CN103532632B - 偏振正交调制可调谐微波脉冲信号精确生成方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用偏振正交调制的可调谐微波脉冲信号精确生成方法及装置。单波长连续光源经偏振正交双波长光源发生模块处理后，输出偏振态正交且具有一定波长差的两个光波长。此偏振正交的两个波长分量分别在偏振调制器的两个正交偏振轴上同时完成反相的相位调制。然后利用强度调制型周期性时域开关选取已调制的两个光波长处光信号的不同调频区域。最后，通过光电探测器拍频产生指定脉冲速率、脉宽和中心载频的恒载频/啁啾微波脉冲信号。本发明在保证生成微波脉冲信号具有高频优势、大时间-带宽积性的基础上，进一步实现了生成脉冲信号的脉冲速率、脉宽和中心载频的高精度控制，以及脉冲速率、脉宽和中心载频的灵活调谐，同时还实现了恒载频/频率啁啾微波脉冲信号的可选择性输出，应用前景十分广泛。

Description

偏振正交调制可调谐微波脉冲信号精确生成方法及装置

技术领域

本发明涉及微波光子学、偏振调制技术，尤其是光子学微波脉冲信号产生技术。

背景技术

微波脉冲信号在雷达系统、光纤通信和无线通信等领域有着广泛的应用。目前，微波脉冲信号一般采用电子器件、电路或方案来生成。然而，传统电子学产生微波信号的方法由于受电子瓶颈的限制，很难产生高品质的高频、大瞬时带宽的微波脉冲信号。为了解决这一问题，基于光子学产生微波脉冲信号的方法应运而生。

基于光子学产生微波脉冲信号的方法不仅具有频率高、噪声低等优点，而且其可以利用光纤损耗低和抗电磁干扰等特性，实现信号的长距离传输。因此，光子型微波脉冲信号的产生方案成为研究热点，以光频域整形-时域映射型方案为代表，其主要利用光纤中的色散效应将经过整形后的光谱映射到时域上，得到与光谱形状近似相同的微波脉冲信号：1).J.Ye,L.S.Yan,W.Pan,B.Luo,X.H.Zou,A.L.Yi,andX.SteveYao,“Two-dimensionallyTunableMicrowaveSignalGenerationBasedonOpticalFrequency-to-TimeConversion”,OpticsLetters,vol.35,no.15,2606-2608，2010.,2).H.ChiandJ.PYao,“All-fiberchirpedmicrowavepulsegenerationbasedonspectralshapingandwavelength-to-timeconversion,”IEEETrans.Microw.TheoryTech.,vol.55,no.9,1958-1963,2007.这些方案充分体现了光子技术在产生微波脉冲信号带宽上的优势。

需要指出的是：上述技术方案存在一定的局限性。首先，在系统结构不变的前提下，只能产生恒载频或频率啁啾中的一种微波脉冲信号。其次，波长-时域映射处理精度不高，这样将直接导致生成信号的参数不够精准(如，生成信号的中心载频要达到MHz量级精度或偏差存在较大困难)；再次，脉冲信号多维参数的独立、精确、快速调谐亦是一大挑战(改变滤波通带形状、频域整形的自由频谱区、色散值大小等操作大部分依靠物理动作完成，响应速度相对滞后)。

发明内容

鉴于以上陈述已有技术方案的不足，本发明旨在提供一种新颖的光子型微波脉冲信号的产生方案，使其在保证高频、大瞬时带宽前提下，不仅可以实现对生成的微波脉冲信号参数的精细控制，以及多维、快速调谐，同时还可以实现恒载频和频率啁啾微波脉冲信号的可选择性输出。

