CN102136864A - 光学产生多种倍频毫米波信号的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种光学产生多种倍频毫米波信号的装置，包括激光器、光功率分配器、马赫-曾德尔调制器(MZM)，、光功率分配器设置在激光器的出射光路上，、光功率分配器与马赫-曾德尔调制器(MZM)的输入端连接，马赫-曾德尔调制器(MZM)是三个，三个马赫-曾德尔调制器(MZM)是并联的，光功率分配器分别与马赫-曾德尔调制器(MZM)的输入端连接。本发明的光学产生多种倍频毫米波信号的装置，采用三个马赫-曾德尔调制器并联的方式，能够实现本振频率不同倍数的毫米波信号的生成，并且频率增大倍数相当高。

Description

光学产生多种倍频毫米波信号的装置

技术领域

本发明涉及将光纤通信和无线通信结合起来的无线接入技术，尤其涉及一种光学产生多种倍频毫米波信号的装置。

背景技术

随着人们对信息需求的不断增加，目前无线频谱资源已非常紧张。为了解决这一问题，无线通信系统必须利用更高频率的载波进行通信。在毫米波通信网中，Radio over Fiber(ROF)技术是一种将光和毫米波相结合的通信技术，既能避免干扰又能满足无线宽带化带宽要求，同时具有功耗低、易安装的优点。在无线通信、军事通信等领域有着重要的应用前景，近年来已成为国际研究热点之一。它适用于不同的调制方式以及不同的载波频率，为移动用户提供灵活的接入服务。由于在ROF无线接入技术中，将信号处理的主要功能集中于中心站，因此可实现增强的微小区覆盖，并且具有损耗低、功率低和安装更加简易等特点，非常适宜机场、购物中心、大型办公室等场合的室内无线覆盖和地下、隧道、狭窄的街道以及高速公路等室外应用。总之，ROF技术是解决人们对宽带业务需求极具竞争力的解决方案。

传统的电产生高频毫米波方法，受电子器件速率瓶颈和工艺的限制，配置成本高，系统复杂，得到高频毫米波调谐范围窄，幅频特性较差，相位噪声较高，不能很好满足实际需求。而基于光学方法产生毫米波能够在光域产生所需毫米波信号，并利用光纤实现长距离传输，在接受端将其转换到电域中。该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，具有广泛的应用前景。如果将波分复用技术应用到ROF接入网络，可以进一步充分利用光纤巨大的带宽资源，实现大容量的无线信号传输。

据文献报道光生毫米波信号产生方法有：直接调制法、光外调制技术、光学外差法、光学倍频法以及基于四波混频等非线性效应的光学方法。基于外部光调制技术产生毫米波信号方案具有较高的可靠性，可降低代价，因而成为ROF系统中产生光毫米波的首选技术。

光外调制方法产生毫米波信号所需的外调制器和本振射频信号源频率随着所产生毫米波信号频率增加而增加，由于高频外调制器和本振信号源比较昂贵，基于线性调制器产生毫米波系统所需的外调制器和本振信号源频率不低于所产生的毫米波信号频率。非线性外调制技术能够降低这两方面的指标要求，文献中报道的光载波抑制外调制技术(OCS)可以将这两项指标减半，有的文献报道的方法可以将这两项指标降低为原来的1/4。很需要一种能更大的降低指标的方法来降低光生毫米波信号产生设备的成本。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种光学产生多种倍频毫米波信号的装置，采用三个马赫-曾德尔调制器并联的方式，能够实现本振频率不同倍数的毫米波信号的生成，并且频率增大倍数相当高。

本发明的技术解决方案是：光学产生多种倍频毫米波信号的装置，包括激光器、光功率分配器、马赫-曾德尔调制器(MZM)，所述光功率分配器设置在激光器的出射光路上，所述光功率分配器与马赫-曾德尔调制器(MZM)的输入端连接，其特殊之处在于：所述马赫-曾德尔调制器(MZM)是三个，所述三个马赫-曾德尔调制器(MZM)是并联的，所述光功率分配器分别与马赫-曾德尔调制器(MZM)的输入端连接。

