CN103986526A

CN103986526A - 一种基于微波光子技术的数字调制信号源

Info

Publication number: CN103986526A
Application number: CN201410072527.5A
Authority: CN
Inventors: 姜恒云; 闫连山; 潘伟; 罗斌; 邹喜华; 叶佳
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2034-02-28
Also published as: CN103986526B

Abstract

本发明公开了一种基于微波光子技术的数字调制信号源，在锁模激光器101，光强度调制器102，光偏振调制器103，可调谐偏振相关光梳状滤波器111，可调谐光带通滤波器108，线性色散介质109和光电探测单元110构成的数字调制信号源中，可调谐偏振相关光梳状滤波器111由光环形器104，偏振分束器105，可编程偏振模色散单元106-1、106-2，45度法拉第旋转器107-1、107-2以特定方式连接，实现在相互垂直的线偏振态上进行独立可调谐的梳状滤波。实现不同调制速率、不同载波频率、不同调制方式、不同占空比的数字调制信号的产生，可应用于超高速网络的发送端、光载无线系统、军事雷达等多个重要领域。

Description

一种基于微波光子技术的数字调制信号源

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，具体是一种基于微波光子技术的数字调制信号源。

背景技术

用光学的方法产生微波信号（特别是更高频的毫米波）是近来受到关注的研究课题。它不仅可以产生毫米波，应用于光载无线系统，而且可以产生频率高达THz的近红外信号，用于军事雷达、成像检测等。通过光学的方法来产生微波信号，它不仅突破了电子瓶颈，而且具有抗电磁干扰、可调谐性范围大、低损耗、宽带宽等优点。另一方面，数字调制信号源是指用来产生数字调制信号的设备，常用的数字调制信号包括二进制幅度调制信号（2ASK）、二进制频率调制信号（2FSK）、二进制相位调制信号（2PSK）等。在现代通信中，数字调制技术已经广泛应用于不同的通信网络中。由于在电域上对毫米波信号处理比较困难，因此可以通过光学的方法来产生数字调制信号，同时实现毫米波信号的产生和数字调制。

目前基于微波光子技术来实现数字调制信号源的方案主要有以上几种：（1）基于外调制技术的微波光子调制信号产生，如利用光相位调制器、光正交幅度调制器对抑制载波双边带调制的一个边带进行调制，然后与另一个边带进行拍频来产生2PSK，QAM信号。这些方案的系统中实现了对该载频信号的倍频和数字调制，因此需要提供原始的电载频信号，则系统的复杂度高、可调谐性差；（2）基于频域到时域映射的2PSK信号产生，该方案利用光相位调制器的驱动信号来引入由双折射介质构建的光梳状滤波器的相位变化，经频域到时域映射后，则产生了2PSK信号。（3）基于频域到时域映射的2FSK信号产生，该方案与（2）原理相似，通过二段双折射介质和光偏振调制器的组合构造了一个自由频谱距离动态可调控的光梳状滤波器，则实现了2FSK信号的产生。在方案（2）和（3）中，由于光谱塑形的限制，只能产生一种调制方式的信号，不适合于多种调制方式信号的可调控产生，限制了高速动态网络的发展。

上述三种方案都实现了对毫米波数字调制信号的产生，其中方案（1）中通过改变光调制的方式可以实现不同数字调制信号的产生，但需要外加微波载波信号，且可调性差；方案（2）和（3）都是基于频域到时域转换的技术来产生数字调制信号的，可以实现载波频率、占空比大范围地可调，但由于光谱塑形技术的限制只能产生单一调制方式的数字调制信号。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是提供一种基于微波光子技术的数字调制信号源。

本发明的目的是基于如下分析和方案提出和实现的：

一种基于微波光子技术的数字调制信号源，其特征在于，在锁模激光器101，光强度调制器102，光偏振调制器103，可调谐偏振相关光梳状滤波器111，可调谐光带通滤波器108，线性色散介质109和光电探测单元110构成的数字调制信号源中，可调谐偏振相关光梳状滤波器111由光环形器104，偏振分束器105，第一可编程偏振模色散单元106-1、第二可编程偏振模色散单元106-2，第一45度法拉第旋转器107-1、第二45度法拉第旋转器107-2连接;其中：偏振分束器105的顺时针方向的输出口的偏振态与第一可编程偏振模色散单元106-1的主轴成45度夹角，第一可编程偏振模色散单元106-1和第二可编程偏振模色散单元106-2的主轴之间以45度夹角固定；实现在相互垂直的线偏振态上进行独立可调谐的梳状滤波。

采用本发明的基于微波光子技术的数字调制信号源的可调谐范围大，适合于高频、超高频调制信号的产生。通过调节驱动信号S1、S2，可编程偏振模色散单元可以实现不同载波频率和调制方式的数字调制信号的产生，如基本的数字调制信号——2ASK、2PSK、2FSK、4DPASK，以及其复合的调制信号——2ASK+2PSK，2PSK+2FSK。此外，通过调节光带通滤波器的带宽可以调节产生的已调信号的占空比。