本发明的目的通过如下手段来实现。

一种偏振正交调制可调谐微波脉冲信号精确生成方法，生成具有精确的指定脉冲速率、脉宽和中心载频的微波脉冲信号，包含如下的处理步骤：

由偏振正交双波长光源发生模块对单波长连续光源的输出光进行处理，得到偏振态正交且具有一定波长差的两个光波长；然后利用低频驱动信号在偏振调制器中对所述的两个光波长分量同时实施反相的相位调制；将所述两个光波长处已调的偏振正交光信号输入到强度调制型时域开关中完成对不同调制区域的选取；最后经光电探测器拍频产生具有精确指定脉冲速率、脉宽和中心载频的微波脉冲信号，并且脉冲速率、脉宽、中心载频可灵活调谐。

本发明利用一个低频的驱动信号产生一个中心载频为低频驱动信号两倍的微波脉冲信号；通过调整低频驱动信号的频率实现微波脉冲信号中心载频的精确调控、灵活调谐。

本发明方法调整周期性时域开关脉冲的速率和占空比，以灵活调谐微波脉冲信号的脉冲速率和脉宽。

本发明方法改变偏振调制模块中偏振调制器的调制深度，选择性产生恒载频或频率啁啾两种微波脉冲信号之一。

本发明的另一目的是为如上方法构造实施装置：

偏振正交调制可调谐微波脉冲信号精确生成装置，由一个单波长连续光源，一个偏振正交双波长光源发生模块，一个偏振调制模块，一个强度调制型时域开关，一个光电探测器组成。

其中，偏振正交双波长光源发生模块由一个Mach-Zehnder调制器(MZM)，一个偏振控制器，一个偏振分束器，两个可调光滤波器和一个偏振合束器组成。MZM对连续光源实施载波抑制双边带调制后，输出具有一定波长差的双波长光波；经过偏振分束器，双波长光信号将被平均分成偏振正交的两路；然后利用两个可调光滤波器分别滤出两路光信号的不同波长分量；最后经偏振合束器合路，输出偏振态正交且具有一定波长差的双波长光信号。

偏振调制模块包括了一个偏振调制器，两个偏振控制器和一个检偏器；调节第一个偏振控制器，使偏振正交的两个光波长分别对准振调制器的两个主轴。然后由偏振调制器对两个波长分量分别实施反相的相位调制，并通过检偏器输出一个特殊的调频光信号。

由于生成微波脉冲信号是否具有啁啾特性取决于偏振调制深度，所以通过控制偏振调制器的外加驱动信号的强度能够选择性地生成恒载频或者频率啁啾型微波脉冲信号，并可以得到精确的载频或中心频率；生成微波脉冲信号的脉冲速率(或重复频率)、脉宽和中心载频取决于开关型周期脉冲包络的速率、占空比和两个波长之间的间隔，所以通过分别改变加载到偏振正交双波长光源发生模块和时域开关上的驱动信号频率，采用级联时域开关形式等方法，可以实现微波脉冲信号的脉冲速率、脉宽和中心载频的灵活调谐。

经过以上设计后，本发明方法与装置具有如下优点：在不改变系统结构装置的基础上，可以选择性输出恒载频或者频率啁啾微波脉冲信号；生成的微波脉冲信号的载频可以精确控制(kHz量级及以下)，其脉冲速率、脉宽和中心载频等多维参数可根据系统要求进行调谐，这些特点增加了可调谐光生微波脉冲技术的可靠性、灵活性、可控性。

附图说明：

图1.本发明方法的系统框图。

图2.偏振正交双波长光源发生模块的结构框图。

图3.偏振调制模块的结构框图。

图4.强度调制型时域开关的实现原理。

图5.生成的脉冲速率为5GHz，脉宽为175ps，载频为40GHz的恒载频微波脉冲信号的时域波形。

图6.生成的脉冲速率为5GHz，脉宽为175ps，中心载频为40GHz的啁啾微波脉冲信号的时域波形。

图7.生成的脉冲速率为4GHz，脉宽为219ps，中心载频为60GHz的啁啾微波脉冲信号的时域波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述。

