CN102098108A - 光生微波信号源及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光生微波信号源及方法。本发明通过采用同一激光器所产生两种模式的激光作为光源，该两种模式的激光在频域上相邻，同为纵模，具有相关性，其在进行差频操作时，相位噪声小，波长匹配度较好，从而满足了进行差频操作对光源相干性的要求，提高了光生微波信号的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及光通信器件领域，尤其涉及一种光生微波信号源及方法。
背景技术
利用传统电学方法产生微波，因受电学元器件的限制，其频率不会很高，如果要得到60GHz甚至100GHz频率的微波，就需经多次倍频，而且还要承受巨大的功率代价，因此系统复杂且昂贵。下面先简要介绍光载无线电传输系统，再介绍用光子学技术产生高频微波的各种方法。
微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，是无线通信的载体。微波通信成本低，易于构建和重构，能够实现与移动或手提设备的无线连接，并且频率利用率非常高。但是，高频微波在空气中传输时损耗太大，微波的电磁辐射也会对人体产生影响，因此无线通信中可用微波的传输距离和频率范围受到限制。而光纤通信恰恰能弥补这些不足。光波频率高，且易于多路合成，具有极高带宽；光在光纤中传输时损耗低，抗电磁干扰且无电磁辐射；光纤链路中再生放大也很简单，损耗问题很容易解决。因此光纤通信技术是实现超宽传输带宽、远距离通信的最合理方法。光纤通信的主要问题是需要光纤做传输媒介，因而不具有灵活移动性。由于微波通信技术与光纤通信技术的完美互补，两者相结合，利用光波作载波传输微波信号，即光载无线电(Radio-Over-Fiber，简称ROF)传输系统，能实现高速率、低损耗、长距离、抗干扰、灵活移动的通信，其主要应用包括：ROF室内无线局域网和宽带无线接入系统，智能交通通讯系统，宽带视频分配网络、车载无线通讯、相控阵列雷达等。
ROF系统实现的基础，就是通过光子学技术产生微波信号。产生光生微波信号主要有以下两种方法：高频微波直接光学调制方法和光外差法。现针对与本发明最为相关的现有技术-光外差法进行说明。
通过光外差法得到光生微波信号的关键在于如何得到相位稳定并且相干的光源。因为对于两个独立的激光器(尤其是半导体激光器)而言，其输出光没有相干性，随机相位噪声非常严重，而且各自温度和偏置电流的变化还会引起激射波长的漂移，从而造成差频微波信号频率的漂移。如果用这样的两束光波差频，产生的微波信号频率不稳定、频谱纯度不够、噪声非常大，不能在实际系统中使用。因此，只有两个波长相近、相位相关、偏振相符的稳定光源才能产生高质量、低相位噪声的微波信号。
为了消除光外差法中激光光源的相位噪声，可以使用光注入锁定技术，用某一频率的微波信号对主激光器进行调制，产生一系列调制边带。选出所需要的调制边带，注入到从激光器中并将从激光器锁定。经过注入锁定后，主激光器和从激光器之间相位就有了相位相关性，因此可以差频得到窄线宽，低相位噪声的微波信号。通过此方法差频得到的微波信号一般是调制信号的几倍频，这取决于所选取的调制边带。光注入锁定技术可以利用相对廉价的宽线宽激光器生成高质量的窄线宽信号。由于被注入的激光器相位相关性很好，所以能够很好地抑制相位噪声。然而，光注入锁定技术最主要的缺陷是注入锁定范围比较小，通常只有几百兆赫兹。因而，对从激光器和主激光器调制边带的波长匹配要求比较高。而且，对从激光器的工作稳定性要求也很高，对其温控和驱动电流的控制要精确。这是因为温度和驱动电流对激光器工作波长影响很大，一般是10GHz/K和1GHz/mA。
