本發(fā)明涉及調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)的生成，尤其是涉及一種頻率和波長(zhǎng)雙重可調(diào)諧的調(diào)頻連續(xù)波光載信號(hào)生成系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

線(xiàn)性調(diào)頻連續(xù)波或線(xiàn)性啁啾信號(hào)在現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)成像、射頻通信等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)基于電學(xué)方法和器件的信號(hào)產(chǎn)生由于電子瓶頸的限制，工作中心頻率很難達(dá)到微波、毫米波頻段，而且其帶寬也大大受限，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代高分辨率雷達(dá)應(yīng)用的需求。相比于電學(xué)方法，基于光學(xué)方法的調(diào)頻連續(xù)波產(chǎn)生則有著高頻率，寬帶寬的巨大優(yōu)勢(shì)。而且考慮到微波毫米波在空氣中衰減很大，結(jié)合Radio-over-Fiber(ROF)技術(shù)可方便實(shí)現(xiàn)在多雷達(dá)頭分布系統(tǒng)中的信號(hào)分配。

目前已有多種基于光學(xué)方法的調(diào)頻連續(xù)波實(shí)現(xiàn)方案報(bào)道，包括：光頻譜整形和波長(zhǎng)到時(shí)域的映射、光外差、外調(diào)制等。

光頻譜整形技術(shù)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)頻譜整形器的頻率響應(yīng)，使其頻率響應(yīng)形狀與需要產(chǎn)生信號(hào)的時(shí)域波形相同，然后通過(guò)色散器件進(jìn)行波長(zhǎng)到時(shí)域的映射得到所需信號(hào)。典型的頻譜整形器間包括空間光調(diào)制器，線(xiàn)性啁啾布拉格光柵等。由于頻譜整形器件的頻譜響應(yīng)固定，因此該方法的主要缺點(diǎn)是中心頻率和帶寬固定，可重構(gòu)性差。

光外差是通過(guò)兩個(gè)有一定頻差的激光器直接在探測(cè)器上拍頻來(lái)產(chǎn)生毫米波信號(hào)，若其中一個(gè)激光器具有快速調(diào)諧功能，則可以產(chǎn)生調(diào)頻連續(xù)波。但由于兩個(gè)激光器的相位不相關(guān)，產(chǎn)生的信號(hào)則會(huì)不穩(wěn)定。此外，由于光波的頻率相對(duì)微波、毫米波頻率要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此需要嚴(yán)格精確的控制激光器的波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)難度比較大。為了使進(jìn)行拍頻的兩個(gè)光信號(hào)相位相關(guān)，一種改進(jìn)的方案是自外差，利用任意信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生二次信號(hào)電流，對(duì)分布反饋(DFB)激光器調(diào)制后得到二次頻率調(diào)制的光脈沖，然后用馬赫曾德干涉儀(MZI)分為2路，對(duì)一路信號(hào)進(jìn)行延時(shí)后與另一路信號(hào)拍頻就可得到線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)。這種方法對(duì)DFB的電流調(diào)諧精確度與調(diào)諧速度要求較高，同時(shí)要求DFB在快速調(diào)諧過(guò)程中保持信號(hào)穩(wěn)定。另外的一種對(duì)系統(tǒng)需求要求較低的方法是外調(diào)制，通過(guò)低頻穩(wěn)定的線(xiàn)性調(diào)頻電信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，利用激光器或光學(xué)器件的非線(xiàn)性效應(yīng)產(chǎn)生多個(gè)諧波，然后選取所需的諧波拍頻從而實(shí)現(xiàn)倍頻功能。但系統(tǒng)一般利用了強(qiáng)度調(diào)制器或相位調(diào)制器等調(diào)制器件，產(chǎn)生光學(xué)諧波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，一方面其性能受外調(diào)制器的影響，另一方面引入了額外的插入損耗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本文提出一種基于增益開(kāi)關(guān)機(jī)理和利用波長(zhǎng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生高頻調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)的系統(tǒng)，具有中心頻率及光信號(hào)波長(zhǎng)雙重可調(diào)諧性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活，沒(méi)有額外的插入損耗，使用2GHz的中心頻率就可實(shí)現(xiàn)10倍頻20GHz的信號(hào)輸出，易于擴(kuò)展。此外由于采用了可調(diào)諧激光器，結(jié)合陣列波導(dǎo)光柵等波分復(fù)用/解復(fù)用器件就可方便實(shí)現(xiàn)雷達(dá)分布系統(tǒng)的信號(hào)選路，具有實(shí)用性。具體技術(shù)方案如下：