如图1所示，实现本发明方法的装置由单波长连续光源10，偏振正交双波长光源发生模块20，偏振调制模块30，强度调制型时域开关40，光电探测器50组成。其中，偏振正交双波长光源发生模块20包括：MZM201，偏振控制器202，偏振分束器203，可调光滤波器204，可调光滤波器205和偏振合束器206；偏振调制模块30包括：偏振控制器301，偏振调制器302，偏振控制器303，检偏器304。

单波长连续光源10产生一束角频率为ω_c的连续光信号，输入到偏振正交双波长光源发生模块20(如图2)：角频率为ω₁的微波驱动信号一在MZM201中对输入光信号实施载波抑制双边带调制，得到一路双波长光信号；调节偏振控制器202，使双波长光信号以与偏振分束器203两个偏振轴成45度夹角方向入射到偏振分束器203中，输出两路偏振正交的双波长光信号；利用可调光滤波器204和可调光滤波器205在两路上分别滤出不同波长分量；最终通过偏振合束器206得到两路偏振态正交且具有一定波长间隔的双波长光信号，其光场可以表示为：

$\left[\begin{array}{c}{E}_x\left(t\right)\\ E_y\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{E}_{-1}\exp \[j\left({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_1\right)t\]\\ E_{+1}\exp \[j\left({\mathrm{\ω}}_c+{\mathrm{\ω}}_1\right)t\]\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，E_-1和E₊₁分别表示两个光信号的幅度。

将偏振正交的双波长光信号输入到偏振调制模块30(见图3)：调节偏振控制器301，使两束光信号分别对准偏振调制器302的两个主轴，施加角频率为ω₂的微波驱动信号二，对两波长处的光信号实施反相的相位调制后，其输出可以表示为：

$\left[\begin{array}{c}{E}_x\left(t\right)\\ E_y\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{E}_{-1}\exp \[j\left({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_1\right)t+j\mathrm{\β}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{2}t\right)\]\\ E_{+1}\exp \[j\left({\mathrm{\ω}}_c+{\mathrm{\ω}}_1\right)t-j\mathrm{\β}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{2}t\right)\]\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，β＝πV₀/V_π表示偏振调制器的调制深度；V_π表示偏振调制器的半波电压；V₀表示驱动信号二的幅值。

通过调节偏振控制器303，保证偏振正交的两路相位调制信号与检偏器304的主轴成45度，则检偏器304输出的信号强度可以表示为：

P(t)＝E_-1E₊₁cos[2ω₁t+2βcos(ω₂t)](3)

利用强度调制型时域开关40和微波驱动信号三，在时域上构建一个周期性时域开关脉冲，实现对调相信号不同调制区域的选取。其中，时域开关功能由一个MZM调制器来实现(其原理如图4所示)。周期性开关脉冲的功率传输函数可以表示为：

$H\left(t\right)=\frac{1}{2}cos\[\frac{\mathrm{\π}}{2}cos({\mathrm{\ω}}_{3}t+\mathrm{\θ})+\frac{3\mathrm{\π}}{2}\]+\frac{1}{2}---\left(4\right)$

其中，ω₃为驱动信号三的角频率；θ为外加驱动信号的初始相位。由表达式(4)可知，通过改变外加驱动信号的初始相位θ可以调整时域开关的时域选取区间。这里，微波驱动信号二和微波驱动信号三是相位关联(phase-correlated)或者同源的。

