一种孤子光电振荡器系统

1.本公开涉及微波光子学领域，具体涉及到一种孤子光电振荡器系统。


背景技术：

2.孤子现象指的是由于非线性和线性效应的共同作用，一个波包或脉冲维持其形状不变的一种物理现象。这种现象首先在水流中被观测到，其后同样用于描述光学系统中的光孤子，即光场受非线性和色散效应的共同作用而维持其形状不变的现象。特别的，在非线性光学谐振腔内产生的耗散光孤子在近年来被广泛的研究，这种耗散光孤子形成的核心是非线性光学谐振腔内的非线性和色散效应以及增益和损耗的双平衡。基于耗散光孤子可产生超短脉冲和宽带光频梳，其广泛应用于光学计量与光谱学、光缓存、光子信号产生和光通信等应用领域。另一方面，微波光子学是光学和微波技术的一门交叉学科。微波光子学技术采用光学的手段来产生、处理、分配和操纵微波信号，其广泛应用于国防、通信网络、成像和现代仪器等场合。
3.与非线性光学谐振腔在光学中的地位类似，光电振荡器是微波光子学中的典型的非线性光电谐振腔，用于产生微波信号。基于光电振荡器的单频微波信号产生、宽带混沌微波信号产生和啁啾微波信号产生等均被广泛的报道。作为一个非线性光电混合谐振腔，光电振荡器同时继承了光学和微波技术的优势，如超宽带、可调谐、高精度等。然而，光电振荡器中是否存在孤子现象，以及孤子现象如何影响光电振荡器的输出这一问题至今仍未有现有技术记载。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了一种孤子光电振荡器系统，该孤子光电振荡器系统实现了非线性和线性效应共同作用下的孤子光电振荡器系统，当非线性增益饱和和线性滤波效应达到平衡时，可获得重复周期和脉冲宽度可调的孤子序列。
5.本公开提供了一种孤子光电振荡器系统，包括：激光光源，用于产生光载波；相位调制器，用于对光载波进行调制，得到两个双阶的微波调制光边带；双通带陷波滤波器，用于抑制两个双阶的微波调制光边带，得到两个单阶的微波调制信号；光信号延时器，用于对两个单阶的微波调制光边带进行延时处理；光探测器，用于将延时后的两个单阶的微波调制光边带通过拍频还原处理，得到两个微波信号；其中，激光光源、相位调制器、双通带陷波滤波器及光电探测器构成一双通带微波光子滤波器；放大器，用于对两个微波信号功率放大；无源功分器，用于将功率放大后的两个微波信号进行功率分配，得到两组微波信号，其中，每一组微波信号均包含功率减半的两个微波信号，无源功分器将其中一组微波信号输入至相位调制器，以使该组微波信号进行下一周期循环，并将另一组微波信号输出，该输出的两个微波信号的包络线的乘积为孤子序列。
6.进一步地，该孤子序列z(t)＝x1(t)x2(t)满足以下关系：
[0007][0008]
其中，x1(t)及x2(t)分别为两个微波信号的包络线幅度，t为当前时间，t为该系统的环腔延时，β
′
为与孤子序列幅度无关的线性增益系数，β
″
|z(t-t)|为与孤子序列幅度有关的非线性增益饱和效应系数，τ表示双通带微波光子滤波器的线性滤波效应，当孤子序列幅度有关的非线性增益饱和效应与双通带微波光子滤波器的线性滤波效应平衡时，该孤子序列的脉冲宽度保持不变。
[0009]
进一步地，该系统为单环路或双环路或多环路，其中，单环路中光信号延时器及光探测器的数量为一个，其一一对应连接；双环路中光信号延时器及光探测器的数量为两个，其一一对应连接；多环路中光信号延时器及光探测器的数量为多个，其一一对应连接。
[0010]
进一步地，双通带陷波滤波器为具有至少两个陷波响应的光滤波器，用于抑制两个双阶的微波调制光边带的其中一阶的微波调制光边带。
[0011]
进一步地，光信号延时器由长光纤构成，该长光纤的长度为1m～20km，光损耗0.2db/km。
[0012]
进一步地，放大器与无源功分器的位置互换。
[0013]
进一步地，相位调制器的带宽为0～100ghz。
[0014]
进一步地，光探测器的带宽为0～150ghz，响应度为1a/w。
[0015]
进一步地，放大器的增益为1db～60db。
[0016]
进一步地，无源功分器的工作带宽大于等于40ghz。
[0017]
本公开与现有技术相比具有一下有益效果：
[0018]
