微波产生装置及方法

1.本发明涉及微波光子学技术领域，尤其涉及一种微波产生装置及方法。


背景技术：

2.微波信号的产生是微波光子技术领域长期研究的一个方向，传统的通过电的方式产生微波信号存在诸多弊端，例如信号质量差、高频难以产生以及宽带调谐困难等。
3.随着微波光子技术的发展，人们利用光电调制与解调方式，搭建光电振荡器用于产生微波信号，可以有效解决传统电方式产生微波信号的弊端，但是现有的利用光电震荡器产生微波信号的方式无法同时做到倍频和快速连续扫频。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.针对于现有的技术问题，本发明提供一种微波产生装置及方法，用于至少部分解决以上技术问题。
6.(二)技术方案
7.本发明提供一种微波产生装置，包括：倍频模块a，倍频模块a包括强度调制器1，激光器2和第一光耦合器3；其中，强度调制器1用于叠加光电振荡环路b中的扫频光信号和扫频微波信号产生倍频光信号，倍频光信号的频率最大值为扫频光信号频率最大值与扫频微波信号频率最大值的和；激光器2用于产生激光信号；第一光耦合器3用于耦合倍频光信号和激光信号，产生宽带倍频光信号。
8.可选地，光电振荡环路b包括：扫频光源4，第二光耦合器5，以及依次环形连接的相位调制器6，长光纤7，陷波滤波器8，第一光电探测器9，放大器10和电耦合器11；其中，扫频光源4用于产生扫频光信号；第二光耦合器5用于输出一路扫频光信号到相位调制器6，输出另一路扫频光信号到强度调制器1；相位调制器6用于调制扫频光信号和电耦合器11输出的一路扫频微波信号，产生等大反相的光边带；长光纤7用于增加扫频光信号和等大反相的光边带在光电振荡环路b中的延时；陷波滤波器8用于对等大反相的光边带进行滤波，得到单一光边带；第一光电探测器9用于将单一光边带转换成扫频微波信号；放大器10用于对扫频信号进行放大；电耦合器11用于输出其中一路扫频微波信号到强度调制器1。
9.可选地，连接第二光耦合器5和强度调制器1的光纤与连接电耦合器11和强度调制器1的电缆的有效长度相等，有效长度为相同的传输时间，光信号在光纤中传输过的光纤长度或电信号在电缆中传输过的电缆长度。
10.可选地，光电振荡环路b包含至少一个环路。
11.可选地，光电振荡环路b包括一条长光纤7或者并联的至少两条长光纤7，至少两条长光纤7长度不等。
12.可选地，光电振荡环路b包括至少一个放大器10，放大器10包括第一光放大器101和/或电放大器102。
13.可选地，陷波滤波器8包括相移光纤布拉格光栅，法布里-珀罗谐振腔，气体吸收池或者微环中的任意一种。
14.可选地，光电振荡环路b的光路中包括至少一个偏振控制器12，偏振控制器12用于调节光信号的偏振方向。
15.可选地，倍频模块a还包括：第二光放大器13，光滤波器14，和第二光电探测器15；其中，第二光放大器13用于对倍频光信号进行放大；光滤波器14用于滤除强度调制器1输出的非倍频光信号；第二光电探测器15用于将宽带倍频光信号转换为宽带倍频电信号。
16.本发明另一方面提供一种微波产生方法，包括：通过强度调制器1叠加光电振荡环路b中的扫频光信号和扫频微波信号产生倍频光信号，其中，倍频光信号的频率最大值为扫频光信号频率最大值与扫频微波信号频率最大值的和；通过激光器2产生激光信号；通过第一光耦合器3耦合倍频光信号和激光信号，产生宽带倍频光信号。
17.(三)有益效果
18.本发明提供一种微波产生装置，通过强度调制器对光电振荡环路中同源的的扫频光信号和扫频微波信号进行调制，产生倍频光信号，再通过与激光器产生的激光信号耦合，最后进行光电转换，实现了微波信号的倍频。
19.扫频光源，相位调制器，长光纤，陷波滤波器，第一光电探测器，放大器和电耦合器构成了傅里叶域锁模光电振荡环路，可以产生快速扫频微波信号，结合倍频模块，实现了快速扫频的倍频微波信号的产生。
附图说明
