CN101382624A - 一种基于双光纤光栅结构的微波、毫米波发生装置 - Google Patents

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吴树强
裴丽
宁提纲
祁春慧
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Abstract

本发明公开一种基于双光纤光栅结构的微波、毫米波发生装置，涉及微波光子和光纤通信等领域。该发生装置包括：连续波激光器(10)、光隔离器(20)、Y分器(30)连接成的激光产生和分束部分；第一光纤环形器(40)、第二光纤环形器(41)、第一光纤光栅(50)、第二光纤光栅(51)连接成的两束差频光波产生部分；光耦合器(31)、高速光电探测器(60)连接成的光外差部分；第一光纤环形器(40)的第三端口(403)和第二光纤环形器(41)的第三端口(413)直接接耦合器(31)的两个分叉端；高速光电探测器(60)的输出与高频带通滤波器(70)的输入相连。降低了微波、毫米波产生装置对光纤光栅的严格要求。

Description

一种基于双光纤光栅结构的微波、毫米波发生装置
技术领域
本发明涉及光纤无线通信和微波光子技术，适用于光纤-无线通信系统技术、微波光子、光纤传感、光纤通信以及雷达等领域。
背景技术
目前移动通信的发展极为迅猛，随着国际上3G技术的实用化，移动无线接入正向着宽带宽、高速接入的方向发展。然而，随着移动通信的迅猛发展，无线频谱资源缺乏的局限也越来越突出。但是集中了大多数业务的3GHz以下频段早已拥挤不堪，低频段资源几乎已经用尽。为了提高无线通信系统的容量和接入速率，就必然要求提高其工作频率。但是大气环境对无线信号由于吸收和反射所引起的损耗也会随着信号频率的增加而增加。
为了解决以上频率资源匮乏等问题，提出了ROF(Radio Over Fiber)技术。在ROF系统中，用光纤通信代替传统无线通信中从中心站(CS，Central Station)到基站(BS，Base Station)的一段微波传输，中心站通过光纤与多个功能简单的基站相连。所有的处理功能，包括调制解调、编解码、路由等在中心站完成，基站的主要功能是实现光信号和微波信号的转换。在中心站，基带电信号经过电调制器调制到毫米波发生器产生的毫米波上，再送入光调制器，将该复合电信号调制到从毫米波发生器处得到的可再用光载波上，以适用于光纤信道传输。以上这些都在中心站完成。微波、毫米波发生技术是ROF技术的关键技术，目前已有的毫米波发生技术包括直接调制、外调制和光外差方法等，其中光外差以其优异的性能成为产生光载毫米波的有效方法。
为了解决两个激光器产生的激光相位不相关的问题，提出了双光栅结构的外差法，此方法见于【裴军，余重秀，马建新，曾军英等.ROF系统中毫米波产生法的研究[J].有线电视技术.2007.9(213)：45-48】。该方法的实现包括连续波激光器依次连接光隔离器、Y分器一字端，Y分器的两个分叉端连接两个环形器和两个光纤光栅，把基带信号调制到其中一个光纤光栅的反射波上，与另一个光纤光栅的反射波在光耦合器耦合后进入光电探测器差频。优点有相位噪声较小，产生的毫米波信号带宽较窄等。但是在对其试验方案研究后发现，因为光纤光栅的工艺局限，难于制造出反射带宽足够小的光栅滤波器以获得高频谱纯度的反射波用于基带信号的调制和探测器处的差频。除上述局限外，要使激光器到两个光栅的距离完全相等是极难的，甚至是不可实现的。因此由两个光纤光栅得到的两束反射波相位就很难保持完全一致，这相当于人为引入了相位噪声。在传输过程中还会因为各种因素如色散的影响等使相位噪声累积，这也会导致接收端因相位噪声过大而无法恢复基带信号。在基站接收端，经光电探测得到的射频信号因掺杂了太多的无用复杂频率分量而导致无法恢复基带信号。即使两个光栅的反射谱带宽减小到1GHz，在接收端仍然无法恢复基带信号。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于双光纤光栅结构的微波、毫米波发生装置。把微波、毫米波的产生和调制分离，克服已有的电域或者光域产生微波、毫米波信号的不足，降低了微波、毫米波产生装置中对光纤光栅的严格要求，克服了人为引入相位噪声的缺陷，延长了传输距离，简化了中心站、基站结构，使得系统结构简单，降低了系统的造价。
本发明的技术方案：
本发明提出了一种基于双光纤光栅结构的微波、毫米波发生装置，该发生装置包括：由连续波激光器、光隔离器、Y分器连接成的激光产生和分束部分；由光纤环形器、光纤光栅连接成的两束差频光波产生部分；由光耦合器、高速光电探测器、高频带通滤波器连接成的光外差和滤波部分。
构成该发生装置的器件的连接：
连续波激光器依次连接光隔离器、Y分器的一字端、Y分器的一个分叉端连接第一光环形器的第一端口、另一个分叉端连接第二光环形器的第一端口；
第一光环形器的第二端口接第一光纤光栅；
第二光环形器的第二端口接第二光纤光栅；第一光环形器的第三端口和第
二光环形器第三端口的直接接光耦合器的两个分叉端；
光耦合器的输出经高速光电探测器接高频带通滤波器输入端。
本发明的有益效果具体如下：
本发明所述的一种基于双光纤光栅结构的微波、毫米波发生装置，充分利用光纤光栅的波长选择特性，产生两束频率间隔为需要微波、毫米波频率的光波，通过光纤耦合器耦合进入高速光电探测器中，经过差频实现微波、毫米波的输出。此发明不仅放宽了对光纤光栅滤波器的反射带宽的要求，把微波、毫米波的产生和调制分离，克服已有的电域或者光域产生微波、毫米波信号的不足。同时，与光外差方法产生调制毫米波相比，此种方案可以获得相对较低的相位噪声，因为把外差产生毫米波波和基带数据调制传输分离，简化了系统结构，预期成本也很低，从而大大延长了传输距离。该装置产生的微波、毫米波不仅实现简易、成本相对较低，具有更高的性价比。
附图说明
图1为一种基于双均匀光纤光栅结构的微波、毫米波发生装置。
图2为一种基于双啁啾光纤光栅结构的微波、毫米波发生装置。
图3为一种基于双高斯切趾光纤光栅结构的微波、毫米波发生装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例一
如图1，一种基于双均匀光纤光栅结构的微波、毫米波发生装置，其构成的器件之间的连接：
连续波激光器10依次连接光隔离器20、Y分器30的一字端、Y分器30的一个分叉端连接第一光环形器40的第一端口401、另一个分叉端连接第二光环形器41的第一端口411，第一光环形器40的第二端口402接第一光纤光栅50；第二光环形器41的第二端口412接第二光纤光栅51；
第一光环形器40的第三端口403和第二光环形器41的第三端口413直接接光耦合器31的两个分叉端、耦合器31的一字端经高速光电探测器60接高频带通滤波器70输入端。
第一光纤光栅50和第二光纤光栅51采用均匀光纤光栅。
第一光纤光栅50中心波长：λ1＝1553.007nm
第二光纤光栅51中心波长：λ2＝1552.524nm
经过滤波器后产生的微波、毫米波频率：fRF＝c(1/λ2-1/λ1)＝60GHz，c是光速。
该装置产生的的微波、毫米波信号的频率大小范围为10GHz到1000GHz。
一种基于双光纤光栅结构的微波、毫米波发生装置的工作原理：
连续波激光器10产生的光载波信号经过光隔离器20进入Y分器30的一字端，在Y分器的分叉端分为两束输出。一束光载波经过光第一光环形器40的401端口输入到第一光纤光栅50，另一束光载波经过第二光环形器41的411端口输入到第二光纤光栅51，第一光纤光栅50的反射波经过第一光环形器40的402端口返回第一光环形器40，经过第一光环形器40的403端口输出到光耦合器31，与经过第二光环形器41的413端口返回的第二光纤光栅51的反射波耦合后输入到高速光电探测器60中进行差频，第一和第二光纤光栅的中心波长频率之差等于微波、毫米波频率，差频后产生包含fRF的微波、毫米波波段。差频产生的微波、毫米波输入到高频带通滤波器70滤除不需要的频率分量，从而得到下行链路所需的微波、毫米波。
实施例二
如图2，一种基于双啁啾光纤光栅结构的微波、毫米波发生装置，其构成的器件之间的连接，同实施例一。
仅第一光纤光栅50和第二光纤光栅51采用啁啾光纤光栅。
第一光纤光栅50中心波长：λ1＝1553.007nm
第二光纤光栅51中心波长：λ2＝1545.595nm
经过滤波器后产生的微波、毫米波频率：fRF＝c(1/λ2-1/λ1)＝1000GHz
该装置产生的的微波、毫米波信号的频率大小范围为10GHz到1000GHz。
一种基于双啁啾光纤光栅结构的微波、毫米波发生装置的工作原理，同实施例一。
实施例三
如图3，一种基于双高斯切趾光纤光栅结构的微波、毫米波发生装置，其构成的器件之间的连接，同实施例一。
仅第一光纤光栅50和第二光纤光栅51采用高斯切趾光纤光栅。
第一光纤光栅50中心波长：λ1＝1553.007nm
第二光纤光栅51中心波长：λ2＝1552.927nm
经过滤波器后产生的微波、毫米波频率：fRF＝c(1/λ2-1/λ1)＝10GHz
该装置产生的的微波、毫米波信号的频率大小范围为10GHz到1000GHz。一种基于双高斯切趾光纤光栅结构的微波、毫米波发生装置的工作原理，同实施例一。

