CN103957058B - 基于双驱动马赫曾德调制器产生三角形微波信号的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双驱动马赫曾德调制器产生三角形微波信号的装置，其包括：窄线宽激光器，用于输出连续光信号；双驱动马赫曾德调制器，其根据两臂上加载的微波信号对所述光信号进行强度调制，产生调制边带，并将两臂上调制后的光载波和调制边带合束后输出；宽带微波源，用于提供微波信号给宽带微波功分器；耦合器，用于将所述宽带微波源输出的微波信号分为两路微波信号，其中一路相对于另一路有120°的相移，该两路微波信号分别加载到所述双驱动马赫曾德调制器的两臂；光带通滤波器，用于滤除所述双驱动马赫曾德调制器输出调制边带中的高阶调制边带；光电探测器，用于将滤波之后的调制边带与光载波拍频产生基频微波信号以及三次谐波。

Description

基于双驱动马赫曾德调制器产生三角形微波信号的装置

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，一种基于双驱动马赫曾德调制器产生三角形微波信号的装置。

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。近几年，基于光子技术产生三角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、电子测试系统以及全光信号处理和操纵等领域。基于电子技术产生三角形微波信号的频率低并且带宽小。基于光子产生三角形微波信号的频率高可以达到几百G突破电子技术的电子瓶颈，带宽大可以达到几百G到几个T。

基于光子技术产生高频三角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，产生的微波信号的相位噪声低、频率高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，基于光子技术产生微波信号的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。因此，产生高频率、宽带可调谐以及低相位噪声的三角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双驱动马赫曾德调制器与120°电耦合器产生三角形微波信号的装置，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双驱动马赫曾德调制器产生三角形微波信号的装置，其包括：

窄线宽激光器，用于输出连续光信号；

双驱动马赫曾德调制器，其根据两臂上加载的微波信号对所述光信号进行强度调制，产生调制边带，并将两臂上调制后的光载波和调制边带合束后输出；

宽带微波源，用于提供微波信号给宽带微波功分器；

耦合器，用于将所述宽带微波源输出的微波信号分为两路微波信号，其中一路相对于另一路有120°的相移，该两路微波信号分别加载到所述双驱动马赫曾德调制器的两臂；

光带通滤波器，用于滤除所述双驱动马赫曾德调制器输出调制边带中的高阶调制边带；

光电探测器，用于将滤波之后的调制边带与光载波拍频产生基频微波信号以及三次谐波。

(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、本发明提供的基于双驱动马赫曾德调制器与120°电耦合器产生三角形微波信号的装置，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三角形微波信号的瓶颈。

2、本发明提供的基于双驱动马赫曾德调制器与120°电耦合器产生三角形微波信号的装置，由于巧妙的利用了120°电耦合器实现特定边带的干涉相消，从而抑制了+2阶边带；通过光滤波器滤除高阶边带以及负边带进而基频以及三次谐波的产生，产生的基频的功率值和三次谐波的功率值满足傅里叶级数展开的系数关系，所以该结构简单，成本低，响应速度快，功率损耗小，产生微波信号的频率高，通过巧妙构建谐波功率比以及相位关系可以实现任意频率以及任意形状的微波信号产生；另外可以实现与全光网络以及光载射频网络兼容。、

附图说明

图1是本发明提供的基于双驱动马赫曾德调制器产生三角形微波信号的装置的结构示意图；

图2是本发明提供的基于双驱动马赫曾德调制器产生三角形微波信号的原理示意图；

图3(a)～(c)是本发明提供的基于双驱动马赫曾德调制器产生三角形微波信号的装置产生实验结果的示意图。

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是本发明提供的基于双驱动马赫曾德调制器与120°电耦合器产生三角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、双驱动马赫曾德调制器3、宽带微波源4、宽带微波功分器5、宽带微波移相器6、可调谐带通光滤波器7、光电探测器8、采样示波器9、频谱分析仪10。

其中，窄线宽激光器1用于向偏振控制器2提供连光信号；

第一偏振控制器2用于调节该光信号的偏振态，改变偏振方向，这样可实现双驱动马赫曾德调制器的两个臂上的光信号强度相等，当其相位相反时，合束之后就会发生干涉相消，第一偏振控制器的输出光信号提供给双驱动马赫曾德调制器3；

