專利名稱：一種在光子微波信號發(fā)生器中調(diào)節(jié)產(chǎn)生多種形狀脈沖的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光通訊領(lǐng)域，尤其是利用光子方法來產(chǎn)生微波信號的技術(shù)，適用于可調(diào)諧地產(chǎn)生不同包絡(luò)形狀的微波信號。
背景技術(shù)：
隨著微波通信技術(shù)的發(fā)展，微波信號發(fā)生設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用，如微波天線、軍用雷達以及不同的傳感網(wǎng)絡(luò)中。目前，微波信號的發(fā)生器主要采用的是微波電路技術(shù)，但隨著人們對大容量、超寬帶高速通信的迫切需求以及我國物聯(lián)網(wǎng)工程的進一步發(fā)展，對現(xiàn)有微波信號發(fā)生器的信號發(fā)生速率和可調(diào)諧性等提出了更高的要求。為此，近年來提出了一種通過光子的技術(shù)來產(chǎn)生微波信號的方法，即微波光子信號發(fā)生技術(shù)。該技術(shù)具有體積小、重 量輕、可調(diào)諧性強、抗電磁干擾等優(yōu)勢。同時，光頻域到時域映射的技術(shù)，即光傅里葉變換技術(shù)，是微波光子信號發(fā)生器中的一項常見技術(shù)，該技術(shù)是基于不同頻率的光信號在色散介質(zhì)中具有不同的傳輸速度的現(xiàn)象來實現(xiàn)的。目前基于光頻域到時域映射的技術(shù)來實現(xiàn)可調(diào)諧微波光子信號發(fā)生的方案主要有以下幾種(I)基于空間光調(diào)制塑形的技術(shù)，通過不同的空間光調(diào)制技術(shù)構(gòu)造出所需形狀的光譜，然后憑借著頻域到時域的映射和光電轉(zhuǎn)換則可得到所需形狀的微波信號，該方案的可調(diào)諧性強，但是空間光調(diào)制器件的結(jié)構(gòu)大、價格昂貴；(2)基于全光纖的光譜塑形的技術(shù)，通過全光纖結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧濾波器塑形隨后或者同時進行光頻域到時域的映射，再由光電轉(zhuǎn)換則可得到相應(yīng)形狀的微波信號。通過該種方案，目前已通過不同光譜構(gòu)造裝置實現(xiàn)了正弦信號、三角信號、超寬帶信號的產(chǎn)生，但是未能實現(xiàn)單一裝置中可調(diào)諧地產(chǎn)生正弦信號、三角信號、超寬帶信號；(3)基于全光纖光譜塑形和二階色散介質(zhì)的方案，該方案是方案二的一種擴展，通過二階的色散進行非線性的頻域到時域的映射則可使產(chǎn)生帶啁啾的微波信號。上述三種方案都是通過微波光子技術(shù)來實現(xiàn)可調(diào)諧微波信號的發(fā)生，其中方案一的可調(diào)諧性好，但是光譜塑形復(fù)雜，方案二、三提出了基于全光纖的不同的光譜塑形技術(shù)，但又不能實現(xiàn)單一模塊的任意微波信號的產(chǎn)生，靈活性差，制約了微波通信領(lǐng)域的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上缺點，本發(fā)明的目的是提供一種基于微波光子技術(shù)的可調(diào)諧微波信號發(fā)生器。本發(fā)明的目的是基于如下分析和方案提出和實現(xiàn)的—種在光子微波信號發(fā)生器中調(diào)節(jié)產(chǎn)生多種形狀脈沖的方法，以寬帶光源100、光強度調(diào)制器101、電脈沖發(fā)生器102、光纖布拉格光柵串103、可調(diào)帶通濾波器104、光放大器105、色散介質(zhì)106和光電轉(zhuǎn)換器107構(gòu)成微波信號發(fā)生器,其中光纖布拉格光柵(FBG)串103和可調(diào)帶通濾波器104構(gòu)成可調(diào)諧的光譜構(gòu)造單元108，在如上的基礎(chǔ)平臺上，通過對光譜構(gòu)造的形狀在色散介質(zhì)(106)中經(jīng)不同程度串?dāng)_疊加產(chǎn)生不同形狀的脈沖。