(1)本公开提供的孤子光电振荡器系统实现了非线性和线性效应共同作用下的孤子光电振荡器系统，当非线性增益饱和和线性滤波效应达到平衡时，可获得重复周期和脉冲宽度可调的孤子序列。
[0019]
(2)本公开提供的孤子光电振荡器系统中的孤子现象可产生快速跳频的微波信号，跳频微波信号的频率、跳频速度和跳频周期分别可通过控制双通带微波光子滤波器的中心频率、带宽和光电振荡器的环腔延时实现调节。
附图说明
[0020]
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
[0021]
图1示意性示出了根据本公开一实施例的孤子光电振荡器系统的结构图。
[0022]
图2示意性示出了根据本公开一实施例的双通带微波光子滤波器的中心频率与光载波和双通带陷波滤波器3的中心频率差对比图。
[0023]
图3示意性示出了根据本公开一实施例的孤子现象中非线性增益饱和效应和线性滤波效应以及增益和损耗的双平衡示意图。
[0024]
图4示意性示出了根据本公开一实施例的双通带微波光子滤波器的频率响应的测试结果图。
[0025]
图5示意性示出了根据本公开一实施例的获得的孤子序列和对应的仿真结果对比图。
[0026]
图6示意性示出了本公开一实施例的基于孤子产生的跳频微波信号的瞬时频率示
意图。
[0027]
图7示意性示出了本公开一实施例的基于孤子产生的跳频微波信号的双环路示意图。
[0028]
图8示意性示出了根据本公开另一实施例的孤子光电振荡器系统的结构图。
具体实施方式
[0029]
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
[0030]
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
[0031]
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
[0032]
图1示意性示出了根据本公开一实施例的孤子光电振荡器系统的结构图。
[0033]
如图1所示，本公开提供了一种孤子光电振荡器系统，该系统包括：
[0034]
激光光源1，用于产生频率为fc的光载波。
[0035]
相位调制器2，用于对该光载波进行调制，得到两个双阶的微波调制光边带。
[0036]
本实施例中，相位调制器2的第一输入端与激光光源1的输出端通过光纤跳线相连，用于将来自于该系统链路中的两个跳频微波信号进行调制加载到光载波上，得到两个双阶的微波调制光边带，其中，两个跳频微波信号的频率分别为f1与f2。其中，该相位调制器2的带宽为0～100ghz，其可将频率为0～100ghz的微波信号进行调制加载到光载波上。
[0037]
双通带陷波滤波器3，用于抑制两个双阶的微波调制光边带，得到两个单阶的微波调制信号。
[0038]
本实施例中，双通带陷波滤波器3的输入端与相位调制器2的输出端通过光纤跳线相连，其为具有至少两个陷波响应的光滤波器，用于抑制两个双阶的微波调制光边带其中一阶的微波调制光边带，得到两个单阶的微波调制信号，该两个单阶的微波调制光边带的频率分别为f
′1与f2′
，其中，双通带陷波滤波器3的陷波频率为f
c-f1和fc f2，且f
′1＝fc f1，f2′
＝f
c-f2。
[0039]
光信号延时器4，用于对两个单阶的微波调制光边带进行延时处理。
[0040]
本实施例中，光信号延时器4的输入端与双通带陷波滤波器3的输出端通过光纤跳线相连，光信号延时器4由长光纤构成，该长光纤的长度为1m～20km，光损耗0.2db/km，其可实现对光载波和两个单阶的微波调制光边带进行5ps～100μs的延时。
[0041]
光探测器5，用于将延时后的两个单阶的微波调制光边带通过拍频还原处理，得到两个微波信号。
[0042]
本实施例中，光探测器5的输入端与光信号延时器4的输出端通过光纤跳线相连，
光探测器5的带宽为0～150ghz，响应度为1a/w，将光信号还原得到频率0～150ghz的微波信号。
[0043]
放大器6，用于对两个微波信号功率放大。
[0044]
本实施例中，放大器6的输入端与光探测器5的输出端通过电缆相连，其放大增益为1db～60db，其可实现对两个微波信号的功率进行1.12～1000000倍的放大。
