宽带低噪声微波光子链路

技术领域

本发明属于微波光子技术领域，涉及一种宽带低噪声微波光子链路。

背景技术

微波光子技术是将光子技术与微波技术进行深度融合而形成的一门新技术，它具有微波技术的灵活泛在优势，同时也具有光子技术的宽带低传输损耗优势，因此微波光子技术在国内外得到了广泛研究。微波光子技术具有诸多优点，包括工作频段宽、瞬时带宽大、传输距离远、并行能力强、重量轻、可高密度集成、抗电磁干扰等，因此微波光子技术在雷达、通信、电子对抗及测量测控等军民两用领域具有极大的应用潜力。

虽然微波光子技术有很多的优势，但是由于微波光子链路核心的激光器、调制器、光电探测器均为有源器件，在微波信号的电光光电转换过程中会引入额外的噪声，再经过光放大器放大后会进一步恶化噪声性能，高的噪声会降低系统的灵敏度、动态范围、探测精度等关键性能指标，因此抑制噪声成为实现高性能微波光子系统的关键。文献报导了诸如采用调制器低偏或者采用平衡探测器等方案来降低噪声系数，但是调制器低偏会极大的牺牲带宽；平衡探测方案不仅会增加系统复杂度，并且不能拉远，从而限制了微波光子技术的应用。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种宽带低噪声微波光子链路。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种宽带低噪声微波光子链路，包括低噪声光源、与低噪声光源连接的调制器以及与调制器连接的光电探测器，所述低噪声光源用于生成激光信号，并对激光信号依次进行光放大和窄带光子滤波，从而输出大功率低噪声的激光信号作为电光强度调制器的光载波。

进一步的，所述低噪声光源包括

激光器组件，用于输出激光信号；

光放大器，用于对激光器组件输出的激光信号进行功率放大，输出大功率的激光信号；

光滤波器，所述光滤波器为窄带光子滤波器，用于对光放大单元输出的大功率激光信号进行信号选通与噪声抑制，输出大功率低噪声的激光信号；以及

波长锁定单元，用于根据窄带光子滤波器滤波后输出的激光信号的功率变化情况调控激光器组件输出激光的波长，从而锁定激光器组件输出的激光信号的波长。

进一步的，所述激光器组件包括大功率低噪声DFB激光器、激光器自动温度控制电路及激光器自动功率控制电路。

进一步的，波长锁定单元锁定激光器组件输出的激光信号波长的控制方法包括以下步骤：

S101、大功率低噪声DFB激光器上电启动；

S102、增大激光器自动温度控制电路的半导体制冷器的制冷电流；

S103、检测经窄带光子滤波器滤波后输出的激光信号的功率变化情况，如果所述激光信号的功率增大，则返回执行S102步骤；否则，执行S104步骤；

S104、减小激光器自动温度控制电路的半导体制冷器的制冷电流；

S105、检测经窄带光子滤波器滤波后输出的激光信号的功率变化情况，如果所述激光信号的功率增大，则返回执行S104步骤；否则，返回执行S102步骤。

进一步的，所述光放大器为高功率掺铒光纤放大器。

进一步的，所述调制器包括电光强度调制器及偏置控制电路；所述光电探测器为宽带高速光电探测器。

进一步的，所述窄带光子滤波器的通带形状为高斯滤波形状。

进一步的，所述窄带光子滤波器包括马赫曾德尔干涉仪和微环谐振器，所述马赫曾德尔干涉仪设有第一干涉臂和第二干涉臂，所述微环谐振器与马赫曾德尔干涉仪的第一干涉臂光耦合，所述马赫曾德尔干涉仪的第二干涉臂分别与波长锁定单元和调制器连接。

进一步的，所述窄带光子滤波器采用氮化硅波导制成。

进一步的，所述窄带光子滤波器的传输函数为

其中，T

本发明中，采用光放大提高激光源光功率可大幅提升微波光链路的传输效率，较常规水平可提高一个数量级。采用在电光调制前级利用光滤波抑制激光源RI N噪声，不仅具有噪声抑制度高的优点，噪声系数可改善一个数量级以上，而且可以突破传统低偏降噪方案存在的亚倍频程工作的限制实现跨倍频程的大带宽工作；因此，本实施例的宽带低噪声微波光子链路可在雷达、电子战、通信、导航、监测等应用领域中发挥重要的作用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明宽带低噪声微波光子链路一实施方式的功能框图。

图2为窄带光子滤波器结构的示意图。

图3为锁定激光器组件输出的激光信号波长的流程图。

图4为在正交偏置条件下，对光链路射频传输效率随光电流之间的变化关系进行仿真的示意图。

图5为光放大滤波对光源相对强度噪声改善的频谱过程的示意图。

图6为不同RIN噪声条件下链路噪声系数随光电流的变化关系对比图。

图7为仿真得到的窄带光子滤波器的幅频响应曲线。

图8为不同光场耦合系数κ条件下T

图9为抑制RIN噪声后微波光子链路噪声系数对比仿真结果图。

激光器组件-1；光放大器-2；光滤波器-3；波长锁定单元-4；电光强度调制器-5；偏置控制电路-6；光电探测器-7；第一干涉臂-31a；第二干涉臂-31b；微环谐振器-32。

