相位噪声优化装置及优化方法与流程

1.本发明涉及微波光子学技术领域，尤其涉及一种相位噪声优化装置及优化方法。


背景技术：

2.相位噪声是指系统在各种噪声的作用下引起的系统输出信号相位的随机变化，表征的是系统信号的纯净性与稳定性，是雷达探测系统、新一代通信系统等领域中相位噪声也是非常关键的指标。
3.在微波光子链路中，优化相位噪声的办法通常有优化器件参数与工作状态、噪声对消等方法。但是在采用优化器件参数与工作状态、噪声对消等方法时，还需要采用更多的方法，才能进一步降低系统的相位噪声，以使其逼近量子极限，提升雷达探测能力与通信系统信噪比。
4.受激布里渊散射所具有的增益谱与损耗谱特性可应用于微波光子滤波器，但是目前主要利用受激布里渊散射的增益谱，损耗谱并未得到广泛的应用。而如何将受激布里渊散射的损耗谱利用到优化微波光子链路相位噪声，从而降低微波光子链路相位噪声，成为目前亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供了一种相位噪声优化装置及优化方法，以解决目前微波光子链路相位噪声较大的问题。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种相位噪声优化装置，包括：可调谐激光器、电光调制器、微波源、高非线性光纤、光环行器和泵浦激光器，可调谐激光器、电光调制器、高非线性光纤和光环行器依次通过光纤连接，微波源通过电缆与电光调制器连接，泵浦激光器通过光纤与光环行器的第一端口连接；
7.电光调制器用于将微波源发射的目标信号调制到由可调谐激光器产生的光载波信号上，形成目标射频信号，目标射频信号经过光纤传入高非线性光纤；
8.光环行器用于将泵浦激光器发射的泵浦光信号反向传入高非线性光纤内；
9.高非线性光纤用于在满足布里渊散射条件时，泵浦光信号在高非线性光纤内激发产生斯托克斯波，且斯托克斯波在传输中产生受激布里渊散射损耗谱；
10.其中，目标射频信号在目标频偏处的相位噪声由微波源产生的相位噪声和受激布里渊散射损耗谱共同决定，目标频偏为目标射频信号待降噪的频偏。
11.在一种可能的实现方式中，受激布里渊散射损耗谱的频移量为其中，va为介质中的声速，λ
p
为泵浦光信号的波长，n
p
为泵浦光信号波长对应的有效折射率，θ为泵浦光信号与斯托克斯波之间的夹角。
12.在一种可能的实现方式中，目标频偏的频偏量为其中，f
c1
为可调谐激光器发射的光载波信号的频率，f1为目标射频信号的频率，f
c2
为泵浦光
信号的频率。
13.在一种可能的实现方式中，相位噪声优化装置还包括位于可调谐激光器和电光调制器之间的隔离器，隔离器的一端与可调谐激光器通过光纤连接、另一端通过光纤与电光调制器连接；
14.隔离器用于隔离目标光线对可调谐激光器的冲击，其中，目标光线包括斯托克斯波在高非线性光纤内产生的反向散射光以及反向传入的泵浦光。
15.在一种可能的实现方式中，相位噪声优化装置还包括与光环行器通过光纤连接的光电探测器；
16.光电探测器用于解调降噪的目标射频信号。其中，降噪的目标射频信号为目标射频信号在目标频偏处的相位噪声被受激布里渊散射损耗谱减弱形成的。
17.本发明实施例提供了一种相位噪声优化装置，在满足布里渊散射条件时，泵浦光信号在高非线性光纤内激发产生斯托克斯波，且斯托克斯波在传输中产生受激布里渊散射损耗谱，从而目标射频信号在目标频偏处的相位噪声由微波源产生的相位噪声和受激布里渊散射损耗谱共同决定。由于受激布里渊散射损耗谱可以将目标射频信号在目标频偏处的相位噪声降低，即可起到降噪的效果，达到目标射频信号在目标频偏处的相位噪声的优化。从而实现利用受激布里渊散射损耗谱降低目标射频信号的目标频偏处的相位噪声，达到相噪优化的目的。
18.第二方面，本发明实施例提供了一种相位噪声优化方法，包括：
19.电光调制器将微波源发射的目标信号调制到由可调谐激光器产生的光载波信号上，形成目标射频信号，且目标射频信号经过光纤传入高非线性光纤；