寬帶光源具有較寬而平坦的光譜，通過光強度調(diào)制器將連續(xù)的光信號切斷為間隔的高斯信號，然后通過光譜構(gòu)造單元108中的光纖布拉格光柵(FBG)串103得到光纖串的透射光譜，然后由可調(diào)諧帶通濾波器進行選擇，構(gòu)成不同的“碼元形狀”。在特定色散量的線性色散介質(zhì)106中則可實現(xiàn)具有一定串?dāng)_度的頻域到時域的映射。通過合理地控制碼元形狀和串?dāng)_度，可以串?dāng)_疊加、映射產(chǎn)生不同包絡(luò)形狀的光信號。最后，通過高速的光電轉(zhuǎn)換后，則可以產(chǎn)生不同包絡(luò)形狀的微波信號。其中，串?dāng)_度的控制可以通過以下兩種方式實現(xiàn)1)調(diào)節(jié)色散量大小；2)調(diào)節(jié)強度調(diào)制器的調(diào)制信號碼率或碼型。色散量的調(diào)節(jié)會影響映射后產(chǎn)生信號的脈沖寬度，調(diào)制信號的調(diào)節(jié)會影響映射后產(chǎn)生信號的碼率。采用本發(fā)明相比于一般的微波電路技術(shù)，本發(fā)明采用的是微波光子技術(shù)，適合于高速的、頻譜范圍在I 50GHZ的任意微波信號的產(chǎn)生，具有重量輕、尺寸小、可調(diào)諧性大、抗電磁干擾等特點。與基于微波光子技術(shù)的可調(diào)諧微波信號發(fā)生器相比，其中可采用光譜塑形與頻域到時域映射技術(shù)相結(jié)合的方式來產(chǎn)生微波信號，但是其產(chǎn)生的微波信號的形狀僅依賴于光譜構(gòu)造技術(shù)。但是，本發(fā)明提出的微波信號脈沖形狀調(diào)節(jié)方法一方面能簡化光·譜塑造的復(fù)雜度，通過引入一定串?dāng)_的頻域到時域映射來豐富本發(fā)明產(chǎn)生的微波信號的包絡(luò)形狀。本發(fā)明靈活性高，功能多，操作簡單，可應(yīng)用于微波天線、雷達以及傳感網(wǎng)絡(luò)等多個重要的方面。


圖I為本發(fā)明中基于微波光子技術(shù)的可調(diào)諧微波信號發(fā)生器的基礎(chǔ)平臺示意圖；圖2為本發(fā)明的可調(diào)諧微波信號發(fā)生器的原理圖，其中(a)為光譜塑形的過程；(b)為通常的頻域到時域映射技術(shù)的原理；(C)為本發(fā)明的引入串?dāng)_的頻域到時域映射的
原理；圖3為本發(fā)明基礎(chǔ)平臺中的一種典型的可調(diào)諧光譜塑形單元的示意圖；圖4為本發(fā)明中調(diào)節(jié)產(chǎn)生多種形狀的周期性脈沖信號的方法示意圖；圖5為本發(fā)明中調(diào)節(jié)產(chǎn)生多種形狀的非周期性的脈沖信號的方法示意圖；圖6為通過本發(fā)明產(chǎn)生的5Gb/s正極性的一階的超寬帶微波信號的仿真和實驗結(jié)果圖；圖7為通過本發(fā)明產(chǎn)生的5Gb/s負(fù)極性的一階的超寬帶微波信號的仿真和實驗結(jié)果圖；圖8為通過本發(fā)明產(chǎn)生的lOGb/s三角型的微波信號的仿真和實驗結(jié)果具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。如圖I所示，本發(fā)明的基礎(chǔ)平臺由寬帶光源100、光強度調(diào)制器101、電脈沖發(fā)生器102、光纖布拉格光柵FBG串103、可調(diào)帶通濾波器104、光放大器105、色散介質(zhì)106和光電轉(zhuǎn)換器107構(gòu)成。