CN103885268A - 基于交叉偏振调制和Sagnac环产生全光4倍频微波的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于交叉偏振调制和Sagnac环产生全光4倍频微波的装置，包括窄线宽激光器、第一偏振控制器、环形器、偏振分束器、第二偏振控制器、光耦合器、第三偏振控制器、强度调制器、宽带微波源、可调谐激光器、高非线性光纤、第四偏振控制器、第五偏振控制器、起偏器、光滤波器、光电探测器和信号源分析仪。利用本发明，克服了传统电子学方法在带宽、重量、体积、电磁干扰等方面的劣势，并突破了电子技术产生高频微波信号的瓶颈。

Description

基于交叉偏振调制和Sagnac环产生全光4倍频微波的装置

技术领域

本发明属于微波光子学技术领域，更具体的说是一种光生微波技术，一种基于交叉偏振调制和Sagnac环产生全光4倍频微波的装置。

背景技术

随着科技的进步，特别是信息技术的快速更新换代，微波技术与光子技术相互融合成为科技进步的必然趋势并且其取得了长足的进步。其中，高质量的微波信号产生技术是微波应用的关键和基础。高质量的微波信号主要体现为高频谱纯度、高射频稳定性和低相位噪声，其在很多领域有广泛的应用，其中包括雷达系统、无线通信系统以及电子对抗系统。由于电子瓶颈的限制，基于电子系统直接产生高频微波或者毫米波是一大挑战。传统的高频微波信号产生是基于低频的标准振荡系统经过多次倍频获得，然而多次倍频会恶化信号的相位噪声，并且该方法产生的微波信号的频率调谐性很差。为了克服电子系统产生微波信号的缺陷，同时，由于对高频谱纯度和低相位噪声的微波信号强烈需求，光生微波技术应用而生。

基于光生微波技术产生高频微波信号克服了传统微波系统在处理速度和传输带宽等方面的严重电子瓶颈，并且产生的微波信号的频谱纯度高、相位噪声低以及具有灵活的可调谐能力，充分利用了光子技术的先天优势。同时，光生微波系统相比于传统的微波系统具有损耗低、重量轻、带宽大、速度快、抗电磁干扰和频率响应平坦等诸多优点。此外，基于光子技术产生微波，该系统可以与全光网络以及光载射频兼容。

未来的军事以及民事应用，特别是军事雷达和电子对抗，要求微波系统具有大带宽、大动态范围和高灵敏度等特点。同时，由于信息复杂度日益提高、信息量的极度丰富以及信息时效性的日新月异，对信息系统的性能提出更高、更严格的要求，特别是对微波系统中的信号源的频率稳定度和频谱纯度提出了越来越高的要求。要满足这些应用需求，必须先实现高质量微波信号产生。因此，产生高频率、高频谱纯度、宽带可调谐以及低相位噪声的微波信号具有重要的战略意义以及迫切的应用需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于交叉偏振调制和Sagnac环产生全光4倍频微波的装置，以克服传统电子学方法在带宽、重量、体积、电磁干扰等方面的劣势，并突破电子技术产生高频微波信号的瓶颈。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于交叉偏振调制和Sagnac环产生全光4倍频微波的装置，该装置包括：

一窄线宽激光器1，用于向第一偏振控制器2提供连续探测光；

一第一偏振控制器2，用于调节探测光的偏振态，并提供给环形器3；

一环形器3，用于将调节了偏振态的探测光路由到偏振分束器4；

一偏振分束器4，用于将探测光分为两束偏振态相互垂直的线偏振光，两束偏振态相互垂直的线偏振光分别沿顺时针和逆时针方向传播并进入第二偏振控制器5和第四偏振控制器12；

一第二偏振控制器5，用于调节沿顺时针方向传播的线偏振光的偏振态，并提供给光耦合器6；

一第四偏振控制器12，用于调节沿逆时针方向传播的线偏振光的偏振态，并提供给高非线性光纤11；

一宽带微波源9，用于产生射频信号，并提供给强度调制器8；

一可调谐激光器10，用于产生诱导高非线性光纤11内克尔效应的控制光，并提供给强度调制器8；

一强度调制器8，用于对可调谐激光器10输出的控制光进行强度调制，并提供给第三偏振控制器7；

一第三偏振控制器7，用于调节强度调制器8输出控制光的偏振态，使该控制光的偏振态与顺时针传播的探测光的偏振态平行，从而与逆时针传播的探测光的偏振态垂直，并提供给光耦合器6；