在实现本发明的过程中，发明人意识到现有技术存在如下缺陷：利用两台独立的激光器采用光外差法获得光生微波信号，对光源相干性的要求相当严格，所产生的微波信号频率稳定性差。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为解决上述缺陷，本发明提供了一种光生微波信号源及方法，以满足进行差频操作对光源相干性的要求，提高微波信号的稳定性。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种光生微波信号源。该信号源包括激光器、调制信号源、光调制器、光滤波器和光电探测器，其中：激光器，用于产生第一模式激光和第二模式激光，该第一模式和第二模式在频域上相邻，同为纵模，并具有相位相关性；调制信号源，用于产生电调制信号；光调制器，与调制信号源和激光器的输出端相连接，用于利用电调制信号对第一模式激光和第二模式激光进行调制；光滤波器，与光调制器相连接，用于从调制获得的多组调制边带光信号中，滤波获取基于第一模式的第一调制边带光信号和基于第二模式的第二调制边带光信号，第一调制边带光信号和第二调制边带光信号在频域上位于第一模式和第二模式之间；光电探测器，与光调制器相连，用于利用第一调制边带光信号和第二调制边带光信号进行差频，获得光生微波信号。
优选地，本发明光生微波信号源中，激光器为法布里-珀罗激光器。该法布里-珀罗激光器，用于提供两相邻模式的激光，该两相邻模式同为纵模，模间距恒定，且两模式之间具有相位相关性。
优选地，本发明光生微波信号源中，信号源还包括：光放大器。该光放大器，位于光滤波器和光电探测器之间，用于对第一调制边带光信号和第二调制边带光信号进行功率放大。
优选地，本发明光生微波信号源中，光调制器与激光器通过光纤进行连接；光滤波器与光调制器通过光纤连接；光放大器与光滤波器通过光纤连接；光电探测器与光放大器通过光纤相连。
优选地，本发明光生微波信号源中，激光器为法布里-珀罗激光器，光调制器为铌酸锂外调制器或电光调制器，光放大器为掺铒光纤放大器。
优选地，本发明光生微波信号源的光滤波器中，第一调制边带光信号为第一模式激光的正二阶边带光信号，第二调制边带光信号为第二模式激光的负二阶边带光信号。
优选地，本发明光生微波信号源中，调制信号源为可调谐的调制信号源。
根据本发明的另一个方面，提供了一种光生微波信号的方法。该方法包括：激光器产生第一模式激光和第二模式激光，该第一模式和第二模式在频域上相邻，同为纵模，并具有相位相关性；光调制器接收第一模式激光和第二模式激光，利用调制信号源产生的电调制信号对第一模式激光和第二模式激光进行调制，得到多组调制边带光信号；光滤波器从光调制器获取多组调制边带光信号中，滤波获取基于第一模式的第一调制边带光信号和基于第二模式的第二调制边带光信号，第一调制边带光信号和第二调制边带光信号在频域上位于第一模式和第二模式之间；光电探测器从光滤波器获取第一调制边带光信号和第二调制边带光信号，利用第一调制边带光信号和第二调制边带光信号进行差频，获得光生微波信号。
(三)有益效果
本发明光生微波信号源及方法中，通过采用同一激光器所产生两种模式的激光作为光源，该两种模式的激光频域上相邻，同为纵模，具有相关性，该两种模式的激光在进行差频操作时，波长匹配度好，相位噪声较小，从而满足了进行差频操作对光源相干性的要求，提高了微波信号的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例光生微波信号方法的流程图；
图2为本发明实施例光生微波信号源的结构示意图；
图3为本发明实施例光生微波信号源中法布里珀罗激光器输出光谱的示意图；
图4本发明实施例光生微波信号源中铌酸锂外调制器的输出光谱示意图；
图5本发明实施例光生微波信号源中光滤波器进行滤波后的输出光谱示意图；
图6本发明实施例光生微波信号源中掺饵光纤放大器进行光放大后的输出光谱示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种光生微波信号源。该信号源包括激光器、调制信号源、光调制器、光滤波器和光电探测器。激光器，用于产生第一模式激光和第二模式激光，该第一模式和第二模式在频域上相邻，同为纵模，并具有相位相关性。调制信号源，用于产生电调制信号。光调制器，与调制信号源和激光器的输出端相连接，用于利用电调制信号对第一模式激光和第二模式激光进行调制。光滤波器，与光调制器相连接，用于从调制获得的多组调制边带光信号中，滤波获取基于第一模式的第一调制边带光信号和基于第二模式的第二调制边带光信号，第一调制边带光信号和第二调制边带光信号在频域上位于第一模式和第二模式之间。光电探测器，与光调制器相连，用于利用第一调制边带光信号和第二调制边带光信号进行差频，获得光生微波信号。
本实施例中，该激光器优选为多模激光器，最好为法布里-珀罗激光器。而双模激光器也可以实现相关功能，如分布反馈激光器(DFB)或分布布拉格反射式激光器(DBR)。