其中，光纖布拉格光柵(FBG)串103和可調(diào)帶通濾波器104構(gòu)成了可調(diào)諧的光譜構(gòu)造單元108。圖2為本發(fā)明的可調(diào)諧微波信號發(fā)生器的原理圖。如圖(a)所示，光強度調(diào)制器101在電脈沖發(fā)生器102的控制下對寬帶連續(xù)光源100產(chǎn)生的光進行調(diào)制，生成了在時間上間斷的光脈沖串。然后，調(diào)制后的光信號通過可調(diào)諧的光譜構(gòu)造單元108進行光譜塑形。圖(b)為通常的頻域到時域映射的原理，由于不同頻率分量的光在色散介質(zhì)中傳播的速度不
同，通過線性色散介質(zhì)106引入一定的色散量,根據(jù)時域的Cittert-Zernike理論-若光
在單模光纖(線性色散介質(zhì))中傳輸時滿足|Φ2| σ〗/(2;τ) 時，其中Φ2為色散介質(zhì)的群速度時延(GDD)值，σ ^為輸入光脈沖的寬度，則可實現(xiàn)光頻域到時域的映射。在頻域到時域映射的過程中，每一個光強度調(diào)制產(chǎn)生的脈沖將一一對應(yīng)地映射產(chǎn)生一個與光譜形狀一致的時域波形。由于大量色散的引入，產(chǎn)生的時域波形的寬帶(AT)要遠(yuǎn)大于調(diào)制后的脈沖寬度。此時，若調(diào)制后的相鄰脈沖的時間間隔(1/B)小于映射后的時域波形的寬帶(AT)JlJ此時映射后的時域波形之間就會引入碼間串?dāng)_，如圖(C)所示。本發(fā)明正是通過引入適量碼間串?dāng)_的頻域到時域的映射，由簡單的光譜塑形來構(gòu)造出更加復(fù)雜形狀的光脈沖信號。最后，通過光電轉(zhuǎn)換則可以得到相應(yīng)形狀的微波信號。圖3為本發(fā)明的可調(diào)諧光譜構(gòu)造單元，由若干個不同中心波長、帶寬和反射率的布拉格光纖光柵級聯(lián)構(gòu)成一個“碼元模塊庫”，然后由一個帶寬和中心波長可調(diào)諧的帶通濾波器在該模塊庫中進行光譜選擇，則可以通過對帶通濾波器的調(diào)節(jié)得到多種光譜形狀，即碼元形狀。圖4為本發(fā)明中調(diào)節(jié)產(chǎn)生多種形狀的周期性脈沖信號的方法。在固定色散量時，通過改變調(diào)制后周期脈沖的時間間隔(1/B)，來引入適量的碼間串?dāng)_。脈沖時間間隔(1/B)增大，則串?dāng)_度減小，脈沖時間間隔(1/B)減小，則串?dāng)_度增力口。在固定調(diào)制電脈沖時，也可以通過增加色散量的大小來增加串?dāng)_度。此時，由于調(diào)制的電脈沖是周期性的，則串?dāng)_合成的信號也為周期性的。圖5為本發(fā)明中調(diào)節(jié)產(chǎn)生多種形狀的非周期性脈沖的方法。通過采用非周期的電脈沖來調(diào)制光信號，使得碼元間間隔不相等，因此按照上述相同的方式則可以引入不同程度的碼間串?dāng)_來產(chǎn)生多種形狀的非周期性信號。根據(jù)上述原理，我們構(gòu)建了一個基于微波光子技術(shù)的可調(diào)諧微波信號發(fā)生器的基礎(chǔ)平臺來驗證本發(fā)明方法的可行性，以下給出了部分典型實驗結(jié)果。其中，寬帶光源采用的是受激自發(fā)輻射光源ASE。圖6(a)為光譜構(gòu)造單元產(chǎn)生的光譜形狀，采用碼型為“010101”的10Gb/s電脈沖來調(diào)制，圖(b)為實驗中產(chǎn)生的5Gb/s正極性的一階的超寬帶信號形狀的光波形圖，其中插圖為仿真中相應(yīng)的碼元串?dāng)_情況。圖7(a)為光譜構(gòu)造單元產(chǎn)生的光譜形狀，由碼型為“010101”的lOGb/s電脈沖調(diào)制，圖(b)為實驗中產(chǎn)生的5Gb/s正極性的一階的超寬帶信號形狀的光波形圖。其中插圖為仿真中相應(yīng)的碼元串?dāng)_情況。圖8(a)為光譜構(gòu)造單元構(gòu)造的光譜形狀，碼型為“010101”的10Gb/s電信號進行調(diào)制，圖(b)為實驗中產(chǎn)生的IOGb/三角型光波形圖。其中插圖為仿真中相應(yīng)的碼元串?dāng)_情況。
