CN103941429A - 基于交叉偏振调制产生任意波形微波信号的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于交叉偏振调制产生任意波形微波信号的装置，其包括：窄线宽激光器；偏振分束器，用于将所述探测光分为两束偏振态相互垂直的探测光，并分别沿顺时针和逆时针方向传播；激光器，用于产生控制光；强度调制器，利用射频信号对所述控制光进行强度调制；光耦合器，用于将所述顺时针方向传播的探测光与所述控制光进行耦合；高非线性光纤，用于在所述强度调制后的控制光的诱导下产生交叉偏振调制效应，将所述顺时针传播的探测光进行交叉偏振调制，产生调制边带；起偏器；第一光滤波器；光电探测器，用于根据所述光滤波器输出的探测光载波和探测光产生任意波形信号。

Description

基于交叉偏振调制产生任意波形微波信号的装置

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任意波形技术，一种基于交叉偏振调制产生任意波形微波信号的装置。

背景技术

近几年，基于光子技术产生任意波形微波信号吸引了广泛的关注，其中包括现代雷达和天线、射频通信系统、电子测试系统、电子对抗系统、以及全光信号处理和操纵等领域，微波技术与光子技术相互融合成为科技进步的必然趋势。基于光子技术产生任意波形微波信号一方面克服了电子技术产生任意波形微波信号的存在的电子瓶颈，另一方面充分利用了光子技术的先天优势如损耗低、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，此外光子技术产生微波可以与全光网络以及光载射频系统天然兼容，实现任意波形微波信号的分布传输，有效的克服了高频任意波形微波信号的传输损耗大的问题。

产生高质量的任意波形微波信号是一切微波应用的关键和基础。基于光子技术产生的任意波形微波信号的频率高达几百G甚至可以达到太赫兹频段，并且可以实现任意波形微波信号的阵列产生以及宽带扫频，大大降低了电子技术产生高频微波的成本以及体积和重量，光子技术产生任意波形微波信号实现了微波技术不可能实现的任务。基于光生微波技术产生高频任意波形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，并且产生的任意波形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。因此，基于光子技术产生高频率、高频谱纯度、宽带可调谐以及低相位噪声的任意波形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产生任意波形微波信号的装置，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任意波形微波信号的瓶颈。

(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产生任意波形微波信号的装置，该装置包括：

窄线宽激光器，用于提供连续探测光；

偏振分束器，用于将所述探测光分为两束偏振态相互垂直的探测光，两束偏振态相互垂直的探测光分别沿顺时针和逆时针方向传播；

宽带微波源，用于产生射频信号；

激光器，用于产生诱导高非线性光纤(内交叉偏振调制的控制光；

强度调制器，利用所述射频信号对所述控制光进行强度调制；

光耦合器，用于将所述顺时针方向传播的探测光与所述强度调制后的控制光进行耦合，并输出给高非线性光纤；

高非线性光纤，用于在所述强度调制后的控制光的诱导下产生交叉偏振调制效应，将所述顺时针传播的探测光进行交叉偏振调制，产生调制边带

偏振控制器，用于接收逆时针传播的探测光以及高非线性光纤输出的混合光，并调节逆时针传播的探测光载波的偏振态及相位，以及所述混合光中顺时针传播的探测光载波和调制边带的相位；

起偏器，用于将所述偏振控制器输出的偏振态相互垂直的探测光投射到一个偏振方向上；

第一光滤波器，用于滤除所述起偏器输出的探测光的高阶边带以及控制光；

光电探测器，用于根据所述光滤波器输出的探测光载波和探测光+1、+3阶边带拍频产生基频微波信号以及三次谐波；或者根据所述探测光载波和探测光+1、+2、+3拍频产生基频、二次谐波和三次谐波。

(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产生任意波形微波信号的装置，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任意波形微波信号的瓶颈。

