CN102593693A - 基于非线性偏振旋转效应的全光微波倍频器 - Google Patents

Abstract

一种基于非线性偏振旋转效应的全光微波倍频器，包括：第一连续光半导体激光器、第一偏振控制器、电光强度调制器、微波信号源、第二连续光半导体激光器、第二偏振控制器、光放大器、第三偏振控制器、光耦合器、非线性光电器件、带通滤波器、偏振分束器、光环形器、光纤光栅、第一光电探测器和第二光电探测器，采用串联的方式连接。本发明可解决现有光生微波及上变频方案难于摆脱对高频外置微波源的依赖，生成信号的光载波波长受限，转换效率低下，甚高频微波信号产生困难等技术问题。

Description

基于非线性偏振旋转效应的全光微波倍频器

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全光微波倍频器。

背景技术

国际电信联盟已于2008年启动4G移动通信技术标准的征集工作，从而正式揭开新一代宽带无线移动通信技术标准和产业发展竞争的序幕。随着信息网络应用的普及，以及人们对互交式，多媒体信息服务需求量的增加，使得便捷，灵活的无线通信网络，成为接入网中最具发展前景的一员，但与此同时，庞大的信息量也使现用频段的负载能力面临极大的考验，为了避免低频率载波造成网络堵塞，未来无线网络势必向着更高带宽的微波/毫米波频段，和基站覆盖范围更小的微蜂窝及微微蜂窝方向发展。然而由于电子器件的电子瓶颈问题，使得在电域产生高频率微波/毫米波信号极为困难。

微波光子学这一学科概念被提出以来，这一新兴交叉学科以光域、电域技术优势互补的全新理念，使得通信、探测、传感等诸多领域的技术瓶颈长期难以突破的局面出现了转机，从而引起了学术界的高度关注。微波通信向30-300GHz高频率的发展对传统微波器件是很大的挑战，此时微波光子学中的关键技术问题之一，利用光学技术产生及处理微波信号展现出很大吸引力。

近年来，大量的关于光生微波技术被论证和报道，但各种方案基于的原理可大致分为直接调制技术，外调制技术，光电振荡环技术，光学差频技术和基于非线性光电器件(半导体光放大器或高非线性光纤)的四波混频效应的全光上变频技术等几类。相比较来看，上述技术方案存在以下几方面的问题。对于直接调制技术而言，由于半导体激光器本身的响应带宽限制(最大响应带宽＜20GHz)，高频毫米波信号无畸变的调制到光载波之上几乎无法实现。外调制技术所用的光电强度调制器或相位偏振调制器的带宽已经达到40GHz，且基于载波抑制调制的二倍频及四倍频使得毫米波带的微波信号可以实现，但在此技术方案中，外置高频微波源的应用使其无论在成本还是在系统复杂度上都不具优势，而且亚太赫兹微波信号的生成仍然难以实现。光电振荡器虽然可以生成相位噪声质量优越的微波信号，但高频信号的产生受到装置内部所必须的微波放大器的带宽限制。光学差频技术虽然可以在不应用外置微波源的情况下产生超高频的微波信号，但由于相互拍频的两光载波的相位相关性差，致使该技术产生的微波信号的相位噪声以及线宽极大。基于高非线性光电器件的四波混频效应虽然可以再光域直接完成微波信号倍频，但由于该效应的转换效率极低，致使产生的微波信号的谐波抑制差。另外，四波混频效应发生所应满足的相位匹配条件也限制了生成信号对应的光载波波长，这使得其在光载无线电与波分复用系统中的应用受到限制。

综上所述，为了解决上述面临的技术瓶颈，摆脱对高频外置微波源的依赖，突破光载波波长限制，为噪声质量良好的更高频段的毫米波甚至太赫兹信号的生成提供可能，目前迫切需要一种全新的全光微波倍频器。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于非线性偏振旋转效应的全光微波倍频器，其可解决现有光生微波及上变频方案难于摆脱对高频外置微波源的依赖，生成信号的光载波波长受限，转换效率低下，甚高频微波信号产生困难等技术问题。

本发明提供一种基于非线性偏振旋转效应的全光微波倍频器，包括：

一第一连续光半导体激光器；

一第一偏振控制器，其一端与第一连续光半导体激光器连接；

一电光强度调制器，其端口1与第一偏振控制器的另一端连接；

一微波信号源，其输出端与电光强度调制器的端口3连接；

一第二连续光半导体激光器；

一第二偏振控制器，其一端与第二连续半导体激光器连接；

一光放大器，其输入端与电光强度调制器的端口2连接；

一第三偏振控制器，其一端与光放大器的输出端连接；

一光耦合器，其端口1与第三偏振控制器的另一端连接，其端口2与第二偏振控制器的另一端连接；

一非线性光电器件，其输入端与光耦合器的端口3连接；

一带通滤波器，其输入端与非线性光电器件的输出端连接；

一偏振分束器，其端口1与带通滤波器的输出端连接；

一光环形器，其端口1与偏振分束器的端口3连接；

一光纤光栅，其一端与光环形器的端口2连接；

一第一光电探测器，其光端口1与光环形器的端口3连接，其电端口2为全光微波倍频器的二倍频微波信号输出端口；

一第二光电探测器，其光端口1与光纤光栅的另一端连接，其电端口2为全光微波倍频器的六倍频微波信号输出端口。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

