基于电光外调制非线性效应的啁啾微波脉冲信号产生方法与装置

摘要

本发明公开了一种基于电光外调制非线性效应的啁啾微波脉冲信号产生方法与装置。大信号调制模式下，单波长光载波在电光调制器中，完成了一个具有较大调制深度的相位调制；相位调制信号经可调光延时模块引入相对相移或错位，经时域开关实现非线性频率啁啾区域选取后，输入到光电转换器中拍频得到脉冲速率、脉宽和中心载频可调的微波脉冲信号。本发明既涵盖了高频、大瞬时带宽等光子学优点，又具有生成信号参数精度高，易于调谐，结构相对简单等优势，应用前景十分广泛。

说明书

技术领域

本发明涉及微波光子学、电光调制技术，尤其是光子技术型微波信号产生技术。

背景技术

在现代雷达系统中，具有较大时宽-带宽积的啁啾微波脉冲信号常被用于提高雷达的测距精度和距离分辨力。目前，常用的啁啾微波脉冲信号一般基于电子器件或装置来产生。然而，随着技术的发展，利用传统电子学方法产生的啁啾微波脉冲信号，由于其带宽、频段的限制，已经无法满足人们的实际应用需求。因此，寻求可以实现更高载频、更大带宽的啁啾微波脉冲信号的生成方案，已成为研究热点。

基于微波光子学的光生微波脉冲技术，由于其具有大带宽、高品质等优点而被广泛关注。目前，利用光谱整形技术与波长-时间映射原理产生啁啾微波脉冲信号是一种新颖的、常用的光子型啁啾微波脉冲信号产生方法：1).Hao Chi andJianping Yao,“All-fiber chirped microwave pulse generation based on spectralshaping and wavelength-to-time conversion,”IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,vol.55,no.9,1958-1963,2007;2).C.Wang and J.P.Yao,“Chirped microwave pulsegeneration based on optical spectral shaping and wavelength-to-time mapping using aSagnac-loop mirror incorporating a chirped fiber Bragg grating,”J.Lightw.Technol.,vol.27,no.16,pp.3336–3341,Aug.2009.这些方案充分体现了微波光子技术在产生啁啾微波脉冲信号带宽上的优势。

需要指出的是：上述技术方案存在一定的局限性。首先，波长-时域映射处理精度不高，这样将直接导致生成信号的参数不够精准（如，生成信号的中心载频要达到百MHz量级调控精度或偏差都存在较大困难）；其次，脉冲信号多维参数的独立、精确、快速调谐亦是一大挑战（改变滤波通带形状、频域整形的自由频谱区、色散值大小等操作大部分依靠物理动作完成，响应速度相对滞后）。再次，以上方案大多采用短脉冲光源、光频梳等，这些光源价格高、体积大、调谐复杂，不易于小型化、灵活化。

发明内容

鉴于以上陈述已有技术方案的不足，本发明旨在提供一种新颖的光子型啁啾(这里指频率啁啾)微波脉冲信号的产生方案，在保证大带宽前提下，使之克服现有技术的以上不足。

本发明的目的通过如下手段来实现。

一种基于电光外调制非线性效应的啁啾微波脉冲信号产生方法，通过如下的过程产生指定脉冲速率、脉宽和中心载频的啁啾微波脉冲信号：

在大信号调制模式下，由微波驱动信号在电光相位调制器中对连续光源的输出光实施相位调制；已调光信号经可调光延时模块构造出具有相对相移的两路相位调制信号；利用强度调制型时域开关构建一个周期性时域开关脉冲，实现对两路相位调制信号的非线性频率啁啾区域的选取；经光电转换器拍频产生指定脉冲速率、脉宽和中心载频的啁啾微波脉冲信号。

