CN102710287B - 基于微波光子技术的可调谐超宽带微波信号发生器 - Google Patents

基于微波光子技术的可调谐超宽带微波信号发生器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微波光子技术的可调谐超宽带微波信号发生器，它包括可调谐光谱构造单元109、光傅立叶变换单元107和光电转换单元108，其中可调光谱构造单元109由光脉冲发生器101、环型器102、特定光纤布拉格光栅103、光衰减器104、可调光梳状滤波器105、光耦合器106构成。能够实现在单一的模块中调谐地构造出六种不同阶的不同极性的超宽带脉冲信号形状的光谱、能够转换为相应的六种超宽带光脉冲信号，且可调谐性更好，通过给定的光谱构造方法可以产生一、二、三阶的正负极性的超宽带微波信号，大大提高了超宽带微波信号发生器的灵活性。

Description

基于微波光子技术的可调谐超宽带微波信号发生器
技术领域
本发明涉及光通讯领域，尤其是利用光子方法来产生超宽带微波信号的技术。适用于可调谐地产生一、二和三阶的正负极性的超宽带微波信号。 
背景技术
超宽带信号，又被称为UWB信号，具有功率消耗少、低频谱密度、抗多径衰落等优点，适用于短距离高速室内无线通信或传感网络等。在2002年，美国通信协会批准了光功率谱密度低于-42.3dBm/MHz的超宽带信号频谱段(3.1～10.6GHz)的自由使用权。因此，超宽带信号的部分带宽应该大于20%或者是10dB的频谱带宽大于500MHz。 
近年来提出了一种基于微波光子技术的超宽带信号发生器，即通过光子技术来产生超宽带微波信号，与一般的微波电路技术相比具有更高的灵活性，能够可调谐地产生不同阶的不同极性的超宽带微波信号,适用于超宽带信号的脉型调制和极性调制技术等。 
目前，基于微波光子技术的新型超宽带信号发生器的主要采用方案有以下几种：一是基于相位调制技术与相位调制到强度调制的转换技术的方案，该种方案可以实现一、二阶的超宽带微波信号产生，但是对相位噪声敏感；二是基于正负抽头系数的微波光子滤波器的方 案，该方案通过连接不同系数抽头实现了一、二阶的超宽带微波信号的发生，可调谐性好，但依赖于多抽头的光子滤波器技术；三是基于不同偏置点的强度调制方案，该方案结构简单，但可调谐性差，只能实现二阶的正负极性的超宽带信号产生；四是基于光谱构造技术与光傅立叶变换技术的方案，该方案波形构造更加精确，但现有的非空间的光谱塑型方式只能产生一、二阶的正负极性的超宽带微波信号。 
上述四种方案都是通过微波光子技术来实现可调谐超宽带微波信号的产生，但是很少有方案能够可调谐地产生一、二、三阶的正负极性的超宽带微波信号，制约了超宽带信号的调制等技术的进一步发展。 
发明内容
鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是提供了一种基于光谱构造技术和光傅立叶变换技术的超宽带微波信号发生方案，使其可调谐性好、波形构造精确，通过全光纤的可调谐光谱构造单元和特定的光傅立叶变换单元，可实现一、二、三阶的正负极性的超宽带微波信号的发生。 
本发明的目的是基于如下分析和方案提出和实现的： 
基于微波光子技术的可调谐超宽带微波信号发生器，它包括可调谐光谱构造单元109、光傅立叶变换单元107和光电转换单元108，其中可调光谱构造单元109由光脉冲发生器101、环型器102、特定光纤布拉格光栅103、光衰减器104、可调光梳状滤波器105、光耦合器106构成，环型器102与光耦合器106间设有两支并联光路：一 支顺序连接特定光纤布拉格光栅103和光衰减器104-1；另一支顺序连接可调光梳状滤波器105和光衰减器104-2；可调谐光谱构造单元109构造的超宽带脉冲信号形状的光谱，通过光傅立叶变换单元107转换为超宽带光脉冲信号，再经过光电转换，则可生成多种超宽带微波信号。 
采用本发明的可调谐超宽带微波信号发生器可实现： 