该全光微波倍频器可完成二倍频及六倍频微波信号的同时输出。

该全光微波倍频器的微波倍频过程在光域直接完成，避开电子器件带宽的限制，在不适用高频外置微波源的情况下，可完成高频毫米波信号甚至太赫兹波信号的生成。

该全光微波倍频器的光载波波长选择不受相位匹配条件的限制，可完成全1550及1310全波带信道波长的高频微波信号输出。

该全光微波倍频器具有更高的转换效率。

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是全光微波倍频器结构示意图；

图2a-c是全光微波倍频器工作原理示意图；

图3a-d是全光微波倍频器输出信号光谱，频谱，及相位噪声谱图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种全光微波倍频器，包括：

一第一连续光半导体激光器a，其输出波长对应光纤通信波段，用于输出信号光。

一第一偏振控制器b，其一端与第一连续光半导体激光器a连接用于控制信号光的偏振态。

一电光强度调制器c，其端口1与第一偏振控制器b的另一端连接，该电光强度调制器c为InP基电吸收调制器、铌酸锂晶体的马赫增德尔强度调制器、硅基的微环强度调制器、或马赫增德尔强度调制器，第一偏振控制器b在控制由第一连续光半导体激光器a输出的信号光的偏振态时，其输出的信号光为线偏振光，并且偏振方向与电光强度调制器c端面内的Y-轴方向一致，以保持对信号光最大的调制深度。

一微波信号源d，其输出端与电光强度调制器c的端口3连接用于将待倍频微波信号调制于信号光之上。

一第二连续光半导体激光器e，其输出波长对应光纤通信波段，用于输出探测光。

一第二偏振控制器f，其一端与第二连续半导体激光器e连接，用于控制探测光的偏振态。

一光放大器g，其输入端与电光强度调制器c的端口2连接，用于放大经电光强度调制器c端口2输出的信号光。

一第三偏振控制器h，其一端与光放大器g的输出端连接，用于控制经光放大器输出的信号光的偏振态。

一光耦合器i，其端口1与第三偏振控制器h的另一端连接，其端口2与第二偏振控制器f的另一端连接，用于耦合信号光与探测光。

一非线性光电器件j，为半导体光放大器、硅基或铟磷基半导体光波导、或非线性色散位移光纤，其输入端与光耦合器i的端口3连接。信号光引起非线性光电器件j内部X-轴与Y-轴方向的折射率差，对探测光完成偏振调制，此过程称为非线性偏振旋转效应，即实现探测光的X-轴线偏振光分量与Y-轴线偏振光分量相对相移调制。如图2a所示，第三偏振控制器h控制由电光强度调制器c的2端口输出的信号光为线偏振输出，偏振方向与非线性光电器件j端面内的Y-轴成45度夹角，光放大器g对信号光的最大光功率、最小光功率以及平均光功率进行调控，致使探测光的相对相位调制指数等于π，即探测光X-轴与Y-轴线偏振光分量的相对相位差在-π到π范围内变化。第二偏振控制器f控制由第二连续光半导体激光器e输出的探测光的偏振态，当信号光进入非线性光电器件j的瞬时强度致使探测光X-轴与Y-轴线偏振光分量的相对相位差变化量为0时，由非线性光电器件j输出的探测光为线偏振态，且偏振方向与非线性光电器件j端面内的Y-轴方向垂直，此时探测光X-轴与Y-轴线偏振光分量的相位差对应于图2b所示的最小(最大)传输点。

一带通滤波器k，其输入端与非线性光电器件j的输出端连接，用于滤除信号光。

一偏振分束器l，其端口1与带通滤波器k的输出端连接。非线性光电器件j端面内的Y-轴与偏振分束器l输出端口3的主轴一致，探测光经偏振分束器l偏振分束后，完成偏振调制到强度调制的转化。如图2c所示，由于Y-轴的传输响应效应，经偏振分束器端口3输出的探测光Y-轴线偏振光分量为载波抑制的双边带强度调制形式，即只有奇数阶边带生成，偶数阶边带被抑制。

一光环形器m，其端口1与偏振分束器l的端口3连接。

一光纤光栅n，其一端与光环形器m的端口2连接，用于分离探测光Y-轴线偏振光分量的±1阶与±3边带，光纤光栅n的响应曲线的中心波长位置要与探测光载波波长一致，10dB带宽大于10GHz小于30GHz。