基于微波光子技术的数字调制信号产生，可通过将锁模激光器输出的光脉冲串先后进行强度和偏振态的调制，当驱动信号的比特率等于锁模激光器脉冲的重复速率时，则可以在时域上对每一个光脉冲的强度和偏振态进行独立控制。脉冲强度的控制直接决定了系统输出信号的幅度变化，偏振态的控制（即垂直偏振态或水平偏振态）影响了每个脉冲在可调谐偏振相关光梳状滤波器的滤波效应。因此，通过光偏振调制器和可调谐偏振相关光梳状滤波器的联合作用，则可以动态地实现对每一个脉冲的光谱进行不同的梳状滤波；然后由光带通滤波器滤出一定宽度光谱，经线性色散介质实现频域到时域的映射。此时，在时域上每一个光脉冲则转化为其对应的光谱形状，若在可调谐偏振相关光梳状滤波器中两偏振态的滤波函数的自由频谱距离不同、相位相同，则映射到时域上为不同频率的正弦函数；若在可调谐偏振相关光梳状滤波器中两偏振态的滤波函数的自由频谱距离相同、相位不同，则映射到时域上为不同相位的正弦函数；因此，通过强度调制器、偏振调制器的驱动信号，可调谐偏振相关光梳状滤波器的控制，可以产生不同调制方式、不同载波频率的数字调制信号。根据频域到时域的映射原理，在色散量一定的情况下，映射后的时域脉冲的宽度是正比于映射前的光谱带宽，因此，通过调节光带通滤波器的带宽可以调节产生的数字调制信号的占空比。其中，由于锁模激光器的脉冲重复频率（Rb）的可调谐性限制，数字调制信号速率（B）的可调性也受到相应地限制（B=Rb）。为了进一步提高数字调制信号速率的可调性，可以通过强度调制器进行一定的调节（B=1/n×Rb,n=1,2,3..），如用“1010”循环码字进行强度调制，则脉冲串的重复速率降为原来的一半。

采用本发明相比与基于微波光子技术中外调制法来产生数字调制信号的方案，本发明不需要外加微波的载频信号，即可实现数字调制信号的产生，且能实现复合调制信号的产生；与利用无源光纤环形腔双折射的微波光子产生方案相比，都采用了构建光梳状滤波器和时域到频域映射的方法来产生微波信号，但是本发明中构建的光梳状滤波器在垂直的两个线偏振态上具有相互独立可调谐的滤波函数。因此，在单一产生毫米波信号的同时，本发明可以实现多种数字调制信号的产生。本发明灵活性高，功能多，可应用于高速传输网络中作为数字信号的发射端、光载无线系统、军事雷达等。

附图说明：

图1为本发明的基于微波光子技术的数字调制信号源的结构示意图；

图2为本发明的可调谐偏振相关光梳状滤波器的方案，其中(a)为法拉第旋转器(107-1)的功能；(b)为调谐偏振相关光梳状滤波器的原理图；

图3为实验测得的可调谐偏振相关光梳状滤波器的传输曲线：（a）为水平偏振态;(b)为垂直偏振态；

图4为本发明的2ASK，2FSK，2PSK，4DPASK调制信号产生原理；

图5为本发明的实验结果图：（a）产生的2FSK信号的波形，（b）1、0比特的局部放大图；

图6为本发明中实验结果图：产生的不同载波频率的2PSK信号的波形：（a）20GHz和（b）36.7GHz；

图7为本发明中实验结果图：产生的不同速率的2ASK信号的波形：（a）8.5Gbit/s和（b）10Gbit/s。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明方案由锁模激光器101，光强度调制器102，光偏振调制器103，可调谐偏振相关光梳状滤波器111，可调谐光带通滤波器108，线性色散介质109和光电探测单元110构成。其中，可调谐偏振相关光梳状滤波器111包括了光环形器104，偏振分束器105，可编程偏振模色散单元106-1、106-2，45度法拉第旋转器107-1、107-2。

