CN103944643B - 一种基于交叉偏振调制实现全光微波上变频装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于交叉偏振调制实现全光微波上变频装置，包括：窄线宽激光器、第一偏振调制器、微波信号源、第一偏振控制器、第一光滤波器、环形器、偏振分束器、第三偏振控制器、第四偏振控制器、光耦合器、高非线性光纤、可调谐激光器、波形发生器、强度调制器、第二偏振控制器、起偏器、第二光滤波器、单模光纤、光电探测器、电放大器、电混频器、低通滤波器。本发明要解决光载射频系统中基带数据信号上变频以及克服色散引起的微波功率随微波频率的变化以及传播长度的变化引起微波功率的周期性衰减的问题。

Description

一种基于交叉偏振调制实现全光微波上变频装置

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交叉偏振调制实现全光微波上变频装置。

背景技术

为了满足用户对移动数据业务以及多媒体大数据业务需求，光载射频技术应运而生。光载射频技术融合了无线通信技术的灵活优势以及光纤通信技术的宽带低损耗优势，以模拟光纤链路代替金属导线或者大气来传送高频信号，从而大大的扩大了基站的覆盖范围、降低了无线通信网络建设的成本。使用模拟光纤链路传输射频信号解决了高频信号的传输问题以及成本问题，同时也具有显著的优点，如传输损耗小、传输带宽大以及不受电磁干扰。光载射频链路首先通过光纤将射频信号从中心站传送到基站成为下行链路，然后将射频信号从基站传输到中心站称为上行链路。上变频技术是光载射频的关键技术之一，光纤传输射频信号从中心站发射到基站，首先要上变频，然后在基站再下变频，其功能主要是将基带数据信号上变频到高频信号上，从而提高通信系统的传输速率，减小通信系统的传输压力。因而，研究稳定的、快速的上变频的技术是光载射频技术的重中之重。目前，上变频技术大部分采用电光调制器，这就不可避免的需要电光转化，从而上变频的响应速度慢，并且调制器的带宽严重的限制了上变频的工作频率。

因此，为了解决上变频技术面临的难点，满足光载射频中对上变频技术的需求，本专利提出基于交叉偏振调制实现全光微波上变频。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于交叉偏振调制实现全光微波上变频装置，该装置包括：

窄线宽激光器，其用于提供探测光；

第一偏振调制器，其用于根据微波信号调制探测光信号的偏振态，并输出调制后的光载波信号和调制边带信号，且所述光载波信号和调制边带信号的偏振态相互垂直；

微波信号源，其用于向所述偏振调制器输出所述微波信号；

第一偏振控制器，其用于调节所述光载波信号和调制边带信号的偏振态；

第一滤波器，其用于滤除所述光载波信号的下边带以及所述调制边带信号中+2阶边带以上的信号，输出光载波信号和+1阶调制边带信号；

环形器，其用于将从光滤波器输出的光载波信号和+1阶调制边带信号输出至偏振分束器，并将从偏振分束器输出的环输出光输出至第二偏振控制器；

偏振分束器7，其用于将偏振态相互垂直的所述光载波信号和+1阶调制边带信号分离，并分别进入sagnac环的顺时针方向和逆时针方向，同时将经过所述sagnac环后的环输出光输出；

第三偏振控制器，其用于控制进入sagnac环的顺时针方向的所述光载波信号或+1阶调制边带信号的偏振态，使得其功率最大；

第四偏振控制器，其用于控制进入sagnac环的逆时针方向的所述光载波信号或+1阶调制边带信号的偏振态，使得其功率最大；

光耦合器，其用于将控制光信号和进入sagnac环的逆时针方向的所述光载波信号或+1阶调制边带信号合束；

高非线性光纤，其用于将合束后的制光信号和进入sagnac环的顺时针方向的所述光载波信号或+1阶调制边带信号进行交叉偏振调制，以将顺时针方向的所述光载波信号或+1阶调制边带信号上加载所述基带数据信号；

