CN102571145A - 频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器 - Google Patents

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Abstract

一种频谱可塑的光载超宽带无线电信号发生器，包括：一窄脉冲激光光源，和依次连接的光放大器、第一偏振控制器、第一光耦合器、非线性光电器件、第三偏振控制器、光带通滤波器、偏振分束器、可调光延迟线、第二光耦合器和高速光探测器，一连续光半导体激光器，一第二偏振控制器，其一端与连续半导体激光器连接，一可调光衰减器，其输入端与偏振分束器的端口3连接，本发明可解决现有光载超宽带无线电信号发生器谱形难于控制、频谱不满足美国通信联邦委员会的辐射掩膜规定以及难于实现特定频带陷波的技术问题。

Description

频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器
技术领域
本发明属于微波光子学领域，更具体的说是一种基于高非线性光电器件的非线性偏振旋转效应的频谱可塑的光载超宽带无线电信号发生器。
背景技术
相对于传统的窄带通信，超宽带(UWB：Ultra-Wideband)技术具有诸多的优异性能，如：低功率消耗、抗干扰、抗多径衰落、高分辨率、强穿透性探测性能等。2002年2月，美国联邦通信委员会(FCC：FederalCommunications Commission)FCC通过了一项认可超宽带技术用于民用用途的最终规定。FCC规定了超宽带技术的三个用途分别是：成像系统、汽车防冲撞传感器以及无线数据通信及测量系统。根据FCC的规定，3.1GHz至10.6GHz频带以及22GHz至31GHz频带的超宽带无线电信号用于无线通信以及汽车防撞雷达领域开放。2004年，欧洲委员会(EC)在超宽带技术在汽车雷达方面的应用做出规定：自2013年起，原工作于24GHz频段的UWB汽车雷达将全部由77GHz至81GHz频带的超宽带雷达代替。可见，工作于各频段的超宽带系统有着非常广泛的应用前景。然而，UWB技术的进一步应用面临两大问题。
1.传输距离过短。由于超宽带无线电信号的发射功率限制(功率谱密度小于-41dBm)以及高速率下的信道间干扰问题，超宽带系统的传输距离一般被限制于几米的范围内。为了克服超宽带无线电信号的这一传输距离限制，近年来人们提出了光载超宽带无线电(UWB-over-fiber)的概念，即利用光纤传输超宽带无线电信号。研究人员同时也尝试着在光域直接产生超宽带无线电信号，这种技术可以克服电域产生超宽带无线电信号的诸多缺点，比如减少了多余的电光转换环节、克服电子器件的带宽限制等。产生脉冲超宽带无线电信号的光子技术主要有以下几类：1)利用光调制器的非线性调制特性将基带高斯脉冲直接转换为光域的一阶或二阶高斯脉冲；2)利用光相位调制器以及光鉴频器对经过基带高斯脉冲调制后的光信号进行微分运算，从而得到光域的一阶或二阶高斯脉冲；3)对锁模激光器的输出光谱进行整形，然后利用频率-时间映射关系得到脉冲超宽带无线电信号；4)利用直接调制半导体激光器的弛豫振荡效应产生较高阶的脉冲超宽带无线电信号。上述方法共同的不足在于：无法在光域直接实现UWB信号的动态的谱形控制。
2.与传统窄带通信系统的共存问题。由于UWB信号所占频带过宽，导致与窄带通信系统的工作频带重叠。尤其地，UWB信号将与目前被广泛应用的工作于5GHz频段的无线局域网(WLAN)系统存在频谱重叠。因此，UWB系统与传统窄带系统之间的干扰问题不可忽略。为了避免上述的UWB系统与WLAN系统之间的共存问题，人们设计了一系列的拥有5-GHz陷波特性的特殊结构的UWB滤波器和天线。然而，此类天线或滤波器固定的陷波位置使得它无法避免UWB系统与其他窄带通信系统的干扰。另一个完美的解决方案为感知超宽带无线电技术，然而此技术实现的关键问题在于生成动态谱形控制的UWB信号。受限于电子瓶颈，目前的模数/数模转换器的速度无法为生成动态谱形控制的UWB信号提供技术支持。