一光耦合器6，用于将第二偏振控制器5输入的线偏振光与第三偏振控制器7输入的控制光进行耦合，并提供给高非线性光纤11，其中第三偏振控制器7输入的控制光做为高非线性光纤11内发生交叉偏振调制效应的泵浦光；

一高非线性光纤11，用于产生交叉偏振调制效应，将顺时针传播的探测光进行交叉偏振调制，将逆时针传播的探测光不进行交叉偏振调制，顺时针传播的光信号进行交叉偏振调制，出现调制边带，实现4倍频信号产生；

一第五偏振控制器13，用于调节Sagnac环中逆时针传播的光载波的偏振态，实现顺时针和逆时针传播的探测光的载波反相，并补偿逆时针传播的探测光固定相位的改变；

一起偏器14，用于将偏振态相互垂直的探测光投射到一个偏振方向上，实现光载波干涉相消；

一光滤波器15，用于滤除高阶边带以及控制光，留下±2阶边带，实现4倍频微波信号输出；

一光电探测器16，用于将±2阶边带拍频产生4倍频微波信号；

一信号源分析仪17，用于测量产生的微波信号以及该微波信号的相位噪声。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的基于交叉偏振调制和Sagnac环产生全光4倍频微波的装置，由于采用全光信号处理的方案所以克服了传统电子学方法在带宽、重量、体积、电磁干扰等方面的劣势，并突破了电子技术产生高频微波信号的瓶颈。

2、本发明提供的基于交叉偏振调制和Sagnac环产生全光4倍频微波的装置，由于利用高非线性光纤实现交叉偏振调制所以结构简单，成本低，全光处理不涉及到电光转化，响应速度快，功率损耗小，可以产生任意高频微波以及太赫兹波，可以实现与全光网络以及光载射频网络兼容。

3、由于采用全光的方法以及Sagnac环路产生微波信号，顺时针和逆时针传播的光信号将经历相同的环境变化影响，并且两个方向传播的光信号是来自于同一个光源，故其产生的微波信号的相位噪声低，频谱纯度高；同时全光的带宽与电的带宽相比几乎不受限制，故更换偏振调制器和可调谐光源为锁模激光器，用光滤波器滤出其中两个光分量，该方案可以产生太赫兹波；该方案的相关器件都为市场可以购买的器件，故该方案可以实现实用化，结构稳定，成本低廉。

附图说明

图1是本发明提供的基于交叉偏振调制和Sagnac环产生全光4倍频微波的装置的结构示意图；

图2是本发明提供的基于交叉偏振调制和Sagnac环产生全光4倍频微波的装置产生4倍频微波信号的原理示意图；

图3是本发明提供的基于交叉偏振调制和Sagnac环产生全光4倍频微波的装置实现交叉偏振调制原理的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的基于交叉偏振调制和Sagnac环产生全光4倍频微波的装置，利用强度调制器产生强度调制的控制光，该控制光经过光耦合器入射到高非线性光纤，该控制光将诱导高非线性光纤增加附加的双折射，从而调节顺时针方向传播的探测光的偏振态，实现交叉偏振调制。由窄线宽激光器发出的探测光经过偏振分束器分为两路，其中一路探测光与强度调制信号同向传输，强度调制信号与该探测光发生交叉偏振调制，并且二者的偏振态是相互平行。同时，另外一路探测光与强度调制控制光相向传输，此时的探测光仅仅经历平均光功率引起的固定相移，由于该探测光与强度调制控制光速度不匹配不会发生交叉偏振调制，仅仅载波获得固定相移，该相移可以通过调节偏振控制器得到补偿。通过调节Sagnac环路内部的偏振控制器，可以实现等效强度调制器的奇数阶边带抑制。同时通过调节偏振控制器可以实现光载波干涉相消。最后探测光通过光滤波器滤除高阶边带以及控制光，仅仅让±2阶的边带在光电探测器内拍频，实现4倍频微波信号产生。

另外，可调谐激光器也可以用锁模激光器替换，锁模激光器输出的频谱为具有固定间隔的光学频率梳，利用可编程波形整形器可以滤出来任意模式，其作为高非线性光纤产生交叉偏振调制的控制光，从而可以实现太赫兹信号产生。该全光产生微波-太赫兹波技术可以实现支持S，C，X，Ku，K，Ka多频段微波信号产生以及太赫兹波信号产生。