双驱动马赫曾德调制器3，强度调制两个臂上加载的微波信号，其中一路微波信号相对于另一路有120°的相移，强度调制之后的光信号可以实现+2，-1阶边带干涉相消，+1阶边带+3阶边带以及光载波干涉相长，这样结合光滤波器可以实现三角形微波信号产生；其等效为两个并行的相位调制器，其内部结构为一个Y形波导，当第一偏振控制器输出的光信号的偏振方向相对于双驱动马赫曾德调制器的起偏方向为45°时，两个臂上的光信号的幅度相等，其中一个臂上的微波信号相对于另一个臂上的微波信号的相位相差为120°；经过相位调制之后的光信号经过Y形波导合束，合束之后的光信号就会发生干涉，其中上下两臂的光信号的相位差为120°的整数倍，通过调整调制器的直流偏置可以实现-1阶以及+2的光信号的上下两臂的相位相反，故通过适当的调制偏置电压可以实现+2阶微波信号的抑制；双驱动马赫曾德调制器3用于将光载波信号进行强度调制并且输出给光滤波器7，+2阶边带抑制的光信号经过光带通滤波器滤除高阶边带以及负边带，滤除高阶边带是为防止引入4次谐波对微波信号的形状产生影响，滤除负边带是为防止-2阶边带与光载波拍频引起2次谐波的功率增加，滤波之后的光信号入射到光电探测器实现光电转化；

宽带微波源4，用于提供微波信号；输出为点频微波信号，并提供给宽带微波功分器5；

宽带微波功分器5，用于将宽带微波源4输出的微波信号分为等功率的两路，一路触发采样示波器9，另一路输入移相器6；

120°耦合器6，其可以是电耦合器器也可以微波光子移相器，用于将所述微波信号分为等功率的两路微波信号，并且其中一路加载120°移相输入双驱动马赫曾德调制器的射频端口，另一路进入马赫曾德调制器3的另一路射频端口，对于宽带微波移相器6需要和双驱动马赫曾德调制器的直流偏置结合使用，方可实现+2阶边带的干涉相消；

光滤波器7用于滤除双驱动马赫曾德调制器3产生高阶调制边带以及负阶边带，留下载波、+1阶以及+3阶边带，实现基频以及三次谐波的输出；

光电探测器8，用于将滤波之后的载波、+1阶以及+3阶边带拍频，产生基频微波信号以及三次谐波，其中三次谐波的功率较基频微波信号低20dB左右；对应的时域波形为三角形微波信号，通过光载波与+1阶边带+3阶边带拍频产生基频以及三次谐波微波信号，产生的微波信号利用频谱分析仪记录频谱信息，应用采样示波器进行时域波形采集，通过宽带功分器分出的其中一路微波信号经过除频器进行触发采样示波器；

采样示波器9用于捕获产生的微波信号的时域波形；要求采样示波器的采样率和模拟带宽符合实验要求，其中采样示波器的触发端有时需要加微波除频器，将触发信号的频率降低到示波器时钟要求的频率范围之内同时通过除频也可以选择不同的触发模式，另外有时需要加微波衰减器，将微波功率将低到时钟的工作电压范围之内；

频谱分析仪10，用于采集产生微波信号的频谱值，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，相位为同相。根据这一数据基本模型实现宽带可调谐高频的三角形微波信号产生，通过调节双驱动马赫曾德调制器的偏置电压可以实现+2阶边带抑制，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基频以及三次谐波产生，由于为大信号调制故需要通过滤波器的宽带移相特性可以实现一定的相位补偿，使二者的相位相等，根据这一技术同样可以实现方形微波信号产生甚至任意形状的微波信号产生，三角微波信号由于具有重大的实际应用潜力以及作为一个经典的时域波形，故本发明主要公布三角形微波信号的产生方法。另外，通过调谐输出微波信号的频率可以实现任意频率的三角形微波信号产生，故该发明可以实现宽带、高频可调谐的三角形微波信号产生。该光子技术产生三角形微波信号的技术可以实现支持S，C，X，Ku，K，Ka多频段三角形微波信号的产生。