[0045]
无源功分器7，用于将功率放大后的两个微波信号进行功率分配，得到两组微波信号，其中，每一组微波信号均包含功率减半的两个微波信号，无源功分器7将其中一组微波信号输入至相位调制器2，以使该组微波信号进行下一周期循环，并将另一组微波信号输出，该输出的两个微波信号的包络线的乘积为孤子序列。
[0046]
本实施例中，无源功分器7的输入端与放大器6的输出端通过电缆相连，其第一输出端与相位调制器2的第二输入端通过电缆相连，第二输出端为微波信号输出端，无源功分器7用于对两个微波信号进行功率分配。其中，无源功分器7的工作带宽大于等于40ghz，其对40ghz或更高频率范围内的微波信号进行功率分配。
[0047]
本实施例中，激光光源1、相位调制器2、双通带陷波滤波器3及光电探测器5一起组成一个双通带微波光子滤波器，用于选择光电振荡器内一对互相耦合的模式起振，该互相耦合的模式受孤子序列幅度有关的非线性增益饱和效应以及双通带微波光子滤波器的线性滤波效应的共同作用，在稳态振荡下非线性增益饱和效应与线性滤波效应平衡，增益和损耗也会互相平衡，该系统产生孤子序列和跳频微波信号。其中，双通带微波光子滤波器的中心频率配置为等于激光光源1的光载波与双通带陷波滤波器3的中心频率差，可通过控制激光光源1产生的光载波波长或通过双通带陷波滤波器3的陷波频率实现调节。
[0048]
本实施例提供的孤子光电振荡器系统，其工作原理为：激光光源1发出的光载波经相位调制器2调制后，得到两个双阶的微波调制光边带，该两个双阶的微波调制光边带通过双通带陷波滤波器3，双通带陷波滤波器3滤除两个双阶的微波调制光边带其中一阶的微波调制光边带，得到两个单阶的微波调制信号，在将其相位调制转换成强度调制，在光电探测器5中可得到对应于激光光源1发出的光载波频率和双通带陷波滤波器3陷波位置对应频率的差值的微波信号。可知，激光光源1、相位调制器2、双通带陷波滤波器4和光电探测器5一起组成了一个双通带微波光子滤波器，该双通带微波光子滤波器的通频带由激光光源1和双通带陷波滤波器陷波3位置对应频率的差值决定。该双通带微波光子滤波器3选择的一对模式互相耦合，当该孤子序列幅度有关的非线性增益饱和效应与双通带微波光子滤波器的线性滤波效应达到平衡时，且增益和损耗也达到平衡时，可获得重复周期和脉冲宽度可调的孤子序列以及宽带可调的跳频微波信号。
[0049]
其中，激光光源1发出的光载波进入相位调制器2中发生相位调制，调制后包含光载波和两个双阶的微波调制光边带，由相位调制的特性可知，光载波和两个双阶的微波调制光边带的拍频信号相互抵消，因此无法在光探测器5中还原成微波信号。当两个双阶的微波调制光边带落入双通带陷波滤波器3时，其相应边带被抑制，光载波和未被抑制的微波调制光边带在光探测器5中拍频可还原相应频率的微波信号，这就构成了一个等效的双通带微波光子滤波器，其传输响应为带通形状，如图2所示。该双通带微波光子滤波器的中心频率等于激光光源1产生的光载波与双通带陷波滤波器3的中心频率差，通过该双通带微波光子滤波器可选择孤子光电振荡器系统内一对互相耦合的模式起振。此时，该孤子光电振荡
器系统的延时微分方程可表示为：
[0050][0051]
其中，x(t)＝x1(t) x2(t)，x1(t)及x2(t)分别为该两个微波信号的包络线幅度，τ＝1/(πδf)，δf为双通带微波光子滤波器的3db带宽，g
l
＝gar
pdipdzpd
和g
nl
＝2j1(π/v
π
·
|x(t-t)|)/|x(t-t)|分别为与孤子序列幅度无关的线性增益和与孤子序列幅度有关的非线性增益饱和效应系数，ga为放大器6的增益，r
pd
、i
pd
和z
pd
分别为光探测器5的响应度、输入功率和阻抗，jn为n阶第一类贝塞尔函数，v
π
为相位调制器2的半波，t为该孤子光电振荡器系统的环腔延时，t为当前时间，根据公式1，可推导出一对模式的耦合方程为
[0052][0053]
其中，在稳态振荡的条件下，即该孤子光电振荡器系统的增益和损耗互相平衡且信号在环腔内自再现时，这对互相耦合的模式得到的该两个微波信号的包络线幅度乘积z(t)＝x1(t)x2(t)满足：
[0054][0055]
其中，β
′
＝(3-β)/2，β
″