一種頻率和波長(zhǎng)雙重可調(diào)諧的調(diào)頻連續(xù)波光載信號(hào)生成系統(tǒng)，包括依次連接的信號(hào)發(fā)生器、可調(diào)諧激光器、光信號(hào)放大器、濾波器和陣列波導(dǎo)光柵；

所述的信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生調(diào)制激光器的低頻調(diào)頻連續(xù)波；

所述的可調(diào)諧激光器根據(jù)所接受的低頻調(diào)頻連續(xù)波，輸出強(qiáng)度調(diào)制與相位調(diào)制后的光譜信號(hào)；

所述的光信號(hào)放大器用于對(duì)所述的光譜信號(hào)放大處理；

所述的濾波器用于在放大后的光譜信號(hào)中濾出間隔的兩個(gè)光邊帶，得到高頻調(diào)頻連續(xù)波光載信號(hào)；

所述的陣列波導(dǎo)光柵用于輸出所述的高頻調(diào)頻連續(xù)波光載信號(hào)。

進(jìn)一步的，所述的可調(diào)諧激光器為V型耦合腔半導(dǎo)體可調(diào)諧激光器。

本發(fā)明中的系統(tǒng)還包括接入所述可調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)控制器，用于控制輸出光譜信號(hào)的波長(zhǎng)。

優(yōu)選的，所述的光信號(hào)放大器采用摻鉺光纖放大器。

進(jìn)一步的，所述可調(diào)諧激光器輸出的光譜信號(hào)對(duì)應(yīng)的公式為：

式中，J_n(x)為一階貝塞爾函數(shù),f₀為光波頻率，i為虛數(shù)符號(hào)，f為激光器頻率，f₀為激光器輸出中心頻率，δ為沖激函數(shù)，n為整數(shù)，Δf為由于調(diào)制引起的最大頻率偏移，Δf/f_mt為調(diào)頻指數(shù)，f_m,t為調(diào)制頻率，M為調(diào)制指數(shù)，φ為強(qiáng)度調(diào)制與相位調(diào)制的相位延時(shí)，與偏置電流與調(diào)制頻率有關(guān)。

相比于基于外調(diào)制的方案，本發(fā)明的系統(tǒng)可比較容易實(shí)現(xiàn)5倍頻甚至10倍頻的信號(hào)產(chǎn)生，產(chǎn)生的信號(hào)質(zhì)量好，具有中心頻率與波長(zhǎng)雙重可調(diào)諧性，所需調(diào)制信號(hào)的功率也比較低；同時(shí)，本發(fā)明的系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)能很容易擴(kuò)展到毫米波段，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)電信號(hào)的要求大大降低。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明中高頻調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)框圖；

