【自适应射频光子任意波形发生器研究（论文）】

自适应射频光子任意波形发生器研究目录TOC\o"1-2"\h\u11780自适应射频光子任意波形发生器 14933一、引言 15654二、方法 131956三、结果 49784四、讨论 526432五、结论 65814参考文献 6摘要:利用超连续谱源的光谱整形和波长-时间映射，产生了具有宽带任意调制的光学和射频波形。自适应计算机控制用于缓解光源和光谱调制过程中固有的非理想特性。索引:项微波产生、信号发生器、信号合成引言产生高频复杂波形的能力是许多商业和军事应用的核心。任意波形发生器（AWG）用于测试通信接收机。在低截获概率（LPI）雷达等应用中，军方依赖于经过验证且灵活的射频（RF）环境。Hy-brid激光雷达需要宽带振幅调制光载波，以获得高距离分辨率[1]。数模转换（DAC）技术的速度和动态范围有限，阻碍了电子AWG的发展，其根源在于转换速度和动态范围之间的权衡。本文中，我们介绍了一种全光方法来生成任意波形，而不受基本电子限制。二、方法图1AWG的方框图、锁模激光器、偏振控制器所提出的光子AWG如图1所示。宽带光脉冲由空间光调制器（SLM）进行频谱整形，然后通过光纤等色散介质。色散执行波长到时间的映射，将光谱函数转换为相同的时间波形。因此，可以通过调制宽带光源的光谱来生成任意时间波形。对于给定的频谱波形，时间波形的频率由色散量决定。使用目前可用的商用组件实现，系统的最大频率将受到光电探测器的限制。我们使用SLM阵列来塑造宽带脉冲的频谱。Weiner已经成功地利用SLM通过光谱相位控制实现了飞秒脉冲整形[2]。该方法是一种相干傅里叶变换过程，通过手动控制光学相位合成时间波形。这里描述的方法是不连贯的。我们没有执行傅里叶变换，而是通过直接波长到时间的映射来创建所需的时间波形。高斯脉冲、单周期脉冲和双脉冲对FCC光谱掩模的适应性较差。例如，光学产生的倍频脉冲在低频（尤其是1575.42MHz左右的GPS频带）违反了FCC掩模，如果这些脉冲要节能，则需要额外处理以在低频切断信号。然而，这些脉冲在文献中被广泛使用。另一个小组最近展示了一种通过时空映射产生脉冲序列的电信号生成技术，该序列在光电探测器之后转换为模拟信号[3]。然而，我们使用的不是干涉结构，而是双分支结构和平衡光电探测器（BPD）；同的是，由于这种结构，我们可以完全移除不需要的矩形底座，获得既有正向分量又有负向分量的理想信号。矩形底座在感兴趣的频带中有频率分量，会扭曲产生的脉冲。我们使用两个可调谐滤光片来切割FBG光谱的上下两侧。通过适当地定位滤波器的截止波长，我们可以很容易地产生高斯单周期脉冲和双脉冲，以及符合FCC的功率效率脉冲。我们避免使用干涉仪设置，并利用对环境扰动不太敏感的所有光纤组件。我们目前的方法不同于我们之前关于波形生成的工作[4]，因为SLM用于频谱调制，而不是阵列波导光栅。这为光谱整形提供了更高程度的控制。本工作也不同于[1]和[2]中的工作，通过使用自适应计算机控制来减轻光源和光谱调制过程的非理想特性。图24-f光栅和透镜结构中SLM的实验装置[2]宽带光源是通过放大锁模激光器的输出并使其通过超连续（SC）光纤[5]产生的。SC光纤中的光学非线性导致光谱展宽至100nm以上。接下来，空间光调制器根据所需的光波形对光谱进行滤波和整形。我们使用光栅和透镜装置，使每个波长聚焦并垂直入射到SLM平面上，如图2、[2]、[6]所示。光栅为1000线/mm，透镜焦距为20cm。光栅和透镜之间的距离设定为零净瞬变色散[7]。频谱成形脉冲被发送到色散介质（例如SMF）以执行频率-时间映射。SMF可放置在发电机沿线的任何位置；将其置于光谱整形之前，可避免在BPD的两臂中使用SMF。产生的脉冲是所需脉冲形状和具有相同宽度的矩形脉冲的总和；矩形脉冲将通过BPD去除。在液晶前后平行放置两个高消光偏振器以实现振幅调制。如图3所示，像素由计算机操作的电子驱动器独立控制，该驱动器将电压和衰减控制到灰度精度。128像素双层SLM由CRIInc.制造。振幅调制可实现30dBo（60dBe）的最大光学动态范围。最后，光束通过相同的光路被折回到单模光纤中。该系统的光学插入损耗为6.2dB，在3dB宽度下的通带为9.5nm，在15dB宽度下的通带为20nm。在我们的实验中，我们使用了20nm的光带宽，相当于可用于波形生成的110SLM像素。康宁SMF-28光纤的色散参数为ps/nm-km，用于波长到时间的映射。系统将以源的重复频率（在这种情况下为20MHz）生成任意波形。波形的时间孔径与光纤长度直接相关，其中为光带宽（20nm）。给定光纤长度可产生的最大频率由奈奎斯特要求确定，其中（0.73nm）是滤波器的光谱分辨率。光谱分辨率为0.73nm，由像素平面上的光斑大小（0.4mm）与光栅透镜配置的空间色散mm/nm之比给出。图4系统的图形用户界面（GUI）在实践中，由于以下两个问题，波长到时间的映射过程并不理想。首先，跨越多个像素的有限焦距消除了波长和像素之间的1:1对应关系。其次，SC频谱不均匀，导致所需波形失真。由于这些问题，我们的SLM阵列的控制电压不能是所需波形的简单复制品。为了创建一个实用且健壮的系统，我们开发并实现了一种自适应算法，以确保正确的波长-时间映射。所需的波形作为笔记本电脑上运行的自适应算法的输入。