通过调整电光相位调制器的调制深度，啁啾微波脉冲信号的中心载频得以调节；共同调整电光相位调制器的调制深度与可调光延时模块在两路相位调制信号之间的相对时延，啁啾微波脉冲信号的啁啾特性得以改变；调整时域开关的周期脉冲包络的速率和占空比，啁啾微波脉冲信号的脉冲速率和脉宽得以调谐。

本发明的另一个目的是给出实施上述方法的啁啾微波脉冲信号产生装置：由单波长连续光源，电光相位调制器，可调光延时模块，强度调制型时域开关，光电转换器组成。

由连续波激光源产生一束单波长光波，经电光相位调制器实施大信号调制后，输出一个具有较大调制深度的相位调制信号。将已调光信号输入到可调光延时模块，在时域上实现具有相对相移的两个调相光信号。其中，可调光延时模块由两个3dB耦合器、一段可调光延时线和一段长度匹配光纤组成。然后，利用强度调制型时域开关构建一个开关型周期脉冲包络，用来选取两路已调光信号的非线性频率啁啾区域，进而产生啁啾光脉冲信号。其中，强度调制型时域开关功能由一个Mach-Zehnder调制器来实现。最后，通过光电转换器(又可称之为光探测器、光电探测器)，将啁啾光脉冲信号转化为啁啾微波脉冲信号。由于生成信号的中心载频很大程度上由大信号调制下的调制深度决定；微波频率啁啾特性（调频类型或调频斜率等）由相位调制深度和两路调相信号的相对相位延迟共同决定；脉冲速率、脉宽分别由时域开关的周期脉冲包络的速率和占空比决定。基于此，通过改变电光调制模块的相位调制深度，可调光延时模块的相对相位延迟，时域开关的速率和占空比，可以精确地控制生成信号的脉冲速率、脉宽和中心载频，进而实现多维参数可调谐的啁啾微波脉冲信号的光子学产生。

经过上述设计后，本发明具有如下优点：该方案系统结构简单，易于获得稳定的性能；脉冲信号的参数基本上由电驱动信号来决定和调控，因而脉冲信号参数的精度高；在不改变系统结构的基础上，能够实现啁啾微波脉冲信号多维参数的快速调谐，并且调谐灵活、可控。

附图说明：

图1.本发明方法的系统框图。

图2.本发明方法中啁啾微波脉冲信号生成原理。

图3.强度调制型时域开关的实现原理。

图4.级联型时域开关。(a)速率为0.8GHz的时域开关；(b)速率为1.6GHz的时域开关；(c)速率为0.8GHz的强度调制器级联型时域开关。

图5.在相位调制器的驱动信号为0.8GHz，调制深度为24.492，可调光延时模块的相对延时为0.9ns时：(a)两路具有相对相移的调相信号的相位变化；(b)可调光延时模块输出的调频光信号；(c)强度调制器级联型时域开关；(d)拍频得到的啁啾微波脉冲信号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述。

如图1所示，实现本发明方法的装置由单波长型连续光源10，电光相位调制器20，可调光延时模块30，强度调制型时域开关40，光电转换器50构成。图2给出了本装置产生啁啾微波信号的基本原理。

单波长型连续光源10产生一束频率为f_c的连续光波，其光场可以描述为：

E₁(t)＝E₀exp(j2πf_ct)   (1)

其中，E₀表示光场幅度。将光信号输入到电光相位调制器20。在相位调制器中，由一个具有较大功率的外加驱动信号一（其频率为f₁）对光信号实施大信号调制，得到的相位调制型光信号为：

E₂(t)＝E₀exp[j2πf_ct+jβcos(2πf₁t)]   (2)

其中，β表示调制深度。

然后，利用可调光延时模块30（由两个3dB耦合器、一段可调光延时线和一段长度匹配光纤组成），在时域上构造出具有相对相移的两路信号（调相光信号和自身延迟信号），叠加后的光场可由数学表达式描述为：

