一种全光可重构微波信号产生方法及装置

1.本发明涉及微波光子技术领域，具体涉及一种全光可重构微波信号产生方法。


背景技术：

2.微波信号产生在通信、雷达、航空、航天和电子对抗等领域具有广泛的应用，新一代军事和民事应用，对其需求愈发迫切。对于通信系统来说，微波信号工作频率越高，频谱资源越丰富，信息容量更大，允许的数据速率越高。对于雷达系统来说，分辨率随着微波信号带宽增加而提高，更高的微波频段以及灵活的雷达信号波形也有助于获得更高的传输质量。
3.当前基于电子技术实现微波信号产生方法主要有两种：一种是模拟法采用锯齿电压驱动压控振荡器，但存在稳定度差，谐波分量大等问题，需要复杂的锁相环；另一种是数字法包括直接数字合成法和波形存储直接法，但产生信号带宽和中心频率都较低，相位噪声较差，难以满足高性能微波系统的需求。
4.相比于电子技术，微波光子信号产生技术具有大带宽和电磁干扰等优势。现有的微波信号产生方法有五类。一是频率映射法，利用空间光调制器或光谱整形器实现频率映射，但系统复杂，产生的时宽带宽积较小；二是微波光子调相法，对正交偏振光波长引入相位调制，产生不同波形，但性能受调制器影响，成本高且带宽小；三是微波光子倍频法，将电域产生的调频信号通过调制器调制到光载波上，利用其非线性效应，对高阶边带进行拍频，但性能受调制器和和基频信号源质量影响；四是光外差法，将两个调频光脉冲信号进行拍频或通过扫频半导体激光器和一固定激光器拍频，但信号频谱纯度差。五是通过在光注入半导体激光器系统中引入外调制器来产生微波信号，但系统需要额外引入任意波形发生器控制信号，且性能受调制器影响，成本较高。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种全光可重构微波信号产生方法，无需外接调制器和任意波形发生器即可获得宽带微波信号，而且可以实现在中心频率、时宽、带宽，波形形状等参数上的可重构。
6.一种全光可重构微波信号产生方法，将波长不同的复数个主激光器的输出光信号耦合后注入一个从激光器，并令从激光器处于单周期振荡状态，然后滤出从激光器输出光信号中的注入再生信号和一阶红移边带并进行光电转换，即得到可重构的微波信号。
7.优选地，通过调节以下参数中的至少一个实现所述微波信号的重构：主激光器数量、主激光器间的频率间隔、主激光器的注入强度、主激光器与从激光器的失谐频率。
8.基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：
9.一种全光可重构微波信号产生装置，包括：
10.光源，其包括波长不同的复数个主激光器；
11.光耦合器，用于将所述复数个主激光器的输出光信号耦合；
12.光注入单元，用于将光耦合器输出的耦合光信号注入一个从激光器，并令从激光器处于单周期振荡状态；
13.光滤波器，用于滤出从激光器输出光信号中的注入再生信号和一阶红移边带；
14.光电探测器，用于对光滤波器的输出信号进行光电转换，即得到可重构的微波信号。
15.优选地，通过调节以下参数中的至少一个实现所述微波信号的重构：主激光器数量、主激光器间的频率间隔、主激光器的注入强度、主激光器与从激光器的失谐频率。
16.相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
17.1)本发明采用全光技术实现可重构微波信号产生，相比传统的电域方案具有大带宽和抗电磁干扰等优势；相比现有的微波光子方案，本发明无需外接调制器和任意波形发生器，降低了系统对高速器件的要求，简化了结构且降低了成本；
18.2)本发明利用光注入半导体激光器，通过设计不同波长主激光器间的频率间隔、注入强度、主从激光器间的失谐频率以及主激光器数量等参数，可以产生中心频率、时宽、带宽和波形形状等参数的可重构微波信号，具有更高的灵活性。
附图说明
19.图1为本发明全光可重构微波信号产生装置一个具体实施例的结构原理示意图；
20.图2为具体实施例中的光注入前、后以及光滤波器的输出光谱；
21.图3(a)～图3(c)为本发明全光可重构微波信号产生装置在几种不同参数条件下所产生的微波信号时频图。
具体实施方式
22.针对现有技术不足，本发明的解决思路是利用光注入半导体激光器实现全光可重构微波信号的生成，一方面，相比传统电域微波信号生成方案具有大带宽和抗电磁干扰等优势，另一方面，相比现有光域解决方案具有结构简单、实现成本低的优点。
23.具体而言，本发明所提出的技术方案如下：
24.一种全光可重构微波信号产生方法，将波长不同的复数个主激光器的输出光信号耦合后注入一个从激光器，并令从激光器处于单周期振荡状态，然后滤出从激光器输出光信号中的注入再生信号和一阶红移边带并进行光电转换，即得到可重构的微波信号。
25.一种全光可重构微波信号产生装置，包括：
26.光源，其包括波长不同的复数个主激光器；
27.光耦合器，用于将所述复数个主激光器的输出光信号耦合；
28.光注入单元，用于将光耦合器输出的耦合光信号注入一个从激光器，并令从激光器处于单周期振荡状态；
29.光滤波器，用于滤出从激光器输出光信号中的注入再生信号和一阶红移边带；
30.光电探测器，用于对光滤波器的输出信号进行光电转换，即得到可重构的微波信号。
31.优选地，通过调节以下参数中的至少一个实现所述微波信号的重构：主激光器数量、主激光器间的频率间隔、主激光器的注入强度、主激光器与从激光器的失谐频率。