20.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
21.图1示意性示出了根据本发明实施例的微波产生装置图；
22.图2示意性示出了根据本发明实施例的强度调制器调制原理图；
23.图3示意性示出了根据本发明实施例的陷波滤波器的工作原理图；
24.图4示意性示出了根据本发明另一实施例的微波产生装置图；
25.图5示意性示出了根据本发明又一实施例的微波产生装置图；
26.图6示意性示出了根据本发明实施例的微波产生方法流程图。
27.【附图标记说明】
28.1-强度调制器
29.2-激光器
30.3-第一光耦合器
31.4-扫频光源
32.5-第二光耦合器
33.6-相位调制器
34.7-长光纤
35.8-陷波滤波器
36.9-第一光电探测器
37.10-放大器
38.101-第一光放大器
39.102-电放大器
40.11-电耦合器
41.12-偏振控制器
42.13-第二光放大器
43.14-光滤波器
44.15-第二光电探测器
45.a-倍频模块
46.b-光电振荡环路
具体实施方式
47.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
48.需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。说明书中示例的各个实施例中的技术特征在无冲突的前提下可以进行自由组合形成新的方案，另外每个权利要求可以单独作为一个实施例或者各个权利要求中的技术特征可以进行组合作为新的实施例，且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
49.除非存在技术障碍或矛盾，本发明的上述各种实施方式可以自由组合以形成另外的实施例，这些另外的实施例均在本发明的保护范围中。
50.虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。附图中的尺寸比例仅仅是示意性的，并不能理解为对本发明的限制。
51.虽然本发明总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。
52.图1示意性示出了根据本发明实施例的微波产生装置图。
53.根据本发明的实施例，如图1所示，微波产生装置例如包括：倍频模块a，倍频模块a例如包括强度调制器1，激光器2和第一光耦合器3。其中，强度调制器1用于叠加光电振荡环路b中的扫频光信号和扫频微波信号产生倍频光信号，倍频光信号的频率最大值为扫频光信号频率最大值与扫频微波信号频率最大值的和。激光器2用于产生激光信号。第一光耦合器3用于耦合倍频光信号和激光信号，产生宽带倍频光信号。
54.根据本发明的实施例，光电振荡环路b例如包括：扫频光源4，第二光耦合器5，以及依次环形连接的相位调制器6，长光纤7，陷波滤波器8，第一光电探测器9，放大器10和电耦合器11。其中，扫频光源4用于产生扫频光信号。第二光耦合器5用于输出一路扫频光信号到相位调制器6，输出另一路扫频光信号到强度调制器1。相位调制器6用于调制扫频光信号和电耦合器11输出的一路扫频微波信号，产生等大反相的光边带。长光纤7用于增加扫频光信
号和等大反相的光边带在光电振荡环路b中的延时。陷波滤波器8用于对等大反相的光边带进行滤波，得到单一光边带。第一光电探测器9用于将单一光边带转换成扫频微波信号；放大器10用于对扫频信号进行放大。电耦合器11用于输出其中一路扫频微波信号到强度调制器1。
55.根据本发明的实施例，由于光电振荡环路b中未被转换的扫频光信号和经扫频光信号转换而来的扫频微波信号同源，例如可以为扫频光源4，因而利用快速调谐的微波光子滤波器，即光电振荡环路b可以实现微波信号快速连续扫频。通过强度调制器1对该扫频光信号和扫频微波信号进行调制叠加，叠加后的光信号由于频率较高，例如在太赫兹级，可以与激光器2输出的太赫兹级的激光信号耦合，二者频率差在g赫兹量级，可以进一步进行光电转换输出宽带倍频电信号。由此，可以使快速连续扫频的微波信号实现宽带倍频。