最后，利用光电探测器50完成光信号到电信号的转换，从而产生恒载频或者频率啁啾微波脉冲信号，其时域表达式为：

其中，为光电探测器的灵敏度。

基于公式(5)的描述可以得出：当β较大时(大信号调制)，生成的微波脉冲信号可以认为是一个脉冲包络cos[π/2cos(ω₃t+θ)+3π/2]+1和一个调相信号cos[2ω₁t+2βcos(ω₂t)]的乘积；此时，获得的是一个频率啁啾微波脉冲信号。当β较小或者接近0时(小信号调制)，生成的微波脉冲信号可以认为是一个脉冲包络cos[π/2cos(ω₃t+θ)+3π/2]+1和一个正弦信号cos(2ω₁t)的乘积；此时，获得的是一个恒载频微波脉冲信号。因此，通过调谐驱动信号二的幅值来改变调制深度β，即可实现恒载频或者频率啁啾微波脉冲信号的选择性输出。此外，生成微波脉冲信号的中心载频为ω₁/π，所以只需改变驱动信号一的角频率(ω₁)，即可根据需要完成对微波脉冲信号中心载频的精确设定和调控。最后，生成微波脉冲信号的脉冲速率、脉宽与周期性时域开关脉冲cos[π/2cos(ω₃t+θ)+3π/2]+1相同，所以通过调节驱动信号三的角频率(ω₃)可以实现对脉冲速率的精确调谐；通过采用级联强度调制型时域开关方式可以改变周期性时域开关脉冲的占空比，进而实现对脉宽的调谐。

作为例子，图5给出了基于上述方法原理和装置产生的恒载频微波脉冲信号时域波形。设定输入到双波长偏振正交光波构造模块20的驱动信号的频率为20GHz，偏振调制器的调制深度为0(不施加驱动信号)，时域开关的速率为5GHz，得到一个脉冲速率为5GHz，脉宽为175ps，载频为40GHz的恒载频微波脉冲信号。图6给出了基于上述方案原理产生的频率啁啾微波脉冲信号。在上述装置参数设置的基础上，将偏振调制器的调制深度提高到1.57(在调制器半波电压为5.3V的情况下(例如：偏振调制器型号VersawavePL-40G-5-1550)，将一个功率为24.47dBm且频率为5GHz的微波信号加载到偏振调制器上)，最终得到一个脉冲速率为5GHz，脉宽为175ps，中心载频为40GHz的啁啾微波脉冲信号。为了说明该方案的可调谐性，将双波长偏振正交光波构造模块20的驱动信号频率调整为30GHz；将偏振调制器的驱动信号调整为4GHz；将时域开关的速率调整为4GHz，得到一个脉冲速率为4GHz，脉宽为219ps，中心载频为60GHz的啁啾微波脉冲信号(如图7)。

综合以上陈述，本发明具有如下特征。1).此装置无需改变系统结构，只要调谐偏振调制深度，即可选择性产生具有较高参数精度的恒载频或者频率啁啾两种微波脉冲信号；2)生成恒载频/啁啾微波脉冲信号的脉冲速率、脉宽和中心载频分别取决于开关脉冲的速率、占空比和双波长光信号的波长差，只需采用改变外加驱动信号的频率和级联开关函数方式，即可实现生成恒载频/啁啾微波脉冲信号的脉冲速率、脉宽和中心载频的灵活调谐。

以上所陈述的仅仅是本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明方法和核心装置实质的前提下，在实际实施中可以做出若干更改和润色也应包含在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.一种偏振正交调制可调谐微波脉冲信号精确生成方法，生成具有精确的指定脉冲速率、脉宽和中心载频的微波脉冲信号，包含如下处理步骤：

由偏振正交双波长光源发生模块对单波长连续光源的输出光进行处理，得到偏振态正交且具有一定波长差的两个光波长；然后利用低频驱动信号在偏振调制器中对所述的两个光波长同时实施反相的相位调制；将所述已调制的两个光波长处光信号输入到强度调制型时域开关中完成对光信号不同调制区域的选取；利用一个低频的驱动信号产生一个中心载频为低频驱动信号两倍的微波脉冲信号；通过调整低频驱动信号的频率实现微波脉冲信号中心载频的精确调控、灵活调谐；调整强度调制型时域开关脉冲的速率和占空比，以灵活调谐微波脉冲信号的脉冲速率和脉宽；改变偏振调制模块中偏振调制器的调制深度，选择性产生恒载频或频率啁啾两种微波脉冲信号之一。

2.实施权利要求1方法的可调谐微波脉冲信号精确生成装置，其特征在于，由一个单波长连续光源，一个偏振正交双波长光源发生模块，一个偏振调制模块，一个强度调制型时域开关，一个光电探测器构成。