上述光功率分配器与三个马赫-曾德尔调制器(MZM)之间设置有偏振控制器，所述偏振控制器是三个，分别与三个马赫-曾德尔调制器(MZM)的输入端串联。

上述马赫-曾德尔调制器(MZM)其中两个连接有对射频源的射频信号产生相移差的移相器。

上述马赫-曾德尔调制器(MZM)的输出端分别与光耦合器连接，所述光耦合器连接于用于提高光生毫米波信号的发射功率的光纤放大器。

上述光纤放大器的输出端连接有光电探测器。

上述马赫-曾德尔调制器的调制波长为1552.5nm的窄线宽激光。

本发明的光学产生多种倍频毫米波信号的装置采用三个马赫-曾德尔调制器并联的方式，能够实现本振频率不同倍数的毫米波信号的生成，并且频率增大倍数相当高，最大能够达到18倍。这样根据不同的需求可以生成不同频率的毫米波，并且对本振频率大小要求非常低。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2、图3是本发明的具体实施例一的示意图；

图4、图5是本发明的具体实施例二的示意图；

图6、图7是本发明的具体实施例三的示意图；

具体实施方式

参见图1，本发明的光学产生多种倍频毫米波信号的装置，包括激光器1、光功率分配器2、第一马赫-曾德尔调制器4、第二马赫-曾德尔调制器5、第三马赫-曾德尔调制器6、射频源7、第一移相器8、第二移相器9、第一偏振控制器10、第二偏振控制器11、第三偏振控制器12、光耦合器13、掺饵光纤放大器14、光电探测器15，从激光器1发出的光波经过光功率分配器2注入到并联的三个马赫-曾德尔调制器(MZM)中，注入的光波的偏振方向经过三个偏振控制器调整使之与各个马赫-曾德尔调制器的偏振方向一致。射频源7的射频驱动信号驱动第一马赫-曾德尔调制器4，并经过第一移相器8和第二移相器9分别驱动第二马赫-曾德尔调制器5、第三马赫-曾德尔调制器6。Vdc1，Vdc2和Vdc3为加在三个马赫-曾德尔调制器(MZM)的直流偏置电压。三个马赫-曾德尔调制器(MZM)的输出光信号经过光耦合器13耦合后，通过掺饵光纤放大器14(EDFA)放大至一定功率，最后经过光电探测器15拍频生成毫米波电信号。马赫-曾德尔调制器的调制波长为1552.5nm的窄线宽激光，波长也不一定是1552.5nm，在调制器工作波长范围内的波长也可以工作。

本发明的光学产生多种倍频毫米波信号的装置，能够实现本振频率不同倍数的毫米波信号的生成，并且频率增大倍数相当高，最大能够达到18倍。这样根据不同的需求可以生成不同频率的毫米波，并且对本振频率大小要求非常低。比如，为了产生90GHz或60GHz的毫米波，只需5GHz的本振信号，具体的理由如下：

这里假设三个马赫-曾德尔调制器(MZM)的输入光信号可以表达为

E_in(t)＝E₀exp(jω_ct)    (1)

射频驱动信号为

V_RF(t)＝V_RFcos(ω_mt)    (2)

假设由第一移相器8和第二移相器9引入的相移分别为Δφ₂和Δφ₃，MZM双臂上的直流偏置产生的相位差分别为φ₁，φ₂和φ₃，φ_{i＝πVdci/Vπ(i＝1，2，3)}。为了简化公式的推导，忽略MZM的插入损耗并假设MZM的消光比为无穷大，这样在光耦合器13处的输出光信号可以表示为：

$E\left(t\right)=\frac{1}{6}{E}_0\exp \left(j{\mathrm{\ω}}_{c}t\right)\left\{\exp \right[\mathrm{jm}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{m}t\right)]+\exp [-\mathrm{jm}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{m}t\right)-j{\mathrm{\φ}}_1\left]\right\}$

$+\frac{1}{6}{E}_0\exp \left(j{\mathrm{\ω}}_{c}t\right)\left\{\exp \right[\mathrm{jm}\sin ({\mathrm{\ω}}_{m}t+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_2)]+\exp [-\mathrm{jm}\sin ({\mathrm{\ω}}_{m}t+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_2)-j{\mathrm{\φ}}_2\left]\right\}---\left(3\right)$

$+\frac{1}{6}{E}_0\exp \left(j{\mathrm{\ω}}_{c}t\right)\left\{\exp \right[\mathrm{jm}\sin ({\mathrm{\ω}}_{m}t+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_3)]+\exp [-\mathrm{jm}\sin ({\mathrm{\ω}}_{m}t+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_2)-j{\mathrm{\φ}}_3\left]\right\}$