可调谐激光器，其用于产生控制光信号；

波形发生器，其用于输出上变频的基带数据信号；

强度调制器，其根据所述上变频的基带数据信号对所述控制光信号进行调制，以将所述上变频的基带数据信号加载在所述控制光信号上；

第二偏振控制器，其用于调节所述环输出光中的所述光载波信号和+1阶调制边带信号，使其功率一致；

起偏器，其用于将经过所述第二偏振控制器的所述光载波信号和+1阶调制边带信号投影到同一个偏振方向上；

第二滤波器，其用于滤除经过起偏器后的环输出光中的控制光信号；

单模光纤，其用于传输经过第二滤波器后的环输出光中的所述光载波信号和+1阶调制边带信号；

光电探测器21，其用于将从单面光纤传输的所述光载波信号和+1阶调制边带信号转换为电信号；

电放大器，其用于放大所述电信号；

电混频器，其用于将所述电信号中高频副载波上携带的基带数据信号混频到中频副载波上；

低通滤波器，用于滤除混频之后的高频分量。

本发明基于高非线性光纤中的交叉偏振调制，使得控制光信号和顺时针传播的探测光信号同向传输，并且当二者偏振方向相互平行时，该探测光信号将经历交叉偏振调制；控制光信号与逆时针方向传播的探测光信号相向传输，并且二者偏振方向相互垂直，该探测光信号不会经历交叉偏振调制的作用。交叉偏振调制的顺时针传播的探测光信号和逆时针传播的探测光信号经过偏振合束器合束，然后经过起偏器投影到同一个偏振方向上，进行传输。本发明要解决光载射频系统中基带数据信号上变频以及克服色散引起的微波功率随微波频率的变化以及传播长度的变化引起微波功率的周期性衰减的问题。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的基于交叉偏振调制和Sagnac环实现全光微波上变频的装置，由于采用全光信号处理的方案充分利用了高非线性光纤的交叉偏制效应，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。

该基于交叉偏振调制的全光微波信号上变频的系统结构简单、全光信号处理可实现任何频率的上变频，不需要调制器额外的电光转化，响应速度快(达到ns量级)、采用单边带调制克服色散诱导的载波周期性衰减的问题。

由于采用全光的方法以及Sagnac环路实现微波信号上变频，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；同时全光的带宽与电光调制器的带宽相比几乎不受限制，故更换偏振调制器和窄线宽激光器为锁模激光器，用光滤波器滤出其中两个光分量，该方案可以上变频到太赫兹波段；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是本发明中基于交叉偏振调制实现全光微波上变频装置的结构示意图；

图2是本发明中基于交叉偏振调制实现全光微波上变频的原理示意图；

图3是本发明中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，对本发明作进一步的详细说明。

图1示出了本发明提出的基于交叉偏振调制实现全光微波上变频装置的结构示意图，该装置包括：

一窄线宽激光器1，其用于产生连续的探测光；

偏振调制器2，其利用微波信号源3输出的微波信号对所述探测光信号的偏振态进行调制，并输出光载波探测光信号和调制边带探测光信号，且所述光载波探测光信号与调制边带探测光信号的偏振态相互垂直，所述调制边带探测光信号作为整个光载射频链路的副载波信号；

一微波信号源3，其输出端口与偏振调制器2的射频端口相连，用于向偏振调制器2输出微波信号；

一偏振控制器4，其用于调节所述偏振调制器2输出的探测光信号的偏振态，即旋转或改变其偏振态，其输入端口与偏振调制器2的输出端口相连；

一光滤波器5，其输入端口与偏振控制器4的输出端口相连，其用于滤除所述探测光信号的下边带以及+2阶边带以上的调制边带，实现单边带调制，即滤波之后的探测光信号只剩余光载波探测光信号和+1阶调制边带探测光信号，其可用于抵抗单模光纤的色散诱导微波信号的周期衰落问题；

一环形器6，其输入端口①与光滤波器5的输出端口相连，其第二输入端口与偏振分束器7相连，用于将1端口输入的探测光信号路由到偏振分束器7的入射端口，然后将经过sagnac环传输的探测光信号偏振合束，此时，顺时针传播的探测光信号经历了交叉偏振调制，逆时针传播的探测光信号没有经历交叉偏振调制，并且将合束之后的探测光信号由端口②传输到端口③；

