基于这一学科研究，生成具有更高频率和个更高带宽的波形信号，能有效避免其在电域内合成时受限于电子器件的采样率而产生较低频率、较低带宽的波形信号。

任意波形生成技术的研究主要集中在频域整形和时域调控。频域内生成是对每一根谱线进行整形，包括直接调制法、外调制法、傅里叶合成法、光学外差法、谐波法等，时域内生成是对输入信号的幅度和相位进行直接控制，包括直接合成和直接空时映射法等。

b.dai，j.li等人在其公开发表的文章中分别利用ddmzm、dp-mzm、sdmzm等外调制技术生成了三角波、锯齿波等波形。贵州大学研究人员利用传统双环oeo结构生成了重复频率为5ghz的三角波信号。这是由于光电震荡器是通过光电探测器构成的一个正反馈环路，从而将连续光变为稳定的、频谱干净的微波信号。外调制法利用电光调制期间直接生成，链路构成简单，方法容易实现，但是随着波形要求的增多，器件参数设置尤为复杂，同时由于电光调制器链路构成以后，倍频因子不可调，导致任意波形生成的灵活度不够，并且生成波形的质量与器件、结构的的质量强相关，难以确保效果。

傅里叶合成法主要是依托傅里叶变换，理论依据是周期波形的傅里叶级数展开原理，首先以一定的方式将输入信号各谱线分开，然后再用电光调制器对各条谱线的幅度、相位进行操控，最终能够精确生成所需要的波形，包括傅里叶直接合成和频率-时间映射两种方式。以美国普度大学公开于andrewm.weiner,ultrafastopticalpulseshaping:atutorialreview[j].opticscommunication,2011,284,3669-3692.pulseshaping:atutorialreview[j].opticscommunication,2011,284,3669-3692.中的4f空间光学系统为代表。但是这种技术取决于光学频率梳的谱线条数，便于波形设计，但是这种技术输出信号的波形取决于色散介质的频响特性，对于色散介质的选取和使用有非常高的要求，因此应用比较多的器件是光纤布拉格光栅、液晶调制器和波导光栅，并且要求输入信号在时域宽度很窄。

综上，基于外调制技术生成波形信号技术生成的信号波形种类较少，灵活度不够，而傅里叶合成法中使用的非线性方法生成光频梳的技术生质量不佳，平坦程度较低。

技术实现要素：

本申请提供了一种基于光频梳和频谱整形的任意波形发生装置，其特征在于，该装置包括以下组成部件：

①平坦光频梳源：根据目标波形要求，生成需要的功率、线宽和线数平坦光频梳；

②频谱整形器：主要用来对每一根谱线进行分离，然后控制每一根谱线的幅度和相位；

③光电探测器：主要是用来在电域内生成与整形后的光谱形状一致的微波任意波形。

进一步地，所述的平坦光频梳源采用单个双平行马赫曾德尔调制器(dp-mzm)，对光学频率梳的每一根谱线进行整形，首先进行谱线分离，然后进行幅度和相位控制。

进一步地，所述的谱线分离采用布拉格光栅(fbg)实现，相位控制采用光纤拉伸器(fs)，幅度控制采用偏振控制器(pc)实现。

进一步地，所述的dp-mzm中，每个子具有独立的射频信号输入端口和直流偏置输入端口。

进一步地，所述的dp-mzm中采用射频信号为正弦信号，激光源为cw。

进一步地，所述的fbg为均匀周期正弦光栅。

进一步地，所述的fs是通过在压电陶瓷(pzt)上缠绕光纤制成的。

进一步地，所述的pc的偏振态具有椭圆态和方位角两个自由度。

本申请还提供了一种基于光频梳和频谱整形的任意波形发生方法，该方法包括以下步骤：

①基于双平行马赫曾德尔调制器(dp-mzm)生成5线平坦光频梳；

②计算和设置光纤布拉格光栅参数，得到光波经过布拉格光栅(fbg)后反射和透射引起的相位变化；

③通过频谱整形器对幅度进行控制；

④计算光纤拉伸器fs的参数；

⑤根据所需波形的傅里叶变换设置幅度，相位调控参数，生成所需要的波形信号。

附图说明

图1：一种基于光频梳和频谱整形的任意波形发生装置的基本结构图；

图2：基于dp-mzm频谱整形的任意波形生成系统结构图；

图3：光纤布拉格光栅fbg结构图；

图4：光纤拉伸器fs结构图；

图5：dp-mzm生成5线平坦光频梳示意图；

图6：一种基于光频梳和频谱整形的任意波形发生方法的仿真实例图，其中图6-1：矩形波；图6-2：三角波；图6-3：锯齿波。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分，而不是发明的全部。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1一种基于光频梳和频谱整形的任意波形发生装置及方法及仿真检测

一种基于光频梳和频谱整形的任意波形发生装置，其基本结构如图1所示。

一种基于光频梳和频谱整形的任意波形发生方法实验过程及结果：

第一步，基于dp-mzm生成5线平坦光频梳

双平行马赫-曾德尔调制器(dualparallelmach-zehndermodulator，dp-mzm)系统结构图如图2所示。dp-mzm是将两个mzm分别嵌入一个mzm的两臂，由三个mzm集合构成，在mzm3即主调制器的第一个y分支处，mzm1和mzm2的输入信号表达式如下。