32.为了便于公众理解，下面通过具体实施例并结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
33.如图1所示，本实施例的全光可重构微波信号产生装置包括：光源(包括n个不同波长的主激光器)、光耦合器、光注入单元(包括光环形器和从激光器)、光滤波器、光电探测器；其中，n为正整数且n≥2。如图1所示，n个不同波长的主激光器的输出光信号经光耦合器耦合在一起，通过光环形器1端口注入到从激光器中，光环形器3端口的输出光信号依次经过光滤波器，光电探测器。
34.n个不同波长的主激光器经光耦合器耦在一起，n为正整数且n≥2，对应频率分别为f1、f2…fn
，其中任意两个主激光器的频率间隔定义为δf
kn
＝f
k-fn，表示第k个主激光器与第n个主激光器间的频率间隔。然后耦合光信号经光环形器注入到从激光器中，从激光器是自由谐振频率为fs的半导体激光器，受到外界扰动会展现出丰富的非线性动力学状态。根据系统结构可以建立从激光器的耦合速率方程：
[0035][0036][0037][0038]
其中ar和ai为从激光器腔内激光电场复振幅归一化实部和虚部，是归一化的载流子密度，γn为差分载流子驰豫速率，γc为腔体衰变速率，γs为自发辐射速率，γ
p
为非线性载流子驰豫速率，b为线宽增强因子，为归一化偏置电流，ξn(n＝1,2,
…
n)是无量纲的注入强度参数，表示第n个主激光器的光信号幅度对自由谐振从激光器的光场幅度的归一化，f
in
＝f
n-fs(n＝1,2,
…
n)表示第n个主激光器与从激光器之间的失谐频率。
[0039]
通过调节注入参数使从激光器始终保持在单周期振荡状态，此时从激光器输出光谱中包括注入再生信号fm和红移信号f
s’，其中注入再生信号fm定义为主激光器间所有的耦合信号即注入光环形器1端口的信号，红移信号f
s’是从激光器由于光注入条件下腔内增益介质折射率发射变化，导致腔谐振波长从fs红移到f
s’。由于主激光器间耦合发生光混频现象产生周期性信号，使得注入强度也随之周期性地变化，对应产生的p1频率也周期性变化，从光谱上表现为从激光器红移边带展宽，如图1所示。
[0040]
接着为了最大限度的抑制其他边带提高频谱纯度，如图1所示，使用光滤波器滤出从激光器输出信号中的注入再生信号和一阶红移边带，再经过光电探测器拍频，即可得到可重构的微波信号。
[0041]
通过调节以下参数中的至少一个实现所述微波信号的重构：主激光器数量、主激光器间的频率间隔、主激光器的注入强度、主激光器与从激光器的失谐频率。例如，主激光器注入强度的改变可以实现微波信号带宽以及中心频率的可重构，主从激光器失谐频率的改变可以实现中心频率和带宽的可重构，主激光器之间的波长间距改变可以实现时宽的可重构，合理设计主激光器个数以及注入参数可以实现微波信号波形形状的可重构，
……
。
[0042]
为了说明本发明技术方案的有效性，对本发明进行了实验和仿真。实验中我们首
先选取n＝2，实验所用器件参数如下：主激光器1(cobrite tunable laser)输出光波长1542.045nm，输出功率为12dbm；主激光器2(teraxion,ps-nll-1550.12-040-000-a1)输出光波波长为1542.0442nm，输出功率为6dbm；从激光器为dfb激光器(actech ld15dm)，自由谐振波长为1542.056nm，阈值电流5.79ma，实验中偏置电流为57ma；光滤波器所选型号为yenista xtm-50，光电探测器(u2t xpdv2120ra)的工作带宽为40ghz；实时示波器(tektronix dsa72004b)的采样率为50gsa/s，光谱仪(yokogawa aq6370d)的分辨率为0.02nm。
[0043]
图2所示为用光谱仪采集到的主激光器耦合信号光谱、从激光器自由谐振频率光谱，从激光器光注入输出以及光滤波后的光谱，其中主激光器耦合信号光谱应该为一系列的等间距谱线，但受光谱仪分辨率影响并未能展现出来。图3(a)所示为用实时示波器采集的所产生的微波信号，再通过短时傅里叶变换处理得到的时频图。可以看出产生了11.1-17.8ghz的宽带调频连续波信号，带宽6.7ghz，中心频率14.45ghz，且时宽为9.84ns，与主激光器1主激光器2之间的频率间隔刚好为倒数关系。改变主激光器1功率为9dbm，主激光器2功率为8dbm，并调节主激光器1和主激光器2之间频率间隔为153mhz，结果如图3(b)所示，此时产生了13.25-18.75ghz的宽带微波信号，中心频率为16ghz，带宽5.5ghz，时宽为6.5ns，实现了中心频率，带宽和时宽的可重构。
[0044]
在仿真中，扩展主激光器数量n＝4，主激光器间频率间隔分别为200mhz，600mhz和1000mhz，主激光器1与从激光器失谐频率为5ghz，主激光器2与从激光器失谐频率5.2ghz，主激光器3与从激光器失谐频率为5.6ghz，主激光器4与从激光器失谐频率为6ghz，控制主激光器1注入强度ξ1，主激光器2注入强度ξ2，主激光器3注入强度ξ3，主激光器4注入强度ξ4的大小比例为16:1:1/9:1/25，在仿真中选取ξ1＝0.15，产生了19-21ghz的三角调频连续波，时宽5ns，如图3(c)所示，实现了微波信号波形形状的可重构。
[0045]
根据以上实验可知，本发明所提出的全光可重构微波信号产生装置具有可重构特性。