本实施例光生微波信号源及方法中，通过采用同一激光器所产生两种模式的激光作为光源，该两种模式的激光频域上相邻，同为纵模，具有相关性，该两种模式的激光在进行差频操作时，波长匹配度好，相位噪声较小，从而满足了进行差频操作对光源相干性的要求，提高了光生微波信号的稳定性。
法布里-珀罗激光器作为一种常见的光电子器件，其生产工艺相对成熟，价格低廉，其输出呈多纵模特性，模间距恒定，不随偏置电流温度等因素变化而变化，并且各模式之间具有一定的相位相关性。经外调制器进行强度调制后，各纵模边带和边带之间也相应地具有一定的相关性。因此，利用法布里珀罗激光器相邻边带差频可以得到相位噪声较低的微波信号。
在本发明进一步的实施例中，光生微波信号源还包括：光放大器和/或微波放大器。该光放大器，位于光滤波器和光电探测器之间，用于对第一调制边带光信号和第二调制边带光信号进行功率放大。该微波放大器，位于光电探测器的后端，用于对光生微波信号进行功率放大。由于差频信号的强度很低，为了获得具有一定功率强度的光生微波信号，对输入光电探测器的光信号强度进行增大或对获得的差频信号进行功率放大都是必须的，并且此处的光放大器和微波放大器可以为采用现有技术能够实现相应功能的设备。
在本发明的优选实施例中，激光器为法布里-珀罗激光器，光调制器为铌酸锂外调制器或现有技术中常用的电光调制器，光放大器为掺铒光纤放大器。其中法布里珀罗激光器与铌酸锂外调制器之间用光纤连接，铌酸锂外调制器与光滤波器之间用光纤连接，光滤波器与掺饵光纤放大器之间用光纤连接，掺饵光纤放大器与光电探测器之间用光纤连接。光纤连接是本发明最优的连接方式，当然也可以采用其他的连接方式，例如，如果做成集成器件，则可以将实现本发明功能的所有器件都做在单片光电子芯片上，则可以用光波导来实现连接。
本实施例中，从获得足够强度功率的边带信号方面考虑，在光滤波器设计中，第一调制边带光信号为第一模式激光的正二阶边带光信号，第二调制边带光信号为第二模式激光的负二阶边带光信号。在此种情况下，如果第一模式激光的频率为fA，第二模式激光的频率为fB，且fA＜fB，电调制信号的频率为fm，则：第一调制边带光信号的频率为fA+2fm；第二调制边带光信号的频率为fB-2fm，光生微波信号的频率为fB-fA-4fm。
在本发明的优选实施例中，调制信号源为可调谐的调制信号源。但是可调谐的范围与上述该滤波器的滤波范围有关，光滤波器的滤波范围增大，则光生微波信号的调谐范围相应的也会增大。
与上述装置实施例对应，本发明还提供了一种光生微波信号的方法。图1为本发明实施例光生微波信号方法的流程图。如图1所示，该方法包括：
步骤S102，激光器产生第一模式激光和第二模式激光，该第一模式和第二模式在频域上相邻，同为纵模，并具有相位相关性；
步骤S104，调制信号源产生电调制信号；
步骤S106，光调制器接收第一模式激光和第二模式激光，利用调制信号源产生的电调制信号对第一模式激光和第二模式激光进行调制，得到多组调制边带光信号；
步骤S108，光滤波器从光调制器获取多组调制边带光信号中，滤波获取基于第一模式的第一调制边带光信号和基于第二模式的第二调制边带光信号，第一调制边带光信号和第二调制边带光信号在频域上位于第一模式和第二模式之间；
步骤S110，光电探测器从光滤波器获取第一调制边带光信号和第二调制边带光信号，利用第一调制边带光信号和第二调制边带光信号进行差频，获得光生微波信号。
以下将用具体的实施例来对本发明进行说明。需要说明的是，以下具体实施例的技术特征均适用于产品实施例和方法实施例。并且，这些具体的技术特征仅用于说明本发明，但并不构成对本发明保护范围的限制。
在本发明的一个具体实施例中，提供了一种基于法布里-珀罗激光器调制边带外差产生的可调谐光生微波信号源。图2为本发明实施例光生微波信号源的结构示意图。
如图2所示，该信号源包括以下部件：一法布里-珀罗激光器，该法布里珀罗激光器呈多纵模输出；一铌酸锂外调制器，该铌酸锂外调制器的输入端与法布里珀罗激光器的输出端连接，用以调制法布里珀罗激光器的出射光；一电信号源，该电信号源为驱动铌酸锂外调制器提供电信号；一光滤波器，该光滤波器用以对经过外部调制得到的多模光进行选模滤波，其滤波范围与法布里珀罗激光器的两相邻边带间隔相匹配；一掺饵光纤放大器，该掺饵光纤放大器对光滤波器的滤出光进行功率放大；一光电探测器，该光电探测器对入射光进行外差差频，输出光生微波信号。
