CN101951294B - 宽带连续可调谐微波/毫米波信号产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及宽带连续可调谐微波/毫米波信号产生装置，包括具有偏振正交输出的双频光纤激光器、偏振分束器、至少一个频率调制器、偏振合波器、偏振控制器、检偏器以及光电探测器；双频光纤激光器与偏振分束器连接，频率调制器连接在偏振分束器的输出端与偏振合波器的输入端之间，偏振合波器、偏振控制器、检偏器以及光电探测器依次连接。本发明可以解决毫米波光纤传输系统中毫米波段以上信号产生的难题，利用0-30GHz范围内可调的微波信号源可以实现0-120GHz范围内可调的微波/毫米波信号源，具有调谐速度快、调谐范围大、稳定性和重复性好的特点与优势。

Description

宽带连续可调谐微波/毫米波信号产生装置

技术领域

本发明涉及光纤微波通信技术领域，利用低成本、简单的光子技术来实现微波信号频率上转换及宽带可调谐微波/毫米波信号产生装置，更准确地说，是基于一种具有双偏振、双频输出的光纤激光器所实现的宽带连续可调谐微波/毫米波信号产生装置。

背景技术

无线通信系统容量需求的快速增长，使得微波领域的相关技术及应用得以快速发展。但目前微波频段的带宽限制已成为严重问题，为了适应其日益增加的业务种类和更加繁重的处理任务，人们不得不开始考虑30～70GHz新频段、甚至更高频段的利用。传统的微波信号发生装置，通常是利用射频电路的方案来产生微波信号，然而其体积大、精度低、而且易受电磁干扰，尤其是产生30GHz以上微波、毫米波信号的工艺技术复杂，成本非常高。因此无线通信以及新出现的光载微波通信系统向30GHz～70GHz毫米波段、甚至太赫兹波段的发展对传统微波信号源都是极大的挑战。

微波光子技术是本世纪发展起来的全新技术，其融合了传统微波学和光子学技术的特点，利用光纤具有的大信息容量、低损耗、不受电磁场干扰、结构体积小巧、易组网等优势，大大降低了光载微波通信系统的成本，提供巨大的带宽资源，并且解决了现有微波通信领域存在的电子瓶颈问题。

随着微波光子技术的发展，微波信号发生装置，作为无线通信系统和光载微波通信系统的关键技术单元，得到了不断的发展并出现了许多新的解决方案。

U.Gliese等人提出的基于两个可调谐的频率相近的激光器产生的激光(IEEE Photon.Technol.Lett.Vol.4，No.8，pp.936-938，1992.)，但是其要求两个独立的激光器频率非常稳定，缺点在于双激光器的相位噪声严重，同步稳频方案复杂。

中国发明专利申请“一种光学产生高频微波信号的方法和装置”，申请号CN200910097868.7，公开号CN101540468A，公开日2009/09/23，公开了一种基于高增益保偏光纤的微波信号发生器，其利用激光器输出的X、Y偏振方向的两个光信号在检偏振上拍频来产生微波信号。该设计无法实现可调谐的微波信号装置，大大限制了该方案的实际应用范围。

中国发明专利申请“一种可调谐微波信号发生器”，申请号CN 200910010182.x，公开号CN101478345A，公开日2009/07/08，公开了一种利用光纤激光器作为信号发生单元，结合技术非常成熟的压电陶瓷作为调谐单元，对光纤激光器输出的两个偏振方向上的光信号进行调谐，进而实现可调谐的微波信号发生装置。该设计无法实现微波信号源的快速调谐，并且调谐分辨率会受到压电陶瓷的限制，这些缺点限制了该方案的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于克服了现有技术的缺点与不足，提供一种结构简单、响应速度快、可电控的微波信号频率上转换及宽带连续可调谐微波/毫米波信号产生装置。本发明基于一种具有双偏振、双频输出的光纤激光器，同时利用先进的频率调制技术，分别对光纤激光器在两个偏振方向上输出的光信号进行频率调谐，两个经过频率调谐的光信号通过在检偏器上拍频来产生微波信号，该装置可以解决毫米波段信号产生的难题。本发明利用0-30GHz范围内可调的微波信号源以及一个频率差为30GHz的双偏振、双频光纤激光器即可在0-90GHz范围内实现可调谐的微波/毫米波信号源，具有调谐速度快、调谐范围大、稳定性和重复性好的特点与优势。

本发明的目的可以通过下述技术方案来实现：本宽带连续可调谐微波/毫米波信号产生装置，包括具有偏振正交输出的双频激光器、偏振分束器、至少一个频率调制器、偏振合波器、检偏器以及光电探测器；偏振正交输出的双频激光器与偏振分束器相连接，频率调制器连接在偏振分束器的一个输出端与偏振合波器的一个输入端之间，偏振分束器的另一个输出端直接与偏振合波器的另一个输入端直接相连，偏振合波器、检偏器以及光电探测器依次连接。

