面向光载无线系统的混合频相调制信号产生

为提高光载无线系统传输容量,提出一种混合频相调制信号光学产生技术。利用保偏光纤布拉格光栅对不同输入偏振态响应不同的特性,将加载到信号偏振态的基带信息转换到输出波长上,并通过在接收端的外插拍频实现频率调制。同时通过光学相位调制将信息映射到拍频产生的微波信号上,最终产生混合频相调制信号。搭建基带传输式光载无线系统,验证了该信号产生方法的有效性。产生了码率为1Gbit/s、频率为12.5GHz/9.5GHz的混合频相调制信号,该信号经过5km光纤传输后由接收端解调。信号的时域波形及解调后信号眼图与星座图等结果证明了所产生的混合频相调制信号的可靠性。     

一种相位调制激光多普勒频移测量方法

对相位调制拍频信号随信号光频率变化规律进行分析,发现拍频信号相位参量的频谱包含两个在值域上彼此分开的单调边缘,表明利用拍频信号的相位参量可以进行多普勒频移测量.如果利用拍频信号振幅参量对出射激光进行工作点锁定,其多普勒频移测量范围是Fabry-Perot干涉仪边缘技术的两倍.理论分析拍频信号振幅和相位参量的提取方法,表明基于此拍频信号相位参量的测量方法无需进行信号光能量检测,与Fabry-Perot边缘技术方法相比,结构更简单,且少了一条外部噪音混入的通道.为了对该多普勒频移测量方法定量分析和参量优化,利用误差合成原理以及计算机仿真,推导出其测量误差公式.根据测量原理搭建了实验系统,用频率可调光纤激光器的输出光模拟多普勒频移信号光进行测量,结果表明鉴频参量及其误差分布曲线的测量结果与理论分析相符合.     

一种结合两类相位调制激光多普勒频移测量的方法

提出了一种新的激光多普勒频移测量方法,该方法以相位调制拍频信号振幅和相位作为自变量定义新函数,并以该函数作为多普勒频移鉴频参量,将两类相位调制激光多普勒频移测量方法结合.理论上将该方法的鉴频曲线、灵敏度曲线以及误差曲线等与两类相位调制方法的相应曲线进行比较,发现该方法不但继承了相位调制拍频信号振幅方法的工作方式,能够对小频移量进行测量,而且吸收了相位调制拍频信号相位方法的测量能力,具有更高的测量灵敏度和动态范围.通过实验对硬目标反射的频移可控信号光进行测量,证明了理论的正确性,而且通过调整平移参数,可以使该方法的测量动态范围提高约26.8%,更适合对高多普勒频移量进行测量.     

基于注入半导体激光器的微波副载波相位调制信号产生

光载无线技术是解决终端超宽带无线通信的重要方法,光信号与微波/毫米波信号的融合处理技术在光-无线的数据格式转换中至关重要.提出了一种基于相位调制信号光注入Fabry-Perot型半导体激光器实现微波副载波相位调制信号产生的方法.光学注入半导体激光器的输出光场会产生一周期(P1)振荡效应, P1振荡产生的边带实现了相位调制信号光的调制分量的放大,被放大的调制分量与注入光载波在激光器腔内拍频形成微波副载波.注入光相位的变化导致新产生的微波副载波相位变化, 实现了注入信号光相位信息转化为微波副载波相位信息.本系统完成1.3 Gb/s, 2.7 Gb/s, 2 Gb/s光相位调制信号到微波副载波相位调制信号的转换,并测量了微波的单边带相位噪声. 通过光电转换和电域混频将还原出的光基带信号与原信号进行逻辑对比,证明了数据信息转换的正确性.     

基于相位调制器与Fabry-Perot干涉仪的激光多普勒频移测量方法

提出了一种激光多普勒频移测量方法, 此方法利用正弦相位调制使信号光在原频率成分基础上产生正负一阶边带, 再由Fabry-Perot干涉仪对调制光振幅和相位进行调整, 使其产生固定频率的拍频信号, 利用此拍频信号的振幅随频率变化而变化的性质来进行多普勒频移测量. 通过理论分析证明该方法具有很高的测量精度, 加工装调难度不大, 兼顾了普通相干与非相干探测方法的优势. 另外通过实验证明该方法的正确性与可行性, 并通过与普通非相干方式比较发现该方法在测量精度上可以提高 约1个数量级. 关键词： 多普勒频移 相位调制 Fabry-Perot干涉仪 拍频     