如图2所示，该信号源中，法布里珀罗激光器与铌酸锂外调制器之间用光纤连接；铌酸锂外调制器与光滤波器之间用光纤连接；光滤波器与掺饵光纤放大器之间用光纤连接；掺饵光纤放大器与光电探测器之间用光纤连接。电信号源和铌酸锂外调制器之间通过导线或无线连接。
此外，本实施例中，利用铌酸锂外调制器对法布里珀罗激光器的出射光进行强度调制，也可以使用其他类型的调制器，如电光调制器，对法布里珀罗激光器的出射光进行强度调制。光滤波器的滤波范围与法布里珀罗激光器的两相邻边带间隔相匹配。
以下将结合图2的光生微波信号源，对其工作流程进行详细描述：
步骤A，法布里珀罗激光器进行激光多纵模输出，图3为本发明实施例光生微波信号源中法布里珀罗激光器输出光谱的示意图。任意选取两相邻激射的模式，并分别标注A和B，其间距可转换为频域上频率差f0来表示。其输出呈多纵模特性，模间距恒定，不随偏置电流温度等因素变化而变化，并且各模式之间具有一定的相位相关性。
步骤B，激光器的输出光通过光纤跳线耦合进一铌酸锂外调制器的光输入端，铌酸锂外调制器的驱动信号由电信号源来提供，电信号源提供的电信号的频率为fm。铌酸锂外调制器的直流偏置点为Vπ/2，其中Vπ是半波电压。图4本发明实施例光生微波信号源中铌酸锂外调制器的输出光谱示意图。如图4所示，输出光谱中，幅度最高的是法布里珀罗激光器各激射模式的载波，两侧是强度调制后的边带，相邻边带间的频率差都是fm，这是传统的双边带调制方式，即各阶边带都成对出现。图4中示意性地标示出了载波，正负一阶和正负二阶边带，如果电信号源c的输出功率足够大，还会有正负三阶及以上的调制边带，考虑三阶边带幅度较小，可忽略不计。
步骤C，铌酸锂外调制器的输出光信号通过光纤跳线耦合进一光滤波器的光输入端，通过调节光滤波器选择滤出模式A的正二阶边带和模式B的负二阶边带，图5本发明实施例光生微波信号源中光滤波器进行滤波后的输出光谱示意图。图5中虚线表示光滤波器的滤波区域，该光滤波器可用使模式A的正二阶边带和模式B的负二阶边带通过，而其它模式的光都被滤掉。
步骤D，光滤波器的输出端通过光纤跳线与一掺饵光纤放大器相连，掺饵光纤放大器的作用是放大从光滤波器输出端射出光的幅度，使得进入光探测器进行差频得到幅度较大的光生微波信号。图6本发明实施例光生微波信号源中掺饵光纤放大器进行光放大后的输出光谱示意图。掺饵光纤放大器的输出端通过光纤跳线与一光探测器相连。模式A的正二阶边带和模式B的负二阶边带作为差频光在光探测器f中差频产生微波信号，其频率为fs，且fs＝f0-4fm。由于法布里珀罗激光器各模式之间具有一定的相位相关性，经外调制器进行强度调制后，各纵模边带和边带之间也相应地具有一定的相关性。
步骤E，在光探测器f中差频得到的相位噪声较低的微波信号。
需要注意的是，在本实施例中通过调节电信号源的电信号频率fm，即改变铌酸锂外调制器的调制频率，使得模式A的正二阶边带和模式B的负二阶边带间的距离发生变化，即可得到连续可调谐的微波信号。然而，这种光生微波信号的调谐范围是有一定限制的，当电信号频率fm过小，使得模式A的正二阶边带和模式B的负二阶边带间的频率差fs达到或者超过光滤波器的滤波范围时，光滤波器也会对差频光产生抑制，使得进入掺饵光纤放大器以及光探测器的光幅度偏小，产生的光生微波信号偏弱。因此，光生微波信号的调谐范围取决于光滤波器的滤波范围，光滤波器的滤波范围增大，则光生微波信号的调谐范围相应的也会增大。
综上所述，本发明提供了一种基于法布里珀罗激光器调制边带外差产生光生微波信号的方式。本发明利用法布里珀罗激光器的两相邻调制边带具有一定相位相关性，两相邻调制边带差频可以得到相位噪声较低的微波信号，本发明产生的微波电信号频率高于用以调制铌酸锂外调制器的电信号源的电信号频率，可作高频信号源使用于光通信系统中，并且结构较为简单，从而降低了光通信系统的成本。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种光生微波信号源，其特征在于，该信号源包括激光器、调制信号源、光调制器、光滤波器和光电探测器，其中：
所述激光器，用于产生第一模式激光和第二模式激光，该第一模式和第二模式在频域上相邻，同为纵模，并具有相位相关性；
所述调制信号源，用于产生电调制信号；
所述光调制器，与所述调制信号源和所述激光器的输出端相连接，用于利用所述电调制信号对所述第一模式激光和第二模式激光进行调制；
