CN101339346B - 全光产生四倍频高速毫米波信号的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光通信技术领域的全光产生四倍频高速毫米波信号的装置和方法。装置包括：可调光源、射频信号源、双平行马赫曾德调制器、电放大器，可调光源的输出端口连接到双平行马赫曾德调制器的光输入端口，射频信号源输出射频信号进入电放大器的输入端，从电放大器的输出端口得到放大的射频信号，电放大器的输出端口和双平行马赫曾德调制器的第一子调制器的射频输入端口相连，第二子调制器的射频输入端空载，双平行马赫曾德调制器的光输出端口输出四倍频的毫米波信号。方法为：控制双平行马赫曾德调制器的两个子调制器射频驱动信号，以及调节双平行马赫曾德调制器的偏置电压。本发明大大降低了配置成本，简化了系统结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种光通信技术领域的装置和方法，具体的说，涉及的是一种全光产生四倍频高速毫米波信号的装置和方法。
背景技术
光载无线通信是一种新兴的技术，它主要结合光纤和无线通信两大技术，利用光纤的低损耗、高带宽特性，提升无线接入网的带宽和移动性，为用户提供“随时，随地，任何业务”的无线接入服务。与传统的无线系统相比，光载无线通信有着更广的蜂窝覆盖，更高的带宽，较低的配置成本，较低的功耗以及易于动态管理和维护等优点，能够实现超过1Gbit/s的超宽带无线接入，是满足人们对宽带业务需求的极具竞争力的解决方案。在超宽带蜂窝网络、室内无线局域网络、视频分布系统、智能交通通信和控制等领域具有广泛的应用前景。随着人们对语音、数据、视频以及交互式服务等移动宽带业务需求的日益增加，以及低频频段的信道拥塞和相互干扰，在光载无线通信系统中，迫切需要采用高频毫米波(如最近备受关注的60-GHz毫米波)携载高速数据以提高无线通信系统的容量，同时使无线信道突破拥挤的低频频段。传统的电产生高频毫米波的方法，受技术和工艺的局限，配置成本高，系统复杂，得到的高频毫米波调谐范围窄，幅频特性较差，相位噪声较高，不能很好的满足实际的需要，特别是对于超过100-GHz的高频信号，目前电产生的方法还难以实现。而基于光频率相乘的全光产生毫米波的技术，产生的毫米波信号具有很高的频谱纯度和相位相干性，方法简单，成本低，具有很广泛的应用前景，吸引了学术界和工业界越来越多的关注。
经对现有技术的文献检索发现，Chun-Ting Lin等人在《IEEE PhotonicsTechnology Letters》(《IEEE光子技术快报》)2008年第20卷中的文章“opticalmillimeter-wave signal generation using frequency quadrupling techniqueand no optical filtering(不需要光滤波器的光子四倍频毫米波技术)”，该文采用一个集成的双平行马赫曾德调制器，使用10-GHz的低速射频信号，全光产生了40-GHz(射频调制信号频率的4倍)的高速毫米波，不需要价格昂贵的高速光电设备。但是这个方案存在如下缺点：1、信号的电处理复杂，需要两个高速功率合路器，两个高功率电放大器，一个高速功率分路器，一个高速电移相器，因此增加了系统的配置成本；2、电处理采用多个电器件，导致插入损耗大，降低电信号的输入功率，并引入额外的非线性效应，影响系统的性能；3、双平行马赫曾德调制器的上下两路输入的电信号需要严格的相位匹配，大大增加了系统调节的复杂度。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种结构简单、成本有效、性能优越的全光产生四倍频高速毫米波信号的装置和方法。本发明基于线性的光信号处理技术，采用一个双平行马赫曾德调制器，通过简单设置双平行马赫曾德调制器的偏置电压，就可以得到频率为四倍射频信号频率的高速毫米波，不需要复杂的电信号处理。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及的全光产生四倍频高速毫米波的装置，包括：可调光源、射频信号源、双平行马赫曾德调制器、电放大器。可调光源的输出端口连接到双平行马赫曾德调制器的光输入端口。射频信号源输出的射频信号连接到电放大器，电放大器的输出端口连接到双平行马赫曾德调制器中第一子调制器的射频输入端口，第二子调制器射频端口保持空载。最后，双平行马赫曾德调制器的输出信号连接到光频谱仪、示波器和电谱仪的进行测试。