基于光载波抑制调制的可调谐高倍频毫米波信号发生器

提出了一种基于改进的光载波抑制调制方式的光学生成高倍频可调谐毫米波的方案.该方案利用均匀光纤光栅型声光可调谐滤波器选取光载波抑制信号中的两个边带分量进行拍频,实现高倍频且倍频因子可调的毫米波信号的生成.为避免色散所致的码元时移效应,将基带数据信号仅调制到光载波抑制信号的一个边带分量上.仿真验证了倍频因子分别为2,6,10,14,18和22的毫米波信号的生成.另外,对22倍频下的光载无线电系统的链路性能进行了仿真分析,毫米波信号在调制2Gbit/s的非归零码型数据信号经50km的光纤传输后,系统的眼图仍保持良好的睁开度,链路的功率代价仅为0.4dB.系统具有良好的传输性能,可以满足通信系统的需求.     

一种高效的相位调制激光多普勒频移测量方法

为了充分利用相位调制信号中的多普勒频移信息,将相位调制信号的直流和拍频分量中的鉴频参量相结合,构造出一个新的鉴频参量。在理论和实验上,通过依次比较表明新鉴频参量继承了相位调制拍频信号振幅多普勒频移测量方法的特点和优势,相比之下,测量动态范围约提高1倍,测量精度约提高6倍。为了有效利用闲置的回波信号光功率,提出了基于新鉴频参量的双边缘相位调制多普勒频移测量方法,在理论上证明其可将测量灵敏度提高1倍。     

基于布里渊载波相移的宽带可调谐二倍频微波信号生成

本文提出并实验验证了一种基于光纤中受激布里渊散射效应的光子二倍频微波信号生成技术.利用布里渊增益谱内的强色散特性,对光强度调制器产生的双边带调制信号的载波进行π/2相移,可实现载波与±1阶边带拍频仅生成二倍频微波信号.由于光纤中受激布里渊散射的窄带特性以及仅对双边带调制信号的载波进行相移,不影响调制信号两个边带的幅值和相位,因而生成的二倍频微波信号可实现宽带调谐,调谐范围仅受其他光器件的工作带宽限制.此外,信号光和产生受激布里渊散射的抽运光均来自同一光源,因而不受波长漂移的影响,系统具良好的稳定性.     

级联掺Yb增益光纤提高拍频信号信噪比的实验研究

飞秒光学频率梳的出现使对未知激光的绝对频率测量成为可能,极大地简化了激光绝对频率的量值溯源和比对工作.为了保证测量数值的准确性,飞秒光学频率梳与未知激光的拍频信号fb的信噪比要求大于30 d B.针对碘稳频532 nm激光绝对频率测量的特定需求,以532 nm激光的基频光1064 nm激光的绝对频率测量为着眼点,本文采用303 MHz重复频率的掺Er光纤光学频率梳,首先通过激光放大和光谱展宽技术使光谱覆盖到1μm波段,然后采用级联掺Yb增益光纤技术,将扩谱后1μm波段的激光功率进行放大,提高了掺Er光纤光学频率梳扩谱后1μm波长附近的激光强度.采用碘稳频532 nm激光的基频光作为待测光源与飞秒光学频率梳进行拍频.实验表明,与未经过光谱增强的激光相比,光谱增强后的激光与1064 nm激光拍频信号的信噪比提高了5 d B,保持在35 d B附近.该技术有效地缓解了采用掺Er光纤光梳测量1064 nm激光绝对频率时对直接扩谱所获得的1μm波长激光的强度要求.     

基于准周期光学超晶格的高效电光调制差频转换

为获得尽可能大的差频转换效率,基于准周期极化铌酸锂(QPPLN)光学超晶格,提出了级联电光和差频理论,用于高效的差频转换。其方法是沿QPPLN光学超晶格的y方向施加一个外加电场,用来控制能量在抽运光、信号光、o偏振的差频光和e偏振的差频光四个光波之间的转移。计算结果表明,在一个100℃,40mm长的QPPLN光学超晶格中,当1550nm信号光与1064nm抽运光光强比值r<0.324时,对光强超过特定值的任意抽运光都可以通过施加一个适当的外加电场将抽运光完全转化为1550nm信号光和3393.4nm差频光;当r≥0.324,只当抽运光光强落在一定范围内时,才可以通过施加外加电场使抽运光完全转化为信号光和差频光;超过该范围,外加电场不能增加差频光转换效率。计算结果还表明,电光调制差频转换效率对温度和畴构造误差都不敏感。     

基于互逆光纤色散的微波光子雷达系统设计和实现

提出一种基于互逆光纤色散的微波光子雷达系统设计方案,既可以产生宽带线性调频信号,又可以实现线性调频信号的光域脉冲压缩.在发射端利用互逆色散光纤产生线性调频信号.在接收端,雷达回波信号通过马赫-曾德调制器调制到预啁啾的光信号上,然后经过色散光纤的进一步色散.最终在探测器端可以得到目标回波信号脉冲压缩后的结果.该方案无需脉冲压缩过程中数字化和离线处理,且具有脉冲压缩比的调谐作用.理论、数值仿真和实验证明了该设计方案能有效进行线性调频信号的光域脉冲压缩.实验产生了C波段下时宽1.2ns,带宽3.2GHz的线性调频信号,并通过互逆色散光纤将该信号压缩到了0.09ns,脉冲压缩比达13.3.     

