CN103297145A - 全光产生十六倍频毫米波的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种全光产生十六倍频毫米波的装置，可调激光器的输出端与第一双平行马赫-曾德尔调制器的输入端连接；射频信号源的输出端与第一双平行马赫-曾德尔调制器的射频驱动端相连；直流电压源与第一双平行马赫-曾德尔调制器的各个子调制器偏置端口和主偏置端口相连；第二双平行马赫-曾德尔调制器的输出端与掺铒光纤放大器的输入端相连；掺铒光纤放大器的输出端与光电探测器的输入端相连；掺铒光纤放大器后输出的光信号可接光频谱仪进行测试，光电探测器的输出端可连接频谱分析仪进行测试。本发明大大降低了本振信号的频率和调制器的响应频率要求，设备简单，具有很强的实际可操作性，并且不需要滤波器，可以在WDM系统中应用。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域和微波技术领域，特别涉及一种利用光通信技术中比较成熟的光学技术产生高频率毫米波信号的装置。
背景技术
以计算机和通信网络为标识的信息技术成果将人类社会推进到了信息时代。近年来，互联网业务形式多样化和业务量飞速发展，人们对包括声音、数据、图像和影视等多媒体通信的需求越来越高、越来越迫切，对网络的带宽和移动性方面要求也更高，光载无线通信（ROF，radio over fiber）技术应用而生，其结合了光纤通信的高带宽、低损耗、抗电磁干扰和无线通信的高移动性、接入灵活性等优点，并且可以在现有光纤接入网络上直接传输毫米波信号，无需重复铺设光纤，在很大程度上节省了运营商的投资。
目前，由于GSM、CDMA、WiFi、卫星通信等常用无线接入技术的工作波段都集中分布在800MHz、2GHz、2.5GHz和6GHz处，导致10GHz以下频段频谱资源已经非常有限，这已成为移动通信未来发展的瓶颈，无线通信系统只能选择更高的频段进行通信。现有无线通信系统对于30GHz以上的频率资源利用很少。因此极高频EHF（30-300GHz）将是未来宽带无线接入通信系统的应用方向，又因为40/60GHz频段接入速率高、免牌照申请，该频段成为了宽带无线接入的首选。
但是，该无线接入系统中高频毫米波的生成是一个很大的难题，传统电域的方法很难甚至几乎无法完成复杂的极高频微波信号生成，其主要由于：现在使用晶体振荡器通过倍频锁相方法，产生的高频微波信号因为电子瓶颈很难产生高频率、高质量信号；就算有方法可以在电域产生高频、高质量信号，高频段信号大气损耗严重的问题也无法解决；此外，使用电的方法产生高频微波信号对器件有更高的要求。复杂的加工制作工艺要求可能大大降低器件的性能。而然，通过光学方法生成毫米波本振有系统稳定度高、不受电子瓶颈影响、系统结构简单且造价低廉等优点。
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。其中，基于光外调制器产生的微波本振信号的方案，实现方法简单，大大降低了系统对本振信号频率的要求，且光电探测时由于光波是来自一个激光器，具有很强的相关性。因此，外调制技术是一种很有前景的高频微波信号产生技术，成为产生光毫米波的首选技术。当然，现有的光外调制方案也存在一些急待解决的问题：一般的外调制系统倍频因子相对较小，倍频后微波信号也不够纯净；高倍频系统结构过于复杂，且调制指数较大不宜实验现实；采用加滤波器的一些方案由于光纤布拉格光栅（FBG）中心波长变化以及反射率不够高，将使系统性能不稳定且无法进行WDM应用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种全光产生十六倍频毫米波的装置，采用微波光子学方法，通过简单的结构设计和参数设定，产生了十六倍频于驱动射频电信号的高倍频毫米波信号，从而可以通过该结构实现几百GHz的信号，克服了电域的电子瓶颈，降低了电子系统中器件的要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种十六倍频毫米波产生装置，包括可调激光器、射频信号源、直流电压源、移向器、两个级联的双平行马赫-曾德尔调制器、掺铒光纤放大器和光电探测器。可调激光器的输出端与第一双平行马赫-曾德尔调制器的输入端连接；射频信号源的输出端与第一双平行马赫-曾德尔调制器的射频驱动端相连；直流电压源与第一双平行马赫-曾德尔调制器的各个子调制器偏置端口和主偏置端口相连；第二双平行马赫-曾德尔调制器的输出端与掺铒光纤放大器的输入端相连；掺铒光纤放大器的输出端与光电探测器的输入端相连；掺铒光纤放大器后输出的光信号可接光频谱仪进行测试，光电探测器的输出端可连接频谱分析仪进行测试。