上述的宽带连续可调谐微波/毫米波信号产生装置，还包括宽带可调微波信号源、微波功率分束器、一个90°电混合器；所述宽带可调微波信号源经所述微波功率分束器后，再通过所述90°电混合器与频率调制器相连接。

本发明的目的还可以通过下述技术方案来实现：本宽带连续可调谐微波/毫米波信号产生装置，包括具有偏振正交输出的双频激光器、偏振分束器、两个频率调制器、偏振合波器、检偏器以及光电探测器；偏振正交输出的双频激光器与偏振分束器连接，偏振分束器的两个输出端一一对应地与两个频率调制器连接后，再分别与偏振合波器的两个输入端连接，偏振合波器、检偏器以及光电探测器依次连接。

上述的宽带连续可调谐微波/毫米波信号产生装置，还包括宽带可调微波信号源、微波功率分束器、两个90°电混合器；宽带可调微波信号源经微波功率分束器后，再分别通过两个90°电混合器与两个频率调制器一一对应连接。

所述频率调制器为由一个主干涉结构及其两个干涉臂上的子干涉结构所构成的QPSK光电调制器。

所述检偏器与偏振正交的双频激光的偏振方向都成45°夹角。

所述具有偏振正交输出的双频光纤激光器是分布反馈式激光器或分布布拉格反射镜式光纤激光器。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：由于采用了具有双偏振、双频率输出的光纤激光器，该激光器自身可以输出相位锁定的双频激光，其频率差在30GHz左右，利用检偏器和光电探测器，该光源即可产生30GHz左右的微波信号源。利用先进的频率调制技术，分别对光纤激光器在两个偏振方向上输出的激光信号进行频率调谐，当改变外部加载的微波信号时，两个偏振方向上的光信号可分别向长波或短波方向频移。因此本发明利用一个0-30GHz的外部微波信号源，即可在0-90GHz范围内实现宽带可调的微波/毫米波信号源，大大降低了宽带可调微波/毫米信号源的成本。具有调谐速度快、调谐范围大、稳定性和重复性好的特点与优势。

附图说明

图1是本发明光纤激光器产生微波信号的原理图；

图2是本发明所涉及光纤激光器所输出的激光光谱与微波频谱图；

图3是本发明实施例1的结构示意图；

图4是实施例1实现宽带可调微波信号源的原理图；

图5是本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明中的光纤激光器可用于产生固定频率输出的微波信号源，为具有偏振正交输出的双频光纤激光器(也即双偏振、双频率光纤激光器)，其原理如图1所示。图1中101、102为一对布拉格光纤光栅(FBG)用作光纤激光器的反射镜，103为采用高掺铒保偏光纤产生激光的增益介质，两个布拉格光纤光栅端到端之间的长度为光纤激光器的有效腔长，104为保偏光纤合波器，105为980nm泵浦光源，111为偏振控制器，112为检偏器，113为宽带光电探测器。该光纤激光器输出的双偏振、双频激光如图1中302、303所示，双频激光信号的偏振方向正交。如果将偏振正交的双频激光输出与相对两者偏振态方向成45°夹角的检偏器连接，再将检偏器输出连接到光电探测器中拍频，即可得到频率为30GHz左右的微波信号源。图2所示为实验测量的偏振正交双频光纤激光器的输出光谱及其拍频产生的微波信号频谱。

实施例1

本实施例包括具有偏振正交输出的双频光纤激光器、偏振分束器、一个频率调制器、偏振合波器、偏振控制器、检偏器以及光电探测器，以及依次连接的宽带可调谐微波信号源、微波功率分束器、90°电混合器；双频光纤激光器、偏振分束器的一个输出端、一个频率调制器、偏振合波器的一个输入端、偏振控制器、检偏器以及光电探测器依次连接，偏振分束器的另一个输出端直接与偏振合波器的另一个输入端连接，90°电混合器与频率调制器连接；检偏器与偏振正交的双频激光的偏振方向都成45°夹角。在本实施例中，频率调制器采用QPSK光电调制器。

如图3(a)所示，101、102为一对布拉格光纤光栅(FBG)用作光纤激光器的反射镜，103为高掺铒保偏光纤作为产生激光的增益介质，两个布拉格光纤光栅端到端之间的长度为光纤激光器的有效腔长，104为保偏光纤合波器，105为980nm泵浦光源，111为偏振控制器，112为检偏器，113为宽带光电探测器，107为偏振分束器，110为偏振合波器，108为频率调制器，114为宽带可调谐微波信号源(范围为0-30GHz)，120为微波功率分束器，116为宽带微波放大器，140为90°电混合器。