综上所述，为了解决上述面临的技术瓶颈，为光载无线电技术与感知无线电技术的技术融合、性能提升提供可能，目前迫切需要一种频谱符合美国通信联邦委员会的辐射掩膜规定、谱形灵活可塑的光载超宽带无线电信号的发生器。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器，其可解决现有光载超宽带无线电信号发生器谱形难于控制、频谱不满足美国通信联邦委员会的辐射掩膜规定以及难于实现特定频带陷波的技术问题。
本发明的一种频谱可塑的光载超宽带无线电信号发生器，包括：
一窄脉冲激光光源；
一光放大器，其输入端与窄脉冲光源的输出端连接；
一第一偏振控制器，其一端与光放大器的输出端连接；
一第一光耦合器，其端口与第一偏振控制器的另一端连接；
一连续光半导体激光器；
一第二偏振控制器，其一端与连续半导体激光器连接，另一端与光耦合器的端口2连接；
一非线性光电器件，其输入端与第一光耦合器的端口3连接；
一第三偏振控制器，其一端与非线性光电器件的输出端连接；
一光带通滤波器，其输入端与第三偏振控制器的另一端连接；
一偏振分束器，其端口与光带通滤波器的输出端连接；
一可调光延迟线，其一端与偏振分束器的端口2连接；
一可调光衰减器，其输入端与偏振分束器的端口3连接；
一第二光耦合器，其端口与可调光延迟线的另一端连接，其端口2与可调光衰减器的输出端连接，该第二光耦合器的端口3是光载无线电信号发生器的光输出端口；
一高速光探测器，其光端口1与第二光耦合器的端口4连接，其电端口2为光载超宽带无线电信号发生器的电输出端口。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
该频谱可塑的光载超宽带无线电信号发生器产生脉冲超宽带无线电信号的中心频率及带宽可以实现任意调谐。
该频谱可塑的光载超宽带无线电信号发生器产生脉冲超宽带无线电信号的陷波的有无及位置可实现任意可调。
该频谱可塑的光载超宽带无线电信号发生器产生脉冲超宽带无线电信号的陷波的深度可实现任意可调。
该频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器所产生脉冲超宽带无线电信号的频谱可完全符合美国联邦通信委员会辐射掩膜(FCC Mask)的要求。
该频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器可以单片集成，从而使该系统更为紧凑并实现小型化。
附图说明
为了进一步说明本发明的结构和特征，以下结合实例及附图对本发明做进一步的说明，其中：
图1是频谱可塑的光载超宽带无线电信号发生器结构示意图；
图2是频谱可塑的光载超宽带无线电信号发生器工作原理示意图；
图3是频谱可塑的脉冲超宽带无线电信号频谱示意图；
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种频谱可塑的光载超宽带无线电信号发生器，包括：
一窄脉冲激光光源a，该窄脉冲激光光源a为中心波长为1550nm波段或1310nm波段的激光光源，用于提供周期的光脉冲信号，其是主动锁模光纤激光器、被动锁模光纤激光器、增益开光半导体激光器或基于光电振荡环的半导体激光脉冲源；
一光放大器b，其输入端与窄脉冲光源a的输出端连接，用于放大光脉冲信号，该光放大器b为掺铒光纤放大器，或为半导体光放大器；
一第一偏振控制器c，其一端与光放大器b的输出端连接，用于控制经光放大器b输出的脉冲光的偏振态；
一第一光耦合器d，其端口1与第一偏振控制器c的另一端连接。一连续光半导体激光器e，其为1550nm波段或1310nm波段的激光光源，用于提供连续光信号；
一第二偏振控制器f，其一端与连续半导体激光器e连接，另一端与光耦合器d的端口2连接，用于控制连续光的偏振态；
