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CN107508127B - 一种带有幅度均衡效果的微波光子信号倍频方法及装置 - Google Patents

一种带有幅度均衡效果的微波光子信号倍频方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带有幅度均衡效果的微波光子信号倍频方法及装置，该方法是利用半导体激光器中的注入锁定现象和光‑光调制作用实现微波光子信号的倍频和幅度均衡；该方法所用的装置包括光源及调制装置、偏振控制器A、光耦合器A、光环形器、半导体激光器、可调光延时线、光带通滤波器、光耦合器B、偏振控制器B和光放大器。本发明的倍频器不仅具有注入锁定倍频功能，而且倍频微波光子信号的幅度均衡，同时光信号的工作波长可实现宽带可调谐，本发明提高了器件的利用率，结构简单，成本低廉，操作简单。

Description

一种带有幅度均衡效果的微波光子信号倍频方法及装置
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别是一种带有幅度均衡效果的微波光子信号倍频方法及装置。
背景技术
倍频器（frequency multiplier）是使输出信号频率等于输入信号频率整数倍的电路。输入频率为f1，则输出频率为f0=nf1，系数n为任意正整数，称倍频次数。倍频器用途广泛，如发射机采用倍频器后可使主振器振荡在较低频率，以提高频率稳定度；调频设备用倍频器来增大频率偏移；在相位键控通信机中，倍频器是载波恢复电路的一个重要组成单元。
注入锁定（Injection locking）是指一个简谐振荡被另一个频率相近的简谐振荡所扰动的频率效应。当第二个简谐振荡的频率与第一个足够接近，耦合足够大时，会完全占据第一个振荡，即第一个振荡跟随第二个振荡。在倍频器中，当主激光器的某一模式与从激光器的自由振荡模式频差不大时，该模式能有效注入到从激光器中，从激光器自由振荡模式受到抑制，其频率、相位跟随主激光器运转的现象。能发生注入锁定的频率范围称为注入锁定范围。当主激光器携带频率为f的RF信号、且其N阶边带落入到从激光器的注入锁定范围内，该光信号注入到从激光器，从激光器的频率、相位跟随N阶边带变化，表现为该边带被选择放大，即信号光经注入锁定后实现N倍频。
但是，依赖注入锁定手段实现微波光子信号的倍频方法存在一个普遍缺点，即低阶谐波分量的干扰，在时域中表现为N倍频信号的幅度不平坦。该缺点的存在，使得现有的注入锁定倍频器的倍频信号难以直接应用于实际中。
针对此种类型的问题，目前已有了较广泛的研究。
例如，在Optics Express,Vol.43, No. 2, pp. 850-859, 2009有一篇题目为“Peak equalization of rational-harmonic-mode-locking fiberized semiconductorlaser pulse via optical injection induced gain modulation”的论文。该论文公开了一种向锁模激光器中注入预失真脉冲串的方法以获得幅度均衡的有理数倍频锁模信号输出。这种方法中，锁模激光器本身能输出倍频微波光子信号，通注入锁定输出的信号光一样，该倍频信号的幅度受到低阶谐波分量的干扰导致信号幅度不平坦。通过向环形激光器注入额外的信号光，对倍频信号进行整形，使得最终输出的倍频信号幅度得到均衡。然而，该方法需要额外的激光器，且注入的预失真信号需要精确控制，增加了成本与复杂性。
在光学学报, Vol. 36, No. 3, 0306003, 2016上有一篇题目为“利用有源滤波器实现谐波锁模光脉冲的均衡”的文章。文中报道了将幅度不均衡的倍频锁模信号注入到有源环形滤波器进行二次滤波以实现幅度平坦的方法。有源环形滤波器中，半导体光放大器作为增益介质和光-光调制器件，调谐滤波器中的光延时线来改变自由光谱范围（FSR），特定频率间隔的光谱分量通过，其他分量被抑制，实现了倍频微波光子信号的幅度均衡。然而，此类方法需要用到额外的有源器件，未充分发掘器件的功能。