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。双驱动马赫曾德调制器3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4可以是矢量网络分析仪或微波信号源。光滤波器7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8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。如图2所示给出了本发明提供的基于双驱动马赫曾德调制器与120°电耦合器产生三角形微波信号的装置的原理示意图，通过光谱图可以发现由于宽带微波移相器与双驱动马赫曾德调制器的联合应用可以实现-1以及+2阶光边带的干涉相消，通过光滤波器滤除负阶边带以及>3阶的正边带可以实现1、3次谐波的产生，同时通过移动光滤波器可是实现一定产生微波信号的相位的补偿；

如图3所示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，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。

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)

1.一种基于双驱动马赫曾德调制器产生三角形微波信号的装置，其包括：

窄线宽激光器，用于输出连续光信号；

双驱动马赫曾德调制器，其根据两臂上加载的微波信号对所述光信号进行强度调制，产生调制边带；

宽带微波源，用于提供微波信号给宽带微波功分器；

120°耦合器，用于将所述宽带微波源输出的微波信号分为两路微波信号，其中一路相对于另一路有120°的相移，该两路微波信号分别加载到所述双驱动马赫曾德调制器的两臂；

光带通滤波器，用于滤除所述双驱动马赫曾德调制器产生的高阶调制边带以及负阶边带，留下载波、+1阶以及+3阶边带，实现基频以及三次谐波的输出；

光电探测器，用于将滤波之后的调制边带与光载波拍频产生基频微波信号以及三次谐波；

其中，经过所述双驱动马赫曾德调制器调制之后的光信号用于实现+2，-1阶边带干涉相消，+1阶边带+3阶边带以及光载波干涉相长，结合光滤波器实现三角形微波信号产生；所述双驱动马赫曾德调制器等效为两个并行的相位调制器，其内部结构为一个Y形波导，当第一偏振控制器输出的光信号的偏振方向相对于双驱动马赫曾德调制器的起偏方向为45°时，两个臂上的光信号的幅度相等，其中一个臂上的微波信号相对于另一个臂上的微波信号的相位相差为120°；经过相位调制之后的光信号经过Y形波导合束，合束之后的光信号就会发生干涉，其中上下两臂的光信号的相位差为120°的整数倍，通过调整调制器的直流偏置实现-1阶以及+2的光信号的上下两臂的相位相反，通过调制偏置电压实现+2阶微波信号的抑制。

2.根据权利要求1所述的基于双驱动马赫曾德调制器产生三角形微波信号的装置，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所述的基于双驱动马赫曾德调制器产生三角形微波信号的装置，其特征在于，还包括：

所述第一偏振控制器，用于调节所述窄线宽激光器输出的连续光信号的偏振态，使得进入所述双驱动马赫曾德调制器的两臂上的光信号强度相等；其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。

4.根据权利要求1所述的基于双驱动马赫曾德调制器产生三角形微波信号的装置，其特征在于，所述双驱动马赫曾德调制器是光纤结构的强度控制器、波导结构的强度控制器或空间结构的强度控制器。

5.根据权利要求1所述的基于双驱动马赫曾德调制器产生三角形微波信号的装置，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所述的基于双驱动马赫曾德调制器产生三角形微波信号的装置，其特征在于，所述耦合器可以是电耦合器也可以是微波光子移相器。

7.根据权利要求1所述的基于双驱动马赫曾德调制器产生三角形微波信号的装置，其特征在于，所述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。

8.根据权利要求1所述的基于双驱动马赫曾德调制器产生三角形微波信号的装置，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。

9.根据权利要求1所述的基于双驱动马赫曾德调制器产生三角形微波信号的装置，其特征在于，还包括：

采样示波器，用于捕获所述光电探测器产生微波信号的时域波形。

10.根据权利要求1所述的基于双驱动马赫曾德调制器产生三角形微波信号的装置，其特征在于，还包括：

频谱分析仪，用于采集所述光电探测器产生微波信号的频谱值，其可以是微波频谱分析仪也可以是信号源分析仪。