图3(b)为本发明所述利用频率调制器实现光信号频率调谐的详细原理，如图所示，光纤激光器输出的双偏振、双频激光302、303通过偏振分束器107分为偏振态正交的光信号302和303，其中光信号303不通过任何频移器件直接与偏振合波器110的一个输入端相连，而光信号302通过频率调制器108后，再与偏振合波器110的另一个输入端相连。

频率调制器108是由一个主干涉结构1081及其两个干涉臂上的子干涉结构1082和1083所构成，其中主干涉结构和子干涉结构均优选马赫-曾德波导干涉结构。主马赫-曾德波导干涉结构1081的其中一个干涉臂上镀有电极1405，通过该电极可由外加偏置电压132提供主马赫-曾德波导干涉结构1081两个干涉臂之间的相位差；每个子马赫-曾德波导干涉结构中的一个干涉臂上也镀有行波电极1403或1404，通过该电极，外部宽带微波信号1401和1402可加载到光信号302上。

外加宽带可调微波信号源114(0-30GHz)通过宽带微波放大器116、微波功率分束器120以及90°电混合器140分为微波信号1401和1402，并且微波信号1401与1402之间有90°相位差，然后微波信号1401与1402分别加载到频率调制器108的I、Q端。

本实施例的光频率调制原理如下：

情况(a)：当频率调制器108的主马赫-曾德波导干涉结构1081两个干涉臂之间的相位差通过外加偏置电压132控制为+90°时，通过频率调制器108的光信号302就会随着外加微波信号源输出信号频率f向短波方向频移f。这种调谐情况如图4(a)所示。

情况(b)：当频率调制器108的主马赫-曾德干涉波导结构1081两个干涉臂之间的相位差通过外加偏置电压132控制为-90°时，通过频率调制器108的光信号302就会随着外加微波信号源输出信号频率f向长波方向频移f。这种调谐情况如图4(b)所示。

综上所述，基于本发明，我们利用输出频率调谐范围为f的微波信号源，可以产生频率调谐范围2f的微波信号源。以0-30GHz微波信号源为例，基于频率差为30GHz的双偏振、双频率光纤激光器，我们可以实现0-60GHz的宽带可调微波/毫米波信号源。

实施例2

本实施例包括具有偏振正交输出的双频光纤激光器、偏振分束器、两个频率调制器、偏振合波器、偏振控制器、检偏器以及光电探测器，偏振正交输出的双频光纤激光器与偏振分束器连接，偏振分束器的两个输出端一一对应地与两个频率调制器连接后，再分别与偏振合波器的两个输入端连接，偏振控制器、检偏器以及光电探测器依次连接。检偏器与偏振正交的双频激光的偏振方向都成45°夹角。本实施例还包括宽带可调微波信号源、微波功率分束器、两个90°电混合器，宽带可调微波信号源经微波功率分束器后，再分别通过两个90°电混合器与两个频率调制器一一对应地连接。

本实施例的光纤激光器在结构上与实施例1的相同；频率调制器也是采用QPSK光电调制器。如图5(a)所示，107为偏振分束器，110为偏振合波器，108和109为频率调制器，114为宽带可调微波信号源(范围为0-30GHz)，115、120和123为微波功率分束器，116和117为宽带微波放大器，140和141为90°电混合器。

图5(b)为本发明所述利用频率调制器实现光信号频率调谐的详细原理，如图所示，光纤激光器输出的双偏振、双频激光302、303通过偏振分束器107分为偏振态正交的光信号302和303，这两个信号分别通过频率调制器108和109，再通过偏振合波器110合波输出。

频率调制器108是由一个主干涉结构1081及其两个干涉臂上的子干涉结构1082和1083所构成，其中主干涉结构和子干涉结构均优选马赫-曾德波导干涉结构。主马赫-曾德波导干涉结构1081的其中一个干涉臂上镀有电极1405，通过该电极可由外加偏置电压132提供主马赫-曾德波导干涉结构1081两个干涉臂之间的相位差；每个子马赫-曾德波导干涉结构1082和1083中的其中一个干涉臂上也镀有行波电极1403或1404，通过该电极外部宽带微波信号1401和1402可加载到光信号302上。

同样原理，频率调制器109是由一个主马赫-曾德波导干涉结构1091及其两个干涉臂上的子马赫-曾德波导干涉结构1092和1093所构成。主马赫-曾德干涉波导结构1091的其中一个干涉臂上镀有电极1415，通过该电极可由外加偏置电压134提供主马赫-曾德波导干涉结构1091两个干涉臂之间的相位差；每个子马赫-曾德干涉波导结构1092和1093中的其中一个干涉臂上也镀有行波电极1413或1414，通过该电极外部宽带微波信号1411和1412可加载到光信号303上。

外加宽带可调微波信号源114(0-30GHz)通过微波功率分束器115、120，宽带微波放大器116以及90°电混合器140分为微波信号1401和1402，并且微波信号1401与1402之间有90°相位差，然后微波信号1401与1402分别加载到频率调制器108的I、Q端。