一非线性光电器件g，其输入端与第一光耦合器d的端口3连接，该非线性光电器件g是半导体光放大器、非线性色散位移光纤、或磷铟基或硅基半导体光波导；
该第一偏振控制器c在控制脉冲光的偏振态时，其输出的脉冲光为线偏振光，并且偏振方向与非线性光电器件g端面内的X-轴成0度或90度，第二偏振控制器f在控制连续光的偏振态时，其输出的连续光为线偏振光，并且偏振方向与非线性光电器件g端面内的X-轴成45度，在上述条件下，脉冲光在非线性光电器件g中引起其X-轴与Y-轴方向的折射率差，对连续光完成偏振调制，此过程称为非线性偏振旋转效应，即实现连续光的X-轴线偏振光分量与Y-轴线偏振光分量相对相移调制，最大相对相移量与光放大器b输出的脉冲光的峰值功率相对应，通过控制光放大器b输出的脉冲光峰值功率，连续光的X-轴与Y-轴方向的线偏振光分量发生3.5-4.2的最大相对位移；
一第三偏振控制器h，其一端与非线性光电器件g的输出端连接，该第三偏振控制器h用于控制由非线性光电器件g输出的连续光的偏振态，其输出的连续光的X-轴与Y-轴方向的线偏振光分量产生1.8-2.5范围内的初始相对相移，且连续光X-轴与Y-轴分量的瞬时功率比值与输入第三偏振控制器之前的比值一致；
一光带通滤波器i，其输入端与第三偏振控制器h的另一端连接，该光带通滤波器用于滤除脉冲光，其输出只含有了连续光的全部波长成分；
一偏振分束器j，其端口1与光带通滤波器i的输出端连接，其端口1和端口2的主轴与非线性光电器件g端面内的X-轴与Y-轴成45度或135度夹角，经偏振分束器j偏振分束后，完成偏振调制到强度调制的转化。如图2所示，由于X-轴的传输响应效应，偏振分束器j的2端口输出的连续光的线偏振光分量以二阶高斯脉冲轮廓的强度信号形式输出，对应地，如图2所示，由于Y-轴的传输响应效应，偏振分束器j的3端口输出的连续光的线偏振光分量同样以二阶高斯脉冲轮廓的强度信号形式输出，与偏振分束器j的2端口输出的强度信号极化相反；
一可调光延迟线k，其一端与偏振分束器j的端口2连接，光延迟线k所提供的偏振分束器j的端口2输的连续光分量的时间延迟如图2所示。一可调光衰减器l，其输入端与偏振分束器j的端口3连接，该器件用于调节偏振分束器j的端口3输出的连续光分量的强度值；
一第二光耦合器m，其端口1与可调光延迟线k的另一端连接，其端口2与可调光衰减器l的输出端连接，该第二光耦合器m的端口3是光载无线电信号发生器的光输出端口，其与偏振分束器j，可调光延迟线k，可调谐光衰减器l构成了一个二抽头负系数的微波光子陷波器，陷波位置和深度分别通过调节可调光延迟线k和可调光衰减器l来实现，因此，当上述两二阶高斯脉冲轮廓的强度信号经过该微波光子陷波器时，由第二光耦合器m的端口3和端口4输出超宽带信号的特定频率成分将被滤除，从而实现超宽带信号的频谱控制；
一高速光探测器n，其光端口1与第二光耦合器m的端口4连接，其电端口2为光载超宽带无线电信号发生器的电输出端口。该光载超宽带无线电信号发生器中的窄脉冲激光光源a、光放大器b、第一偏振控制器c、第一光耦合器d、连续光半导体激光器e、第二偏振控制器f、非线性光电器件g、第三偏振控制器h、光带通滤波器i、偏振分束器j、可调光延迟线k、可调光衰减器l、第二光耦合器m以及高速光探测器n是以分立器件形式相互连接，或采用光子集成芯片。
该谱形可塑的光载超宽带无线电信号发生器所产生的信号的中心频率和带宽与窄脉冲激光光源a输出脉冲的脉冲宽度对应，通过调谐窄脉冲激光光源a输出脉冲的脉冲宽度，可以方便的调谐该频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器所产生的信号的中心频率和带宽。基于此功能产生完全符合美国联邦通信委员会辐射掩膜(FCC indoor Mask)的UWB谱形如图3a所示。