一第一光电探测器o，其光端口1与光环形器m的端口3连接，其电端口2为全光微波倍频器的二倍频微波信号输出端口，该第一光电探测器o在接收探测光Y-轴线偏振光分量的±1阶边带后，经边带拍频和光电转换完成微波信号的二倍频输出。

一第二光电探测器p，其光端口1与光纤光栅n的另一端连接，其电端口2为全光微波倍频器的六倍频微波信号输出端口，该第二光电探测器p在接收探测光Y-轴线偏振光分量的±3阶边带后，经边带拍频和光电转换完成微波信号的6倍频输出。

该全光微波倍频器中的第一连续光半导体激光器a、第一偏振控制器b、电光强度调制器c、第二连续光半导体激光器e、第二偏振控制器f、光放大器g、第三偏振控制器h、光耦合器i、非线性光电器件j、带通滤波器k、偏振分束器l、光环形器m、光纤光栅n、第一光电探测器o以及第二光电探测器p既可以为分立器件形式相互连接，也可以采用半导体光子集成技术制成光子集成芯片从而实现小型化、紧凑形式的连接。

如图2c所示，经由偏振分束器l完成偏振到强度转换的探测光Y-轴线偏振分量Ey，经由环形器m和光纤光栅n完成边带选择，最终分别在第一光电探测器o及第二光电探测器p内完成拍频及光电转换，二倍频微波信号由第一光电探测器o的电端口2输出，六倍频信号由第二光电探测器p的端口2输出。

当待变频微波信号为3.5GHz时，偏振到强度调制转换后的探测光光谱如图3a所示，可以看出，0阶边带由于载波抑制效应被抑制。经光纤光栅分离的6倍频信号的光谱图如图3b所示，频谱图如图3c所示。6倍频信号与待倍频信号的相位噪声比较如图3d所示。

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 (8)

1.一种基于非线性偏振旋转效应的全光微波倍频器，包括：

一第一连续光半导体激光器；

一第一偏振控制器，其一端与第一连续光半导体激光器连接；

一电光强度调制器，其端口1与第一偏振控制器的另一端连接；

一微波信号源，其输出端与电光强度调制器的端口3连接；

一第二连续光半导体激光器；

一第二偏振控制器，其一端与第二连续半导体激光器连接；

一光放大器，其输入端与电光强度调制器的端口2连接；

一第三偏振控制器，其一端与光放大器的输出端连接；

一光耦合器，其端口1与第三偏振控制器的另一端连接，其端口2与第二偏振控制器的另一端连接；

一非线性光电器件，其输入端与光耦合器的端口3连接；

一带通滤波器，其输入端与非线性光电器件的输出端连接；

一偏振分束器，其端口1与带通滤波器的输出端连接；

一光环形器，其端口1与偏振分束器的端口3连接；

一光纤光栅，其一端与光环形器的端口2连接；

一第一光电探测器，其光端口1与光环形器的端口3连接，其电端口2为全光微波倍频器的二倍频微波信号输出端口；

一第二光电探测器，其光端口1与光纤光栅的另一端连接，其电端口2为全光微波倍频器的六倍频微波信号输出端口。

2.根据权利要求1所述的全光微波倍频器，其中非线性光电器件为半导体光放大器、硅基或铟磷基半导体光波导、或非线性色散位移光纤。

3.根据权利要求1所述的全光微波倍频器，其中第一偏振控制器在控制由第一连续光半导体激光器输出的信号光的偏振态时，其输出的信号光为线偏振光，并且偏振方向与电光调制器端面内的Y-轴方向一致。

4.根据权利要求1所述的全光微波倍频器，其中非线性光电器件端面内的Y-轴与偏振分束器输出端口3的主轴一致。

5.根据权利要求1所述的全光微波倍频器，其中第三偏振控制器控制由电光强度调制器的2端口输出的信号光为线偏振输出，偏振方向与非线性光电器件端面内的Y-轴成45度夹角。

6.根据权利要求1所述的全光微波倍频器，其中信号光在放大器内调制探测光的X-轴与Y-轴线偏振光分量的相对相位差在-π到π范围内变化。

7.根据权利要求1所述的全光微波倍频器，其中第二偏振控制器控制由第二连续光半导体激光器输出的探测光的偏振态，当信号光进入非线性光电器件的瞬时强度致使探测光X-轴与Y-轴线偏振光分量的相对相位差变化量为0时，由非线性光电器件输出的探测光为线偏振态，且偏振方向与偏振分束器的Y-轴方向垂直。

8.根据权利要求1所述的全光微波倍频器，其中光纤光栅的响应曲线的中心波长位置要与探测光载波波长一致，10dB带宽大于10GHz小于30GHz。

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