同样的原理，外加宽带可调谐微波信号源114(0-30GHz)通过微波功率分束器115、123，宽带微波放大器117以及90°电混合器141分为微波信号1411和1412，并且微波信号1411与1412之间有90°相位差，然后微波信号1411与1412分别加载到频率调制器109的I、Q端。

本实施例的光频率调制原理如下：

情况(a)：当频率调制器108的主马赫-曾德波导干涉结构1081两个干涉臂之间的相位差通过外加偏置电压132控制为+90°时，通过频率调制器108的光信号302就会随着外加微波信号源输出信号频率f向短波方向频移f。

当频率调制器109的主马赫-曾德干涉波导结构1091两个干涉臂之间的相位差通过外加偏置电压134控制为-90°时，通过频率调制器109的光信号303就会随着外加微波信号源输出信号频率f向长波方向频移f。这种调谐情况类似图4(a)所示。

情况(b)：当频率调制器108的主马赫-曾德干涉波导结构1081两个干涉臂之间的相位差通过外加偏置电压132控制为-90°时，通过频率调制器108的光信号302就会随着外加微波信号源输出信号频率f向长波方向频移f。

这样当频率调制器109的主马赫-曾德干涉波导结构1091两个干涉臂之间的相位差通过外加偏置电压134控制为-90°时，通过频率调制器109的光信号303就会随着外加微波信号源输出信号频率f向短波方向频移f。这种调谐情况类似图4(b)所示。

综上所述，本发明利用输出频率调谐范围为f的微波信号源，可以实现频率调谐范围3f的微波信号源。以0-30GHz微波信号源为例，基于频率差为30GHz的双偏振、双频率光纤激光器，我们可以实现0-90GHz的宽带可调微波/毫米波信号源。利用输出频率调谐范围为f的微波信号源，也可以实现频率调谐范围4f的微波信号源。以0-30GHz微波信号源为例，基于频率差为60GHz的双偏振、双频率光纤激光器，我们可以实现0-120GHz的宽带可调微波/毫米波信号源。与实施例1相比较，本实施例可实现的微波/毫米波信号源的调谐范围更大，因此应用领域更加广泛。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.宽带连续可调谐微波/毫米波信号产生装置，其特征在于：包括具有偏振正交输出的双频激光器、偏振分束器、至少一个频率调制器、偏振合波器、检偏器以及光电探测器；偏振正交输出的双频激光器与偏振分束器相连接，频率调制器连接在偏振分束器的一个输出端与偏振合波器的一个输入端之间，偏振分束器的另一个输出端直接与偏振合波器的另一个输入端直接相连,偏振合波器、检偏器以及光电探测器依次连接；

还包括宽带可调微波信号源、微波功率分束器、一个90°电混合器；所述宽带可调微波信号源经所述微波功率分束器后，再通过所述90°电混合器与频率调制器相连接；

所述频率调制器为由一个主干涉结构及其两个干涉臂上的子干涉结构所构成的QPSK光电调制器；所述频率调制器的主干涉结构包括外加偏置电压。

2.根据权利要求1所述的宽带连续可调谐微波/毫米波信号产生装置，其特征在于：所述检偏器与偏振正交的双频激光的偏振方向都成45°夹角。

3.根据权利要求1所述的宽带连续可调谐微波/毫米波信号产生装置，其特征在于：所述具有偏振正交输出的双频激光器是分布反馈式光纤激光器或分布布拉格反射镜式光纤激光器。

4.宽带连续可调谐微波/毫米波信号产生装置，其特征在于：包括具有偏振正交输出的双频激光器、偏振分束器、两个频率调制器、偏振合波器、检偏器以及光电探测器；偏振正交输出的双频激光器与偏振分束器连接，偏振分束器的两个输出端一一对应地与两个频率调制器连接后，再分别与偏振合波器的两个输入端连接,偏振合波器、检偏器以及光电探测器依次连接；

还包括宽带可调微波信号源、微波功率分束器、两个90°电混合器；宽带可调微波信号源经微波功率分束器后，再分别通过两个90°电混合器与两个频率调制器一一对应连接；

所述频率调制器为由一个主干涉结构及其两个干涉臂上的子干涉结构所构成的QPSK光电调制器；所述频率调制器的主干涉结构包括外加偏置电压。

5.根据权利要求4所述的宽带连续可调谐微波/毫米波信号产生装置，其特征在于：所述检偏器与偏振正交的双频激光的偏振方向都成45°夹角。

6.根据权利要求4所述的宽带连续可调谐微波/毫米波信号产生装置，其特征在于：所述具有偏振正交输出的双频激光器是分布反馈式光纤激光器或分布布拉格反射镜式光纤激光器。

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