20.泵浦激光器发射的泵浦光信号经过光环形器的第一端口反向传入光环形器、并通过光环形器的第二端口传入高非线性光纤；
21.在满足布里渊散射条件时，泵浦光信号在高非线性光纤内激发产生斯托克斯波，且斯托克斯波在传输中产生受激布里渊散射损耗谱；
22.在高非线性光纤内，当目标射频信号的目标频偏位于受激布里渊散射损耗谱内时，目标射频信号在目标频偏处的相位噪声被受激布里渊散射损耗谱减弱，形成降噪的目标射频信号；其中，目标频偏为目标射频信号待降噪的频偏；
23.降噪的目标射频信号经过光环形器的第三端口传出。
24.在一种可能的实现方式中，当目标射频信号的目标频偏位于受激布里渊散射损耗谱内时，目标射频信号在目标频偏处的相位噪声被受激布里渊散射损耗谱减弱，形成降噪的目标射频信号，包括：
25.基于受激布里渊散射损耗谱的频移量公式，通过调节泵浦光信号的波长，使目标射频信号的目标频偏位于受激布里渊散射损耗谱内。
26.在一种可能的实现方式中，当目标射频信号的目标频偏位于受激布里渊散射损耗谱内时，目标射频信号在目标频偏处的相位噪声被受激布里渊散射损耗谱减弱，形成降噪的目标射频信号，还包括：
27.降噪的目标射频信号经过光电探测器解调后，转换成第二解调信号；第二解调信号通过射频电缆传入相噪分析仪；
28.通过调节泵浦光信号的波长，在相噪分析仪上，观察第一解调信号和第二解调信
号在目标频偏处的相噪；其中，第一解调信号为目标射频信号直接经过光电探测器解调后的电信号。
29.在一种可能的实现方式中，受激布里渊散射损耗谱的频移量为其中，va为介质中的声速，λ
p
为泵浦光信号的波长，n
p
为泵浦光信号波长对应的有效折射率，θ为泵浦光信号与斯托克斯波之间的夹角。
30.在一种可能的实现方式中，目标频偏的频偏量为其中，f
c1
为可调谐激光器发射的光载波信号的频率，f1为目标射频信号的频率，f
c2
为泵浦光信号的频率。
31.本发明实施例提供一种相位噪声优化方法，首先，电光调制器将微波源发射的目标信号调制到由可调谐激光器产生的光载波信号上，形成目标射频信号，且目标射频信号经过光纤传入高非线性光纤。然后，泵浦激光器发射的泵浦光信号经过光环形器的第一端口反向传入光环形器、并通过光环形器的第二端口传入高非线性光纤。之后，在满足布里渊散射条件时，泵浦光信号在高非线性光纤内激发产生斯托克斯波，且所述斯托克斯波在传输中产生受激布里渊散射损耗谱。接着，在高非线性光纤内，当目标射频信号的目标频偏位于受激布里渊散射损耗谱内时，目标射频信号在目标频偏处的相位噪声被受激布里渊散射损耗谱减弱，形成降噪的目标射频信号。最后，降噪的目标射频信号经过光环形器的第三端口传出。从而，只需要调节受激布里渊散射损耗谱的位置，使得目标射频信号的目标频偏位于受激布里渊散射损耗谱内，即可利用受激布里渊散射损耗谱降低目标射频信号的目标频偏处的相位噪声，达到目标射频信号在目标频偏处的相位噪声的优化。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1是本发明实施例提供的一种相位噪声优化装置的结构示意图；
34.图2是本发明实施例提供的相位噪声优化的原理图；
35.图3是本发明实施例提供的另一种相位噪声优化装置的结构示意图；
36.图4是本发明实施例提供的未经相位噪声优化的结构示意图。
37.图中，1-可调谐激光器，2-电光调制器，3-微波源，4-高非线性光纤，5-光环行器，6-泵浦激光器，7-隔离器，8-光电探测器，9-相噪分析仪。
具体实施方式
38.为了使本技术领域的人员更好地理解本方案，下面将结合本方案实施例中的附图，对本方案实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本方案一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本方案中的实施例，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，都应当属于本方案保护的范围。