2、本发明提供的基于交叉偏振调制产生任意波形微波信号的装置，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，可以产生任意高频任意波形微波信号甚至可以产生太赫兹频段的微波信号，产生的微波信号为高频、宽带可调谐、形状任意，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环路产生任意波形微波信号，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，故其产生的任意波形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频段的任意波形；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产生任意波形微波信号的装置的结构示意图；

图2(A)-(B)是本发明提供的基于交叉偏振调制产生任意波形微波信号的装置的原理示意图；

图3(A)-(E)是本发明提供的基于交叉偏振调制产生任意波形微波信号的装置产生实验结果的类似图。

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，对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明提供的基于交叉偏振调制产生任意波形微波信号的装置的结构示意图。如图1所示，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、采样示波器17、频谱分析仪18和宽带微波除频器19。

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，使其输出光的偏振方向对准偏振分束器的45°方向，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Sagnac环的偏振分束器4，同时还从Sagnac环的偏振分束器4输出的光信号路由到第五偏振控制器13；

偏振分束器4用于将所述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，使该线偏振光的偏振方向与偏振调制器的其中一个主轴成45°，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，使逆时针传播的线偏振光的偏振态可调谐，从而实现光载波功率的可调谐，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以及除频器19用于触发采样示波器；

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用于根据所述射频信号对可调谐激光器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用于将从第二偏振控制器5输入的线偏振光与从第三偏振控制器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输入的控制光作为高非线性光纤11内发生交叉偏振调制效应的泵浦光；

高非线性光纤11用于产生克尔效应，即在所述泵浦光的诱导下将顺时针传播的探测光进行交叉偏振调制，逆时针传播的探测光在所述高非线性光纤11中不发生克尔效应，即其不被交叉偏振调制，顺时针传播的探测光信号进行交叉偏振调制后出现调制边带，交叉偏振调制之后的逆时针传播的探测光的光载波和顺时针产生的调制边带的偏振态相互垂直，使得探测光信号包括探测光载波和调制边带；由于交叉偏振调制和偏振控制器以及起偏器等效为强度调制器，通过适当的控制偏振控制器可以让两个垂直的偏振态引入可变的静态相移，具体为通过调节1/4波长片引入相位差，调节1/2波长片旋转慢轴和快轴的偏振方向，通过调节偏振控制器实现偶阶边带抑制产生三角波微波信号或者方波微波信号，通过调节偏振控制器实现偏置为线性区域产生锯齿波微波信号；

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，补偿和改变逆时针传播的探测光载波的相位以及顺时针传播的探测光载波和调制边带的相位，从而实现拍频产生的基频微波和三阶微波的相位都为0或者三次谐波的相位是基频的相位的三倍，此时产生三角波和方波，同样调节光载波的相位可以实现拍频产生的基频、二次谐波和三次谐波的相位都为0或者满足一定的比例关系，通过调节偏振控制器，一方面可以调整偏振态，另外一方面可以引入静态相移，当顺时针传播的探测光信号的载波和逆时针传播的光信号的偏振态成一定角度时，会出现干涉相消和相长情况，从而可控的调节光载波功率进而实现微波功率的大小可调，通过调节偏振控制器也可以实现微波相位的可控，满足产生三角波、方波和锯齿波的要求；

起偏器14用于将来源于偏振合束器4输出的偏振态相互垂直的探测光投射到一个偏振方向上；光滤波器15用于滤除探测光中的高阶边带以及控制光，留下+1、+3阶边带，或者留下+1、+2、+3阶边带实现任意波形微波信号输出；光电探测器16用于将光载波与+1、+3阶边带或者光载波与+1、+2、+3阶边带拍频产生任意波形微波信号；采样示波器17用于捕获产生任意波形微波信号；频谱分析仪18用于测量产生的任意波形微波信号的频谱；宽带微波除频器19用于将宽带微波源输出的微波信号的除频，除频之后的低频微波信号用于触发采样示波器，采样方式可以选择Sample方式也可以采用average方式。