因此，现有的注入锁定倍频器在倍频微波光子信号时存在倍频信号的幅度不平坦，倍频信号难以直接应用的问题，并且现有的注入锁定倍频器的器件利用率低，成本较高，操作复杂。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种带有幅度均衡效果的微波光子信号倍频方法及装置。本发明的倍频器不仅具有注入锁定倍频功能，而且倍频微波光子信号的幅度均衡，同时光信号的工作波长可实现宽带可调谐，本发明提高了器件的利用率，结构简单，成本低廉，操作简单。
本发明的技术方案：一种带有幅度均衡效果的微波光子信号倍频方法，其特征在于：该方法是利用半导体激光器中的注入锁定现象和光-光调制作用实现微波光子信号的倍频和幅度均衡。
前述的一种带有幅度均衡效果的微波光子信号倍频方法中，所述注入锁定现象是通过设置激光器A的波长，使得其已调光信号的N阶边带落入波长为/>的半导体激光器的注入锁定区域，N阶边带被选择放大，实现了微波光子信号的注入锁定倍频现象。
前述的一种带有幅度均衡效果的微波光子信号倍频方法中，所述光-光调制作用是通过设置半导体激光器、光延时线和光滤波器构成有源环形滤波器，通过调节光延时线，使得频率间隔的光频率梳最大效率地通过该有源环形滤波器，实现了N倍频微波光子信号的幅度均衡。
前述的一种带有幅度均衡效果的微波光子信号倍频方法中，所述光滤波器的波长，利用半导体激光器中的注入锁定现象及光-光调制作用，实现微波光子信号的倍频和幅度均衡。
前述一种带有幅度均衡效果的微波光子信号倍频方法构建的装置，包括光源及调制装置，光源及调制装置经偏振控制器A与光耦合器A的输入端连接，光耦合器A的输出端与光环形器的端口一连接，光环形器的端口二与半导体激光器连接，光环形器的端口三经可调光延时线与光带通滤波器连接，光带通滤波器与光耦合器B的输入端连接，所述光耦合器B还包括输出端口和信号输出端口，光耦合器B输出端口与偏振控制器B连接，偏振控制器B与光放大器的输入端连接，光放大器的输出端与光耦合器A的输入端连接。
前述的装置中，所述光源及调制装置为间接调制型结构，包括激光器A，激光器A与调制器的光输入端连接，射频源A的输出端与调制器的射频输入端连接；所述激光器A为波长可调谐连续光激光器。
前述的装置中，所述调制器为电光调制器，该电光调制器为马赫-曾德尔调制器、相位调制器或电吸收调制器。
前述的装置中，所述光源及调制装置为直接调制型结构，包括激光器B和射频源B，射频源B的输出端与激光器B的射频输入端连接；所述激光器B为波长可调谐半导体直接调制激光器。
前述的装置中，所述半导体激光器为分布反馈激光器或法布里-珀罗（F-P）腔半导体激光器。
前述的装置中，所述光放大器为掺铒光纤放大器、半导体光放大器或光纤拉曼放大器。
断开偏振控制器B与耦合器A的连接，调节光源及调制模块中的激光器A（即主激光器）的波长，使得该模块输出调制信号的N阶边带落入波长为/>的半导体激光器（即从激光器）的注入锁定区域。经注入锁定后，从激光器处得到N次倍频微波光子信号，但会带有低次谐波分量。
连通偏振控制器B与耦合器A，调谐光带通滤波器的中心波长，仅使得波长为/>的光场通过滤波器并能在环形腔内形成振荡；此时，该环形腔等效于一个有源环形滤波器：光放大器为振荡光场提供增益；半导体激光器内发生由非线性效应引起的光-光调制作用，波长为/>的光场受到/>、/>两个光场的调制。通过调节可调光延时线，改变腔长，使得该环形腔对应的FSR改变，仅频率间隔Nf的光频率分量通过，而其他间隔pf （p=1,2,…, N-1）的分量受到抑制；最终，在耦合器B的信号输出端得到波长为/>的N倍频的幅度均衡微波光子信号。
与现有技术相比，通过设置的半导体激光器不仅可作为从激光器实现了注入锁定的N倍频，还可在环形腔内作为光-光调制器参与N倍频微波光子信号的幅度均衡，充分调用了器件功能，提高了器件的利用率，不仅结构简单，而且成本低廉；此外，通过设置光带通滤波器，该光带通滤波器为中心波长可调的光带通滤波器，该滤波器可决定最终倍频光信号的波长，因此光信号的工作波长可实现宽带可调谐。综上所述，本发明的倍频器不仅具有注入锁定倍频功能，而且倍频微波光子信号的幅度均衡，同时光信号的工作波长可实现宽带可调谐，本发明提高了器件的利用率，结构简单，成本低廉，操作简单。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例2的结构示意图；