一偏振分束器7，其输入端口与环形器6的第一输出端口②相连，其用于将偏振态相互垂直的光载波探测光信号和+1阶调制边带探测光信号分离，并使光载波探测光信号和+1阶调制边带探测光信号在sagnac环相向传播，即探测光信号中的光载波探测光信号和+1阶调制边带探测光信号中的一路沿顺时针传播(b方向)，另一路沿逆时针传播(c方向)，两路信号经过的器件以及光纤长度相同，并且经历同样的外界环境温度变化以及外界带来的应变变化对探测光信号的扰动，同时两束相向传输的探测光信号经过偏振合束器进行合束，合束后的环输出光信号经过偏振控制器17和起偏器，其中所述环输出光信号包括控制光信号、光载波信号、加载在光载波信号上的基带数据信号、+1阶调制边带信号；

一偏振控制器8，其位于sagnac环的顺时针方向，输入端口与偏振分束器7的第一输出端口相连，输出端口与光耦合器11相连，其用于控制光载波探测光信号和+1阶调制边带探测光信号中顺时针传播的探测光信号的偏振态，用于改变探测光信号的偏振态，使其功率最大；

一偏振控制器9，其位于sagnac环的逆时针方向，输入端口与偏振分束器7的第二输出端口相连，其用于调节光载波探测光信号和+1阶边带探测光信号中逆时针传播的探测光信号的偏振态，用于改变探测光信号的偏振态，使其功率最大，其输出端口与高非线性光纤10相连；

一高非线性光纤10，其输入端口与光耦合器11的输出端口相连，其用于发生交叉偏振调制，即将强度调制器14调制的光信号复制到顺时针传播的探测光信号的边带上；对于控制光信号与探测光信号同向传输，由于控制光信号诱导高非线性光纤的快轴和慢轴附加不同的折射率变化，探测光信号和控制光信号同向通过高非线性光纤时，并且二者的偏振态相互平行，此时交叉偏振调制发生，故探测光信号的偏振态改变，故经过交叉偏振调制的高非线性光纤等效为偏振调制器，即实现交叉偏振调制；对于控制光信号与探测光信号相向传输时，由于二者的速度不匹配，故高非线性光纤不会调制此探测光信号，仅仅会使此探测光信号经历固定的相移，相移的大小由控制光的平均光功率决定；

一光耦合器11，其第一输入端口与偏振控制器8的输出端口相连，第二输入端口与光隔离器12相连，用于将顺时针传播的探测光信号和光隔离器12输出的控制光信号合束，合束后的光传输至高非线性光纤中；

一光隔离器12，其用于防止逆时针方向传输而来的探测光信号进入强度调制器14；

一光放大器13，其输入端口与强度调制器14的输出端口相连，其用于放大强度调制之后的所述控制光信号；

一强度调制器14，其输入端口与可调谐激光器16的输出端口相连，其用于根据所述任意波形发生器15产生的数据信号对所述可调谐激光器16的输出所述控制光进行强度调制，以将所述控制光信号强度调制产生调制边带；

一波形发生器15，其输出端口与强度调制器14的射频端口相连，其用于产生需要传输的数据信号；

一可调谐激光器16，其输出端口与强度调制器14的输入端口相连，用于产生控制光，该控制光信号携带需要上变频的数据信号，控制光信号作为发生交叉偏振调制的泵浦光；所述控制光信号的波长要远离探测光信号的波长，经过光环形器输出之后用光滤波器滤除；可调谐激光器产生控制光信号，该控制光信号经过强度调制器进行强度调制，其中强度调制器加载的数据信号来自于外部宽带微波源即上面提到的任意波形发生器15产生，产生的强度调制光信号作为高非线性光纤发生交叉偏振调制的控制光信号，该调制器加载的微波信号是基带数据信号；

一偏振控制器17，其输入端口与环形器6的输出端口③相连，用于调整输出光信号的偏振态，使得两束光的功率相等；

一起偏器18，其输入端口与偏振控制器17的输出端口相连，用于将相互垂直偏振态的光载波控制光信号和+1阶调制边带控制光信号投影到同一个偏振方向上；

一光滤波器19，其输入端口与起偏器18的输出端口相连，其用于滤除可调谐激光器输出的控制光信号；投影到同一起偏方向后，光滤波器将控制光信号滤除；滤除控制光之后的探测光信号通过光纤进行传输；

一单模光纤20，其用于传输上变频的探测光信号；

一光电探测器21，其输入端口与单模光纤20输出端口相连，其电输出端口与电放大器22的输入端口相连，用于将所述光载波控制光信号和+1阶调制边带转化为电信号，即光载波信号和+1阶调制边带信号发生拍频；