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(如硅基调制器、磷化铟调制器以及IⅡ-V型调制器)或有机聚合物(如石墨烯调制器)。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，以产生太赫兹频段的任意波形微波信号。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，或者是光带通滤波器，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。所述采样示波器17是泰克的采样示波器也可以是安捷伦的采样示波器，如果产生微波信号的相位很稳定时可以应用实时示波器采集。所述频谱分析仪18可以是频谱分析仪，也可以是信号源分析仪。

本发明提供的基于交叉偏振调制产生任意波形微波信号的装置，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此时的调制效率最高。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以及偏振控制器引入的静态相位差，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5、12、13得到补偿以及改变。高非线性光纤、偏振控制器以及起偏器等效为强度调制器，通过调节Sagnac环路内部的偏振控制器，实现等效强度调制器的偶数阶边带抑制或者偏置为线性区域。同时通过调节偏振控制器5、12、13可以实现光载波移相。最后探测光通过光滤波器滤除高阶边带以及控制光，仅仅剩余光载波、+1以及+3阶的边带在光电探测器内拍频，实现三角波或者方波微波信号产生，剩余光载波、+1、+2、+3阶边带在光电探测器内拍频，实现锯齿波微波信号产生。

根据周期函数的傅里叶级数展开式可知，三角形周期函数的傅里叶级数展开仅有奇次项，并且高阶项的滚降特性比较大，故可以忽略高次谐波从而产生周期性三角波的近似表达式为基频以及三次谐波之和，并且功率相差为81倍即19.08dBm，相位为0或者二者相位为1：3的关系；方波的傅里叶级数展开仅有奇次项，并且基频和三次谐波的功率比为1：9即相差为9.54dB，相位为0或者二者相位为1：3的关系；锯齿波的傅里叶级数展开为所有的谐波项都有，并且相邻谐波的功率比为定值相位为0或者二者相位为1：3的关系；根据这一数学基本模型实现宽带可调谐高频的任意波形微波信号产生，通过调节偏振控制器实现等效强度调制器偏置为不同的偏置点即引入特定的静态相位差；进而控制滤波器的带宽、中心频率以及微波信号的功率实现满足数学表达式的谐波产生，同时需要载波进行一定的移相，谐波的相位关系满足表达式。

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频段任意波形微波信号产生。该全光产生任意波形微波信号可以实现支持S，C，X，Ku，K，Ka，U，V，W多频段任意波形微波信号产生以及太赫兹频段任意波形微波信号产生。

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，不容易发生交叉偏振调制。

图2(A)-(B)给出了本发明提供的基于交叉偏振调制产生任意波形微波信号原理的示意图。任意波形微波信号产生分为三角波以及方波微波信号产生以及锯齿波微波信号产生，前两者是基于等效强度调制器的偶数阶边带抑制以及光载波移相，光谱图如图2(A)；后者是基于等效强度调制器偏振为线性调制区域，通过调节偏振控制器实现光谱图如图2(B)；对于产生三角波和方波需要调节偏振控制器使等效强度调制器的偶阶边带抑制进而实现基频以及三次谐波产生，基频和三次谐波的功率比可以通过调节微波功率或者光滤波器进行调节，如图2(A)，对于产生锯齿波微波信号需要调节偏振控制器使等效强度调制器偏置为线性区域，产生的微波信号的微波功率比为定值，如图2(B)；光谱图2(A)a1为交叉偏振调制之后的光谱图，b1为经过等效强度调制实现载波抑制之后的光谱，逆时针传播的光载波相当于实现了载波恢复，c1为经过光滤波器之后的光谱图，仅仅剩余光载波和+1、+3阶光边带用于产生三角波和方波；光谱图2(B)a1为交叉偏振调制之后的光谱图，b1为经过等效强度调制偏置于线性调制边带的光谱，c1为经过光滤波器之后的光谱图，仅仅剩余光载波和+1、+2、+3阶光边带用于产生锯齿波。

