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【发明授权】一种高功率宽带超平坦微波频率梳的产生装置及其方法_南京邮电大学_201810840844.5 

申请/专利权人:南京邮电大学

申请日:2018-07-27

公开(公告)日:2020-10-02

公开(公告)号:CN108988105B

主分类号:H01S1/02(20060101)

分类号:H01S1/02(20060101)

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2020.10.02#授权;2019.01.04#实质审查的生效;2018.12.11#公开

摘要:本发明公开了一种高功率宽带超平坦微波频率梳的产生装置及其方法,产生装置包括可调谐激光源、光学耦合器、光电探测器、射频频谱分析仪、射频信号源、级联的第一马赫增德尔调制器及第二马赫增德尔调制器、带通滤波器和光放大器,所述射频信号源为级联的第一马赫增德尔调制器及第二马赫增德尔调制器提供驱动电压。本发明具有频带范围宽、功率水平高、平坦度好等优点,产生的微波频率梳具有良好的频谱特性,在频谱带宽和平坦度上兼具优势,可以在高速无线通信以及卫星转发器系统中得到重要的应用。本发明基于级联MZM调制器的光学回路,只需改变射频驱动信号RF即可得到不同间距的微波频率梳,结构非常简单。

主权项:1.一种高功率宽带超平坦微波频率梳的产生装置,其特征在于:包括可调谐激光源(1)、光学耦合器(2)、光电探测器(3)、与光电探测器(3)输出端相连接的射频频谱分析仪(4)、射频信号源(5)、级联的第一马赫增德尔调制器(6)及第二马赫增德尔调制器(7)、带通滤波器(8)和光放大器(9);可调谐激光源(1)作为种子光源,注入到由光学耦合器(2)、射频信号源(5)、级联的第一马赫增德尔调制器(6)及第二马赫增德尔调制器(7)、带通滤波器(8)和光放大器(9)组成的光学回路中,产生的光梳由光电探测器(3)拍频,由所述射频频谱分析仪(4)观察得到的微波频率梳;所述射频信号源(5)为级联的第一马赫增德尔调制器(6)及第二马赫增德尔调制器(7)提供驱动电压;所述射频信号源(5)的频率决定宽带超平坦微波频率梳的频率间隔;所述射频信号源(5)控制所述第一马赫增德尔调制器(6)及第二马赫增德尔调制器(7)的偏置电压和第一马赫增德尔调制器(6)及第二马赫增德尔调制器(7)之间的相位差,使其产生平坦的梳状谱线;所述带通滤波器(8)通带宽度用于决定产生的光梳的梳线数;所述可调谐激光源(1)为激光二极管;所述带通滤波器(8)为宽带可调谐带通滤波器;将所述可调谐激光源(1)作为种子光源通过光学耦合器(2)注入到级联的第一马赫增德尔调制器(6)及第二马赫增德尔调制器(7)中,用于产生频率间隔等于2倍射频信号频率的光梳;通过所述带通滤波器(8)降低所述光放大器(9)中的ASE噪声;所述光放大器(9)用来补偿级联的第一马赫增德尔调制器(6)及第二马赫增德尔调制器(7)所吸收光信号的损耗,并将光梳功率放大至种子光源水平;将经过所述光放大器(9)的光梳与可调谐激光源(1)耦合,作为回路下一次的输入,此回路循环多次达到稳态后,即可获得频率间隔等于2倍射频信号频率光梳,将光梳注入到光电探测器中拍频,即可获得高功率、宽带宽、超平坦的稳定微波频率梳;所述第一马赫增德尔调制器(6)及第二马赫增德尔调制器(7)均工作在最小偏置点;所以它们的输出仅包含偶数阶边带,但由于所述第一马赫增德尔调制器(6)及第二马赫增德尔调制器(7)被驱动的射频信号相位差相差-90°,故经过级联马赫增德尔调制器,两者产生的载波、二阶边带被抵消,高于4阶的边带幅度小。