所述的双平行马赫-曾德尔调制器由集成在单个芯片上的两个子调制器组成，两个子调制器具有相同的结构和性能，每个子调制器具有独立的射频信号输入端口和偏置端口，所述的双平行马赫-曾德尔调制器还有一个主偏置端口，可用来调节两个子调制器的输出。
本发明工作时，所述的可调激光器发出波长为λ的光波注入到第一双平行马赫-曾德尔调制器中，注入光波的偏振方向经偏振控制器调整，使之与各个子调制器的偏振方向一致；频率为f0的射频信号源经第一电功分器分成功率相同的两路，一路驱动第一双平行马赫-曾德尔调制器，另一路经过第二移相器移向π/8后驱动第二双平行马赫-曾德尔调制器；经过第一电功分器后的其中一路射频信号在驱动第一双平行马赫-曾德尔调制器之前，再经过第二功分器进行等功率功分，功分后两路信号中的一路直接驱动子调制器MZ1-a，另一路经过第一移向器移向π/2后驱动子调制器MZ1-b，子调制器MZ1-a和MZ1-b以及主偏置端口均偏置在传输曲线的最高点；经过调制器进行射频调制后的两路光波相干叠加后，其光成分包括光载波和两个四阶边带；通过设置射频信号幅度，使得第一双平行马赫-曾德尔调制器的调制指数等于零阶贝塞尔函数第一个零点对应的值，从而抑制光载波，只剩下两个四阶边带，两者之间的频率间隔为8f0，然后，这两个四阶边带射入第二双平行马赫-曾德尔调制器；第一功分器功分后，经过第二移向器移向π/8的另一路射频信号在第二双平行马赫-曾德尔调制器做与第一双平行马赫-曾德尔调制器完全相同的设置；这样，第一个双平行马赫-曾德尔调制器输出的正四阶在第二个双平行马赫-曾德尔调制器之后产生的边带分量主要为零阶和正八阶，负四阶边带产生的边带分量为零阶和负八阶。由于两个双平行马赫-曾德尔调制器之间引入了π/8的射频相位差，导致正四阶产生的零阶和负四阶产生的零阶有180°的相位差，所以零阶在第二个双平行马赫-曾德尔调制器的输出口相互抵消，最后剩下纯净的正负八阶边带，二者之间的频率间隔为16f0，通过掺铒光纤放大器放大后进行拍频就得到了16倍于射频驱动信号的毫米波信号。
本发明的有益效果是：由于采用了双平行马赫-曾德尔调制器的干涉叠加特性和非线性调制特性，大大降低了本振信号的频率和调制器的响应频率要求，产生的毫米波信号的频率是本振信号频率的16倍，比如，为了产生64GHz的毫米波信号，我们只需要一个响应频率为4GHz的双平行马赫-曾德尔调制器和频率为4GHz的本振信号。本发明设备简单，具有很强的实际可操作性，并且该结构不需要滤波器，可以在WDM系统中应用，较已发表方案有较大优势。
附图说明
图1为本发明利用双平行马赫-曾德尔调制器产生频率16倍于本振信号的毫米波的原理图；
图2为本发明中第一双平行马赫-曾德尔调制器的输出光谱示意图；
图3为本发明中第二双平行马赫-曾德尔调制器的输出光谱示意图；
图4为本发明中第一双平行马赫-曾德尔调制器在4GHz的本振信号调制下的输出光谱图；
图5为本发明中通过级联的第二双平行马赫-曾德尔调制器在4GHz的本振信号调制下的输出光谱图；
图6为本发明中64GHz的光毫米波信号通过高速光电探测器后，拍频得到的光电流的射频频谱图。
具体实施方式
本发明利用两个嵌套结构的双平行马赫-曾德尔调制器（dual-parallelMach–Zehnder modulator，DP-MZM）的非线性特性和干涉叠加特性，在适当的直流偏置电压下，产生了频率为本振频率16倍的光毫米波信号，使产生高频/极高频信号所需要的设备频率指标大大降低，进而降低了系统成本。