两个mzm调制器mzm1和mzm2的输出光信号表达式可以表达如下。

其中，φi是mzm1和mzm2直流电压引起的相位变化，i＝1,2,3分别表示mzm1、mzm2、mzm3。dp-mzm调制器的最终输出信号表达式如下。

其中，φ1、φ2、φ3分别为mzm1、mzm2、mzm3的相位差。

由表达式可以看到，dp-mzm调制器的调制变量虽然比较多，但是影响输出的关键因素只与调制器射频信号的幅度、相位和直流信号有关，为了得到不同的输出信号，只需要改变射频信号和直流信号，因此，dp-mzm可广泛应用于多种信号格式调制。

使mzm1工作在最大光功点，直流偏压vdc1设置为0，外加rf1射频驱动信号设置为2.05v，频率为10ghz。mzm2再最小光功点工作，设置vdc2为1.75v，外加rf2驱动信号幅值取0.756v，频率设置为10ghz。生成五线平坦光频梳，如图5所示。

第二步，计算和设置光纤布拉格光栅参数。

光纤布拉格光栅如图3所示，是通过对光敏光栅进行紫外线照射，周期性地改变光纤纤芯折射率分布而形成的全光纤器件，从而实现光学频率梳对应谱线的反射，采用基于布拉格光栅的方法，具有耦合损耗小，易于集成的优点；l表示fbg的长度，λ表示fbg的周期，以最常见的均匀周期正弦型fbg为例进行分析。fbg纤芯折射率n(z)可以表示如下：

其中，n0表示fbg纤芯平均折射率，n1表示正弦折射率调制的深度。耦合方程可以表示如下。

其中，v是fbg的结构常数，β1和β2分别表示正向和反向传输模式下的传播常数。

当δβ＝0时，相位匹配，可得耦合方程的解。

此时反射率最大，rmax可以表示如下。

当δβ≠0时，相位不匹配，则由边界条件可得耦合方程的解。

反射率r可以表示为：

反射系数ρ可表示为：

其中，ξ⁺是自耦合系数，λ为输入信号的波长，λb＝2n0λ为光栅的布拉格波长。

因此，透过长度为l的fbg的光波发生相移φl可以表示如下：

通过以上计算，可以得到光波经过fbg后反射和透射引起的相位变化。

为保证每个布拉格光栅能够滤出一条谱线，将五个光纤布拉格光栅的中心反射波长分别设置为：1550.91nm、1551.72nm、1552.54nm、1553.33nm、1554.13nm，反射谱的宽度分别设置为0.20nm。反射波长的间隔基本为0.8nm。

第三步通过频谱整形器对幅度进行控制

幅度控制通过偏振控制器(pc)来实现的同时，经过fbg滤波的时候，也可以进行幅度控制。由上一步分析可知，当δβ＝0时，反射率最大rmax，可以表示为：

rmax＝tanh²(kl)，此时ξ⁺＝0，峰值波长可以表示为：

由于因此，λmax≈λb＝2n0λ。因此，通过fbg的滤波特性，就可以实现对光波的幅度控制。

第四步，计算光纤拉伸器fs的参数

在基于pzt制作的fs结构如图4所示。

图中，l表示缠绕在pzt上的光纤长度，δl是指pzt加电后光纤长度的变化量，φ表示相位，δφ表示经过fs之后的相位变化，真空中的波长用λ0表示，r1和r2分别表示pzt的内径和外径。

通过fs之后的相位变化可以表示如下：

其中，ξ是光纤的应变系数，νf和ν分别是光纤和pzt材料的泊松比，p12和p11是光纤的弹光系数。

在fs结构图中，将电压u(t)加在内外半径r1和r2之间，在筒内，可以认为径向场强e为均匀分布。有如下表达式：

其中，ge和de是常数，与光纤和pzt材质有关,输入信号相位变化δφ与缠绕光纤长度变化δl成正比，缠绕光纤长度变化δl与电压u(t)成正比，因此，通过改变加载的电压，就可以实现对相位的控制。

第五步根据所需波形的傅里叶变换设置幅度，相位调控参数。本发明根据三种波形的仿真实验，验证系统可行性。

根据傅里叶变换一般的矩形波、三角型波和锯齿波等特定波形的表达式如下。

矩形波：

三角形波：

锯齿形：

其中，a和ω分别是输入信号的幅度和角频率，为常数，n为傅里叶系数。在理想状态下，可以将周期波形在频域中等同为一系列离散的谱线.

第六步，仿真实验。

根据光纤布拉格光栅的工作原理，只有在其发射宽带之内的谱线频率，才能够进行谱线分离，五个光纤布拉格光栅的反射波长区间是(1545nm，1565nm)，采用的5条平坦光频梳的光频梳波长都在反射波长区间之内。调整光纤拉伸器，使的各谱线的相位为0。时间窗口100ps。vpi(virtualphotonicsinc)transmissionmaker光学仿真软件生成5线平坦光梳图，再用matlab仿真软件生成上述集中波形。仿真结果图如图6-1、6-2、6-3所示。