39.本方案的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是
指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含，并不仅限于文中列举的示例。此外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
40.以下结合具体附图对本发明的实现进行详细的描述：
41.正如背景技术中所描述的，相位噪声表征系统信号的纯净性与稳定性，当相位噪声过大，则会影响雷达探测或通信系统的稳定性。
42.受激布里渊散射是光纤非线性研究的重点，其所具有的增益谱与损耗谱特性可应用于微波光子滤波器、光纤传感器、光纤陀螺、相位共轭镜等领域。但是目前对受激布里渊散射的增益谱利用要远多于损耗谱，损耗谱通常也只被用来实现频率抑制。而如何利用受激布里渊散射的损耗谱降低微波光子链路相位噪声，目前并未进行研究。
43.为了解决现有技术问题，本发明实施例提供了一种相位噪声优化装置及优化方法。下面首先对相位噪声优化装置进行详细的介绍。
44.一种相位噪声优化装置，包括：可调谐激光器、电光调制器、微波源、高非线性光纤、光环行器和泵浦激光器。其中，可调谐激光器、电光调制器、高非线性光纤和光环行器依次通过光纤连接，微波源通过电缆与电光调制器连接，泵浦激光器通过光纤与光环行器的第一端口连接。
45.具体的，电光调制器用于将微波源发射的目标信号调制到由可调谐激光器产生的光载波信号上，形成目标射频信号，目标射频信号经过光纤传入高非线性光纤。光环行器用于将泵浦激光器发射的泵浦光信号反向传入高非线性光纤内。高非线性光纤用于在满足布里渊散射条件时，泵浦光信号在高非线性光纤内激发产生斯托克斯波，且斯托克斯波在传输中产生受激布里渊散射损耗谱。其中，目标射频信号在目标频偏处的相位噪声由微波源产生的相位噪声和受激布里渊散射损耗谱共同决定，目标频偏为目标射频信号待降噪的频偏。
46.其中，在高非线性光纤内，同时存在着经过调制的目标射频信号以及泵浦光信号在斯托克斯波的散射下产生受激布里渊散射损耗谱，受激布里渊散射损耗谱可对目标射频信号的目标频偏处的相位噪声进行优化。但是，由于热噪声的存在，被优化后的相位噪声并不为0，但是对目标射频信号在目标频偏处的相位噪声有一定的优化，可达到降噪的目的。
47.具体的，可调谐激光器用于提供调制目标信号的光载波信号。微波源发射的目标信号为微波信号。
48.高非线性光纤用于产生非线性，相比普通单模光纤更易产生受激布里渊散射。光环行器为三端口的器件，光信号可以从第一端口进第二端口出，还可以从第二端口进第三端口出，但是第三端口后的光信号无法从第三端口返回到第一端口，从而可以保护泵浦激光器。
49.请一并参考图1和图2，一些实施例中，相位噪声优化装置可以包括：可调谐激光器1、电光调制器2、微波源3、高非线性光纤4、光环行器5和泵浦激光器6。
50.其中，可调谐激光器1、电光调制器3、高非线性光纤4和光环行器5依次通过光纤连接，微波源3通过电缆与电光调制器3连接，泵浦激光器6通过光纤与光环行器5的第一端口连接。
51.电光调制器2将微波源3发射的目标信号调制到由可调谐激光器1产生的光载波信号fc1上，形成目标射频信号f1，目标射频信号f1经过光纤传入高非线性光纤4。此时，泵浦激光器6向光环行器5发射泵浦光信号fc2，该泵浦光信号fc2从光环行器5的第一端口进入第二端口，反向传入高非线性光纤4内。由于高非线性光纤4可以产生非线性，大功率的可调波长的泵浦光信号fc2注入高非线性光纤4，此时经过电光调制器调制后的目标射频信号f1也在
高非线性光纤内传输。此时，当入射功率很大，在满足布里渊散射条件时，泵浦光信号fc2在高非线性光纤4内激发产生斯托克斯波、且斯托克斯波传输中会产生受激布里渊散射损耗谱s2和增益谱s1。
52.由于受激布里渊散射损耗谱s2和增益谱s1的频率差一般远大于目标频偏，因此增益谱s1不会对目标频偏内的相位噪声产生影响。