如图1所示，图1是本发明提供的基于交叉偏振调制和Sagnac环产生全光4倍频微波的装置的结构示意图，该装置包括窄线宽激光器1、第一偏振控制器2、环形器3、偏振分束器4、第二偏振控制器5、光耦合器6、第三偏振控制器7、强度调制器8、宽带微波源9、可调谐激光器10、高非线性光纤11、第四偏振控制器12、第五偏振控制器13、起偏器14、光滤波器15、光电探测器16和信号源分析仪17。

其中，窄线宽激光器1用于向第一偏振控制器2提供连续探测光；第一偏振控制器2用于调节探测光的偏振态，并提供给环形器3；环形器3用于将调节了偏振态的探测光路由到偏振分束器4；偏振分束器4用于将探测光分为两束偏振态相互垂直的线偏振光，两束偏振态相互垂直的线偏振光分别沿顺时针和逆时针方向传播并进入第二偏振控制器5和第四偏振控制器12；第二偏振控制器5用于调节沿顺时针方向传播的线偏振光的偏振态，并提供给光耦合器6；第四偏振控制器12用于调节沿逆时针方向传播的线偏振光的偏振态，并提供给高非线性光纤11；宽带微波源9用于产生射频信号，并提供给强度调制器8；可调谐激光器10用于产生诱导高非线性光纤11内克尔效应的控制光，并提供给强度调制器8；强度调制器8用于对可调谐激光器10输出的控制光进行强度调制，并提供给第三偏振控制器7；第三偏振控制器7用于调节强度调制器8输出控制光的偏振态，使该控制光的偏振态与顺时针传播的探测光的偏振态平行，从而与逆时针传播的探测光的偏振态垂直，并提供给光耦合器6；光耦合器6用于将第二偏振控制器5输入的线偏振光与第三偏振控制器7输入的控制光进行耦合，并提供给高非线性光纤11，其中第三偏振控制器7输入的控制光做为高非线性光纤11内发生交叉偏振调制效应的泵浦光；高非线性光纤11用于产生交叉偏振调制效应，将顺时针传播的探测光进行交叉偏振调制，将逆时针传播的探测光不进行交叉偏振调制，顺时针传播的光信号进行交叉偏振调制，出现调制边带，实现4倍频信号产生；第五偏振控制器13用于调节Sagnac环中逆时针传播的光载波的偏振态，实现顺时针和逆时针传播的探测光的载波反相，并补偿逆时针传播的探测光固定相位的改变；起偏器14用于将偏振态相互垂直的探测光投射到一个偏振方向上，实现光载波干涉相消；光滤波器15用于滤除高阶边带以及控制光，留下±2阶边带，实现4倍频微波信号输出；光电探测器16用于将±2阶边带拍频产生4倍频微波信号；信号源分析仪17用于测量产生的微波信号以及该微波信号的相位噪声。

窄线宽激光器1可以是半导体激光器或光纤激光器。第一偏振控制器2、第二偏振控制器5、第三偏振控制器7、第四偏振控制器12和第五偏振控制器13可以是光纤结构的偏振控制器、波导结构的偏振控制器或空间结构的偏振控制器。强度调制器8可以采用铌酸锂晶体、半导体聚合物或有机聚合物。宽带微波源9可以是矢量网络分析仪或微波信号源。可调谐激光器10可以是半导体激光器或光纤激光器。该装置还可以采用锁模激光器来替换所述可调谐激光器10，在锁模激光器后进一步连接光滤波器滤出来任意两个模式作为控制光，以产生太赫兹波。高非线性光纤11可以是掺锗高非线性光纤或硫化物高非线性光纤。光滤波器15可以是基于硅基液晶技术的波形整形器，或者是光滤波器，或者是波分复用器，或者是光纤光栅。光电探测器16可以是光电二极管或光电倍增管，采用磷化铟材料或硅基材料。