圖2為激光器調(diào)諧光譜圖；

圖3為利用低頻信號(hào)產(chǎn)生高頻調(diào)頻連續(xù)波的實(shí)驗(yàn)裝置圖；

圖4為頻譜儀測(cè)得的頻譜圖；

圖5為調(diào)制頻率為1GHz時(shí)所得的電譜圖；

圖6為調(diào)制頻率為3GHz時(shí)所得的電譜圖；

圖7為截取的9.75GHz到10.25GHz的頻譜圖。

具體實(shí)施方式

圖1為高頻調(diào)頻連續(xù)波光載信號(hào)產(chǎn)生原理框圖，圖中SG為信號(hào)發(fā)生器，Wavelength Control表示波長(zhǎng)控制器，TLD為可調(diào)諧激光器(也稱(chēng)激光器)，EDFA為摻鉺光纖放大器，F(xiàn)ilter為濾波器，AWG為陣列波導(dǎo)光柵。一般來(lái)講，雙波束調(diào)頻連續(xù)波干涉采用的調(diào)頻技術(shù)有三種：鋸齒波，三角波和正弦波。鋸齒波與三角波調(diào)頻統(tǒng)稱(chēng)為線(xiàn)性調(diào)頻，雷達(dá)系統(tǒng)大都采用三角波調(diào)頻系統(tǒng)。上圖中信號(hào)發(fā)生器(SG)用于產(chǎn)生低頻調(diào)頻連續(xù)波，直接調(diào)制激光器后，會(huì)同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)度調(diào)制與相位調(diào)制，也就是啁啾效應(yīng)。對(duì)應(yīng)的輸出光譜可用如下公式描述：

式中，J_n(x)為一階貝塞爾函數(shù),f₀為光波頻率，Δf為由于調(diào)制引起的最大頻率偏移，Δf/f_mt為調(diào)頻指數(shù)，f_mt為調(diào)制頻率，M為調(diào)制指數(shù)，φ為強(qiáng)度調(diào)制與相位調(diào)制的相位延時(shí)，與偏置電流與調(diào)制頻率有關(guān)。從上述公式中我們可以看到，直接調(diào)制激光器其光譜會(huì)出現(xiàn)多個(gè)邊帶，即光譜呈現(xiàn)出光梳。雖然調(diào)制頻率的改變會(huì)引起調(diào)頻指數(shù)的變化，但相鄰光邊帶頻率間隔不變，而且其間隔與調(diào)制頻率相同。此外，還可以看出激光器的各個(gè)光邊帶功率與偏置電流和調(diào)制指數(shù)相關(guān)，將激光器偏置在閾值附近，加大調(diào)制指數(shù)，使激光器工作在增益開(kāi)關(guān)^[5]機(jī)制下，可以得到比較平坦的光梳，方便濾波處理。產(chǎn)生光梳后用濾波器濾出所需間隔的兩個(gè)光邊帶就得到了高頻調(diào)頻連續(xù)波光載信號(hào)。由于采用低頻穩(wěn)定的調(diào)頻源通過(guò)光學(xué)倍頻實(shí)現(xiàn)高頻調(diào)頻信號(hào)的輸出，通過(guò)改變調(diào)頻源的中心頻率就可實(shí)現(xiàn)頻率可調(diào)性。此外，基于光學(xué)方法的產(chǎn)生機(jī)制可在光域上實(shí)現(xiàn)放大與濾波，信號(hào)質(zhì)量更好。

本實(shí)施例中，激光器采用的是實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的V型耦合腔半導(dǎo)體可調(diào)諧激光器。圖2為激光器的調(diào)諧光譜圖。激光器結(jié)構(gòu)由兩個(gè)不同長(zhǎng)度的法布里珀羅腔通過(guò)半波耦合器成一定角度連在一起，一端通過(guò)半波耦合器耦合在一起，另一端不耦合形成V型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)好其中一個(gè)腔的腔長(zhǎng)為466um使其諧振波長(zhǎng)間隔為0.8nm，另外一個(gè)腔長(zhǎng)度稍長(zhǎng)5％，其諧振波長(zhǎng)則稍微偏離0.8nm，這樣在材料增益窗口中，兩個(gè)腔的諧振波長(zhǎng)只有一個(gè)重合因而實(shí)現(xiàn)激光器的單模。由于激光器的波長(zhǎng)是通過(guò)兩個(gè)腔的諧振波長(zhǎng)重合而決定，因此改變激光器的注入電流，引起材料有效折射率的變化就可以使重合的諧振波長(zhǎng)發(fā)生跳變，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧，也就是所謂的游標(biāo)效應(yīng)。具體來(lái)說(shuō)，激光器由三個(gè)電極控制，分別稱(chēng)為長(zhǎng)腔電極、短腔電極、耦合腔電極。調(diào)節(jié)長(zhǎng)腔電極的電流或激光器工作溫度就可改變波長(zhǎng)，調(diào)諧波長(zhǎng)間隔為0.8nm，適合于波分復(fù)用系統(tǒng)。調(diào)制信號(hào)加在耦合腔電極上，控制激光器的功率輸出，對(duì)激光器波長(zhǎng)影響不大。因此采用該激光器簡(jiǎn)單地調(diào)節(jié)激光器的偏置電流就可切換不同的波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)選路的目的。