Microwave Photonic Up- and Down-Converter with Tunable Phase Shift Based on an Integrated Dual-Polarization Dual-Parallel Mach–Zehnder Modulator without Optically Filtering

ABSTRACT

In this paper, we propose and numerically simulate a microwave photonic phase-tunable frequency converter (MPPTFC) without optically filtering to realize both frequency up- and down-conversion and a full 360° phase-shift for the microwave signal based on an integrated dual-polarization dual-parallel Mach–Zehnder modulator (DP-DPMZM). In the proposed scheme, both microwave RF signal and frequency-tunable local oscillator (LO) are modulated on the lightwave by single-sideband carrier suppression (SSB-CS) modulation to generate optical orthogonally polarized optical tones carrying RF signal with up- or down-converted frequency. A PolM that can support lightwave modulation with opposite modulation indices in transverse electric (TE) and transverse magnetic (TM) modes is used to introduce a phase difference between the two modes. Then the orthogonally polarized optical tones are aligned into a single polarized state by a polarizer (Pol) and detected by a photodiode (PD), a frequency-converted and phase-shifted microwave signal can be obtained. Simulation results demonstrate that the proposed MPPTFC can up-/down-convert the microwave signal with a tunable frequency shift of LO frequency and realize a 360° continuously tunable phase shift via the DC bias voltage of the PolM simultaneously.     

基于平行偏振光注入的1550nm波段垂直腔表面发射激光器获取窄线宽光子微波的理论和实验研究

提出一种基于1550 nm垂直腔表面发射激光器(1550 nm-VCSEL)获取高质量微波信号的全光方案.在该方案中,采用波长位于VCSEL中被抑制模式的中心波长附近、振动方向与VCSEL中主导模式相同的偏振光注入(即平行注入)1550 nm-VCSEL获取高频微波,并借助双光反馈对该高频微波的线宽进行窄化.一方面,基于VCSEL的自旋反转模型,从理论上分析了采用该方案产生微波信号的可行性;另一方面,通过构建相应的实验系统,对该方案产生的微波的特性进行初步实验研究.实验结果表明:在合适的注入条件下,1550 nm-VCSEL能够产生30 GHz左右的微波信号,但该信号的线宽较宽(百兆水平);引入双光反馈后,微波线宽可被压窄两个数量级以上,得到了线宽低于1 MHz、信噪比大于40 d B的微波信号.     

频域反射法光纤延时精密测量

本文提出了一种应用于光纤延时系统中实现光纤延时精密测量的新方法,用以提高光纤延时测量的精度和准确性.该方法以1064 nm激光调制信号作为光源,通过测量回波信号的幅值和相位信息得到被测通道的频率响应,采用快速傅里叶逆变换得到被测目标的延时信息,实现光纤延时测量.本文通过理论分析和延时测量实验对频域反射法与传统的时域测量方法进行对比,使用频域反射法在调制频率范围10—200 MHz,采样频率间隔0.5 MHz的实验条件下,实现了3.3 ps延时测量分辨率,并证明了该方法具有比时域方法更高的测量精度,测量结果的准确性更好.     

光子型远程分布式微波信号接收码元速率估计

基于光子学技术,设计了一种针对远程分布式微波信号接收的码元速率估计方案。首先,远程终端将接收的微波信号经电光调制器对连续激光源进行载波抑制双边带调制,生成携带微波信号的两个光边带信号;此光信号经光纤链路传输至中心站在光域滤除其中一个边带;其次,进行光电探测,通过分析电频谱的谐波实现微波信号码元速率估计。针对此方案,搭建仿真及实验系统装置:仿真成功地从60 GHz微波信号中提取出0.8 GBaud和6 GBaud的二进制伪随机码(PRBS)信号码元速率、从25 GHz微波信号中提取出3GBaud的PRBS码元速率;实验成功地从25 GHz的微波信号中提取出3 GBaud和5 GBaud的PRBS码元速率。     

Precise determination of characteristic laser frequencies by an Er-doped fiber optical frequency comb