$>\left(\begin{array}{c}{E}_3\left(t\right)=\frac{1}{2}{E}_0\left\{\exp \right[j2\pi f_{c}t+\mathrm{j\beta }\cos \left(2\pi f_{1}t\right)]\\ +\exp [j2\pi f_c(t+\tau )+\mathrm{j\beta }\cos \left(2\pi f_1(t+\tau )\right)]\}\end{array}\right)---\left(3\right)$>

其中，τ为可调光延时线30在两路光信号之间引入的时延差。因此，通过调谐两路信号的时延差可以控制调相光信号和自身延迟信号之间的相对相移量。

接着，将可调光延时模块30输出的调制信号输入到强度调制型时域开关40中，施加驱动信号二（其频率为f₂）在时域上实现非线性频率啁啾区域的选取。这里，驱动信号一和驱动信号二是相位关联（phase-correlated）或者同源的。强度调制型时域开关40的功能由一个Mach-Zehnder调制器（MZM）来完成，其实现原理如图3所示。在MZM施加一个3V_π/2（其中，V_π为MZM的半波电压）的偏置电压；同时在MZM的射频端口，输入一个最大幅值为V_π/2微波信号，即可得到一个速率与所加驱动信号二相同的开关脉冲，其功率传输函数可以表示为：

$>H\left(t\right)=\frac{1}{2}\cos [\frac{\pi }{2}\cos (2\pi f_{2}t+\theta )+\frac{3\pi }{2}]+\frac{1}{2}---\left(4\right)$>

其中，θ为驱动信号二的初始相位。由式(4)可知：通过改变外加驱动信号的初始相位可以调整时域开关的选取区间。同时，如图4所示，通过级联多个MZM调制器，并施加不同频率的驱动信号，可以实现时域开关的不同占空比的控制。

最后，由光电转换器50，完成光信号到电信号的转换，产生啁啾微波脉冲信号：

其中，为光电转换器的响应系数(Responsibility)。

基于公式(5)的描述可以看出：调制深度β和可调光延时τ共同决定了信号的频率调制特性，而生成微波脉冲信号的脉冲速率、脉宽与周期性时域开关脉冲一致。所以，通过调节电光相位调制器的调制深度β，可以实现生成啁啾微波脉冲信号中心载频的调谐；共同调节电光相位调制模块的调制深度与可调光延时模块两路的相对时延，可以改变啁啾微波脉冲信号的啁啾特性；调节周期性时域开关脉冲的速率和占空比，可以实现啁啾微波脉冲信号的脉冲速率和脉宽的调谐。

图5给出了基于本发明方法和装置产生啁啾微波脉冲信号的实现过程。设定相位调制器的驱动信号一的频率为0.8GHz，调制深度为24.492；可调光延时模块引入的相对时延为0.9ns；级联的两个强度调制性型时域开关（即MZM）的驱动信号频率分别为0.8GHz和1.6GHz。图5(a)给出了调相信号经可调光延时模块30延时后，两路信号相对相位变化关系；在可调光延时模块30输出端口错位叠加后，光信号相对幅度变化如图5(b)所示；利用强度调制型时域开关40[其传输函数如图5(c)所示]选取非线性频率啁啾区域后，将调制信号输入到光电转换器中，最终产生了中心载频为28GHz，脉冲速率为0.8GHz，脉宽为0.5ns的啁啾微波脉冲信号，如图5(d)所示。

综合以上陈述，本发明具有如下特征。1).采用电光外调制非线性效应产生啁啾微波脉冲信号，无需频谱整形和波长-时间映射，生成信号参数精度高；2).通过联合控制相位调制器外的调制深度、可调光延时模块的相对时延和开关函数的速率与占空比，可以实现生成啁啾微波脉冲信号的脉冲速率、脉宽和中心载频的灵活调谐。

以上所陈述的仅仅是本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明方法和核心装置实质的前提下，在实际实施中可以做出若干更改和润色也应包含在本发明的保护范围以内。