具体实施方式

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。

请参阅图1，图1为本发明宽带低噪声微波光子链路一实施方式的结构框图。本实施方式宽带低噪声微波光子链路包括低噪声光源、与低噪声光源连接的调制器以及与调制器连接的光电探测器7。其中，所述低噪声光源用于生成激光信号，并对激光信号依次进行光放大和窄带光子滤波，从而输出大功率低噪声的激光信号作为电光强度调制器5的光载波。所述调制器包括电光强度调制器5及偏置控制电路6；所述电光强度调制器5为铌酸锂电光强度调制器(EOM)，所述光电探测器7为宽带高速光电探测器。

请继续参阅图1，所述低噪声光源可以包括激光器组件1、光放大器2、光滤波器3和波长锁定单元4。所述激光器用于输出激光信号；本实施例中，所述激光器组件1包括大功率低噪声DFB激光器(以下简称DFB激光器)、激光器自动温度控制(ATC)电路及激光器自动功率控制(APC)电路；上述结构为激光器组件1的一种常规结构，在此不作赘述。所述光放大器2用于对DFB激光器输出的激光信号进行功率放大，输出大功率的激光信号。本实施例中，所述光放大器2采用高功率掺铒光纤放大器(EDFA)。为了能对低频信号进行噪声抑制要求光滤波器3的带宽需要足够的窄，从而对激光器近载波端与离载波较远频率区域噪声进行抑制。而窄的滤波带宽就需要对激光器波长进行实时调控保证与滤波通带锁定。通常光滤波器3通带形状为高斯滤波形状，波长锁定单元4可通过检测光滤波器3输出光信号的功率变化实时的反馈控制DFB激光器的工作温度，进而调控DFB激光器的输出光信号的波长，达到最终波长锁定的目的。

采用光滤波器3对DFB激光器进行RIN噪声(即相对强度噪声)抑制，要求光滤波器3要具有窄的通带宽度、高的带外抑制、低的通带插损，同时要求寄生通带离得远或者足够低。因此，本实施例中，所述光滤波器3采用窄带光子滤波器。所述窄带光子滤波器用于对光放大单元输出的大功率激光信号进行信号选通与噪声抑制，输出大功率低噪声的激光信号。所述窄带光子滤波器(OF)的通带形状为高斯滤波形状，所述窄带光子滤波器可以采用光栅滤波器、薄膜滤波器等。

请参阅图2，本实施例中，所述窄带光子滤波器包括马赫曾德尔干涉仪(MZI)和微环谐振器32，所述马赫曾德尔干涉仪设有第一干涉臂31a和第二干涉臂31b，所述微环谐振器32与马赫曾德尔干涉仪的第一干涉臂31a光耦合，所述马赫曾德尔干涉仪的第二干涉臂31b分别与波长锁定单元4和电光强度调制器5连接。

请参阅图3，所述波长锁定单元4用于根据窄带光子滤波器滤波后输出的激光信号的功率变化情况调控激光器组件1输出激光的波长，从而锁定激光器组件1输出的激光信号的波长。为了实现激光器输出频率与窄带光子滤波器中心频率的锁定，本实施例的波长锁定单元4采用最大功率逼近法，通过检测窄带光子滤波器的输出功率来调控激光器组件1的TEC制冷电流从而实时改变DFB激光器的管芯温度，进而实时调节DFB激光器输出光信号的波长以达到跟滤波器通带的中心波长锁定的目的，所述波长锁定单元4锁定DFB激光器输出的激光信号的波长的控制方法包括以下步骤：

S101、激光器组件1上电启动。

S102、ATC电路增大其半导体制冷器(TEC)的制冷电流。此时，DFB激光器的管芯温度降低，DFB激光器输出的激光信号的频率增大，即波长减小。

S103、波长锁定单元4对经窄带光子滤波器滤波后输出的激光信号的功率变化情况进行检测，如果所述激光信号的功率增大，则说明DFB激光器输出的激光信号的波长减小后与窄带光子滤波器通带的中心波长更加接近，返回执行S102步骤继续增大TEC的制冷电流，使DFB激光器输出的激光信号的波长继续减小。否则，说明DFB激光器输出的激光信号的波长减小后偏离了窄带光子滤波器通带的中心波长，执行S104步骤减小TEC的制冷电流。

S104、ATC电路减小其TEC的制冷电流。此时，DFB激光器的管芯温度升高，DFB激光器输出的激光信号的频率减小，即波长增大。

S105、波长锁定单元4对经窄带光子滤波器滤波后输出的激光信号的功率变化情况进行检测，如果所述激光信号的功率增大，则说明DFB激光器输出的激光信号的波长增大后与窄带光子滤波器通带的中心波长更加接近，返回执行S104步骤继续减小TEC的制冷电流，使DFB激光器输出的激光信号的波长继续增大。否则，说明DFB激光器输出的激光信号的波长增大后偏离了窄带光子滤波器通带的中心波长，返回执行S102步骤增大TEC的制冷电流。

