基于光学频率调谐的微波光子任意波形产生系统及方法与流程

1.本发明属于波形产生技术领域，涉及一种基于光学频率调谐的微波光子任意波形产生系统及方法。


背景技术：

2.任意波形是雷达、卫星和地面通信、位置感应和导航技术以及许多重大基础设施的核心支撑技术。随着电子信息系统瓶颈突破和更新换代等发展需求，超低相位噪声超宽带任意波形产生已经成为频率合成技术发展的重要领域和方向之一，并且随着电子系统小型化及更高性能的需求，对宽带任意波形产生的小型化、细步进、低杂散、低相位噪声设计也提出了更高的要求。
3.基于晶振和微波倍频等传统波形产生方式在高频超宽带、低相位噪声频率产生及合成方面面临相互制约的内在瓶颈，其发展已不能满足电子信息系统更新换代对合成波形性能的需求，故亟需寻找新一代超低相位噪声超宽带任意波形产生技术。随着微波光子技术的快速发展，基于光电振荡器的任意波形可以产生大时宽带宽积信号。但受限于调谐机制，相位噪声和稳定度等指标远远落后于点频信号产生，亟需开展超低相位噪声超宽带任意波形产生的新机制研究。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种性能更高的基于光学频率调谐的微波光子任意波形产生系统及方法。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种基于光学频率调谐的微波光子任意波形产生系统，包括
7.光频梳，用于产生高稳定低相位噪声的窄光脉冲信号；
8.第一光学分路单元，用于将光频梳输出的窄光脉冲信号分为两路，一路输出给第一光电转换单元，另一路输出给光学倍频/分频单元；
9.第一光电转换单元，用于对第一光学分路单元送来的光脉冲信号进行光电转换，输出电学频率梳；
10.移频驱动电路，用于通过电学频率梳产生用于驱动光学移频混合光路的移频驱动电学波形；
11.光学倍频/分频单元，用于实现光频梳输出的光脉冲信号重频的倍频或分频；
12.光学移频混合光路，用于将光学倍频/分频单元输出的光脉冲信号分为两路，将其中一路光脉冲信号通过移频驱动电学波形驱动进行光学移频后再与另一路未进行移频的光脉冲信号进行合路后输出；
13.第二光电转换单元，用于对合路后的光脉冲信号进行光电转换，并输出电学波形；以及
14.第二电学处理电路，用于对第二光电转换单元输出的电学波形进行电学处理，得
到特定频谱的电学波形。
15.进一步的，所述光学移频混合光路包括第二光学分路单元、光学合路单元和光学移频单元；所述第二光学分路单元用于将光学倍频/分频单元输出的光脉冲信号分为两路，其中一路送给光学合路单元，另一路送给光学移频单元；所述光学移频单元用于根据移频驱动电路送来的移频驱动电学波形对第二光学分路单元送来的窄光脉冲信号进行光谱平移；所述光学合路单元用于将第二光学分路单元和光学移频单元送来的光信号合为一路输出。
16.进一步的，所述移频驱动电路包括第一电学处理电路和电学波形产生单元，所述第一电学处理电路用于对电学频率梳进行电学处理，得到特定频率的信号作为电学波形产生单元的频率基准信号或本振信号；所述电学波形产生单元用于根据输入的频率基准信号或本振信号产生基础电学波形作为移频驱动电学波形驱动光学移频单元。
17.进一步的，所述第一电学处理电路包括第一电学滤波单元和第一电学放大单元，所述第一电学滤波单元用于对电学频率梳进行滤波，得到特定频率的频率基准信号或本振信号；所述第一电学放大单元用于对第一电学滤波单元输出的信号进行放大。
18.进一步的，所述第二电学处理电路包括第二电学滤波单元和第二电学放大单元，所述第二电学滤波单元用于对第二光电转换单元输出的电学波形进行滤波，得到所需的电学波形；所述第二电学放大单元用于对第二电学滤波单元输出的电学波形进行放大。