在光检测之前，如图1所示，将光信号的一部分耦合到频谱分析仪（OSA）中。为了产生优化的UWB脉冲，我们使用级联的FBG滤波器对被动锁模光纤激光器（MLFL）的光谱进行整形。首先，通过适当设计的FBG将激光光谱在所需带宽上展平。然后，脉冲成形滤波器根据所需的时域脉冲修改频谱。通过反馈回路，最小乘（LS）算法迭代调整像素电压，直到输入波形与测量光谱匹配。误差会减小，直到达到用户指定的公差。该解决方案使用LabVIEW数据采集和编程工具实现。用户界面如图4所示。一旦生成了所需的波形，就可以保存像素电压信息，并用于以后生成相同的波形。该算法起着重要作用，因为复杂的波形不能通过手动操作像素电压产生。三、结果图5（a）12.1-GHz音调（b）相位（c）频率（d）振幅调制，显示在频谱和时域中图5示出了系统产生的各种射频波形；（a）正弦波，（b）相位调制，（c）频率调制和（d）振幅调制。（A）中的波形使用了2.5千米的SMF光纤，而（b）-（d）中的波形使用了10千米的SMF光纤。该系统能产生的最高频率受到光接收器10GHz带宽的限制。在我们的系统中产生的射频波形显示出15mV的峰间振幅。时域和频谱都显示出来以供比较。图6超宽带跳频码分多址（CDMA），频率从1.25GHz跳到5GHz，增量为1.25GHz图6显示了使用10km光纤产生超宽带跳频波形。频率在1.25至5GHz之间跳跃，增量为1.25GHz。所示为频谱和时域波形，以供比较。讨论(a)(b)图7（a）系统选择在1530nm处远离ASE峰值运行，以避免失真，（b）时域波形显示SC光谱中ASE占主导地位的部分没有波长-时间映射SC发电中使用的掺铒光纤放大器（EDFA）对系统性能有不良影响。图7（a）显示了掺铒光纤放大器的SC光谱和放大自发发射（ASE）噪声。由于其连续波（CW）性质，SC的ASE分量对波长-时间映射过程没有贡献。这如图7（b）所示，它是与图7（a）中的频谱相关联的时间波形。SC的长波部分直接映射到时间，而由ASE主导的短波部分则不映射到时间。因此，我们在ASE影响较小的长波段工作。我们的系统以SC源的重复频率生成任意波形的有限长度副本。通过使用具有更高重复率的激光器，例如谐波锁模光纤激光器或半导体锁模激光器，可以容易地提高重复率。这些数据源已被开发用于10Gb/s及以上的电信应用。段长度（在固定的射频带宽下）可以通过使用更大的光带宽以及具有更多像素的SLM来增加。五、结论我们提出并演示了一种新的射频光子AWG。建议的系统完全没有困扰传统波形发生器的电子限制。使用目前可用的商用组件实现，系统的最大频率将受到光电探测器的限制。这一限制目前约为60GHz。因此，我们应该能够产生具有任意振幅、相位或频率调制的毫米波频率。为了解决实际问题，创建一个健壮且功能强大的系统，开发了一个基于计算机的图形用户界面。除了控制系统，该软件还具有一个嵌入式优化算法，该算法自适应地控制空间光调制器，从而使输出波形成为所需波形的忠实副本。作为概念验证演示，演示了超宽带跳频CDMA波形。参考文献L.Mullen,A.Vierina,P.Herczfeld,andV.Contarino,“ApplicationofRADARtechnologytoaerialLIDARsystemsforenhancementofshallowunderwatertargetdetection,”IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.,vol.43,pp.2370–77,Sept.1995.A.M.Weiner,“Femptosecondopticalpulseshapingandprocessing,”Prog.QuantumElectron.,vol.19,pp.1–237,1995.J.D.McKinney,D.E.Leaird,andA.M.Weiner,“Millimeter-wavear-bitrarywaveformgenerationwithadirectspace-to-timepulseshaper,”Opt.Lett.,vol.27,no.15,pp.1345–1347,Aug.2002.B.Jalali,P.Kelkar,andV.Saxena,“Photonicarbitrarywaveformgener-ator,”inProc.LEOS2001.14thAnnu.Meeting,vol.1,Piscataway,NJ,2001,Cat.01CH37242,pp.253–254.O.Boyraz,J.Kim,M.N.Islam,F.Coppinger,andB.Jalali,“10Gb/smultiplewavelength,coherentshortpulsesourcebasedonspectralcarvingofsupercontinuumgeneratedinfibers,”J.LightwaveTechnol.,vol.18,pp.2167–2175,Dec.2000.M.WefersandK.Nelson,“Generationofhigh-fidelityprogrammableultrafastopticalwaveforms,”Opt.Lett.,vol.