全文数据:一种高功率宽带超平坦微波频率梳的产生装置及其方法技术领域[0001]本发明涉及一种高功率宽带超平坦微波频率梳的产生装置及其方法,属于微波频率梳的光学产生技术领域。背景技术[0002]从信号产生的角度来说,优质的微波信号源是一切微波领域应用的基础。所以高纯度、低相位噪声和可调谐的微波信号的产生技术成为目前研宄热点。相对于单频微波源,微波频率梳MFC,MicrowaveFrequencyComb,由一系列频率间隔相等的离散微波信号构成,可以在一个频段内同时提供多个不同频率的微波信号)具有谱线数目多、频率范围宽、谱线间距精密度高等优点,在信道化光发射机、接收器和通信卫星转发器系统等方面有着广泛的应用。[0003]现有的微波频率梳获取方案可以分为电学和光学两种。但是随着人们的要求日益提高:要求微波频率梳频率间隔可调,带宽宽,超平坦。导致电子电路的设计和加工更加复杂,从而导致了昂贵的花费。另一方面,光生微波方法能够有效地克服“电子瓶颈”,产生的光生微波信号具有大带宽、抗电磁干扰,低损耗和宽可调范围等优点,所以光生微波技术受到越来越广泛的关注。目前主要的方法有:利用光电0E0环微波动态锁定激光器产生的光学频率梳经光电探测器PD拍频得到微波频率梳;利用光纤的中的非线性效应产生光学频率梳,经PD拍频后获得低功率的微波频率梳;基于光纤布里渊散射SBS和四波混频FWM均衡效应产生微波频率梳;利用单个马赫增德尔或者多个马赫增德尔串联或者级联的方式,产生光学频率梳,再经过PD拍频获得微波频率梳。然而在已有的微波频率梳方案中,产生的微波频率梳的频谱带宽窄、频率分量较少、频谱平坦度较低,功率较小,这些问题有待解决。发明内容[0004]针对现有技术存在的不足,本发明目的是提供一种高功率宽带超平坦微波频率梳的产生装置及其方法,从而产生的微波频率梳功率高、频谱带宽宽、频谱平坦。[0005]为了实现上述目的,本发明是通过如下的技术方案来实现:[0006]本发明的包括可调谐激光源、光学耦合器、光电探测器、与光电探测器输出端相连接的射频频谱分析仪、射频信号源、级联的第一马赫增德尔调制器及第二马赫增德尔调制器、带通滤波器和光放大器;可调谐激光源作为种子光源,注入到由光学耦合器、射频信号源、级联的第一马赫增德尔调制器及第二马赫增德尔调制器、带通滤波器和光放大器组成的光学回路中,产生的光梳由光电探测器拍频,由所述射频频谱分析仪观察得到微波梳;射频信号源为级联的第一马赫增德尔调制器及第二马赫增德尔调制器提供驱动电压。[0007]上述射频信号源的频率决定宽带超平坦微波频率梳的频率间隔。[0008]上述第一马赫增德尔调制器及第二马赫增德尔调制器控制调制器的偏置电压和相邻调制器之间的相位差,使其产生平坦的梳状谱线。[0009]上述带通滤波器通带宽度用于决定产生的光梳的梳线数。[0010]上述可调谐激光源为激光二极管。[0011]上述带通滤波器为宽带可调谐带通滤波器。[0012]本发明产生装置的产生方法,具体包括以下步骤:[0013]1将所述可调谐激光源作为种子光源通过光学耦合器注入到级联的第一马赫增德尔调制器及第二马赫增德尔调制器中,用于产生频率间隔等于2倍RF信号频率的光梳;[0014]2通过所述带通滤波器降低所述光放大器中的ASE噪声,滤出平坦度好的光谱段;[0015]3所述光放大器用来补偿级联的第一马赫增德尔调制器及第二马赫增德尔调制器所吸收光信号的损耗,并将光梳功率放大至种子光源水平;[0016]⑷将经过所述光放大器的光梳与种子光源親合,作为回路下一次的输入,此回路循环多次达到稳态后,即可获得频率间隔等于2倍RF信号频率光梳,将光梳注入到光电探测器中拍频,即可获得高功率、宽带宽、超平坦的稳定微波频率梳。[0017]步骤(1中,所述第一马赫增德尔调制器及第二马赫增德尔调制器都被偏置在最大传输点;所以它们的输出仅包含偶数阶边带,但由于所述第一马赫增德尔调制器及第二马赫增德尔调制器被驱动的RF信号相位差相差-90°,两者产生的载波、二阶边带被抵消,高于4阶的边带幅度小,故经过级联MZM调制器。[0018]本发明具有频带范围宽、功率水平高、平坦度好等优点,产生的微波频率梳具有良好的频谱特性,在频谱带宽和平坦度上兼具优势,可以在高速无线通信以及卫星转发器系统中得到重要的应用。