$=\frac{1}{6}{E}_0{\underset{n=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}}_{+\exp \left(\mathrm{jn\Δ}{\mathrm{\φ}}_3\right)+\exp \left(\mathrm{jn\Δ}{\mathrm{\φ}}_3\right){(-1)}^n\exp (-j{\mathrm{\φ}}_3)\left\}{J}_n\left(m\right)\exp \right[j({\mathrm{\ω}}_{c}t+n{\mathrm{\ω}}_{m}t)\left]\right\}}^{\{1+{(-1)}^n\exp (-j{\mathrm{\φ}}_1)+\exp \left(\mathrm{jn\Δ}{\mathrm{\φ}}_2\right)+\exp \left(\mathrm{jn\Δ}{\mathrm{\φ}}_2\right){(-1)}^n\exp (-j{\mathrm{\φ}}_2)}$

这里，m为调制指数，m＝πV_RF/V_π，V_RF和ω_m分别代表驱动信号的幅度和角频率，E₀和ω_c分别代表注入光信号的幅度和角频率，J_n(g)为n阶第1类贝塞尔函数的表达式。

这样可以通过调整驱动信号的幅度，移相器引入的相移以及直流偏置的大小可以分别实现频率为驱动信号频率12倍、18倍、6倍的光载毫米波信号的生成。

(1)12倍频率时参数的设定

当三个马赫-曾德尔调制器(MZM)都偏置在最大传输点时，即Vdc1＝Vdc2＝Vdc3＝0时，(3)式能化简为

$E\left(t\right)=\frac{1}{6}{E}_0\underset{n=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}[1+{(-1)}^n][1+\exp \left(\mathrm{jn\Δ}{\mathrm{\φ}}_2\right)+\exp \left(\mathrm{jn\Δ}{\mathrm{\φ}}_3\right)]J_n\left(m\right)\exp \left[j({\mathrm{\ω}}_{c}t+n{\mathrm{\ω}}_{m}t)\right]---\left(4\right)$

由于奇次谐波被抑制，当满足以下条件时，光载波、二次和四次谐波也将消失

$\left\{\begin{array}{c}{J}_0\left(m\right)=0\\ 1+\exp (\±j2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_2)+\exp (\±j2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_3)=0\\ 1+\exp (\±j4\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_2)+\exp (\±j4\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_3)=0\end{array}\right.---\left(5\right)$

从(5)式，我们可以得到：m＝2.405或5.520，和Δφ₂＝60°，Δφ₃＝-60°，或Δφ₂＝120°，Δφ₃＝-120°。

在这种情况下，低于六次谐波的边带将会被抑制，而高于六次谐波的偶次边带相对于六次边带来说已经很小，这可以从贝塞尔函数的特性得出。

(2)18倍频率时的参数设定

当三个MZM偏置在最小传输点，即Vdc1＝Vdc2＝Vdc3＝V_π。(3)式可以化简为

$E\left(t\right)=\frac{1}{6}{E}_0\underset{n=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}[1-{(-1)}^n][1+\exp \left(\mathrm{jn\Δ}{\mathrm{\φ}}_2\right)+\exp \left(\mathrm{jn\Δ}{\mathrm{\φ}}_3\right)]J_n\left(m\right)\exp \left[j({\mathrm{\ω}}_{c}t+n{\mathrm{\ω}}_{m}t)\right]---\left(6\right)$

从(6)式可以看出，偶次谐波将会被抑制掉。而当满足以下条件时1次、3次和5次谐波也将消失

$\left\{\begin{array}{c}{J}_3\left(m\right)=0\\ 1+\exp (\±\mathrm{j\Δ}{\mathrm{\φ}}_2)+\exp (\±\mathrm{j\Δ}{\mathrm{\φ}}_3)=0\\ 1+\exp (\±j5\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_2)+\exp (\±j5\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_3)=0\end{array}\right.---\left(7\right)$

从式(7)可知，此时m＝6.380或9.761，Δφ₂＝120°，Δφ₃＝-120°。注意到在此条件下同样满足1+exp(±j7Δφ₂)+exp(±j7Δφ₃)＝0。因此，所有低于9次谐波的边带全部被抑制。这样，由两个九次边带谐波，我们能得到18倍频的毫米波信号。