所述光滤波器，与所述光调制器相连接，用于从所述调制获得的多组调制边带光信号中，滤波获取基于第一模式的第一调制边带光信号和基于第二模式的第二调制边带光信号，所述第一调制边带光信号和所述第二调制边带光信号在频域上位于所述第一模式和所述第二模式之间；
所述光电探测器，与所述光调制器相连，用于利用所述第一调制边带光信号和所述第二调制边带光信号进行差频，获得光生微波信号。
2.根据权利要求1所述的光生微波信号源，其特征在于，所述激光器为法布里-珀罗激光器；
该法布里-珀罗激光器，用于提供两相邻模式的激光，该两相邻模式同为纵模，模间距恒定，且两模式之间具有相位相关性。
3.根据权利要求1所述的光生微波信号源，其特征在于，所述信号源还包括：光放大器，
该光放大器，位于所述光滤波器和所述光电探测器之间，用于对所述第一调制边带光信号和第二调制边带光信号进行功率放大。
4.根据权利要求3所述的光生微波信号源，其特征在于，所述光调制器与所述激光器通过光纤进行连接；所述光滤波器与所述光调制器通过光纤连接；所述光放大器与所述光滤波器通过光纤连接；所述光电探测器与所述光放大器通过光纤相连。
5.根据权利要求3所述的光生微波信号源，其特征在于，所述激光器为法布里-珀罗激光器，所述光调制器为铌酸锂外调制器或电光调制器，所述光放大器为掺铒光纤放大器。
6.根据权利要求1所述的光生微波信号源，其特征在于，所述光滤波器中，所述第一调制边带光信号为第一模式激光的正二阶边带光信号，第二调制边带光信号为第二模式激光的负二阶边带光信号。
7.根据权利要求6所述的光生微波信号源，其特征在于，如果所述第一模式激光的频率为fA，第二模式激光的频率为fB，且fA＜fB，电调制信号的频率为fm，则：
所述第一调制边带光信号的频率为fA+2fm；所述第二调制边带光信号的频率为fB-2fm，所述光生微波信号的频率为fB-fA-4fm。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的光生微波信号源，其特征在于，所述调制信号源为可调谐的调制信号源。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的光生微波信号源，其特征在于，所述信号源还包括：微波放大器，其中，
所述微波放大器，位于所述光电探测器的后端，用于对所述光生微波信号进行功率放大。
10.一种光生微波信号的方法，其特征在于，该方法包括：
激光器产生第一模式激光和第二模式激光，该第一模式和第二模式在频域上相邻，同为纵模，并具有相位相关性；
光调制器接收所述第一模式激光和所述第二模式激光，利用调制信号源产生的电调制信号对所述第一模式激光和第二模式激光进行调制，得到多组调制边带光信号；
光滤波器从光调制器获取所述多组调制边带光信号中，滤波获取基于第一模式的第一调制边带光信号和基于第二模式的第二调制边带光信号，所述第一调制边带光信号和所述第二调制边带光信号在频域上位于所述第一模式和所述第二模式之间；
光电探测器从光滤波器获取所述第一调制边带光信号和所述第二调制边带光信号，利用所述第一调制边带光信号和所述第二调制边带光信号进行差频，获得光生微波信号。
11.根据权利要求10所述的光生微波信号的方法，其特征在于，所述激光器为法布里-珀罗激光器，
所述激光器产生第一模式激光和第二模式激光的步骤包括：该法布里-珀罗激光器提供两相邻模式的激光，该两相邻模式同为纵模，模间距恒定，且两模式之间具有相位相关性。
12.根据权利要求10所述的光生微波信号的方法，其特征在于，
所述光电探测器利用第一调制边带光信号和第二调制边带光信号进行差频的步骤之前还包括：光放大器对所述第一调制边带光信号和第二调制边带光信号进行功率放大。
13.根据权利要求10所述的光生微波信号方法，其特征在于，所述光滤波器中，所述第一调制边带光信号为第一模式激光的正二阶边带光信号，第二调制边带光信号为第二模式激光的负二阶边带光信号。
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2011
- 2011-01-31 CN CN201110033767.0A patent/CN102098108B/zh active Active
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