19.一种基于光学频率调谐的微波光子任意波形产生方法，包括下列步骤：
20.s101、通过光频梳产生高稳定低相位噪声的窄光脉冲信号；
21.s102、将窄光脉冲信号分为两路，第一路对窄光脉冲信号重频进行倍频或分频处理，第二路对窄光脉冲信号进行光电转换生成电学频率梳后，再对电学频率梳进行电学处理产生光学移频所需的移频驱动电学波形；
22.s103、将倍频或分频处理后的光脉冲信号分为两路，将其中一路光脉冲信号由移频驱动电学波形驱动进行光学移频后，再与另一路未进行移频的光信号进行合路后输出；
23.s104、对合路后的光信号进行光电转换，产生电学波形；
24.s105、通过电学滤波从光电转换产生的电学波形中过滤出特定频谱的电学波形；
25.s106、对过滤出的电学波形进行功率放大后输出。
26.进一步的，在所述s102步骤中，对电学频率梳进行电学处理产生光学移频所需的移频驱动电学波形包括以下步骤：
27.s201、通过电学滤波从电学频率梳中过滤出特定频率的信号作为频率基准信号或者本振信号；
28.s202、对频率基准信号或者本振信号进行功率放大；
29.s203、根据放大后的频率基准信号或本振信号产生基础电学波形作为移频驱动电学波形。
30.本发明中，采用光频梳为作频率源，利用光频梳的高稳定和低相噪特点，通过光学频率调谐控制，实现微波光子任意波形产生；由于光频梳的工作频率比常规微波源高三个数量级以上，性能也较常规微波源高三个数量级以上，因而可以生成高频超宽带、低相位噪声和高稳定度的波形。
附图说明
31.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
32.图1为本发明基于光学频率调谐的微波光子任意波形产生系统的一个优选实施例的结构框图。
33.图2为本发明基于光学频率调谐的微波光子任意波形产生方法的一个优选实施例的流程图。
34.图3为对电学频率梳进行电学处理产生移频驱动电学波形的流程图。
具体实施方式
35.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
36.如图1所示，本发明基于光学频率调谐的微波光子任意波形产生系统的一个优选实施例包括光频梳、第一光学分路单元、第一光电转换单元、移频驱动电路、光学倍频/分频单元、光学移频混合光路、第二光电转换单元和第二电学处理电路。
37.所述光频梳用于产生高稳定低相位噪声的窄光脉冲信号；例如，光频梳可以输出脉冲宽度为100fs的窄光脉冲信号；当然，脉冲宽度也可以大于或小于100fs。所述第一光学分路单元用于将光频梳输出的窄光脉冲信号分为两路，一路输出给第一光电转换单元，另一路输出给光学倍频/分频单元。所述第一光电转换单元用于对第一光学分路单元送来的光脉冲信号进行光电转换，输出电学频率梳。所述光学倍频/分频单元，用于实现光频梳输出的光脉冲信号重频的倍频或分频。
38.所述移频驱动电路用于通过电学频率梳产生用于驱动光学移频混合光路的移频驱动电学波形。所述移频驱动电路可以包括第一电学处理电路和电学波形产生单元，所述第一电学处理电路用于对电学频率梳进行电学处理，得到特定频率的信号作为电学波形产生单元的频率基准信号或本振信号。所述第一电学处理电路可以包括第一电学滤波单元和第一电学放大单元，所述第一电学滤波单元用于对电学频率梳进行滤波，得到特定频率的频率基准信号或本振信号；所述第一电学放大单元用于对第一电学滤波单元输出的信号进行放大。所述电学波形产生单元用于根据输入的频率基准信号或本振信号产生基础电学波形作为移频驱动电学波形驱动光学移频单元。