本发明基于级联MZM调制器的光学回路,只需改变射频驱动信号RF即可得到不同间距的微波频率梳,结构非常简单。本发明所得的微波频率梳功率高、带宽宽、平坦性好。附图说明[0019]图1是本发明微波频率梳产生装置的结构示意图;[0020]图2a是光源功率为-10dBm,RF信号频率为10GHz情况下,得到的边带梳状光谱;[0021]图2⑹是边带梳状光谱拍频得到的高功率、宽带超平坦微波频率梳的频谱图;[0022]图3a是光源功率为-10dBm,RF信号频率为20GHz情况下,得到的边带梳状光谱;[0023]图3⑹是边带梳状光谱拍频得到的高功率、宽带超平坦微波频率梳的频谱图;[0024]图4a是光源功率为-20dBm,RF信号频率为20GHz情况下,得到的边带梳状光谱;[0025]图4⑹是边带梳状光谱拍频得到的高功率、宽带超平坦微波频率梳的频谱图。具体实施方式[0026]为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体实施方式,进一步阐述本发明。[QQ27]如图1所示,本发明的高功率宽带超平坦微波频率梳的产生装置,包括可调谐激光源-TLS1、光学耦合器-0C2、射频频谱分析仪-ESA4、光电探测器-PD3、射频信号源-RF5、第一马赫增德尔调制器-MZM6、第二马赫增德尔调制器-MZM7、带通滤波器-TBPF8和光放大器-0A9。[0028]本发明的高功率宽带超平坦微波频率梳的产生方法,包括如下步骤:[0029]1种子光源通过0C入射到光学回路中级联的两个MZM中,发生强度调制,产生了两个4阶边带。即最终产生频率间隔为RF信号频率2倍的新谱线。[0030]⑵带通滤波器降低0A放大器中的ASE噪声,滤出平坦度较好的光谱段。[0031]30A放大器用来补偿级联MZM调制器所吸收光信号的损耗,并将光梳功率放大至种子光源水平。[0032]⑷经过0A放大器的新谱线与种子光源耦合作为回路下一次的输入,此回路循环N次达到稳态后,可获得频率间隔等于2倍RF信号频率的光梳,光梳注入到光电探测器PD中拍频,获得高功率、宽带宽、超平坦的稳定微波频率梳。[0033]初步设置可调谐激光源的中心频率为193•ITHz,光功率为-10dBm,初始相位为0,线宽为0.001MHz;射频信号源RF的频率为10GHz;级联MZM调制器中的半波电压4V、光插入损耗100dB、电移相器相移为90°;光电探测器PD的响应度为1AW;[0034]实施例一:[0035]光源输出的光通过光学耦合器后注入到由射频驱动信号驱动的级联MZM调制器后,设置两个马赫增德尔调制器之间相位差为-90°,两个马赫曾德尔调制器均工作在最小偏置点,可以产生2根功率相等的光;掺铒光纤放大器EDFA的铒Er离子掺杂浓度为1025m3,泵浦功率为980mW,长度为5.6m,用来补偿光信号的损耗,将新频率谱线功率放大至种子光源水平。被放大的新谱线与种子光源耦合,构成新的光源频谱。经过数次迭代循环后,得到的光梳注入到PD中拍频,得到频率间距为20GHz,频谱带宽为300GHz,平坦度为1.2dB的微波频率梳,参见图2a和图2b。[0036]实施例二:[0037]其他参数保持不变,设置驱动射频信号的频率为20GHZ得到频率间距为40GHz,频谱带宽为300GHz,平坦度为0•lldB的微波频率梳,参见图3a和图3〇。[0038]改变光源功率为-20dBm,掺铒光纤放大器EDFA泵浦功率为70mW,长度为5•6m,设置驱动射频信号的频率为20GHZ,得到频率间距为40GHz,频谱带宽为300GHz,平坦度为0.12dB的微波频率梳,参见图4a和图4⑹。[0039]综上所述,本发明利用级联MZM调制器在循环回路中,产生宽带超平坦的微波频率梳,结构简单,易于操作,产生的微波频率梳具有良好的频谱特性,在频谱带宽、频率分量和平坦度上兼具优势,可以在高速无线通信以及卫星转发器系统中得到重要的应用。[0040]以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