Claims (4)

1.一种基于双光纤光栅结构的微波、毫米波发生装置，该发生装置包括：连续波激光器(10)、光隔离器(20)、Y分器(30)连接成的激光产生和分束部分；第一光纤环形器(40)、第二光纤环形器(41)、第一光纤光栅(50)、第二光纤光栅(51)连接成的两束差频光波产生部分；光耦合器(31)、高速光电探测器(60)连接成的光外差部分；
其特征在于，第一光纤环形器(40)的第三端口(403)和第二光纤环形器(41)的第三端口(413)直接接耦合器(31)的两个分叉端；
高速光电探测器(60)的输出与高频带通滤波器(70)的输入相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于双光纤光栅结构的微波、毫米波发生装置，其特征在于，第一光纤光栅(50)和第二光纤光栅(51)的反射带宽之和小于连续波激光器(10)输出带宽，两个光纤光栅中心波长频率之差等于产生的微波、毫米波频率。
3.根据权利要求1所述的一种基于双光纤光栅结构的微波、毫米波发生装置，其特征在于，所述的第一光纤光栅(50)、第二光纤光栅(51)为均匀光纤光栅、啁啾光纤光栅、高斯切趾光纤光栅或升余弦切趾光纤光栅。
4.根据权利要求1所述的一种基于双光纤光栅结构的微波、毫米波发生装置，其特征在于，该装置产生的的微波、毫米波信号的频率范围为10GHz到1000GHz。
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