權(quán)利要求
1.一種在光子微波信號發(fā)生器中調(diào)節(jié)實現(xiàn)產(chǎn)生多種形狀脈沖的方法，以寬帶光源(100)、光強度調(diào)制器(101)、電脈沖發(fā)生器(102)、光纖布拉格光柵串(103)、可調(diào)帶通濾波器(104)、光放大器(105)、色散介質(zhì)(106)和光電轉(zhuǎn)換器(107)構(gòu)成微波信號發(fā)生器,其中光纖布拉格光柵(FBG)串(103)和可調(diào)帶通濾波器(104)構(gòu)成可調(diào)諧的光譜構(gòu)造單元(108)，在如上的基礎(chǔ)平臺上，通過對光譜構(gòu)造的形狀在色散介質(zhì)(106)中經(jīng)不同程度串?dāng)_疊加產(chǎn)生不同形狀的脈沖。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述之一種在光子微波信號發(fā)生器中調(diào)節(jié)產(chǎn)生多種形狀脈沖的方法，其特征在于，所述寬帶光源為具有相對光譜寬度的連續(xù)光源，可為鎖模激光器、受激自發(fā)輻射光源ASE。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述之一種在光子微波信號發(fā)生器中調(diào)節(jié)產(chǎn)生多種形狀脈沖的方法，其特征在于，所述光譜構(gòu)造單元中光纖布拉格光柵可為任意規(guī)格的帶阻型濾波器，且可進行任意多個光纖布拉格光柵自由分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述之一種在光子微波信號發(fā)生器中調(diào)節(jié)產(chǎn)生多種形狀脈沖的方法，其特征在于，所述色散介質(zhì)可以為包括不同種類光纖、光柵在內(nèi)的線性或非線性色散介質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在光子微波信號發(fā)生器中調(diào)節(jié)產(chǎn)生多種形狀脈沖的方法，以寬帶光源(100)、光強度調(diào)制器(101)、電脈沖發(fā)生器(102)、光纖布拉格光柵串(103)、可調(diào)帶通濾波器(104)、光放大器(105)、色散介質(zhì)(106)和光電轉(zhuǎn)換器(107)構(gòu)成微波信號發(fā)生器，其中光纖布拉格光柵(FBG)串(103)和可調(diào)帶通濾波器(104)構(gòu)成可調(diào)諧的光譜構(gòu)造單元(108)，在如上的基礎(chǔ)平臺上，通過對光譜構(gòu)造的形狀在色散介質(zhì)(106)中經(jīng)不同程度串?dāng)_疊加產(chǎn)生不同形狀的脈沖。本發(fā)明方法結(jié)構(gòu)簡單、可調(diào)諧性好，可應(yīng)用于微波天線、軍用雷達、傳感網(wǎng)絡(luò)等多個重要方面。
文檔編號H04B1/7163GK102882553SQ201210332150
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月10日
發(fā)明者姜恒云, 閆連山, 葉佳, 孫亞飛, 陳智宇, 潘煒, 羅斌 申請人:西南交通大學(xué)