39.所述光学移频混合光路用于将光学倍频/分频单元输出的光脉冲信号分为两路，将其中一路光脉冲信号通过移频驱动电学波形驱动进行光学移频后再与另一路未进行移频的光脉冲信号进行合路后输出。所述光学移频混合光路可以包括第二光学分路单元、光学合路单元和光学移频单元；所述第二光学分路单元和光学合路单元组成mzi结构。所述第二光学分路单元用于将光学倍频/分频单元输出的光脉冲信号分为两路，其中一路送给光学合路单元，另一路送给光学移频单元。所述光学移频单元用于根据移频驱动电路送来的移频驱动电学波形对第二光学分路单元送来的窄光脉冲信号进行光谱平移。所述光学合路单元用于将第二光学分路单元和光学移频单元送来的光信号合为一路输出。
40.所述第二光电转换单元用于对合路后的光脉冲信号进行光电转换，并输出电学波
形。所述第二电学处理电路用于对电学波形进行电学处理，得到特定频谱的电学波形。所述第二电学处理电路包括第二电学滤波单元和第二电学放大单元，所述第二电学滤波单元用于对第二光电转换单元输出的电学波形进行滤波，得到所需的电学波形；所述第二电学放大单元用于对第二电学滤波单元输出的电学波形进行放大。
41.所述光频梳的输出端通过光路(例如光纤)与第一光学分路单元的输入端连接，所述第一光学分路单元的第一输出端通过光路与光学倍频/分频单元的输入端连接，第二输出端通过光路与第一光电转换单元的输入端连接。所述第一光电转换单元的输出端与第一电学滤波单元的输入端电连接，所述第一电学滤波单元的输出端与第一电学放大单元的输入端电连接，所述第一电学放大单元的输出端与电学波形产生单元的输入端电连接，所述电学波形产生单元的输出端与光学移频单元的射频输入端电连接。
42.所述光学倍频/分频单元的输出端通过光路与第二光学分路单元的输入端连接，所述第二光学分路单元的第一输出端通过光路与光学合路单元的第一输入端连接，第二输出端通过光路与光学移频单元的光输入端连接，所述光学移频单元的输出端通过光路与光学合路单元的第二输入端连接，所述光学合路单元的输出端通过光路与第二光电转换单元连接，所述第二光电转换单元的输出端与第二电学滤波单元的输入端电连接，所述第二电学滤波单元的输出端与第二电学放大单元的输入端电连接，所述第二电学放大单元的输出端用于输出用户所需的特定频谱的电学波形。
43.本实施例的工作原理如下：
44.如图1所示，工作时，光频梳产生高稳定低相位噪声的窄光脉冲信号，并在第一光学分路单元将光脉冲信号分为两路，第一路送给第一光电转换单元，第二路送给光学倍频/分频单元。
45.第一路的窄光脉冲信号先通过第一光电转换单元进行光电转换，产生电学频率梳；之后，第一电学滤波单元对电学频率梳进行滤波处理；从电学频率梳中过滤出特定频率的信号作为频率基准信号或者本振信号，并送给电学波形产生单元，电学波形产生单元产生基础电学波形作为移频驱动电学波形。
46.第二路的窄光脉冲信号先通过光学倍频/分频单元对窄光脉冲信号进行倍频或分频处理，之后通过第二光学分路单元进行功分后分为两路，第二光学分路单元的第一路输出不经处理直接送给光学合路单元，第二光学分路单元的第二路输出送给光学移频单元，以电学波形产生单元输出的移频驱动电学波形驱动，对窄光脉冲信号进行光谱平移后送到光学合路单元，与第二光学分路单元的第一路输出的光信号进行功率合路；之后送到第二光电转换单元进行光电转换，产生电学波形；再由第二电学滤波单元对该电学波形进行滤波处理，输出特定频谱的电学波形；最后由第二电学放大单元对过滤出的特定频谱的电学波形进行功率放大，输出用户所需的电学波形。
47.下面以产生中心频率为21ghz、带宽为200mhz的电学波形(扫频信号)为例对本实施例进行说明。假设光频梳输出脉冲宽度为100fs、重频1ghz，通过第一光学分路单元(分光比为10：90)将光脉冲信号分为两路。