所述双平行马赫曾德调制器，由集成在单个芯片上的两个子调制器组成，这两个子调制器具有同样的结构和性能。每个子调制器具有独立的射频信号输入端口和偏置端口。另外还有一个主偏置端口，可用来调节两个子调制器的输出。
本发明涉及的全光产生四倍频高速毫米波的方法，是将双平行马赫曾德调制器的第一子调制器用低速射频信号驱动，偏置点设为传输曲线的最高点。而第二子调制器的射频端口为空载。通过简单地控制第二子调制器和主调制器的偏置电压，就可以得到四倍频的高速毫米波信号。本发明采用线性的光信号处理技术，不需要额外的光域和电域滤波器，产生的毫米波具有很好频谱纯度和相位相干性。该技术不需要复杂的电信号处理过程，容易控制，大大降低了配置成本和系统实现的复杂度。
本发明上述方法包括如下具体步骤：
步骤1，可调光源产生频率为ωc的连续光波，被双平行马赫曾德调制器调制。射频信号源产生频率为ωs的射频信号经过电放大器放大后，驱动双平行马赫曾德调制器的第一子调制器，且偏置在其传输曲线的最高点。则第一子调制器输出包含3个波长成分的光信号。
所述的3个波长成分分别为ωc频率成分和两个二阶谐波成分ωc±2ωs，它们的频率间隔为2倍射频信号频率。其它高次谐波成分功率很低，可以忽略不计。
步骤2，双平行马赫曾德调制器的第二子调制器的射频端口空载，则第二子调制器只输出ωc频率成分的光信号。通过控制第二子调制器的偏置电压，可以使得第二子调制器输出光信号的光功率和第一子调制器输出光信号中的ωc频率成分的光功率相同。
所述的第二子调制器的射频端口空载，是指第二子调制器的射频输入端口没有加载任何射频信号。
所述光信号的光功率可通过光谱仪进行测试得到。
步骤3，控制双平行马赫曾德调制器的主偏置电压，使得第一子调制器和第二子调制器输出的光信号的相位完全相反，则第一子调制器中ωc频率成分被第二子调制器的ωc频率成分完全抵消，双平行马赫曾德调制器最终只输出ωc+2ωs和ωc-2ωs两个谐波成分，它们的频率间隔为4倍射频驱动信号的频率，即等于4ωs。
步骤4，将双平行马赫曾德调制器的输出信号连接到光频谱仪，以及经过光电转换后连接到电频谱仪和示波器进行测试。
本发明与背景技术中所提到的Chun-Ting Lin等人发表的论文中所述的方法进行比较，具有以下的优点：1、减少了两个高速功率合路器，一个高功率电放大器，一个高速功率分路器，一个高速电移相器，因而系统成本大大降低。2、不会引起严重的插入损耗，因此对电放大器的性能要求大大降低。3.电信号的处理简单，而且不需要严格的相位匹配，调节容易，因此更易在实际中实现。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明实施例示意图；
图3为本发明实施例结果图；
其中：(a)为示波器测得的10-GHz射频信号的波形，(b)为光频谱仪测得的双平行调制器输出的四倍频率间隔的光信号的光谱，(c)为示波器测得的四倍频毫米波(40-GHz)信号的波形，(d)为电频谱仪测得的四倍频毫米波(40GHz)信号的电谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例中，装置包括：一个可调光源、一个射频信号源、一个双平行马赫曾德调制器、一个电放大器。可调光源的输出端口连接到双平行马赫曾德调制器的光输入端口。射频信号源输出的射频信号进入电放大器的输入端，从电放大器的输出端口得到放大的射频信号。电放大器的输出端口和双平行马赫曾德调制器的第一子调制器的射频输入端口相连。第二子调制器的射频输入端空载，即没有加载任何射频信号。最终从双平行马赫曾德调制器的光输出端口可以得到四倍频的毫米波信号。
如图2所示，本实施例中，方法实施具体步骤为：
步骤1，可调光源产生波长为1551.0-nm的连续光波，连续光波输入到双平行马赫曾德调制器。射频信号源发出10-GHz的射频信号，用电放大器放大到约10V的峰峰值电压，输入到双平行马赫曾德调制器的第一子调制器的射频端口，用来驱动第一子调制器，第一子调制器的偏置电压设置为约6.5V，输出包含3个谐波成分的光信号，它们的频率间隔为20-GHz。
