基于光注入外腔型FP-LD的微波信号编码跳频装置的制作方法

基于光注入外腔型fp-ld的微波信号编码跳频装置
技术领域
1.本发明涉及微波光子学、微波信号的光学产生及处理技术领域，基于光注入半导体激光器的非线性动力学特性研究，提出一种基于光注入外腔型法布里珀罗半导体激光器 (fp-ld)的微波信号编码跳频装置。


背景技术：

2.跳频微波通信技术的工作原理是收发双方传输信号的载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变，其作用是确保通信的秘密性和抗干扰性。因此，跳频微波信号在无线通信、雷达系统以及电子对抗等领域发挥着重要作用。随着电磁环境的日益复杂，电子对抗手段逐渐升级，跳频微波信号需要更大的跳频范围和更快的跳频速度来提升其通信的抗干扰和抗截获性能。对于传统电学跳频微波信号产生方案，由于电子瓶颈的限制，所产生的跳频微波信号范围较小，频率低，频率跳变速度慢。近年来，微波光子技术的不断发展为跳频微波信号的产生提供了新思路，微波光子技术作为一项多学科融合的新兴技术，通过把微波信号加载到光波上，实现对微波信号的传输、处理、控制等功能，具有高频、大宽带、低损耗和抗电磁干扰等优点，能完成电子系统难以完成的信号处理及高速传输等功能(参见[j.yao,“microwave photonics,”journal of lightwave technology, vol.27,no.3,pp.314-335,2009.])。
[0003]
目前采用微波光子技术产生微波跳频信号主要有以下几种方案：(1)基于光谱整形和频时映射法实现跳频微波信号产生；(2)利用基带编码信号控制强度调制器的偏置点电压实现光开关功能；(3)利用基带编码信号对半导体激光器进行直接调制；(4)利用基带编码信号控制可调滤波器通带实现频率跳变。然而上述方案存在一定的不足：方案 (1)的系统体积大、可调谐性差，方案(2)功能单一，跳频信号可重构性差，方案(3) 和(4)受半导体激光器驰豫振荡频率和可调滤波器本身限制，信号跳频速率、频率范围仍有局限。(参见q.liu,m.p.fok.“ultrafast and wideband microwave photonic frequency-hopping systems:a review.”applied sciences,2020,10(2):521.)