对于高非线性光纤11而言，由于高非线性光纤的非线性系数大，泵浦光入射其内部，将会诱导快轴和慢轴，而且快轴和慢轴的方向与泵浦光的偏振方向有关，由于探测光信号通过该光纤时快轴和慢轴将引入不同的相位，故两个轴会出现相位差，故其等效为相位调制器，当变化泵浦光的光功率和偏振方向时，探测光经历的快慢轴的相位差将会变化，由于相位差的变化会引起探测光的偏振态旋转，等效为泵浦光强度调制转化为探测光的偏振调制，故为交叉偏振效应；由于顺时针方向传播的探测光和泵浦光同向传输，故两者的重叠时间较长，同时调制泵浦光的偏振态平行于顺时针探测光的偏振态故顺时针方向传播的探测光将会经历交叉偏振调制效应，但是逆时针方向传播的探测光不经历交叉偏振调制效应，仅仅引入一个固定的相位差，原因有两方面：当泵浦光的偏振方向与顺时针方向传播探测光信号偏振方向平行时，必与逆时针方向传播的光信号的偏振方向垂直，故交叉偏振调制效果不明显；顺时针传播的探测光信号与泵浦光信号的重叠时间更长有利于发生交叉偏振调制，但是逆时针传播的探测光和泵浦光速度不匹配。

在图1中，窄线宽激光器1产生的探测光通过偏振分束器4被分为相向传输的两路光信号并且这两路光信号的偏振态相互垂直。可调谐激光器10产生的控制光经过第三偏振控制器7进行强度调制，其中第三偏振控制器7加载的微波信号来自于外部宽带微波源9产生，调制后产生的强度调制光信号作为高非线性光纤11发生交叉偏振调制的控制光；另外，可调谐激光器10也可以采用锁模激光器替换，输出光经过可编程波形整形器实现滤波，滤出来的光波也可以作为高非线性光纤11发生交叉偏振调制的控制光，其可以用于产生太赫兹波产生；

当控制光与探测光同向传输时，由于控制光诱导高非线性光纤11的快轴和慢轴附加不同的折射率变化，探测光和控制光同向通过高非线性光纤11时，并且二者的偏振态相互平行，探测光的偏振态改变，故其等效为偏振调制器，即实现交叉偏振调制。

当控制光与探测光相向传输时，由于二者的速度不匹配，故高非线性光纤11不会调制此光载波，仅仅会使光载波经历固定的相移，此相移由控制光的平均光功率决定。

两束相向传输的探测光一束沿第二偏振控制器5、光耦合器6、高非线性光纤11和第四偏振控制器12传输至偏振分束器4，另一束沿第四偏振控制器12、高非线性光纤11、，光耦合器6和第二偏振控制器5传输至偏振分束器4，在偏振分束器4中进行合束，合束后的探测光经过第五偏振控制器13和起偏器14，通过调节偏振控制器实现相互垂直光载波在投射到起偏方向上时反相，实现光载波干涉相消，此时起偏器14实现了偏振调制向强度调制的转换。起偏器14输出的光信号经过光滤波器15滤除±2阶之上的高阶边带以及控制光，入射到光电探测器16实现4倍频微波信号产生。图1中的光谱标注2表示顺时针的光谱，光谱标注4表示逆时针的光谱。

图2、图3给出了本发明提供的基于交叉偏振调制和Sagnac环产生全光4倍频微波的装置产生4倍频微波信号的原理示意图以及实现交叉偏振调制原理的示意图。4倍频微波信号产生是基于等效强度调制器的奇数阶边带抑制以及载波的干涉相消；光谱图1是偏振分束器实现的相互垂直的探测光，光谱图2为等效的强度调制光谱图，通过调节偏振控制器实现调制边带的奇数阶边带抑制入光谱图3，光谱图4是逆时针传播的光载波，此光载波仅仅经历相位变化，没有进行偏振调制，光谱图5是经过调制第五偏振控制器13实现的光载波的干涉相消和用光滤波器滤除高阶边带以及控制光；交叉偏振调制是基于强度调制的控制光诱导高非线性光纤的快轴和慢轴增加一个附加的双折射，控制光的强度调制映射到高非线性光纤，进而引起高非线性光纤的快轴和慢轴的折射率改变。

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 (10)

1.一种基于交叉偏振调制和Sagnac环产生全光4倍频微波的装置，其特征在于，该装置包括：

一窄线宽激光器(1)，用于向第一偏振控制器(2)提供连续探测光；

一第一偏振控制器(2)，用于调节探测光的偏振态，并提供给环形器(3)；

一环形器(3)，用于将调节了偏振态的探测光路由到偏振分束器(4)；

一偏振分束器(4)，用于将探测光分为两束偏振态相互垂直的线偏振光，两束偏振态相互垂直的线偏振光分别沿顺时针和逆时针方向传播并进入第二偏振控制器(5)和第四偏振控制器(12)；