本发明设计的全光产生十六倍频毫米波的方案，是将两个双平行马赫-曾德尔调制器级联，用特定幅度的低频射频信号源驱动，偏执点均设置为传输曲线的最大传输点，就可以得到十六倍频的毫米波信号。本发明采用的方案不需要额外的光域或电域滤波器，产生的毫米波具有很好的频谱纯度。另外，该技术不需要复杂的电信号处理过程，大大降低了配置成本和系统实现的复杂度。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
图1为本发明利用双平行马赫-曾德尔调制器产生频率16倍于本振信号的毫米波的原理图。其中每个双平行马赫-曾德尔调制器用于产生频率间隔为8倍于本振频率的两个边带；直流电压源用于控制调制器的工作点；射频信号源在提供射频信号的同时通过适合的幅度抑制光载波信号；光电探测器（PD）用于将两个8阶边带拍频产生16倍频的毫米波信号。
如图1所示，本实施例中，装置包括：可调激光器、射频信号源、第一双平行马赫-增德尔调制器、第二双平行马赫-增德尔调制器、第一移相器、第二移相器、第三移相器、第一电分路器、第二电分路器、第三电分路器、掺铒光纤放大器、光电探测器。可调激光器的输出端口与第一双平行马赫-增德尔调制器的输入端口相连，射频信号源的输出端与第一电分路器输入端相连，第一电分路器的一个输出端与第二电分路器输入端相连，第二电分路器的一个输出端与第一双平行马赫-增德尔调制器的一个射频输入端口相连，第二电分路器的另一个输出端与第一移相器的输入端相连，第一移相器的输出端与第一双平行马赫-增德尔调制器的另一个射频输入口相连。第一双平行马赫-增德尔调制器的输出端口与第二双平行马赫-增德尔调制器的输入端口相连。第一电分路器的另一个输出端与第二移相器的输入端相连，第二移相器的输出端与第三电分路器的输入端相连，第三电分路器的一个输出端与第二双平行马赫-增德尔调制器的一个射频输入口相连，第三电分路器的另一个输出端与第三移相器的输入端相连，第三移相器的输出端与第二双平行马赫-增德尔调制器的另一个射频输入口相连。第二双平行马赫-增德尔调制器的输出端口输出间隔为十六倍于射频信号源的两个光边带。然后，第二个双平行马赫-曾德尔调制器输出端与掺铒光纤放大器的输入端相连；掺铒光纤放大器的输出端与光电探测器的输入端相连。最后，在系统输出端就得到了十六倍频的毫米波信号。
本实例中，方法的具体实施步骤是：
步骤一、可调激光器产生工作波长λ为1552.5nm的连续光波，连续光波输入到半波电压为3V第一双平行马赫-曾德尔调制器，射频信号源输出4GHz的本振信号经第一电功分器分成功率相等的两路，一路用于驱动第一双平行马赫-曾德尔调制器，另一路通过第二移向器移向π/8后驱动第二双平行马赫-曾德尔调制器。
步骤二、第一功分器功分后的4GHz射频信号在进入第一双平行马赫-曾德尔调制器之前再通过第二电功分器分成两路，一路驱动上面的曾德尔调制器，另一路通过第一移向器移向π/2后驱动下面的曾德尔调制器，并且设置调制器的偏置电压为0V，这样，第一双平行马赫-曾德尔调制器的输出包含主要包含光载波，正负四阶边带。
步骤三、通过调节射频信号幅度，使得加载在调制器驱动口的射频电压幅度为2.296V，这样抑制了第一双平行马赫-曾德尔调制器输出光谱中的光载波，只剩下正负四阶边带。步骤二、三产生的光边带如图2所示。
步骤四、将第一双平行马赫-曾德尔调制器产生的正负四阶边带接入第二双平行马赫-曾德尔调制器。
步骤五、经第一功分器功分的另一路信号经第二移向器移向π/8后的射频信号在进入第二双平行马赫-曾德尔调制器之前再经过第三功分器进行一次功分，一路用于驱动上面的曾德尔调制器，另一路通过第三移向器引入π/2的移向后驱动下面的曾德尔调制器，同样设置调制器的偏置电压为0V。通过步骤三的设置，射频驱动电压的幅度同样为2.296V，则在第二双平行马赫-曾德尔调制器中，入射的-4阶边带产生-8阶和0阶边带，+4阶边带产生0阶和+8阶边带，又因为两个双平行马赫-曾德尔调制器之间通过第二移向器引入的π/8相移，入射第二双平行马赫-曾德尔调制器的-4阶和+4阶边带产生的两个0阶边带具有180°的相位差，因此在调制器输出时相互抵消。这样第二双平行马赫-曾德尔调制器的输出就只产生了纯净的-8阶边带和+8阶边带。
