《Optics & Laser Technology》：Octave-spanning signal generation via photon-assisted channelized recirculating spectrum expansion
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Ziqiang Yin|Zhiyi Li|Hualong Ye|Siliang Hua|Xiangpeng Zhang中国苏州大学技术学院电子与信息工程学院，苏州215500摘要本文提出了一种基于光子辅助的信道化循环频谱扩展的新型八度宽带信号生成系统，并通过实验进行了验证。该频谱
Ziqiang Yin|Zhiyi Li|Hualong Ye|Siliang Hua|Xiangpeng Zhang
中国苏州大学技术学院电子与信息工程学院，苏州215500
摘要
本文提出了一种基于光子辅助的信道化循环频谱扩展的新型八度宽带信号生成系统，并通过实验进行了验证。该频谱扩展技术利用频率移位环通过连续的上转换和反馈调制产生种子信号的多个频率转换副本。在反馈过程中，采用光电二维时频滤波器阵列进行八度频谱选型和杂散抑制。在各个副本之间，通过通道内相位匹配以及通道间幅度和相位校正，保证了信号在时间、频率和相位上的连续性。在概念验证实验中，实现了一个双通道频谱扩展系统，生成了一个带宽为8 GHz的两八度超宽带线性频率调制信号，覆盖了整个C波段和X波段。此外，还进行了一系列测试以验证生成信号的跨八度性能。
引言
在大分辨率雷达成像、自动驾驶感知和健康监测等领域，高带宽的线性频率调制（LFM）信号非常受欢迎，因为它们可以实现精确的测量、映射、目标分类和识别[1]、[2]、[3]、[4]。然而，传统的宽带LFM信号生成方法（如直接数字频率合成（DDS）和电压控制振荡器（VCO）通常具有有限的带宽[5]、[6]、固定的操作参数以及较差的带内杂散，难以突破带宽的八度限制，无法满足应用需求。为了解决这些问题，微波光子技术为传统电子方法提供了有吸引力的替代方案[7]、[8]、[9]。光子和光电设备的固有超宽带特性已被广泛应用于微波成像中，以提高距离分辨率。此外，借助光子的独特优势，如低传输损耗、多维复用和相位稳定分布，微波光子技术使得生成宽带LFM信号的结构变得更加简单。因此，已经开发出了多种基于光子的宽带LFM信号生成方法[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。其中一种典型方法是外部调制方法，该方法利用电光调制的非线性效应产生窄带种子信号的高阶谐波边带，并通过选择性地叠加这些边带来实现较大的中心频率和带宽[12]、[13]。然而，调制深度有限会降低高阶边带的功率，使得较大的乘法因子难以实现，从而形成带宽瓶颈。与一般的外部调制方案相比，光子辅助的频谱扩展和拼接方法能够在保持线性的同时实现更宽的带宽。当前的技术通常可以分为三类：1）光学频率梳（OFC）；2）光学循环频率移位（RFS）；3）光电RFS。
在OFC方案中[15]、[16]、[17]，一个解决方案是使用带有外部调制的两组相干OFC，它们自由频谱范围的微小差异使得种子LFM信号可以进行多级频率转换。然后在这些副本之间引入相应的基于光纤的延迟，形成宽带LFM信号。然而，这种方法 hanya能保证时间和频率的连续性，而在拼接点的相位连续性难以实现。为了解决这个问题，使用了多个具有精确控制延迟的基带LFM波形来保持相位连续性，但这种方法需要多个发生器和调制器，增加了系统的复杂性和成本，从而限制了可扩展性[17]。第二类方案基于光学RFS[19]、[20]，通过定期以固定频率移动光载波并利用基于光纤的延迟，可以实现超宽带线性频率扫描。然而，不同循环环路之间的相位不连续性和光载波的波长漂移会导致输出叠加信号的频率和相位不稳定。为了解决这个问题，提出了一种光电RFS方法[21]，即通过光电检测获得的微波信号被反馈到光电环路中来调制光载波。在满足环路相位匹配条件的情况下，经过多次上转换和反馈调制后可以实现相位一致的LFM信号。然而，与之前的方法类似，光电RFS方法也受到八度限制的约束。当带宽超过一个八度时，电光调制器产生的谐波会在带内产生杂散，从而降低信号质量并限制高分辨率成像。
在这项工作中，我们提出了一种基于信道化循环频谱扩展的新型超宽带LFM信号生成系统，并通过实验进行了验证。循环频谱扩展是通过光电环路中的连续上转换和反馈调制实现的，将窄带种子LFM信号扩展到多个子带。通过将反馈链路扩展到多个通道，形成了一个二维时频滤波器阵列，用于多个频率八度范围内的频谱选型和杂散抑制。通过参数调整和硬件实现精确的通道内相位匹配以及通道间幅度和相位校正，确保了子带的对齐，从而能够无缝拼接成连续的超宽带频谱。这种方法可以从低带宽的种子源生成多八度波形，显著降低了电子前端的带宽要求，同时抑制了调制引起的杂散成分和谐波，实现了多八度频率范围内的高带内频谱纯净度，且使用了低成本的窄带微波器件。成功生成了一个带宽为8 GHz的两八度LFM信号，覆盖了整个C波段和X波段，带内杂散比为37 dB。信号参数易于调节，展示了该系统的多功能性。
章节摘录
图1展示了所提出的八度宽带信号生成系统的架构，该系统包括一个共享的光学频率上转换链路和一个光电反馈调制（OEFM）阵列。在共享的光学链路中，连续波光被导入到双平行频率转换器（DPMZM）中，种子信号调制载波以获得频率移位的边带。
进行了概念验证实验。实验中使用了波长约为1550.34 nm的激光器（TeraXion, PS-NLL）。参考信号和种子LFM信号分别由微波信号发生器（Keysight, N5183B）和任意波形发生器（Tektronix, AWG70001A）生成。首先，参考正弦信号的频率设置为1.5 GHz，种子LFM信号的起始频率为4 GHz，带宽为1.5 GHz，脉冲宽度（PW）为5.055 μs
总之，我们提出了一种基于信道化光电循环频谱扩展的八度宽带信号生成方法，并通过实验验证了其有效性。该系统支持生成覆盖C波段、X波段和Ku波段的超宽带LFM信号，具有较高的可重构性。精确的通道内相位匹配以及通道间幅度和相位校正确保了高信号质量。此外，模块化的通道阵列架构为下一代雷达系统提供了可扩展性。
Ziqiang Yin：撰写 – 审稿与编辑，原始草稿撰写，可视化，验证，研究，形式分析，数据整理，概念化。Zhiyi Li：可视化，方法论，研究，形式分析。Hualong Ye：形式分析，数据整理，概念化。Siliang Hua：可视化，形式分析，数据整理。Xiangpeng Zhang：撰写 – 审稿与编辑，验证，资源协调，项目管理，资金获取，概念化。
本工作得到了中国国家自然科学基金（编号：62401020）的支持。
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