一电放大器22，其输入端口与光电探测器21的输出端口相连，其用于放大光电转化之后的电信号，由于需要满足电混频器的功率要求；

一电混频器23，其输入端口与电放大器22的输出端口相连，其用于将所述电信号中高频副载波上携带的基带数据信号混频到中频副载波LO上，高频副载波是拍频产生的射频信号，该射频信号与本振信号混频产生中频信号，中频信号上携带需要传输的数据信号；

一低通滤波器24，其输入端口与电混频器23的输出端口相连，用于滤除混频之后的高频分量，通过电低通滤波器将混频之后的和频成分滤除，同时抑制泄露的本振信号；

一示波器或者频谱仪或者误码分析仪25，示波器用于观测传输之后的数据信号的眼图和时域波形；频谱仪用于观测基带数据信号经过光载射频链路传输之后的频谱信息；误码分析仪用于观测背靠背数据信号的误码率和经过单模光纤传输之后的误码率。

其中，所述半导体激光器也可以是光纤激光器；偏振控制器4、8、9、17可以是光纤结构或者是波导结构的偏振控制器，也可以是空间结构的偏振控制器；偏振调制器2可以是铌酸锂晶体的也可以是半导体聚合物(如GaAs、InP、InGaPAs等)的或者有机聚合物的；调制带宽越宽越好，半波电压越小越好，偏压越稳定越好，插损越低越好；强度调制器14可以是铌酸锂晶体的也可以是半导体聚合物的或者有机聚合物的；调制带宽越宽越好，半波电压越小越好，偏压越稳定越好，插损越低越好；微波信号源3、15可以是矢量网络分析仪也可以是微波信号源；高非线性光纤10可以是掺锗高非线性光纤也可以是硫化物高非线性光纤，其用于发生交叉偏振调制；光滤波器5、19可以是基于硅基液晶技术的波形整形器也可以是光滤波器或者是波分复用器以及光纤光栅；滤波器的通带边沿越陡越好，插损越小越好；光电探测器21可以是光电二极管也可以是光电倍增管；可以是磷化铟材料的也可以是硅基材料的；带宽越宽越好，饱和输入光功率越大越好，光电转化效率越高越好；单模光纤20可以是标准单模光纤也可以是色散补偿光纤，其用于传输光载射频信号；可调谐激光器16可以是半导体激光器也可以是光纤激光器；示波器或者频谱仪或者误码分析仪24示波器可以是实时示波器也可以是采样示波器，频谱仪可以是电频谱分析仪，也可以是信号源分析仪；光放大器可以是掺铒光纤放大器也可以是掺镱光纤放大器。

上述方案中，所述光滤波器5用于对探测光实现单边带调制，该光滤波器一方面实现举边带调制使检测到RF信号周期性衰落现象消失，另一方面抑制了高阶谐波分量使高阶谐波分量诱导的频带间色散减小，经过偏振分束器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；

图2给出了本发明中基于交叉偏振调制实现全光微波上变频的原理示意图。所述全光微波上变频装置是基于偏振调制之后的光载波和边带相互垂直，然后通过偏振分束器分为两束光，当探测光信号与控制光信号同向传播时，在高非线性光纤中发生交叉偏振调制，当探测光信号与控制光信号相向传播时，在高非线性光纤中不发生交叉偏振调制；光谱图a是偏振调制之后相互垂直的光载波和边带的光谱图，光谱图b为没有经历偏振调制的逆时针传播控制光的光谱图，高非线性光纤、偏振控制器和起偏器等效为一个强度调制器，该等效强度调制器的光谱图如图c，光谱图d是经过起偏器投影到同一个方向的控制光信号，由于此时的载波和边带可以相互拍频，故其中之一的控制光信号携带的数据信号可以通过拍频实现上变频，并且此时光滤波器滤除控制光。

图3给出了本发明中交叉偏振调制原理的示意图，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，从而实现交叉偏振调制。

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 (11)