图3为微波光子信号经注入锁定后实现N倍频的原理示意图。
附图中的标记为：1-光源及调制装置、1a-激光器A、1b-调制器、1c-射频源A、1d-激光器B、1e-射频源B、2-偏振控制器A、3-光耦合器A、4-光环形器、4a-端口一、4b-端口二、4c-端口三、5-分布反馈激光器、6-可调光延时线、7-光带通滤波器、8-光耦合器B、9-偏振控制器B、10-掺铒光纤放大器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1。一种带有幅度均衡效果的微波光子信号倍频方法及装置，如图1和图3所示，该方法是利用半导体激光器中的注入锁定现象和光-光调制作用实现微波光子信号的倍频和幅度均衡。
所述注入锁定现象是通过设置激光器A的波长，使得其已调光信号的N阶边带落入波长为/>的半导体激光器的注入锁定区域，N阶边带被选择放大，实现了微波光子信号的注入锁定倍频现象；所述光-光调制作用是通过设置半导体激光器、光延时线和光滤波器构成有源环形滤波器，通过调节光延时线，使得频率间隔的光频率梳最大效率地通过该有源环形滤波器，实现了N倍频微波光子信号的幅度均衡；所述光滤波器的波长/>，利用半导体激光器中的注入锁定现象及光-光调制作用，实现微波光子信号的倍频和幅度均衡。
上述带有幅度均衡效果的微波光子信号倍频方法构建的装置，：包括光源及调制装置1，光源及调制装置1经偏振控制器A2与光耦合器A3的输入端3a连接，光耦合器A3的输出端与光环形器4的端口一4a连接，光环形器4的端口二4b与半导体激光器5连接，光环形器4的端口三4c经可调光延时线6与光带通滤波器7连接，光带通滤波器7与光耦合器B8的输入端连接，所述光耦合器B8还包括输出端口8a和信号输出端口8b，光耦合器B8输出端口8a与偏振控制器B9连接，偏振控制器B9与光放大器10的输入端连接，光放大器10的输出端与光耦合器A3的输入端3b连接。
所述光源及调制装置1为间接调制型结构，包括激光器A1a，激光器A1a与调制器1b的光输入端连接，射频源A1c的输出端与调制器1b的射频输入端连接；所述激光器A1a为波长可调谐连续光激光器；所述半导体激光器5为分布反馈激光器或法布里-珀罗F-P腔半导体激光器；所述光放大器10为掺铒光纤放大器、半导体光放大器或光纤拉曼放大器。
所述调制器1b为电光调制器，该电光调制器为马赫-曾德尔调制器、相位调制器或电吸收调制器。
工作原理：首先，断开偏振控制器B9与耦合器A3。激光器A1a产生波长为的光进入调制器1b的输入端，该光场被射频源1c发出的频率为f的RF信号调制，偏振控制器A2调节波长为/>的光场的偏振态，经光耦合器A3、光环形器4后注入到波长为/>的分布反馈激光器5中；调节激光器A1a的波长/>，使得其N阶边带落入到分布反馈激光器5的注入锁定范围，光环形器4的端口三4c处输出包络频率为Nf的微波光子信号；此时受到其他光边带的影响，包络信号的电谱中有频率为pf （p=1,2,…,N-1）的低阶谐波分量的干扰，包络幅度不平坦，随后，连接偏振控制器B9与耦合器A3，并调谐光带通滤波器7的中心波长为/>且/>。此时，仅波长为/>的光场通过光带通滤波器7、反馈注入分布反馈激光器5中并在环形腔内形成振荡；该环形腔等效于一个有源环形滤波器：光放大器为振荡光场提供增益；分布反馈激光器5为光-光调制器件，波长为/>的光场受到/>、/>两个光场的调制；可调光延时线6调节环形腔的腔长；光带通滤波器7决定输出光的工作波长为/>；光耦合器B8输出最终光场；偏振控制器B9调节波长为/>的光场的偏振态。适当调节可调光延时线6，改变腔长，使得该环形腔对应的FSR改变，仅频率间隔Nf的光频率分量通过，而其他间隔pf （p=1,2,…,N-1）的光频率分量受到抑制。最终，在耦合器B8的信号输出端得到波长为/>的N倍频的幅度均衡微波光子信号。
实施例2。一种带有幅度均衡效果的微波光子信号倍频方法及装置，如图2和图3所示，该方法是利用半导体激光器中的注入锁定现象和光-光调制作用实现微波光子信号的倍频和幅度均衡。
所述注入锁定现象是通过设置激光器A的波长，使得其已调光信号的N阶边带落入波长为/>的半导体激光器的注入锁定区域，N阶边带被选择放大，实现了微波光子信号的注入锁定倍频现象；所述光-光调制作用是通过设置半导体激光器、光延时线和光滤波器构成有源环形滤波器，通过调节光延时线，使得频率间隔的光频率梳最大效率地通过该有源环形滤波器，实现了N倍频微波光子信号的幅度均衡；所述光滤波器的波长/>，利用半导体激光器中的注入锁定现象及光-光调制作用，实现微波光子信号的倍频和幅度均衡。