53.当目标射频信号f1的目标频偏位于受激布里渊散射损耗谱s2内时，目标射频信号f1在目标频偏处的相位噪声由微波源3产生的相位噪声和受激布里渊散射损耗谱共同决定，目标频偏为目标射频信号待降噪的频偏。此时，目标射频信号f1在目标频偏处的相位噪声即被受激布里渊散射损耗谱优化，降低了目标射频信号f1在目标频偏处的相位噪声。
54.一些实施例中，当目标射频信号的目标频偏位于受激布里渊散射损耗谱内时，目标射频信号在目标频偏处的相位噪声就会被优化。通过调节泵浦光信号的波长即可调节受激布里渊散射损耗谱的位置，从而实现目标射频信号的目标频偏位于受激布里渊散射损耗谱内。具体的，受激布里渊散射损耗谱的频移量为如图2中所示的受激布里渊散射损耗谱的频移量δf。其中，，va为介质中的声速，λ
p
为泵浦光信号的波长，n
p
为泵浦光信号波长对应的有效折射率，θ为泵浦光信号与斯托克斯波之间的夹角。
55.目标射频信号并不会被损耗谱s2进行损耗，而只是对其一定频率偏移范围进行控制。当想优化该目标射频信号某个频率偏移处的相位噪声时，通过调节泵浦光信号使得该目标频偏处正好落于受激布里渊散射损耗谱s2内而目标射频信号在该损耗谱s2带外即可。
56.其中，相位噪声的计算方法为：
57.单位dbc/hz,式中l
p
(f)为单边带相位噪声功率谱密度，sj(f)为相位噪声功率谱密度，p
dsb
(f)为1hz噪声信号在频偏为f处的积分功率，p0为光载波信号功率。
58.对该目标射频信号对应的该频偏移处的噪声功率积分(以hz)为单位，所以当衰减其中一侧的频偏相位噪声时，总的相位噪声曲线也会被优化。因此实现了利用受激布里渊散射损耗谱对相位噪声进行优化。因此当目标射频信号的目标频偏处于布里渊散射产生的损耗谱右侧对应频偏处时，依据相噪计算公式即可得出该段频偏的相位噪声被优化。
59.具体的，目标频偏的频偏量为其中，f
c1
为可调谐激光器发射的光载波信号的频率，f1为目标射频信号的频率，f
c2
为泵浦光信号的频率。
60.当确定输入的目标射频信号时，依据受激布里渊散射损耗谱的频移量公式，通过调整入射泵浦光信号的波长，即可实现对目标频偏点的选择。由于布里渊散射损耗谱有一定的宽度，因此可以实现在一定范围内的频偏相位噪声被优化。只需要满足：公式即可。
61.一些实施例中，由于斯托克斯波在高非线性光纤内产生的反向散射光以及反向传入的泵浦光具有一定的强度，除此之外，还有别的反向光也会反向传输到达对可调谐激光器，会对可调谐激光器有一定程度的冲击，因此在可调谐激光器和电光调制器之间设置隔离器，隔离器的一端与可调谐激光器通过光纤连接、另一端通过光纤与电光调制器连接。
62.一些实施例中，为了实现将经过受激布里渊散射损耗谱降噪处理后的射频信号解调出来，可在光环行器的第三端口通过光纤连接光电探测器，在光电探测器后连接相噪分析仪。具体的，光电探测器用于解调降噪的目标射频信号，即目标射频信号在目标频偏处的相位噪声被受激布里渊散射损耗谱减弱形成的信号。相噪分析仪用于比较待优化信号的相位噪声和被优化后的信号的相位噪声。
63.如图3所示，一些实施例中，相位噪声优化装置可以包括：可调谐激光器1、电光调制器2、微波源3、高非线性光纤4、光环行器5、泵浦激光器6、隔离器7、光电探测器8和相噪分析仪9。其中，可调谐激光器1、隔离器7、电光调制器3、高非线性光纤4、光环行器5和光电探测器8依次通过光纤连接，微波源3通过电缆与电光调制器3连接，泵浦激光器6通过光纤与光环行器5的第一端口连接，相噪分析仪9和光电探测器8通过电缆连接。具体的工作过程不再赘述，与图1的工作过程相同。
64.本发明提供的一种相位噪声优化装置，在满足布里渊散射条件时，泵浦光信号在高非线性光纤内激发产生斯托克斯波、且泵浦光信号在斯托克斯波的散射下产生受激布里渊散射损耗谱，从而目标射频信号在目标频偏处的相位噪声由微波源产生的相位噪声和受激布里渊散射损耗谱共同决定。由于受激布里渊散射损耗谱可以将目标射频信号在目标频偏处的相位噪声降低，即可起到降噪的效果，达到目标射频信号在目标频偏处的相位噪声的优化。从而实现利用受激布里渊散射损耗谱降低目标射频信号的目标频偏处的相位噪声，达到相噪优化的目的。