56.图2示意性示出了根据本发明实施例的强度调制器调制原理图。
57.根据本发明的实施例，例如连接第二光耦合器5和强度调制器1的光纤与连接电耦合器11和强度调制器1的电缆有效长度可以相等。当该光纤与该电缆有效长度相等时，可以认为由第二光耦合器5传输到强度调制器1的扫频光信号和由电耦合器11传输到强度调制器1的扫频微波信号的传输时间相等，加上该光信号和该微波信号同源，此时，如图2所示，由强度调制器1调制输出的光信号的频率2-1为该扫频光信号和扫频微波信号的频率的叠加，例如主要有三种情况，第一种情况，强度调制器1调制输出的光信号的频率的最大值为扫频光信号和扫频微波信号的频率之和，实现了微波信号的宽带倍频。第二种情况，由强度调制器1调制输出的光信号的频率2-2与扫频光源4的频率相同。第三种情况，由强度调制器1调制输出的光信号的频率2-3为单频，扫频光信号和扫频微波信号啁啾率相互抵消。
58.根据本发明的实施例，光电振荡环路b例如可以包含至少一个环路。例如通过增加光电振荡环路b中并联的长光纤7的数量来增加环路数量，至少两条长光纤7的长度可以不等，因而可以通过调节不同长光纤7的长度来控制通过其中光信号的延时，提高了光信号的单模特性。长光纤7为低损耗储能元件，可以提高光电振荡器的噪声性能，光电振荡器环路b用于产生光电振荡，维持环路起振的状态。
59.图3示意性示出了根据本发明实施例的陷波滤波器的工作原理图。
60.根据本发明的实施例，如图3所示，3-1a，3-1b，3-2a，3-2b，3-3a，3-3b，3-4a，3-4b表示等大反相的正负一阶光边带，3-5表示单频状态的扫频光源4，3-6表示陷波滤波器8的反射谱，3-7表示微波光子滤波器(可以视为扫频光源4、相位调制器6、陷波滤波器8和第一光电探测器9的等效器件)的通带，f
mpf
表示微波光子滤波器可以通过的频率，等于被陷波滤波器8过滤掉的光边带的频率与光载波频率的差值和f
notch
表示陷波滤波器8的陷波频率。光电振荡环路b的工作过程中，各光边带在经过陷波滤波器8时，与陷波滤波器8的频率对应的等大反相光边带中的某一条(如3-3a)的功率出现偏移被过滤掉，与其等大反向的光边带(如3-3b)在拍频过程中未被抵消，因而可以实现单一光边带的产生。陷波滤波器8例如包括相移光纤布拉格光栅，法布里-珀罗谐振腔，气体吸收池或者微环中的任意一种。
61.优选地，陷波滤波器8例如可以为相移光纤布拉格光栅。相移光纤布拉格光栅的线宽相对窄一些，例如小于100mhz，能得到更高质量的信号。
62.图4示意性示出了根据本发明另一实施例的微波产生装置图。
63.根据本发明的实施例，如图4所示，光电振荡环路b的光路中例如还包括至少一个
偏振控制器12，偏振控制器12用于调节光信号的偏振方向。光电振荡环路b中光路所使用的光纤例如可以是保偏光纤或者不保偏光纤。出于成本考虑，当采用不保偏光纤时，可以在光路中增加至少一个偏振控制器12，来调节光信号的偏振方向，提高信号传输质量。
64.图5示意性示出了根据本发明又一实施例的微波产生装置图。
65.根据本发明的实施例，如图5所示，光电振荡环路b例如包括至少一个放大器10可以用于增加环路增益，促进起振，放大器10例如可以为第一光放大器101和电放大器102，可以分别增强光电振荡环路中光信号与电信号的功率，实现光电环路中信号的稳定振荡。倍频模块a例如还包括：第二光放大器13，光滤波器14，和第二光电探测器15。其中，第二光放大器13用于对倍频光信号进行放大。光滤波器14用于滤除强度调制器1输出的非倍频光信号。第二光电探测器15用于将宽带倍频光信号转换为宽带倍频电信号。