步骤2，双平行马赫曾德调制器的第二子调制器保持空载，在实施例中用电衰减器进行保护，则第二子调制器只输出1551.0-nm波长的频率成分。第二子调制器的偏置电压设置为约2.4V，使得第二子调制器输出的1551.0-nm波长的频率成分和第一子调制器中的1551.0-nm波长的频率成分的光功率相同。
步骤3，通过调节双平行马赫曾德调制器的主偏置电压为约1.6V，使得第一子调制器和第二子调制器输出的光信号的1551.0-nm波长的频率成分发生抵消，得到频率间隔为40-GHz的光信号。
步骤4，将双平行马赫曾德调制器的输出的频率间隔为40-GHz的光信号经过一个光电探测器进行光电转换，最终得到40-GHz的高速毫米波。
如图3所示，是本实施例应用于图2所示的结果。其中，图4(a)是10-GHz射频信号的波形，从波形上可以看出它的重复频率是10-GHz；图4(b)双平行马赫曾德调制器输出信号的光谱，从光谱上可以看出，中间的频率成分因为相互抵消而被抑制，其幅度比剩下的两个频率成分要小20-dB，剩下的两个频率成分的幅度相等，频率间隔为40-GHz；图4(c)是双平行马赫曾德调制器输出光信号经过光电转换后的电信号的波形，从波形上可以看出它的重复频率是40-GHz，和初始的10-GHz信号相比较，40-GHz的信号仍然保持原有的形状，没有发生失真。图4(d)是双平行马赫曾德调制器输出光信号经过光电转换后的电信号的电谱，从电谱上可以看出，40-GHz频率成分的功率比其他频率成分要高20-dB。
本发明不需要昂贵的高速光电器件和复杂的光/电信号处理技术，大大降低了配置成本，简化了系统结构。如果采用高速器件，不必改变系统的结构，就可以很容易的提升到100-GHz以上的频段，在未来的无线宽带通信中具有广泛的应用前景。
Claims (5)
1.一种全光产生四倍频高速毫米波的装置，包括：可调光源、射频信号源、双平行马赫曾德调制器、电放大器，其特征在于，所述双平行马赫曾德调制器由两个子调制器组成，可调光源的输出端口连接到双平行马赫曾德调制器的光输入端口，射频信号源输出射频信号进入电放大器的输入端，从电放大器的输出端口得到放大的射频信号，电放大器的输出端口和双平行马赫曾德调制器的第一子调制器的射频输入端口相连，第二子调制器的射频输入端空载，双平行马赫曾德调制器的光输出端口输出四倍频的毫米波信号；所述双平行马赫曾德调制器，由集成在单个芯片上的两个子调制器组成，这两个子调制器具有同样的结构和性能，每个子调制器具有独立的射频信号输入端口和偏置端口，另外还有一个主偏置端口，用来调节两个子调制器的输出。
2.一种全光产生四倍频高速毫米波的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，频率为ωc的单波长可调连续光，被双平行马赫曾德调制器调制，射频信号源产生频率为ωs的射频信号经过电放大器放大后，驱动双平行马赫曾德调制器的第一子调制器，且偏置在其传输曲线的最高点，则第一子调制器输出包含3个波长成分的光信号；
步骤2，双平行马赫曾德调制器的第二子调制器的射频端口空载，则第二子调制器只输出ωc频率成分的光信号，通过控制第二子调制器的偏置电压，使得第二子调制器输出光信号的光功率和第一子调制器输出光信号中的ωc频率成分的光功率相同；
步骤3，控制双平行马赫曾德调制器的主偏置电压，使得第一子调制器和第二子调制器输出的光信号的相位完全相反，则第一子调制器中ωc频率成分被第二子调制器的ωc频率成分完全抵消，双平行马赫曾德调制器最终只输出ωc+2ωs和ωc-2ωs两个谐波成分，它们的频率间隔为4倍射频驱动信号的频率，即等于4ωs；
步骤4，将双平行马赫曾德调制器的输出信号连接到光频谱仪，以及经过光电转换后连接到电频谱仪和示波器进行测试。
3.根据权利要求2所述的全光产生四倍频高速毫米波的方法，其特征是，步骤一中，所述的3个波长成分分别为ωc频率成分和两个二阶谐波成分ωc±2ωs，它们的频率间隔为2倍射频信号频率。
4.根据权利要求2所述的全光产生四倍频高速毫米波的方法，其特征是，步骤二中，所述的第二子调制器的射频端口空载，是指第二子调制器的射频输入端口没有加载任何射频信号。
5.根据权利要求2所述的全光产生四倍频高速毫米波的方法，其特征是，步骤二中，所述光信号的光功率通过光谱仪进行测试得到。
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