图3给出了本发明产生的宽带可调谐三角形微波信号产生结果图以及方波和锯齿波，该图为类似结果图，图(A)和图(B)为通过采样示波器采集的三角形微波信号的时域波形，同时图(B)为通过调制微波信号的频率实现三角形微波信号频率的可调谐，由图可得三角形微波信号的基本特征为正斜率和负斜率的绝对值相等，波形镜像对称；图(C)为产生基频以及三次谐波的频谱示意图，频谱为只有一阶以及只有三阶微波信号，并且二者的功率相差为19dBm左右；图(D)为产生的宽带可调谐的方波的时域波形；图(E)为产生的宽带可调谐的锯齿波的时域波形。

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，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产生任意波形微波信号的装置，其包括：

窄线宽激光器，用于提供连续探测光；

偏振分束器，用于将所述探测光分为两束偏振态相互垂直的探测光，两束偏振态相互垂直的探测光分别沿顺时针和逆时针方向传播；

宽带微波源，用于产生射频信号；

激光器，用于产生诱导高非线性光纤(内交叉偏振调制的控制光；

强度调制器，利用所述射频信号对所述控制光进行强度调制；

光耦合器，用于将所述顺时针方向传播的探测光与所述强度调制后的控制光进行耦合，并输出给高非线性光纤；

高非线性光纤，用于在所述强度调制后的控制光的诱导下产生交叉偏振调制效应，将所述顺时针传播的探测光进行交叉偏振调制，产生调制边带

偏振控制器，用于接收逆时针传播的探测光以及高非线性光纤输出的混合光，并调节逆时针传播的探测光载波的偏振态及相位，以及所述混合光中顺时针传播的探测光载波和调制边带的相位；

起偏器，用于将所述偏振控制器输出的偏振态相互垂直的探测光投射到一个偏振方向上；

第一光滤波器，用于滤除所述起偏器输出的探测光的高阶边带以及控制光；

光电探测器，用于根据所述光滤波器输出的探测光载波和探测光+1、+3阶边带拍频产生基频微波信号以及三次谐波；或者根据所述探测光载波和探测光+1、+2、+3拍频产生基频、二次谐波和三次谐波。

2.根据权利要求1所述的基于交叉偏振调制产生任意波形微波信号的装置，其特征在于，所述窄线宽激光器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产生任意波形微波信号的装置，其特征在于，还包括：

第一偏振控制器，用于调节所述窄线宽激光器输出的探测光的偏振态，使其输出的探测光偏振方向对准所述偏振分束器；

第二偏振控制器，其用于调节所述顺时针传播的探测光偏振态，使其与所述偏振调制器的其中一个主轴成一定角度；

第三偏振控制器，用于调节强度调制器输出的控制光偏振态，使其与顺时针传播的探测光偏振态平行，并将调节后的控制光输出至光耦合器；

第四偏振控制器，用于调节逆时针方向传播的探测光偏振态，使其偏振态可调谐。

4.根据权利要求1所述的基于交叉偏振调制产生任意波形微波信号的装置，其特征在于，所述强度调制器采用铌酸锂晶体、半导体聚合物(如硅基调制器、磷化铟调制器以及IⅡ-V型调制器)或有机聚合物(如石墨烯调制器)。

5.根据权利要求1所述的基于交叉偏振调制产生任意波形微波信号的装置，其特征在于，所述宽带微波源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产生任意波形微波信号的装置，其特征在于，所述激光器为可调谐激光器，所述可调谐激光器为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产生任意波形微波信号的装置，其特征在于，所述激光器为锁模激光器，该装置还包括第二光滤波器，用于对所述锁模激光器输出的光进行滤除而产生控制光。

8.根据权利要求1所述的基于交叉偏振调制产生任意波形微波信号的装置，其特征在于，所述高非线性光纤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产生任意波形微波信号的装置，其特征在于，所述第一光滤波器是基于硅基液晶技术的波形整形器，或者是光带通滤波器，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产生任意波形微波信号的装置，其特征在于，所述光电探测器是光电二极管或光电倍增管，采用磷化铟材料或硅基材料。