65.另一方面，基于上述相位噪声优化装置，本发明实施例还提供了相位噪声优化方法，包括：
66.电光调制器将微波源发射的目标信号调制到由可调谐激光器产生的光载波信号上，形成目标射频信号，且目标射频信号经过光纤传入高非线性光纤。
67.随后，利用泵浦激光器发射泵浦光信号，发射的泵浦光信号经过光环形器的第一端口反向传入光环形器、并通过光环形器的第二端口传入高非线性光纤。
68.在满足布里渊散射条件时，泵浦光信号在高非线性光纤内激发产生斯托克斯波、且泵浦光信号在斯托克斯波的散射下产生受激布里渊散射损耗谱。
69.在高非线性光纤内，当目标射频信号的目标频偏位于受激布里渊散射损耗谱内时，目标射频信号在目标频偏处的相位噪声被受激布里渊散射损耗谱减弱，形成降噪的目标射频信号；其中，目标频偏为目标射频信号待降噪的频偏。
70.最后，降噪的目标射频信号经过光环形器的第三端口传出。
71.具体的，基于受激布里渊散射损耗谱的频移量公式：
[0072][0073]
其中，va为介质中的声速，λ
p
为泵浦光信号的波长，n
p
为泵浦光信号波长对应的有效折射率，θ为泵浦光信号与斯托克斯波之间的夹角。通过调节泵浦光信号的波长，使目标射频信号的目标频偏位于受激布里渊散射损耗谱内。
[0074]
目标射频信号并不需要被损耗谱进行损耗，而只是对其一定频率偏移范围进行控制。当想优化该目标射频信号某个频率偏移处的相位噪声时，通过调节泵浦光信号使得该目标频偏处正好落于受激布里渊散射损耗谱内而目标射频信号在该损耗谱s2带外即可。
[0075]
由于相位噪声的计算方法为：
[0076]
单位dbc/hz,式中l
p
(f)为单边带相位噪声功率谱密度，sj(f)为相位噪声功率谱密度，p
dsb
(f)为1hz噪声信号在频偏为f处的积分功率，po为光载波信号功率。
[0077]
对该目标射频信号对应的该频偏移处的噪声功率积分(以hz)为单位，所以当衰减其中一侧的频偏相位噪声时，总的相位噪声曲线也会被优化。因此实现了利用受激布里渊散射损耗谱对相位噪声进行优化。因此当目标射频信号的目标频偏处于布里渊散射产生的损耗谱右侧对应频偏处时，依据相噪计算公式即可得出该段频偏的相位噪声被优化。
[0078]
具体的，目标频偏的频偏量为其中，f
c1
为可调谐激光器发射的光载波信号的频率，f1为目标射频信号的频率，f
c2
为泵浦光信号的频率。
[0079]
当确定输入的目标射频信号时，依据受激布里渊散射损耗谱的频移量公式，通过调整入射泵浦光信号的波长，即可实现对目标频偏点的选择。由于布里渊散射损耗谱有一定的宽度，因此可以实现在一定范围内的频偏相位噪声被优化。只需要满足：公式即可。
[0080]
为了便于观察降噪的目标射频信号，可将降噪的目标射频信号经过光电探测器解调后，转换成第二解调信号，第二解调信号通过射频电缆传入相噪分析仪。目标射频信号可以直接经过光电探测器解调后的电信号，即第一解调信号，第一解调信号直接通过射频电缆传入相噪分析仪。通过调节泵浦光信号的波长，在相噪分析仪上，观察第一解调信号和第二解调信号在目标频偏处的相噪。其中，如图4所示，第一解调信号经过图4中的电路后，经过射频电缆传入相噪分析仪。
[0081]
通过观察第一解调信号和第二解调信号在相噪分析仪内的曲线，即可调节泵浦光信号的波长，从而实现在特定频偏处的相位噪声降低。
[0082]
本发明提供的相位噪声优化方法，只需要调节受激布里渊散射损耗谱的位置，使得目标射频信号的目标频偏位于受激布里渊散射损耗谱内而目标射频信号本身不处于该损耗谱内，即可利用受激布里渊散射损耗谱降低目标射频信号的目标频偏处的相位噪声，达到目标射频信号在目标频偏处的相位噪声的优化。
[0083]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。