一种在光子微波信号发生器中调节产生多种形状脉冲的方法

摘要

本发明公开了一种在光子微波信号发生器中调节产生多种形状脉冲的方法，以宽带光源(100)、光强度调制器(101)、电脉冲发生器(102)、光纤布拉格光栅串(103)、可调带通滤波器(104)、光放大器(105)、色散介质(106)和光电转换器(107)构成微波信号发生器，其中光纤布拉格光栅(FBG)串(103)和可调带通滤波器(104)构成可调谐的光谱构造单元(108)，在如上的基础平台上，通过对光谱构造的形状在色散介质(106)中经不同程度串扰叠加产生不同形状的脉冲。本发明方法结构简单、可调谐性好，可应用于微波天线、军用雷达、传感网络等多个重要方面。

说明书

技术领域

本发明涉及光通讯领域，尤其是利用光子方法来产生微波信号的技术，适用于可调谐地产生不同包络形状的微波信号。

背景技术

随着微波通信技术的发展，微波信号发生设备得到了广泛应用，如微波天线、军用雷达以及不同的传感网络中。目前，微波信号的发生器主要采用的是微波电路技术，但随着人们对大容量、超宽带高速通信的迫切需求以及我国物联网工程的进一步发展，对现有微波信号发生器的信号发生速率和可调谐性等提出了更高的要求。为此，近年来提出了一种通过光子的技术来产生微波信号的方法，即微波光子信号发生技术。该技术具有体积小、重量轻、可调谐性强、抗电磁干扰等优势。同时，光频域到时域映射的技术，即光傅里叶变换技术，是微波光子信号发生器中的一项常见技术，该技术是基于不同频率的光信号在色散介质中具有不同的传输速度的现象来实现的。

目前基于光频域到时域映射的技术来实现可调谐微波光子信号发生的方案主要有以下几种：(1)基于空间光调制塑形的技术，通过不同的空间光调制技术构造出所需形状的光谱，然后凭借着频域到时域的映射和光电转换则可得到所需形状的微波信号，该方案的可调谐性强，但是空间光调制器件的结构大、价格昂贵；(2)基于全光纤的光谱塑形的技术，通过全光纤结构的可调谐滤波器塑形随后或者同时进行光频域到时域的映射，再由光电转换则可得到相应形状的微波信号。通过该种方案，目前已通过不同光谱构造装置实现了正弦信号、三角信号、超宽带信号的产生，但是未能实现单一装置中可调谐地产生正弦信号、三角信号、超宽带信号；(3)基于全光纤光谱塑形和二阶色散介质的方案，该方案是方案二的一种扩展，通过二阶的色散进行非线性的频域到时域的映射则可使产生带啁啾的微波信号。

上述三种方案都是通过微波光子技术来实现可调谐微波信号的发生，其中方案一的可调谐性好，但是光谱塑形复杂，方案二、三提出了基于全光纤的不同的光谱塑形技术，但又不能实现单一模块的任意微波信号的产生，灵活性差，制约了微波通信领域的发展。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是提供一种基于微波光子技术的可调谐微波信号发生器。

本发明的目的是基于如下分析和方案提出和实现的：

一种在光子微波信号发生器中调节产生多种形状脉冲的方法，以宽带光源100、光强度调制器101、电脉冲发生器102、光纤布拉格光栅串103、可调带通滤波器104、光放大器105、色散介质106和光电转换器107构成微波信号发生器，其中光纤布拉格光栅(FBG)串103和可调带通滤波器104构成可调谐的光谱构造单元108，在如上的基础平台上，通过对光谱构造的形状在色散介质(106)中经不同程度串扰叠加产生不同形状的脉冲。

宽带光源具有较宽而平坦的光谱，通过光强度调制器将连续的光信号切断为间隔的高斯信号，然后通过光谱构造单元108中的光纤布拉格光栅(FBG)串103得到光纤串的透射光谱，然后由可调谐带通滤波器进行选择，构成不同的“码元形状”。在特定色散量的线性色散介质106中则可实现具有一定串扰度的频域到时域的映射。通过合理地控制码元形状和串扰度，可以串扰叠加、映射产生不同包络形状的光信号。最后，通过高速的光电转换后，则可以产生不同包络形状的微波信号。其中，串扰度的控制可以通过以下两种方式实现：1)调节色散量大小；2)调节强度调制器的调制信号码率或码型。色散量的调节会影响映射后产生信号的脉冲宽度，调制信号的调节会影响映射后产生信号的码率。

采用本发明相比于一般的微波电路技术，本发明采用的是微波光子技术，适合于高速的、频谱范围在1～50GHz的任意微波信号的产生，具有重量轻、尺寸小、可调谐性大、抗电磁干扰等特点。与基于微波光子技术的可调谐微波信号发生器相比，其中可采用光谱塑形与频域到时域映射技术相结合的方式来产生微波信号，但是其产生的微波信号的形状仅依赖于光谱构造技术。但是，本发明提出的微波信号脉冲形状调节方法一方面能简化光谱塑造的复杂度，通过引入一定串扰的频域到时域映射来丰富本发明产生的微波信号的包络形状。本发明灵活性高，功能多，操作简单，可应用于微波天线、雷达以及传感网络等多个重要的方面。