上述带有幅度均衡效果的微波光子信号倍频方法构建的装置，：包括光源及调制装置1，光源及调制装置1经偏振控制器A2与光耦合器A3的输入端3a连接，光耦合器A3的输出端与光环形器4的端口一4a连接，光环形器4的端口二4b与半导体激光器5连接，光环形器4的端口三4c经可调光延时线6与光带通滤波器7连接，光带通滤波器7与光耦合器B8的输入端连接，所述光耦合器B8还包括输出端口8a和信号输出端口8b，光耦合器B8输出端口8a与偏振控制器B9连接，偏振控制器B9与光放大器10的输入端连接，光放大器10的输出端与光耦合器A3的输入端3b连接；所述半导体激光器5为分布反馈激光器或法布里-珀罗F-P腔半导体激光器；所述光放大器10为掺铒光纤放大器、半导体光放大器或光纤拉曼放大器。
所述光源及调制装置1为直接调制型结构，包括激光器B1d和射频源B1e，射频源B1e的输出端与激光器B1d的射频输入端连接；所述激光器B1d为波长可调谐半导体直接调制激光器。
工作原理：激光器B1d产生波长为的光，该光场被射频源1c发出的频率为f的RF信号调制。半导体直接调制激光器1d的输出端与偏振控制器A2的一端连接。其余同实施例1。

Claims (5)

1.一种带有幅度均衡效果的微波光子信号倍频方法，其特征在于：该方法是利用半导体激光器中的注入锁定现象和光-光调制作用实现微波光子信号的倍频和幅度均衡；所述注入锁定现象是通过设置激光器A的波长λ 1，使得其已调光信号的N阶边带落入波长λ 2为的半导体激光器的注入锁定区域，N阶边带被选择放大，实现了微波光子信号的注入锁定倍频现象；所述光-光调制作用是通过设置半导体激光器、光延时线和光滤波器构成有源环形滤波器，通过调节光延时线，使得频率间隔的光频率梳最大效率地通过该有源环形滤波器，实现了N倍频微波光子信号的幅度均衡；所述光滤波器的波长λ 3≠λ 1≠λ 2，利用半导体激光器中的注入锁定现象及光-光调制作用，实现微波光子信号的倍频和幅度均衡。
2.按照权利要求1所述一种带有幅度均衡效果的微波光子信号倍频方法构建的装置，其特征在于：包括光源及调制装置（1），光源及调制装置（1）经偏振控制器A（2）与光耦合器A（3）的第一输入端（3a）连接，光耦合器A（3）的输出端与光环形器（4）的端口一（4a）连接，光环形器（4）的端口二（4b）与半导体激光器（5）连接，光环形器（4）的端口三（4c）经可调光延时线（6）与光带通滤波器（7）连接，光带通滤波器（7）与光耦合器B（8）的输入端连接，所述光耦合器B（8）还包括输出端口（8a）和信号输出端口（8b），光耦合器B（8）输出端口（8a）与偏振控制器B（9）连接，偏振控制器B（9）与光放大器（10）的输入端连接，光放大器（10）的输出端与光耦合器A（3）的第二输入端（3b）连接；所述半导体激光器（5）为分布反馈激光器或法布里-珀罗（F-P）腔半导体激光器；所述光放大器（10）为掺铒光纤放大器、半导体光放大器或光纤拉曼放大器。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述光源及调制装置（1）为间接调制型结构，包括激光器A（1a），激光器A（1a）与调制器（1b）的光输入端连接，射频源A（1c）的输出端与调制器（1b）的射频输入端连接；所述激光器A（1a）为波长可调谐连续光激光器。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述调制器（1b）为电光调制器，该电光调制器为马赫-曾德尔调制器、相位调制器或电吸收调制器。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述光源及调制装置（1）为直接调制型结构，包括激光器B（1d）和射频源B（1e），射频源B（1e）的输出端与激光器B（1d）的射频输入端连接；所述激光器B（1d）为波长可调谐半导体直接调制激光器。
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