1)能够在单一的模块中可调谐地构造出六种不同阶的不同极性的超宽带脉冲信号形状的光谱；2)能够实现频域到时域的映射，转换为相应的六种超宽带光脉冲信号；3)超宽带微波信号发生器的可调谐性仅依赖于光谱构造单元，且光谱构造方法为简单的滤波和非相干叠加。 
可调谐光谱构造单元对宽带光源进行两次光谱构造来得到超宽带脉冲形状的光谱：1)梳状滤波器的滤波过程；2)特定的相对位置的非相干叠加过程；根据本发明的光谱构造法，调节梳状滤波器的自由频谱距离(FSR)和可调谐光衰减器的衰减量来实现不同种类的超宽带信号形状的构造。由特定的光傅立叶变换单元，可以实现频域到时域的映射，产生超宽带光脉冲信号。经过光电转换单元后，则可转换为超宽带微波信号。 
采用本发明相比其他的微波光子技术的超宽带信号发生器，尤其是基于光谱构造和光傅立叶变换技术的方案，本发明方案的可调谐性更好，通过给定的光谱构造方法可以产生一、二、三阶的正负极性的超宽带微波信号，大大提高了超宽带微波信号发生器的灵活性。 
附图说明：
图1为本发明的可调谐超宽带脉冲信号发生器的结构示意图。 
图2为本发明中可调梳状滤波器105的一个典型结构图2(a)和特定调节方案图2(b)，其中虚线为可调光梳状滤波器105的传输曲线，实线为特定光纤布拉格光栅103的反射光谱。 
图3为本发明中的超宽带脉冲信号发生器的光谱构造法。 
图4为本发明实施的一个典型的光傅立叶变换单元的结构图。 
图5为本发明产生的超宽带脉冲信号和相应的频谱特性图。 
图6为实验构造的超宽带脉冲信号形状的光谱图，其中图6(a)和图6(b)为一阶的正&负极性的超宽带脉冲信号形状，图6(c)和图6(d)为二阶的正和负极性的超宽带脉冲信号形状，图6(e)和图6(f)为三阶的正&负极性的超宽带脉冲信号形状。 
图7为实验得到的一个二阶的正极性的超宽带光脉冲信号图7(a)以及其相应的电频谱图7(b)。 
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。 
图1为本发明的可调谐超宽带脉冲信号发生器的结构示意图。该方案由可调光谱构造单元109、光傅立叶变换单元107和光电转换单元108组成。其中可调光谱构造单元109由光脉冲发生器101、环型器102、特定光纤布拉格光栅103、光衰减器104、可调光梳状滤波器105、光耦合器106构成，环型器102与光耦合器106间设有两支并联光路：一支顺序连接特定光纤布拉格光栅103和光衰减器104-1； 另一支顺序连接可调光梳状滤波器105和光衰减器104-2。光脉冲发生器101具有较宽的较平坦的光谱，经过环型器102和特定光纤布拉格光栅103的反射和透射分别形成类高斯的凸型和凹型光谱形状。类高斯的凸型光谱经过可调光梳状滤波器105的滤波后，以特定的相对位置在光耦合器106中与类高斯的凹型光谱非相干叠加构成了超宽带脉冲形状的光谱。再经过光傅立叶变换单元107实现光频域到时域的映射，转换为超宽带光脉冲信号。由光电转换单元108则可生成为相应地超宽带微波信号。其中光脉冲发生器101可以为：1）锁模激光器光源与强度调制器顺连构成，该强度调制器的作用是降低脉冲串的码率和平滑光谱曲线；2）ASE(放大自发辐射)光源与强度调制器顺连构成，该强度调制器的作用对光信号在时间上截断，产生光脉冲信号。 
图2(a)为本发明实施中可调光梳状滤波器105的一种典型结构图，其中可调偏振模差分群时延(VDGD)器被两个光起偏器105-1夹在中央。通过调节偏振模差分群时延(DGD)值可实现梳状滤波器自由频谱距离(FSR)和带宽的独立可调。图2(b)为光梳状滤波器的具体滤波方案，其中虚线为可调光梳状滤波器105的传输曲线，实线为特定光纤布拉格光栅103的反射光谱。此时，反射光谱的宽度(BW)和中心波长是既定的，则可根据图2(b)中的六种方案调节光梳状滤波器105的自由频谱距离(FSR)和中心波长来实现特定的光滤波。 