附图说明：

图1为本发明中基于微波光子技术的可调谐微波信号发生器的基础平台示意图；

图2为本发明的可调谐微波信号发生器的原理图，其中(a)为光谱塑形的过程；(b)为通常的频域到时域映射技术的原理；(c)为本发明的引入串扰的频域到时域映射的原理；

图3为本发明基础平台中的一种典型的可调谐光谱塑形单元的示意图；

图4为本发明中调节产生多种形状的周期性脉冲信号的方法示意图；

图5为本发明中调节产生多种形状的非周期性的脉冲信号的方法示意图；

图6为通过本发明产生的5Gb/s正极性的一阶的超宽带微波信号的仿真和实验结果图；

图7为通过本发明产生的5Gb/s负极性的一阶的超宽带微波信号的仿真和实验结果图；

图8为通过本发明产生的10Gb/s三角型的微波信号的仿真和实验结果图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明的基础平台由宽带光源100、光强度调制器101、电脉冲发生器102、光纤布拉格光栅FBG串103、可调带通滤波器104、光放大器105、色散介质106和光电转换器107构成。其中，光纤布拉格光栅(FBG)串103和可调带通滤波器104构成了可调谐的光谱构造单元108。

图2为本发明的可调谐微波信号发生器的原理图。如图(a)所示，光强度调制器101在电脉冲发生器102的控制下对宽带连续光源100产生的光进行调制，生成了在时间上间断的光脉冲串。然后，调制后的光信号通过可调谐的光谱构造单元108进行光谱塑形。图(b)为通常的频域到时域映射的原理，由于不同频率分量的光在色散介质中传播的速度不同，通过线性色散介质106引入一定的色散量，根据时域的Cittert-Zernike理论——若光在单模光纤(线性色散介质)中传输时满足时，其中Φ₂为色散介质的群速度时延(GDD)值，σ₀为输入光脉冲的宽度，则可实现光频域到时域的映射。在频域到时域映射的过程中，每一个光强度调制产生的脉冲将一一对应地映射产生一个与光谱形状一致的时域波形。由于大量色散的引入，产生的时域波形的宽带(ΔT)要远大于调制后的脉冲宽度。此时，若调制后的相邻脉冲的时间间隔(1/B)小于映射后的时域波形的宽带(ΔT)，则此时映射后的时域波形之间就会引入码间串扰，如图(c)所示。本发明正是通过引入适量码间串扰的频域到时域的映射，由简单的光谱塑形来构造出更加复杂形状的光脉冲信号。最后，通过光电转换则可以得到相应形状的微波信号。

图3为本发明的可调谐光谱构造单元，由若干个不同中心波长、带宽和反射率的布拉格光纤光栅级联构成一个“码元模块库”，然后由一个带宽和中心波长可调谐的带通滤波器在该模块库中进行光谱选择，则可以通过对带通滤波器的调节得到多种光谱形状，即码元形状。

图4为本发明中调节产生多种形状的周期性脉冲信号的方法。在固定色散量时，通过改变调制后周期脉冲的时间间隔(1/B)，来引入适量的码间串扰。脉冲时间间隔(1/B)增大，则串扰度减小，脉冲时间间隔(1/B)减小，则串扰度增加。在固定调制电脉冲时，也可以通过增加色散量的大小来增加串扰度。此时，由于调制的电脉冲是周期性的，则串扰合成的信号也为周期性的。

图5为本发明中调节产生多种形状的非周期性脉冲的方法。通过采用非周期的电脉冲来调制光信号，使得码元间间隔不相等，因此按照上述相同的方式则可以引入不同程度的码间串扰来产生多种形状的非周期性信号。

根据上述原理，我们构建了一个基于微波光子技术的可调谐微波信号发生器的基础平台来验证本发明方法的可行性，以下给出了部分典型实验结果。其中，宽带光源采用的是受激自发辐射光源ASE。

图6(a)为光谱构造单元产生的光谱形状，采用码型为“010101”的10Gb/s电脉冲来调制，图(b)为实验中产生的5Gb/s正极性的一阶的超宽带信号形状的光波形图，其中插图为仿真中相应的码元串扰情况。

图7(a)为光谱构造单元产生的光谱形状，由码型为“010101”的10Gb/s电脉冲调制，图(b)为实验中产生的5Gb/s正极性的一阶的超宽带信号形状的光波形图。其中插图为仿真中相应的码元串扰情况。

图8(a)为光谱构造单元构造的光谱形状，  码型为“010101”的10Gb/s电信号进行调制，图(b)为实验中产生的10Gb/三角型光波形图。其中插图为仿真中相应的码元串扰情况。