本实施例中，DFB激光器输出的光信号(频率为f

下面对本实施例的原理进行具体说明，设定DFB激光器输出光载波信号的光场表达式为：

式中P

式中，n

该光信号经过高功率掺铒光纤放大器进行光放大后，输出光场E

式中，g

光放大后的信号送入窄带光子滤波器进行信号选通与噪声抑制，经过光滤波后的输出信号E

式中，h(t)表示光滤波器3的响应函数。

经窄带光子滤波器抑制噪声后的光信号作为光载波送入到电光强度调制器5中调制射频信号V

V

式中，f

经过射频信号V

式中，

将调制后的信号送入光电探测器7，经过光电探测后的输出信号I

式中，

根据上式，可进一步计算得到射频信号的电光转换效率G

式中，L

令光电探测器7的直流光电流I

对于该微波光传输链路，噪声系数是表征链路噪声特性的重要参数。为了分析链路的噪声系数，首先需要分析链路的噪声来源与传递特性。微波光传输链路的主要噪声来源包括光电探测器7的散粒噪声、输入输出热噪声以及DFB激光器引入的RIN噪声和掺饵光纤放大器引入的自发辐射噪声。由于微波光传输链路具有较高的链路光功率，在高光功率条件下激光器RIN噪声将占主导，因此本方案针对激光器RIN噪声进行重点抑制，以降低链路噪声系数。

微波光传输链路噪声系数NF可表示为：

其中，SNR

请参阅图6，为不同RIN噪声条件下，链路噪声系数随光电流的变化关系对比图。从图中可知，当链路中光源引入的RIN噪声得到充分抑制后(例如，使RIN噪声比散粒噪声小10dB及以上即可认为RIN噪声得到充分抑制)，在散粒噪声受限的条件下，可以通过提高光源功率获得尽可能高的链路传输效率与更优的噪声特性。

本实施例中，采用马赫曾德尔干涉仪和微环谐振器32构成光滤波器3，该光滤波器3的频率响应可用下式表示：

式中，E

κ表示微环谐振器32与第一干涉臂31a之间的光场耦合系数；α表示窄带光子滤波器的光波导损耗；β表示光波导的传播常数；L表示微环谐振器32的周长；λ表示光的波长；N

整个光滤波器3的传输函数可以写为：

式中，T

氮化硅波导由于其极低的波导损耗以及小的弯曲半径，因此在高性能光子滤波方面有极大的应用潜力。氮化硅波导典型损耗小于0.1dB/cm，耦合损耗约为1dB/端面，有效折射率N

请参阅图8，为不同光场耦合系数κ条件下T

由于滤波器的响应具有周期性，因此为了避免寄生通带的影响，需要增大通带之间的频率间隔。例如，为了保证微波光子链路的工作频率达到40GHz，可以设定滤波器通带频率间隔为50GHz(按30dB的噪声抑制度，有效频率范围约为80％)以上，光场耦合系数κ＝0.1。将经过噪声抑制的光信号作为光载波送入电光强度调制器5中，用于调制射频信号；最后，将调制后的光载射频信号经过光纤链路传输到光电探测器7中进行光电转换恢复出射频信号。

图9为微波光子链路噪声系数对比仿真结果图，其中，图9(a)为未经过RIN噪声抑制的仿真结果(设定DFB激光器的RIN噪声为典型值约为-160dBc/Hz)；图9(b)为采用光滤波器3对RIN噪声进行抑制后的噪声系数仿真结果。从图9可知，经过了光源噪声抑制处理后的微波光子链路噪声系数会得到较大改善，而且光电流越大、链路光功率越高，噪声系数改善越多，通过仿真可知噪声系数可改善一个数量级以上。因此，采用光滤波器3对光源相对强度噪声抑制后，即使在高的光功率水平条件下，链路噪声仍主要取决于散粒噪声，通过该方式，可获得超低噪声、超高效率的微波光传输链路。

本实施例针对激光器、调制器等有源光子器件性能不足引起的对微波光子链路噪声恶化严重的问题，提出采用常规DFB激光器与光放大器2、窄带光子滤波器相结合的低噪声组合光源来实现微波光子链路的宽带低噪声能力，同时实现高效率、大动态传输。在本实施例中，设计利用光放大器2提高激光器组件1的输出光功率，再利用光滤波器3抑制远端噪声，这样即可得到大功率低噪声的高质量光源，再将该光源作为光载波注入到电光强度调制器5中用于调制微波毫米波信号，采用该方式在显著降低链路噪声的同时可保证微波光子链路的宽带传输能力。该链路在高分辨雷达成像、宽带射频拉远、宽带电子对抗等系统具有广泛的应用潜力。

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。