＝3β/8，从公式3可以看出，z(t)的增益β
′
β
″
|z(t-t)|和其绝对值的大小有关，|z(t-t)|越大，z(t)获得的增益越大，这种现象是一种与孤子序列幅度有关的非线性增益饱和效应。当z(t)为脉冲形态时，非线性增益饱和效应会压缩z(t)的脉冲宽度。与此同时，该双通带微波光子滤波器也在对信号进行频域线性滤波，因此会拉伸z(t)的脉冲宽度。如图3所示，在稳态条件下，当该孤子序列幅度有关的非线性增益饱和效应与双通带微波光子滤波器的线性滤波效应平衡时，z(t)的形状和脉冲宽度会保持不变，因此这种状态下的z(t)是孤子序列。在孤子序列的作用下，这对互相耦合的模式会不断发生频率跳变，该孤子光电振荡器系统可产生跳频微波信号。
[0056]
其中，由公式3可知，该孤子光电振荡器系统获得的孤子的重复周期和孤子脉冲宽度可调谐，其重复周期可通过控制光电振荡器的环腔延时调节，其孤子脉冲宽度可通过控制双通带微波光子滤波器的带宽调节。同时，基于孤子现象产生的跳频微波信号的频率、跳频速度和跳频周期也可调，通过控制双通带微波光子滤波器的中心频率和带宽可实现跳频微波信号的频率和跳频速度调节，或通过控制该孤子光电振荡器系统的环腔延时可实现跳频微波信号的跳频周期的调节，该系统的环腔延时通过光信号延时器4等实现。
[0057]
图4示意性示出了根据本公开一实施例的双通带微波光子滤波器的频率响应的测试结果图，由图4可知，该双通带微波光子滤波器的频率响应包含f1和f2两个通频带，因此可以选择光电振荡器内一对互相耦合的模式起振。
[0058]
图5示意性示出了根据本公开一实施例的获得的孤子序列和对应的仿真结果对比图，由图5可知，本实例提供的孤子光电振荡器系统获得了脉冲宽度在几十ns量级的孤子序列，该孤子序列的重复周期等于该孤子光电振荡器系统的环腔延时。
[0059]
图6示意性示出了本公开一实施例的基于孤子产生的跳频微波信号的瞬时频率示
意图，由图6可知，该孤子光电振荡器产生的跳频微波信号的频率为双通带微波光子滤波器选择的f1和f2，这对频率以该孤子光电振荡器系统的环腔延时为周期快速跳变。因此，本实施例通过采用上述技术方案，可获得孤子序列和跳频微波信号。
[0060]
本公开的一些实施例中，放大器6与无源功分器7的位置互换，其同样可实现上述实施例中的技术效果。
[0061]
本公开的一些实施例中，该孤子光电振荡器系统为单环路或双环路或多环路，其中，单环路中光信号延时器4及光探测器5的数量为一个，其一一对应连接；双环路中光信号延时器4及光探测器5的数量为两个，其一一对应连接，如图7所示；多环路中光信号延时器4及光探测器5的数量为多个，其一对应连接，其中，当该系统为双环路或多环路时，由于游标卡尺效应，系统的模式间隔由双环路或多环路的每个环路的长度共同决定，因此模式间隔大于当该系统为单环路时的模式间隔，更易于选择单个或多个模式的微波信号振荡。
[0062]
图8示意性示出了根据本公开另一实施例的孤子光电振荡器系统的结构图。
[0063]
如图8所示，本实施例中该孤子光电振荡器系统包括：激光光源1、强度调制器2’、光信号延时器4、光探测器5、双通带电滤波器3’、放大器6及无源功分器7，其中，激光光源1、强度调制器2’、光信号延时器4及光探测器5之间通过光纤跳线连接，光探测器5、双通带电滤波器3’、放大器6、无源功分器7及强度调制器2’之间通过电缆连接。
[0064]
本实施例中，双通带电滤波器3’直接实现了双通带微波光子滤波器的功能，此时只需和强度调制器2’配合，便可选择孤子光电振荡器系统内一对互相耦合的模式起振，在稳态振荡下实现非线性增益饱和与线性滤波效应以及增益和损耗的双平衡，以使该孤子光电振荡器系统产生孤子序列和跳频微波信号。
[0065]
另外，上述实施例中提供的系统结构并不构成对本装置的限定，该装置中的器件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且器件的配置可能更为复杂。
[0066]
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
[0067]
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。