48.第一路(10％)经通过第一光电转换单元对窄光脉冲信号进行光电转换产生1ghz间隔的电学频率梳，并送到第一电学滤波单元，第一电学滤波单元的通过频率设置为1ghz频率，从而过滤出频率为1ghz的信号作为频率基准信号或者本振信号，经第一电学放大单
元送给电学波形产生单元，电学波形产生单元根据输入的1ghz频率本振信号采用直接数字合成方式产生中心频率为1ghz、带宽为200mhz的基础电学波形作为移频驱动电学波形，并驱动光学移频单元进行上移频。
49.第二路(90％)经光学倍频/分频单元对窄光脉冲信号重频采用光纤mzi(马赫-曾德尔干涉仪)方式进行10倍频处理后，通过第二光学分路单元(分光比为50：50)分为两路，一路直接送到光学合路单元，另一路送到光学移频单元，光学移频单元由移频驱动电学波形驱动对10倍频处理后的光信号进行上移频，之后与另一路未移频信号在光学合路单元合为一路，通过光电转换单元进行光电转换后产生电学波形。第二电学滤波单元从电学波形中过滤出所需的中心频率为21ghz、带宽为200mhz的电学波形；最后通过第二电学放大单元对过滤出的电学波形进行功率放大，从而得到所需的电学波形并输出给用户。
50.如图2所示，本发明基于光学频率调谐的微波光子任意波形产生方法的一个优选实施例包括下列步骤：
51.s101、通过光频梳产生高稳定低相位噪声的窄光脉冲信号。例如，光频梳可产生1ghz重频窄光脉冲信号。
52.s102、将窄光脉冲信号分为两路，第一路对窄光脉冲信号重频进行倍频或分频处理，第二路对窄光脉冲信号进行光电转换生成电学频率梳后，再对电学频率梳进行电学处理产生光学移频所需的移频驱动电学波形。例如，当需要中心频率为21ghz、带宽为200mhz的电学波形时，可在第一路对窄光脉冲信号重频进行10倍频处理。第二路对1ghz重频窄光脉冲信号进行光电转换后可得到1ghz间隔的电学频率梳。如图3所示，在本步骤中，对电学频率梳进行电学处理产生光学移频所需的移频驱动电学波形可包括以下步骤：
53.s201、通过电学滤波从电学频率梳中过滤出特定频率的信号作为频率基准信号或者本振信号。例如，可从1ghz间隔的电学频率梳中过滤出频率为1ghz的信号作为频率基准信号或者本振信号。
54.s202、对1ghz信号(即频率基准信号或者本振信号)进行功率放大，以便于驱动电学波形产生单元。
55.s203、电学波形产生单元根据放大后的1ghz信号产生中心频率为1ghz、带宽为200mhz的基础电学波形作为驱动光学移频单元的移频驱动电学波形。
56.s103、将倍频或分频处理后的光脉冲信号分为两路，将其中一路光脉冲信号由移频驱动电学波形驱动进行光学移频后，再与另一路未进行移频的光信号进行合路后输出。例如，可将10倍频处理后光脉冲信号分为两路，一路经光学移频单元进行上移频后，与另一路未移频信号在光学合路单元合为一路输出。
57.s104、对合路后的光信号进行光电转换，产生电学波形。
58.s105、通过电学滤波从光电转换产生的电学波形中过滤出用户所需的特定频谱的电学波形。
59.s106、对过滤出的电学波形进行功率放大后，得到所需的电学波形并输出给用户。
60.本实施例采用光频梳作为频率源，利用光频梳的高稳定和低相噪特点，通过光学频率调谐控制，实现微波光子任意波形产生；由于光频梳的工作频率比常规微波频率源(例如：晶振)高三个数量级以上，性能也较常规微波频率源高三个数量级以上，因而可以生成高频超宽带、低相位噪声和高稳定度的波形。另外，本实施例中的元器件与现有技术通用，
技术成熟可靠。
61.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。