技术实现要素：

[0004]
本发明所要解决的技术问题在于克服现有跳频微波信号产生技术的不足，提供一种基于光注入外腔型fp-ld的微波信号编码跳频装置。
[0005]
本发明的技术方案为：
[0006]
本发明包括第一主激光器、第二主激光器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、可编码控制光开关、光纤环形器、外腔型fp-ld、光电探测器和实时示波器。
[0007]
第一主激光器产生的可调谐单频激光依次经过第一偏振控制器和可编码控制光开关后，形成第一主激光。
[0008]
第二主激光器产生的可调谐单频激光通过第二偏振控制器后形成第二主激光，第二主激光与第一主激光合束后输入到光纤环形器a端口。
[0009]
光纤环形器b端口输出合束激光注入到外腔型fp-ld中，注入后外腔型fp-ld的输出光通过光纤环形器c端口输入到光电探测器中进行光电转换产生微波信号，由实时示波器对所产生电信号进行实时监测。
[0010]
通过半导体激光器温度电流控制器对外腔型fp-ld进行驱动，使其光谱为单个主模和一系列被抑制的边模。设置第一主激光的频率为f1，注入到外腔型fp-ld的主模，频率为f0，此时激光腔处于单周期振荡状态，注入光与主模的频率失谐为δf1＝f1－f0。
[0011]
设置频率为f2的第二主激光注入到外腔型fp-ld的某一边模，其频率为fs，注入光与该边模的频率失谐为δf2＝f2－fs，调节第二主激光器的光功率，激发被抑制的边模振荡，同时使主模处于振荡或者被抑制状态，设置可编码控制光开关对第一主激光进行幅度编码开关控制，实现编码跳频。
[0012]
本发明具有可重构性高，结构简单，易于调谐，微波信号跳频范围大和跳频速率高，具有多种灵活跳频方案等优点。
附图说明
[0013]
图1为本发明的结构示意图；
[0014]
图2为外腔型fp-ld截面图；
[0015]
图3(a)为多模fp-ld光谱仿真示意图；
[0016]
图3(b)为外腔型fp-ld光谱仿真示意图。
具体实施方式
[0017]
本发明的思路是利用光注入外腔型fp-ld的单周期振荡非线性动力学状态和编码光开关实现不同频率微波信号的高速编码跳频，其跳频速率和光开关码型和速率一致，且微波信号跳频范围大和跳频速率高，系统可重构性好，结构简单，可易于调谐。
[0018]
如图1所示，实现基于光注入外腔型fp-ld的微波信号编码跳频的装置包括主激光器1-1、1-2(单频激光光源)、从激光器5(外腔型fp-ld)、偏振控制器2-1、2-2、码型发生器8、强度调制器3、光纤环形器6和实时示波器7。主激光器1-1产生的可调谐单频激光经过偏振控制器2-1和强度调制器3后输入光纤环形器a端口，其中码型发生器8和强度调制器3组成可编码控制光开关，对单频激光i进行幅度编码开关控制。同时主激光器1-2产生可调谐单频激光通过偏振控制器2-2后，与单频激光i合束后输入到光纤环形器a端口，光纤环形器b端口输出合束激光注入到外腔型fp-ld中，注入后外腔型fp-ld的输出光通过光纤环形器c端口输入到光电探测器中进行光电转换产生微波信号，由实时示波器4对所产生电信号进行实时监测。
[0019]
如图2所示，本发明使用的从激光器5为外腔型法布里-珀罗腔半导体激光器，包括三个主要部分：多模fp-ld 5-1、外腔5-2和光纤尾纤5-3，其中外腔是由fp-ld的发射端面、光纤尾纤端面和非球面透镜5-4组成。由于外腔可当做f-p谐振腔，其模结构增益g可表示如下：
[0020][0021]
其中t表示内腔输出端面的透射率t＝1-r2，g0表示内腔的单程增益，r1和r2分别表
示fp-ld的两个端面反射率，r3为光纤尾纤的反射率。β表示相位差，表达为：
[0022]
β＝4πl/λ 2π
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0023]
其中λ表示光波长，l表示外腔腔长。
[0024]
通过结合商用fp-ld速率方程和外腔增益g，可仿真出外腔型fp-ld的输出光谱。图3(a)和(b)分别为多模fp-ld和外腔型fp-ld的光谱仿真示意图。
[0025]
外腔型fp-ld在注入光作用下，呈现丰富的非线性动力学状态，其中包括适用于微波信号产生应用的单周期振荡状态。在单周期振荡状态条件下，注入光与被注入模式通过光电转换产生微波频段电信号，其频率等于注入光与外腔型fp-ld对应模式之间的频率失谐，具体实现多功能编码跳频如下：
[0026]
(1)通过半导体激光器温度电流控制器对外腔型fp-ld进行驱动，使其光谱为单个主模和一系列被抑制的边模。
[0027]
(2)通过设置主激光i的频率为f1，注入到外腔型fp-ld的主模，频率为f0，此时激光腔处于单周期振荡状态，注入光与主模的频率失谐为δf1＝f1－f0。
[0028]
(3)在(1)和(2)的条件下，通过设置频率为f2的主激光ii注入到外腔型fp-ld 的某一边模，其频率为fs，注入光与该边模的频率失谐为δf2＝f2－fs。通过调节主激光 ii的光功率，可激发被抑制的边模振荡，同时可使主模处于振荡或者被抑制状态。
[0029]
(4)在(3)的条件下，当主模振荡且边模被激励，此时可同时产生两个频率分别为δf1＝f1－f0和δf2＝f2－fs的微波信号。因此，通过设置编码光开关对主激光i进行幅度编码开关控制，可实现单个微波信号和两个微波信号之间的相互切换，即δf1和(δf1和δf2)之间编码跳频。
[0030]
(5)在(3)的条件下，当主模被抑制，且边模被激励，此时可产生单频微波信号δf2＝f2－fs。因此，通过设置编码光开关对主激光i进行幅度编码开关控制，可实现两个微波信号之间的相互切换，即δf1和δf2之间编码跳频。
[0031]
(6)在(1)和(2)的条件下，通过设置频率为f2的主激光ii注入到外腔型fp-ld 的主模，注入光与主模的频率失谐为δf2＝f2－f0。通过设置主激光ii的光功率，双光注入条件下可使主模处于被抑制状态。
[0032]
(7)在(6)的条件下，当两个主激光分别注入在主模的两侧，可产生单频微波信号|δf1 δf2|。因此，通过设置编码光开关对主激光i进行幅度编码开关控制，可实现两个微波信号之间的相互切换，即δf1和|δf1 δf2|之间编码跳频。
[0033]
(8)在(6)的条件下，当两个主激光分别注入在主模的同侧，可产生单频微波信号|δf1－δf2|。因此，通过设置编码光开关对主激光i进行幅度编码开关控制，可实现两个微波信号之间的相互切换，即δf1和|δf1－δf2|之间编码跳频。
[0034]
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。