圖3為利用低頻信號(hào)產(chǎn)生高頻調(diào)頻連續(xù)波的實(shí)驗(yàn)裝置圖。圖中DC bias為直流偏置，PD為光電探測(cè)器，ESA表示電頻譜分析儀。實(shí)驗(yàn)所用激光器的閾值測(cè)得約為30mA。首先用單頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，由于調(diào)制頻率較低，無(wú)法在光域上觀(guān)察到光調(diào)制邊帶，故激光器輸出經(jīng)過(guò)EDFA放大后直接注入到探測(cè)器上，然后通過(guò)帶寬為32GHz的頻譜儀檢測(cè)電信號(hào)，在頻譜儀上觀(guān)察就可看到多個(gè)諧波。

設(shè)置偏置電流為38mA，調(diào)制頻率為2GHz，功率為5dBm，EDFA輸出光功率為2dBm。圖4為頻譜儀測(cè)得的頻譜圖，可看到2GHz的信號(hào)輸入可實(shí)現(xiàn)10倍頻20GHz的信號(hào)輸出，信噪比約為15dB。

調(diào)頻連續(xù)波中心頻率的可調(diào)諧性可通過(guò)簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)調(diào)制頻率獲得，圖5和圖6為調(diào)制頻率分別為1GHz與3GHz時(shí)所得的電譜圖，均可實(shí)現(xiàn)5倍頻以上。

接下來(lái)設(shè)置信號(hào)發(fā)生器使其輸出中心頻率為2GHz，帶寬為100MHz的低頻調(diào)頻信號(hào)，選擇5倍頻輸出，即可得到中心頻率為10GHz，調(diào)制帶寬為500MHz的高頻調(diào)頻連續(xù)波。圖7為截取的9.75GHz到10.25GHz的頻譜圖，從圖中可看到其信噪比超過(guò)30dB。然后我們改變激光器的偏置電流，可觀(guān)察到電信號(hào)并未受到影響，但光信號(hào)波長(zhǎng)發(fā)生變化，因此利用該激光器實(shí)現(xiàn)多通道的選路而不會(huì)使調(diào)制信號(hào)發(fā)生改變。

相比于基于外調(diào)制的方案，本系統(tǒng)可比較容易實(shí)現(xiàn)5倍頻甚至10倍頻的信號(hào)產(chǎn)生，產(chǎn)生的信號(hào)質(zhì)量好，所需調(diào)制信號(hào)的功率也比較低。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)證明了該系統(tǒng)用低頻信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)毫米波調(diào)頻連續(xù)波的可行性。

本發(fā)明提出的基于增益開(kāi)關(guān)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的調(diào)頻連續(xù)波實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。采用中心頻率為2GHz，帶寬為100MHz的低頻調(diào)制信號(hào)得到了中心頻率為10GHz，帶寬為500MHz的調(diào)頻連續(xù)波光載信號(hào)，具有中心頻率與波長(zhǎng)雙重可調(diào)諧性，可以方便利用ROF技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于光纖的多雷達(dá)頭分布系統(tǒng)。此外，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，基于此方法產(chǎn)生的信號(hào)能很容易擴(kuò)展到毫米波段，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)電信號(hào)的要求大大降低。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施舉例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。