步骤六、将第二双平行马赫-曾德尔调制器输出的光谱信号射入掺铒光纤放大器进行功率放大，以达到合适的检测光功率。
步骤七、放大后的光信号射入光电探测器进行光电转换，从而产生了频率为64GHz的毫米波信号。
综上，本发明由于利用了双平行马赫-曾德尔调制器的相干叠加特性和非线性特性实现了毫米波16倍频。降低了毫米波系统中光电调制器和射频信号源的频率要求，且产生的毫米波信号频率纯净度高。该发明使得高频、极高频毫米波信号的产生有了更实际的操作性。
图4为本发明中第一双平行马赫-曾德尔调制器在4GHz的本振信号调制下的输出光谱图。其中由于双平行马赫-曾德尔调制器的消光比设置为较实际的参数，所以一阶和三阶光边带没有完全相消，这个问题会随着器件水平的进一步提高而解决。2006年Tetsuya Kawanishi,Takahide Sakamoto等人在美国通信光纤研讨会（OFC）上发表了关于70dB消光比的双平行马赫-曾德尔调制器的文章，进一步证明了该方法将具有很好的可操作性和优良的性能。
图5为本发明中通过级联的第二双平行马赫-曾德尔调制器在4GHz的本振信号调制下的输出光谱图。其中同样产生了不需要的各阶边带没有完全相互抵消的问题，这也将随着高消光比双平行马赫-曾德尔调制器的应用而解决。
总之，以上所述实施方案仅为本发明的较佳实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，毫米波的频率范围不限于64GHz，如果使用10GHz的射频信号源，该系统可以产生160GHz的毫米波信号，这些等同变形和替换以为频率范围的调整也应视为本发明保护的范围。
Claims (3)
1.一种全光产生十六倍频毫米波的装置，包括可调激光器、射频信号源、直流电压源、移向器、两个级联的双平行马赫-曾德尔调制器、掺铒光纤放大器和光电探测器，其特征在于：可调激光器的输出端与第一双平行马赫-曾德尔调制器的输入端连接；射频信号源的输出端与第一双平行马赫-曾德尔调制器的射频驱动端相连；直流电压源与第一双平行马赫-曾德尔调制器的各个子调制器偏置端口和主偏置端口相连；第二双平行马赫-曾德尔调制器的输出端与掺铒光纤放大器的输入端相连；掺铒光纤放大器的输出端与光电探测器的输入端相连；掺铒光纤放大器后输出的光信号可接光频谱仪进行测试，光电探测器的输出端可连接频谱分析仪进行测试。
2.根据权利要求1所述的全光产生十六倍频毫米波的装置，其特征在于：所述的双平行马赫-曾德尔调制器由集成在单个芯片上的两个子调制器组成，两个子调制器具有相同的结构和性能，每个子调制器具有独立的射频信号输入端口和偏置端口，所述的双平行马赫-曾德尔调制器还有一个主偏置端口，可用来调节两个子调制器的输出。
3.根据权利要求2所述的全光产生十六倍频毫米波的装置，其特征在于：所述的可调激光器发出波长为λ的光波注入到第一双平行马赫-曾德尔调制器中，注入光波的偏振方向经偏振控制器调整，与各个子调制器的偏振方向一致；频率为f0的射频信号源经第一电功分器分成功率相同的两路，一路驱动第一双平行马赫-曾德尔调制器，另一路经过第二移相器移向π/8后驱动第二双平行马赫-曾德尔调制器；经过第一电功分器后的一路射频信号在驱动第一双平行马赫-曾德尔调制器之前，再经过第二功分器进行等功率功分，功分后两路信号中的一路直接驱动一个子调制器，另一路经过第一移向器移向π/2后驱动另一子调制器，两个子调制器以及主偏置端口均偏置在传输曲线的最高点；经过调制器进行射频调制后的两路光波相干叠加；通过设置射频信号幅度，使得第一双平行马赫-曾德尔调制器的调制指数等于零阶贝塞尔函数第一个零点对应的值，从而抑制光载波，剩下两个四阶边带射入第二双平行马赫-曾德尔调制器；第一功分器功分后，经过第二移向器移向π/8的另一路射频信号在第二双平行马赫-曾德尔调制器做与第一双平行马赫-曾德尔调制器完全相同的设置；两个双平行马赫-曾德尔调制器的输出通过掺铒光纤放大器放大后进行拍频就得到了16倍于射频驱动信号的毫米波信号。
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