权利要求:1.一种高功率宽带超平坦微波频率梳的产生装置,其特征在于:包括可调谐激光源1、光学耦合器2、光电探测器3、与光电探测器3输出端相连接的射频频谱分析仪4、射频信号源5、级联的第一马赫增德尔调制器⑹及第二马赫增德尔调制器7、带通滤波器⑻和光放大器9;可调谐激光源(1作为种子光源,注入到由光学耦合器2、射频信号源5、级联的第一马赫增德尔调制器6及第二马赫增德尔调制器7、带通滤波器8和光放大器9组成的光学回路中,产生的光梳由光电探测器3拍频,由所述射频频谱分析仪4观察得到微波梳;所述射频信号源5为级联的第一马赫增德尔调制器6及第二马赫增德尔调制器7提供驱动电压。2.根据权利要求1所述的高功率宽带超平坦微波频率梳的产生装置,其特征在于:所述射频信号源5的频率决定宽带超平坦微波频率梳的频率间隔。3.根据权利要求1所述的高功率宽带超平坦微波频率梳的产生装置,其特征在于:所述第一马赫增德尔调制器6及第二马赫增德尔调制器7控制调制器的偏置电压和相邻调制器之间的相位差,使其产生平坦的梳状谱线。4.根据权利要求1所述的高功率宽带超平坦微波频率梳的产生装置,其特征在于:所述带通滤波器⑻通带宽度用于决定产生的光梳的梳线数。5.根据权利要求1所述的高功率宽带超平坦微波频率梳的产生装置,其特征在于:所述可调谐激光源1为激光二极管。6.根据权利要求1所述的高功率宽带超平坦微波频率梳的产生装置,其特征在于:所述带通滤波器8为宽带可调谐带通滤波器。7.根据权利要求1所述产生装置的产生方法,其特征在于:具体包括以下步骤:1将所述可调谐激光源(1作为种子光源通过光学耦合器⑵注入到级联的第一马赫增德尔调制器6及第二马赫增德尔调制器7中,用于产生频率间隔等于2倍RF信号频率的光梳;2通过所述带通滤波器⑻降低所述光放大器9中的ASE噪声,滤出平坦度好的光谱段;3所述光放大器9用来补偿级联的第一马赫增德尔调制器6及第二马赫增德尔调制器7所吸收光信号的损耗,并将光梳功率放大至种子光源水平;⑷将经过所述光放大器⑼的光梳与可调谐激光源(1耦合,作为回路下一次的输入,此回路循环多次达到稳态后,即可获得频率间隔等于2倍RF信号频率光梳,将光梳注入到光电探测器中拍频,即可获得高功率、宽带宽、超平坦的稳定微波频率梳。8.根据权利要求7所述产生装置的产生方法,其特征在于:步骤1中,所述第一马赫增德尔调制器6及第二马赫增德尔调制器⑺都被偏置在最大传输点;所以它们的输出仅包含偶数阶边带,但由于所述第一马赫增德尔调制器6及第二马赫增德尔调制器⑺被驱动的RF信号相位差相差_9〇°,两者产生的载波、二阶边带被抵消,高于4阶的边带幅度小,故经过级联MZM调制器。

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