Femtosecond optical frequency combs correlate the microwave and optical frequencies accurately and coherently. Therefore, any optical frequency in visible to near-infrared region can be directly traced to a microwave frequency. As a result, the length unit "meter" is directly related to the time unit "second". This paper validates the capability of the national wavelength standards based on a home-made Er-doped fiber femtosecond optical frequency comb to measure the laser frequencies ranging from visible to near-infrared region. Optical frequency conversion in the femtosecond optical frequency comb is achieved by combining spectral broadening in a highly nonlinear fiber with a single-point frequency-doubling scheme. The signal-to-noise ratio of the beat notes between the femtosecond optical frequency comb and the lasers at 633, 698, 729, 780, 1064, and 1542 nm is better than 30 dB. The frequency instability of the above lasers is evaluated by using a hydrogen clock signal with a instability of better than 1×10^-13 at 1-s averaging time. The measurement is further validated by measuring the absolute optical frequency of an iodine-stabilized 532-nm laser and an acetylene-stabilized 1542-nm laser. The results are within the uncertainty range of the international recommended values. Our results demonstrate the accurate optical frequency measurement of lasers at different frequencies using the femtosecond optical frequency comb, which is not only important for the precise and accurate traceability and calibration of the laser frequencies, but also provides technical support for establishing the national wavelength standards based on the femtosecond optical frequency comb.     

基于双边带调制的频率扫描干涉型激光测距技术

提出并论证了一种基于双边带调制的双扫频干涉测距技术,利用电-光双边带调制产生的-1和+1阶边带分别作为扫描方向相反的两个扫频信号,在接收端各获得一个频率与相对距离相关的拍频信号,通过将这两个拍频信号相乘的方式来减小由光路中扰动引起的测量误差.利用Optisystem软件进行系统仿真,结果表明,该方法能够有效抑制由于光路中扰动产生的测量误差.设计了实验验证系统,在光路中引入小幅振动作为扰动时,该方法对扰动的抑制比超过14dB,有效地提升了测距准确度.     

Fiber transmission and generation of ultrawideband pulses by direct current modulation of semiconductor lasers and chirp-to-intensity conversion

Optical pulses generated by current modulation of semiconductor lasers are strongly frequency chirped. This effect has been considered pernicious for optical communications. We take advantage of this effect for the generation of ultrawideband microwave signals by using an optical filter to achieve chirp-to-intensity conversion. We also experimentally achieve propagation through a 20 km nonzero dispersion shifted fiber with no degradation of the signal at the receiver. Our method constitutes a prospective low-cost solution and offers integration capabilities with fiber-to-the-customer-premise systems.     

谐振式集成光学陀螺解调特性分析

基于激光器频率谱检测技术,沿着光的传输方向分析了光波在谐振式集成光学陀螺系统中的传播,结合输入信号特征,建立频域内的数学模型,通过数值仿真和实验得到了调频检测系统下的解调曲线。按照光的传输方向：激光器、声光晶体移频器、光波导环形谐振器、探测器,利用贝塞尔函数展开和光场耦合模理论分析了谐振式集成光学陀螺解调特性,及其调频调制检测系统解调输出信号与谐振频率偏差之间的关系。通过数值计算,分析了解调曲线的变化规律,得到了施加在激光器压电陶瓷驱动器上调制波形的最佳调制系数。在实验上搭建了激光器频率调制解调技术系统,得到了解调曲线。数值仿真和实验结果表明,当调制系数M=2时,线性工作区间斜率最大,解调曲线最好。实测形状与理论分析结果相符,从解调信号得到±2×10³ rad/s的陀螺动态范围。     

Einstein Lecture – Passion for precision

Optical frequency combs from mode‐locked femtosecond lasers have link optical and microwave frequencies in a single step, and they provide the long missing clockwork for optical atomic clocks. By extending the limits of time and frequency metrology, they enable new tests of fundamental physics laws. Precise comparisons of optical resonance frequencies of atomic hydrogen and other atoms with the microwave frequency of a cesium atomic clock are establishing sensitive limits for possible slow variations of fundamental constants. Optical high harmonic generation is extending frequency comb techniques into the extreme ultraviolet, opening a new spectral territory to precision laser spectroscopy. Frequency comb techniques are also providing a key to attosecond science by offering control of the electric field of ultrafast laser pulses. In our laboratories at Stanford and Garching, the development of new instruments and techniques for precision laser spectroscopy has long been motivated by the goal of ever higher resolution and measurement accuracy in optical spectroscopy of the simple hydrogen atom which permits unique confrontations between experiment and fundamental theory. This lecture recounts these adventures and the evolution of laser frequency comb techniques from my personal perspective.