1.一种基于交叉偏振调制实现全光微波上变频装置，包括：

窄线宽激光器，其用于提供探测光；

第一偏振调制器，其用于根据微波信号调制探测光信号的偏振态，并输出调制后的光载波信号和调制边带信号，且所述光载波信号和调制边带信号的偏振态相互垂直；

微波信号源，其用于向所述偏振调制器输出所述微波信号；

第一偏振控制器，其用于调节所述光载波信号和调制边带信号的偏振态；

第一滤波器，其用于滤除所述光载波信号的下边带以及所述调制边带信号中+2阶边带以上的信号，输出光载波信号和+1阶调制边带信号；

环形器，其用于将从光滤波器输出的光载波信号和+1阶调制边带信号输出至偏振分束器，并将从偏振分束器输出的环输出光输出至第二偏振控制器；

偏振分束器，其用于将偏振态相互垂直的所述光载波信号和+1阶调制边带信号分离，并分别进入sagnac环的顺时针方向和逆时针方向，同时将经过所述sagnac环后的环输出光输出；

第三偏振控制器，其用于控制进入sagnac环的顺时针方向的所述光载波信号或+1阶调制边带信号的偏振态，使得其功率最大；

第四偏振控制器，其用于控制进入sagnac环的逆时针方向的所述光载波信号或+1阶调制边带信号的偏振态，使得其功率最大；

光耦合器，其用于将控制光信号和进入sagnac环的逆时针方向的所述光载波信号或+1阶调制边带信号合束；

高非线性光纤，其用于将合束后的制光信号和进入sagnac环的顺时针方向的所述光载波信号或+1阶调制边带信号进行交叉偏振调制，以将顺时针方向的所述光载波信号或+1阶调制边带信号上加载基带数据信号；

可调谐激光器，其用于产生控制光信号；

波形发生器，其用于输出上变频的基带数据信号；

强度调制器，其根据所述上变频的基带数据信号对所述控制光信号进行调制，以将所述上变频的基带数据信号加载在所述控制光信号上；

第二偏振控制器，其用于调节所述环输出光中的所述光载波信号和+1阶调制边带信号，使其功率一致；

起偏器，其用于将经过所述第二偏振控制器的所述光载波信号和+1阶调制边带信号投影到同一个偏振方向上；

第二滤波器，其用于滤除经过起偏器后的环输出光中的控制光信号；

单模光纤，其用于传输经过第二滤波器后的环输出光中的所述光载波信号和+1阶调制边带信号；

光电探测器，其用于将从单面光纤传输的所述光载波信号和+1阶调制边带信号转换为电信号；

电放大器，其用于放大所述电信号；

电混频器，其用于将所述电信号中高频副载波上携带的基带数据信号混频到中频副载波上；

低通滤波器，用于滤除混频之后的高频分量。

2.根据权利要求1所述的全光微波上变频装置，其中，所述窄线宽激光器为半导体激光器或者光纤激光器。

3.根据权利要求1所述的全光微波上变频装置，其中，所述第一至第四偏振控制器包括光纤结构、波导结构或空间结构的偏振控制器。

4.根据权利要求1所述的全光微波上变频装置，其中，所述偏振调制器包括铌酸锂晶体、半导体聚合物、有机聚合物的偏振调制器。

5.根据权利要求1所述的全光微波上变频装置，其中，所述强度调制器为铌酸锂晶体、半导体聚合物、有机聚合物的调制器。

6.根据权利要求1所述的全光微波上变频装置，其中，所述微波信号源和波形发生器为矢量网络分析仪，或者所述波形发生器为微波信号源。

7.根据权利要求1所述的全光微波上变频装置，其中，所述高非线性光纤为掺锗高非线性光纤或者硫化物高非线性光纤。

8.根据权利要求1所述的全光微波上变频装置，其中，所述第一、第二滤波器为基于硅基液晶技术的波形整形器、光滤波器、波分复用器、光纤光栅中的一种。

9.根据权利要求1所述的全光微波上变频装置，其中，所述偏振分束器根据所述第一偏振控制器调节后的所述光载波信号和+1阶调制边带信号的偏振态将其分别传输至所述sagnac环的顺时针方向或逆时针方向。

10.根据权利要求1所述的全光微波上变频装置，其中，从所述偏振分束器输出的所述环输出光包括控制光信号、光载波信号、加载在所述光载波信号上的基带数据信号和+1阶调制边带信号。

11.根据权利要求1所述的全光微波上变频装置，其中，所述光电探测器为光电二极管或光电倍增管；且所述光电探测器为磷化铟材料或硅基材料制成。