该谱形可塑的光载超宽带无线电信号发生器所产生的信号频谱的陷波位置与可调光延迟线k提供的延迟时间相对应，陷波位置数值与相对延迟时间的倒数值及其整数倍相等，通过调谐可调光延迟线k所提供的延迟时间，可以方便的调谐该频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器所产生的信号频谱陷波的有无和位置。基于此功能，当可调光延迟线k提供的延迟时间被设定为100ps时，分别在5GHz和10GHz频带出现双陷波效应，生成的UWB频谱如图3b所示。
该谱形可塑的光载超宽带无线电信号发生器所产生的信号频谱的陷波深度与可调光衰减器l提供的衰减量相对应，通过调谐可调光衰减器l所提供的衰减量，可以方便的调谐该频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器所产生的信号频谱陷波的深度，若衰减量使得两路正交光信号的平均功率值相等，则陷波深度最大。
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 (9)

1.一种频谱可塑的光载超宽带无线电信号发生器，包括：
一窄脉冲激光光源；
一光放大器，其输入端与窄脉冲光源的输出端连接；
一第一偏振控制器，其一端与光放大器的输出端连接；
一第一光耦合器，其端口与第一偏振控制器的另一端连接；
一连续光半导体激光器；
一第二偏振控制器，其一端与连续半导体激光器连接，另一端与光耦合器的端口2连接；
一非线性光电器件，其输入端与第一光耦合器的端口3连接；
一第三偏振控制器，其一端与非线性光电器件的输出端连接；
一光带通滤波器，其输入端与第三偏振控制器的另一端连接；
一偏振分束器，其端口与光带通滤波器的输出端连接；
一可调光延迟线，其一端与偏振分束器的端口2连接；
一可调光衰减器，其输入端与偏振分束器的端口3连接；
一第二光耦合器，其端口与可调光延迟线的另一端连接，其端口2与可调光衰减器的输出端连接，该第二光耦合器的端口3是光载无线电信号发生器的光输出端口；
一高速光探测器，其光端口1与第二光耦合器的端口4连接，其电端口2为光载超宽带无线电信号发生器的电输出端口。
2.根据权利要求1所述的频谱可塑的光载超宽带无线电信号发生器，其中非线性光电器件是半导体光放大器、非线性色散位移光纤、或磷铟基或硅基半导体光波导。
3.根据权利要求1所述的频谱可塑的光载超宽带无线电信号发生器，其中非线性光电器件端面内的X-轴与Y-轴与偏振分束器端口1和端口2的主轴成45度或135度的夹角。
4.根据权利要求1所述的频谱可塑的光载超宽带无线电信号发生器，其中第一偏振控制器在控制脉冲光的偏振态时，其输出的脉冲光为线偏振光，并且偏振方向与非线性光电器件端面内的X-轴成0度或90度。
5.根据权利要求1所述的频谱可塑的光载超宽带无线电信号发生器，其中第二偏振控制器在控制连续光的偏振态时，其输出的连续光为线偏振光，并且偏振方向与非线性光电器件端面内的X-轴成45度。
6.根据权利要求1所述的频谱可塑的光载超宽带无线电信号发生器，其中第三偏振控制器在控制连续光的偏振态时，其输出的连续光的X-轴与Y-轴方向的线偏振光分量产生1.8-2.5范围内的初始相对相移，且连续光X-轴与Y-轴分量的瞬时功率比值与输入第三偏振控制器前的比值一致。
7.根据权利要求1所述的频谱可塑的光载超宽带无线电信号发生器，其中光放大器输出的脉冲光的峰值功率引起连续光的X-轴与Y-轴方向的线偏振光分量3.5-4.2的最大相对位移。
8.根据权利要求1所述的频谱可塑的光载超宽带无线电信号发生器，其中的可调光延迟线，通过改变其提供的延时时间即可产生频谱陷波位置可调的光载超宽带无线电信号。
9.根据权利要求1所述的频谱可塑的光载超宽带无线电信号发生器，其中可调光衰减器，通过改变该可调光衰减器提供的衰减量即可产生频谱陷波深度可调的光载超宽带无线电信号。
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