图3为本发明中的超宽带脉冲形状光谱的构造方案。其中虚线为在光耦合器106中叠加的两分量的相对大小和位置，实线为叠加后形 成的超宽带脉冲形状的光谱。通过有效地调节可调光衰减器104-1和104-2可实现一、二、三阶的正负极性的超宽带脉冲形状的光谱构造。光衰减器的调节方法如下：假设光栅的反射率为m%(<1),可调光衰减器104-2衰减量分别为x%(<1)，为了保证上下两分量的相对位置，则可调光衰减器104-1的衰减量为x%+1-m%(<1)，因此当衰减量x%满足相对大小关系式1-x%=R(x%+1-m%)时，其中R是光谱叠加要求的104-2支路与104-1支路信号的幅度比，则可实现光谱构造。 
图4为本发明实施中一个典型光傅立叶变换单元107的方案。光在单模光纤中传输时满足 时，其中Φ2为单模光纤的群速度时延(GDD)值,σ0为输入光脉冲的宽度，则可实现光频域到时域的映射。且映射的时域波形的宽度(Δt)与光谱宽带(Δλ)满足关系：Δt=χΔλ，其中χ为色度色散量(ps/nm)，则单模光纤的总色散量由光谱构造的谱宽带(Δλ)确定。通过该单元则可得到超宽带光脉冲信号。 
图5为一、二、三阶的超宽带脉冲信号的波形和频谱特性。超宽带脉冲信号的时域脉冲宽带为200ps，并具有以下特点：对于一阶的超宽带信号具有两个极值点A、B，且它们的幅度比为1:1；对于二阶的超宽带信号具有三个极值点，正极性的二阶的超宽带信号具有一个极大值点B和两个极小值点A、C，且幅度比(A:B:C)为1:2:1，负极性的二阶的超宽带信号具有两个极大值点A、C和一个极小值点B，且幅度比(A:B:C)为1:2:1；对于正(负)极性的三阶的超宽带信号具有两个极大(小)值点A、C和两个极小(大)值点B、D，且幅度比(A:B:C:D)为1:2:2:1。一、二、三阶的正负极性的超宽带光脉冲信号经过高速的 光电转换后，可以生成相应的超宽带微波信号，其频谱特性如图所示，其中各信号的10dB带宽的频率范围约为3.1到10.6GHz，但超宽带微波信号的中心频率由一阶至三阶逐渐变大。 
图6为实验中构造的超宽带脉冲形状的频谱，其中图6(a)和图6(b)分别为正和负极性的一阶的超宽带信号形状的频谱，图6(c)和图6(d)分别为正和负极性的二阶的超宽带信号形状的频谱，图6(e)和图6(f)分别为正和负极性的三阶的超宽带信号形状的频谱。宽带光脉冲发生器101由皮秒锁模激光器和强度调制器顺序连接构成，通过本发明的可调光谱构造单元可以分别构造一、二、三阶的正负极性的超宽带脉冲信号形状。所构造的超宽带信号形状的光谱宽带约为1.3nm，色散介质为10km的单模光纤，其色散总量约为170ps2/nm。 
图7(a)为实验中产生的正极性的二阶的超宽带光脉冲信号和图7(b)为其相应的电频谱，其中虚线为FCC模。实验所得的时域脉冲宽度约为200ps，电频谱的中心频率为7GHz且10dB带宽约为7GHz，且光功率谱密度低于-42.3dBm/MHz，符合FCC规定的超宽带微波信号的要求。 

Claims (3)

1.一种基于微波光子技术的可调谐超宽带微波信号发生器，它包括可调谐光谱构造单元(109)、光傅立叶变换单元(107)和光电转换单元(108)，其中可调光谱构造单元(109)由光脉冲发生器(101)、环型器(102)、特定光纤布拉格光栅(103)、光衰减器(104)、可调光梳状滤波器(105)、光耦合器(106)构成，环型器(102)与光耦合器(106)间设有两支并联光路：一支顺序连接特定光纤布拉格光栅(103)和第一光衰减器(104-1)；另一支顺序连接可调光梳状滤波器(105)和第二光衰减器(104-2)；可调谐光谱构造单元(109)构造的超宽带脉冲信号形状的光谱，通过光傅立叶变换单元(107)转换为超宽带光脉冲信号，再经过光电转换，则可生成多种超宽带微波信号。
2.根据权利要求1所述之基于微波光子技术的可调谐超宽带微波信号发生器，其特征在于，所述光梳状滤波器可以是任何产生梳状传输曲线的模块。
3.根据权利要求1所述之基于微波光子技术的可调谐超宽带微波信号发生器，其特征在于，所述光傅立叶变换单元可以是任何能实现光频域到时域映射的器件。
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