一第二偏振控制器(5)，用于调节沿顺时针方向传播的线偏振光的偏振态，并提供给光耦合器(6)；

一第四偏振控制器(12)，用于调节沿逆时针方向传播的线偏振光的偏振态，并提供给高非线性光纤(11)；

一宽带微波源(9)，用于产生射频信号，并提供给强度调制器(8)；

一可调谐激光器(10)，用于产生诱导高非线性光纤(11)内克尔效应的控制光，并提供给强度调制器(8)；

一强度调制器(8)，用于对可调谐激光器(10)输出的控制光进行强度调制，并提供给第三偏振控制器(7)；

一第三偏振控制器(7)，用于调节强度调制器(8)输出控制光的偏振态，使该控制光的偏振态与顺时针传播的探测光的偏振态平行，从而与逆时针传播的探测光的偏振态垂直，并提供给光耦合器(6)；

一光耦合器(6)，用于将第二偏振控制器(5)输入的线偏振光与第三偏振控制器(7)输入的控制光进行耦合，并提供给高非线性光纤(11)，其中第三偏振控制器(7)输入的控制光做为高非线性光纤(11)内发生交叉偏振调制效应的泵浦光；

一高非线性光纤(11)，用于产生交叉偏振调制效应，将顺时针传播的探测光进行交叉偏振调制，将逆时针传播的探测光不进行交叉偏振调制，顺时针传播的光信号进行交叉偏振调制，出现调制边带，实现4倍频信号产生；

一第五偏振控制器(13)，用于调节Sagnac环中逆时针传播的光载波的偏振态，实现顺时针和逆时针传播的探测光的载波反相，并补偿逆时针传播的探测光固定相位的改变；

一起偏器(14)，用于将偏振态相互垂直的探测光投射到一个偏振方向上，实现光载波干涉相消；

一光滤波器(15)，用于滤除高阶边带以及控制光，留下±2阶边带，实现4倍频微波信号输出；

一光电探测器(16)，用于将±2阶边带拍频产生4倍频微波信号；

一信号源分析仪(17)，用于测量产生的微波信号以及该微波信号的相位噪声。

2.根据权利要求1所述的基于交叉偏振调制和Sagnac环产生全光4倍频微波的装置，其特征在于，所述窄线宽激光器(1)是半导体激光器或光纤激光器。

3.根据权利要求1所述的基于交叉偏振调制和Sagnac环产生全光4倍频微波的装置，其特征在于，所述第一偏振控制器(2)、第二偏振控制器(5)、第三偏振控制器(7)、第四偏振控制器(12)和第五偏振控制器(13)是光纤结构的偏振控制器、波导结构的偏振控制器或空间结构的偏振控制器。

4.根据权利要求1所述的基于交叉偏振调制和Sagnac环产生全光4倍频微波的装置，其特征在于，所述强度调制器(8)采用铌酸锂晶体、半导体聚合物或有机聚合物。

5.根据权利要求1所述的基于交叉偏振调制和Sagnac环产生全光4倍频微波的装置，其特征在于，所述宽带微波源(9)是矢量网络分析仪或微波信号源。

6.根据权利要求1所述的基于交叉偏振调制和Sagnac环产生全光4倍频微波的装置，其特征在于，所述可调谐激光器(10)是半导体激光器或光纤激光器。

7.根据权利要求1所述的基于交叉偏振调制和Sagnac环产生全光4倍频微波的装置，其特征在于，该装置采用锁模激光器来替换所述可调谐激光器(10)，在锁模激光器后进一步连接光滤波器滤出来任意两个模式作为控制光，以产生太赫兹波。

8.根据权利要求1所述的基于交叉偏振调制和Sagnac环产生全光4倍频微波的装置，其特征在于，所述高非线性光纤(11)是掺锗高非线性光纤或硫化物高非线性光纤。

9.根据权利要求1所述的基于交叉偏振调制和Sagnac环产生全光4倍频微波的装置，其特征在于，所述光滤波器(15)是基于硅基液晶技术的波形整形器，或者是光滤波器，或者是波分复用器，或者是光纤光栅。

10.根据权利要求1所述的基于交叉偏振调制和Sagnac环产生全光4倍频微波的装置，其特征在于，所述光电探测器(16)是光电二极管或光电倍增管，采用磷化铟材料或硅基材料。

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