66.根据本发明的实施例，本发明实施例的微波产生装置例如可以产生基于傅里叶域锁模的宽带倍频线性啁啾微波波形。其中，扫频光源4、第二光耦合器5、相位调制器6、长光纤7、陷波滤波器8、第一光放大器101、第一光电探测器9之间依次例如通过光纤跳线连接。第二光耦合器5、强度调制器1、第二光放大器13、光滤波器14、第一光耦合器3之间依次例如通过光纤跳线连接。激光器2、第一光耦合器3、第二光电探测器15之间依次例如通过光纤跳线连接。第一光电探测器9、电放大器102、电耦合器11、相位调制器6之间依次例如通过电缆连接。电耦合器11、强度调制器1之间例如通过电缆连接。扫频光源4、第二光耦合器5、相位调制器6、长光纤7、陷波滤波器8、第一光放大器101、第一光电探测器9、电放大器102、电耦合器11构成傅里叶域锁模光电振荡环路，可以产生快速扫频微波信号。强度调制器1、第二光放大器13、光滤波器14、激光器2、第一光耦合器3、第二光电探测器15可以实现微波信号倍频及带宽加倍过程。
67.根据本发明的实施例，可以由光电振荡环路产生扫频的微波信号。扫频光源4产生扫频光信号，控制扫频光源4产生的扫频光信号到强度调制器1的传输时间与电耦合器11发出的扫频的微波信号到强度调制器1的传输时间相同。通过强度调制器1将光电振荡环路产生扫频的微波信号调制到扫频光源4产生的扫频光信号上，扫频光信号与扫频微波信号叠加，实现倍频。
68.具体地，扫频光源4产生的扫频光信号，经过第二光耦合器5、相位调制器6后产生等大反相的正负一阶光边带，经过长光纤7和陷波滤波器8后，正负一阶边带失衡，由第一光放大器101提高光功率后被第一光电探测器9转换为扫频微波信号，由电放大器102放大功率后经由电耦合器11与相位调制器6连接形成闭合回路，构成傅里叶域锁模光电振荡环路，用于产生快速扫频微波信号。第二光耦合器5另外一路输出光输入到强度调制器1，电耦合器11另外一路输出的扫频微波信号输入到强度调制器1，控制两处信号传输时间相同，由强度调制器1输出的光信号可以实现带宽加倍，经过第二光放大器13放大后由光滤波器14滤波只保留所需倍频宽带光信号，由激光器2输出合适波长的单频光信号，经第一光耦合器3耦合到一起输入第二光电探测器15实现光信号到电信号的转换，最终输出宽带倍频的扫频电信号。通过调整激光器2和扫频光源4的光信号频率，可以调整扫频微波信号的中心频率，根据本实施例微波产生装置的实验结果，宽带倍频的扫频电信号的扫描范围可以达到1-39ghz，并且可以实现10ghz的大带宽。
69.综上所述，本发明实施例提出一种微波产生装置。通过扫频光源，相位调制器，长
光纤，陷波滤波器，第一光电探测器，放大器和电耦合器构成了傅里叶域锁模光电振荡环路，可以产生快速扫频微波信号，结合倍频模块中强度调制器对光电振荡环路中同源的的扫频光信号和扫频微波信号进行调制，产生倍频光信号，再通过与激光器产生的激光信号耦合，最后进行光电转换，实现了快速扫频的倍频微波信号的产生。
70.图6示意性示出了根据本发明实施例的微波产生方法流程图。
71.本发明另一方面提供一种微波产生方法，如图6所示，微波产生方法例如包括：
72.s610，通过强度调制器1叠加光电振荡环路b中的扫频光信号和扫频微波信号产生倍频光信号，其中，倍频光信号的频率最大值为扫频光信号频率最大值与扫频微波信号频率最大值的和。
73.s620，通过激光器2产生激光信号。
74.s630，通过第一光耦合器3耦合倍频光信号和激光信号，产生宽带倍频光信号。
75.方法实施例部分未尽细节之处与装置实施例部分类似，请参见装置实施例部分，此处不再赘述。
76.应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于的特定顺序或层次。
77.在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。
78.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。