(3)高质量6倍频毫米波的产生原理

在生成18倍频毫米波的方法中，调整调制指数的大小来抑制三次谐波。如果三次谐波不被抑制，这样仅仅三次谐波边带和九次谐波边带存在。考虑到贝塞尔函数的性质，当调制指数非常小时，三次谐波将远大于九次谐波。在这里可以取m＝2.405，此时光载波将会被抑制。这样，两个三阶边带将生成高质量的6倍频毫米波。

本发明的具体实施例一，激光器1工作频率f_c为193.1THZ(波长1552.5nm)，线宽为10MHz，平均光功率为100mW，MZM的半波电压为3.5V，消光比30dB，插入损耗为6dB，EDFA的增益为10dB。射频信号频率f₀＝5GHz，m＝5.520即射频信号V_RF＝6.150V，由第一移相器8和第二移相器9引起的相移分别为Δφ₂＝120°，Δφ₃＝-120°时，直流偏置电压都设为最大传输点，即Vdc1＝Vdc2＝Vdc3＝0。三个马赫-曾德尔调制器(MZM)产生的光波经过耦合器13后生成12倍频的光载毫米波，产生的光谱图参见2：可以看出光边带抑制比(OSSR)约为27.7dB。参见图3，通过光电探测器15拍频后生成60GHz毫米波电信号的频谱图，从图中可以看出射频抑制比约为52.8dB。

本发明的具体实施例二，当射频信号频率f₀＝5GHz，m＝6.380，即射频信号幅度V_RF＝7.108V，由第一移相器8和第二移相器9引起的相移分别为Δφ₂＝120°，Δφ₃＝-120°，直流偏置电压工作在最小传输点，即Vdc1＝Vdc2＝Vdc3＝V_π。三个马赫-曾德尔调制器(MZM)产生的光波经过耦合器13后生成18倍频的光载毫米波，光谱图如图4所示。光边带抑制比约为31.3dB，然后再通过光电探测器15拍频生成90GHz毫米波信号。参见图5，射频抑制比约为31.8dB。

本发明的具体实施例三，参见图6，当射频信号频率f₀＝10GHz，m＝2.405，即射频信号幅度V_RF＝2.679V，由第一移相器8和第二移相器9引起的相移分别为Δφ₂＝120°，Δφ₃＝-120°时，直流偏置电压工作在最小传输点，即Vdc1＝Vdc2＝Vdc3＝V_π。经过耦合器13后生成6倍频的光载毫米波，除了3次谐波外，几乎没有其它谐波产生。然后再通过光电探测器15拍频生成60GHz的毫米波信号，参见图7。

Claims (6)

1.光学产生多种倍频毫米波信号的装置，包括激光器、光功率分配器、马赫-曾德尔调制器(MZM)，所述光功率分配器设置在激光器的出射光路上，所述光功率分配器与马赫-曾德尔调制器(MZM)的输入端连接，其特征在于：所述马赫-曾德尔调制器(MZM)是三个，所述三个马赫-曾德尔调制器(MZM)是并联的，所述光功率分配器分别与马赫-曾德尔调制器(MZM)的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的光学产生多种倍频毫米波信号的装置，其特征在于：所述光功率分配器与三个马赫-曾德尔调制器(MZM)之间设置有偏振控制器，所述偏振控制器是三个，分别与三个马赫-曾德尔调制器(MZM)的输入端串联。

3.根据权利要求2所述的光学产生多种倍频毫米波信号的装置，其特征在于：所述马赫-曾德尔调制器(MZM)其中量个连接有对射频源的射频信号产生相移差的移相器。

4.根据权利要求1或2或3所述的光学产生多种倍频毫米波信号的装置，其特征在于：所述马赫-曾德尔调制器(MZM)的输出端分别与光耦合器连接，所述光耦合器连接于用于提高光生毫米波信号的发射功率的光纤放大器。

5.根据权利要求4所述的光学产生多种倍频毫米波信号的装置，其特征在于：所述光纤放大器的输出端连接有光电探测器。

6.根据权利要求5所述的光学产生多种倍频毫米波信号的装置，其特征在于：所述马赫-曾德尔调制器的输入光波长为1552.5nm的窄线宽激光。

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