图2为可调谐偏振相关光梳状滤波器111的具体实施方案，其中45度法拉第旋转器用来实现对正反两向通行的信号的偏振态旋转+45⁰，如图(a)中法拉第旋转器107-1的作用。同时，可编程偏振模色散单元106-1和106-2的主轴之间以45度夹角固定。输入光信号经偏振分束器105分为两路偏振态相互垂直的线偏振光，分别由顺时针方向经由106-1，107-1，106-2，107-2和由逆时针方向经由107-2，106-2，107-1，106-1。且以顺时针方向入射光的偏振态与可编程偏振模色散单元106-1的主轴成45度夹角，则该光信号被分为两路分别沿着106-1的快、慢轴传输。由于一阶偏振模色散的影响，在106-1的输出端产生大小为τ₁的群速度延时色散，经法拉第旋转器107-1偏振态旋转45度，则两路分量沿着106-2的主轴入射。此时，106-1慢轴的信号分量沿着106-2的慢轴传输，106-1快轴的信号分量沿着106-2的快轴传输，则106-2的输出端，产生大小为τ₁+τ₂的群速度延时色散，在偏振分束器的输入端发生相干干涉，产生传输函数为T₁(f)=cos²[πf(τ₁+τ₂)]的梳状滤波函数。与此同时，逆时针方向传输的信号，经法拉第旋转器107-2作用在106-2中产生的群速度延时色散τ₂，经107-1进行45度的偏振态旋转，沿106-2的快轴和慢轴传输的信号分量在106-1中正好交替，则106-2产生的群速度延时色散得到补偿，此时输出信号的群速度延时色散值为|τ₁-τ₂|，经相干干涉后产生传输函数为T₂(f)=cos²[πf(τ₁-τ₂)]的梳状滤波函数。因此，可调谐偏振相关光梳状滤波器111实现了在两相互垂直的线偏振态上进行相互独立的梳状滤波。通过调节可编程偏振模色散单元106-1和106-2的群速度延时色散值，可以设置可调谐偏振相关光梳状滤波器传输函数的性质（如：自由频谱距离，相位）。

图3为实验中构建的一个可调谐偏振相关光梳状滤波器的传输曲线，其中（a）为水平偏振态上的梳状滤波函数（逆时针方向），(b)为垂直偏振态上的梳状滤波函数（顺时针方向）。此时的可编程偏振模色散单元106-1和106-2的群速度延时色散值分别为6.73ps和32.28ps;

图4为本发明中产生不同数字调制信号的原理图，通过控制光强度调制器102、光偏振调制器103的数字驱动信号S1和S2，可调谐偏振相关光梳状滤波器111，光带通滤波器108可以实现2ASK、2FSK、2PSK、4DPASK以及复合调制信号的可调控产生。如图所示，由锁模激光器产生的超短脉冲串经过光强度调制、光偏振态调制，可以实现通过控制驱动信号S1和S2来对每一个脉冲的强度、偏振态的动态控制。1）2ASK信号的产生：驱动信号S1为数字调制信号，S2设置为全1（即垂直偏振态）或全0（即水平偏振态），则相应地使能可调谐偏振相关光梳状滤波器的垂直或水平偏振态中的一个梳状滤波函数。此时，锁模激光器的宽带光谱经梳状滤波器滤波后形成梳状的光谱，然后经带通滤波器截取后由线性色散介质实现频域-时域的映射，则每一个时域上的超短脉冲都转换为了一个与光谱形状相同的时域波形——正弦函数波形。因此，2ASK信号可以被产生。2）2FSK信号的产生：驱动信号S1设置为全1，S2为数字调制信号，则S2信号的比特“1”对应着可调谐偏振相关光梳状滤波器的垂直偏振态的传输函数，比特“0”对应着可调谐偏振相关光梳状滤波器的水平偏振态的传输函数，此时两偏振态上的传输函数的自由频谱距离不同。经频域-时域转换后，可以实现2FSK信号的产生。3）2PSK信号的产生：在2FSK信号产生的基础上，通过重新设定可调谐偏振相关光梳状滤波器的传输函数，使得其频率相同，相位不同。则产生的信号为2PSK。4）4DPASK信号的产生：在2PSK信号的基础上，通过改变强度调制的抑制比，设置驱动信号S1为二进制数字信号，则产生两种幅度脉冲，可以实现4DPASK信号的产生。综上，2ASK、2FSK、2PSK、4DPASK等已调制信号的载波频率由可调谐偏振相关光梳状滤波器的传输函数决定，数字调制信号的速率为锁模激光器的脉冲重复速率Rb或1/n*Rb(n=1,2,3..).此外，通过在一定范围内改变光带通滤波器108的带宽值可以调节系统产生的已调信号的占空比。

根据上述原理，我们给出了由本发明构建的基于微波光子技术的数字调制信号源的部分实验结果。由于实验中使用的锁模激光器的光谱是高斯型的，因此在本发明实验产生的波形中具有一个高斯函数的基底。

图5为实验产生的2FSK信号的波形图，其中图(b)为(a)的放大图。该2FSK信号的数字调制信号为一个5-Gbit/s的“1101”信号，其中“1”比特对应的载波频率为～33GHz,“0”比特对应的载波频率为～55GHz；此时，可编程偏振模色散单元106-1和106-2的群速度延时色散值分别为6.73ps和32.28ps;

图6为实验产生的2PSK信号的波形图，该2PSK信号由一个5-Gbit/s的“1101”信号相位调制产生。其中，（a）图中2PSK信号的载波信号频率为～20GHz,此时可调谐偏振相关光梳状滤波器中106-1和106-2的群延时色散的值分别为τ₁=2ps,τ₂=16.34ps；（b）图中2PSK信号的载波信号频率为～37.6GHz，则τ₁=2.3ps,τ₂=25.5ps;

图7为实验产生的2ASK信号的波形图，该2ASK信号的载波频率为～55GHz，占空比为80%；其中（a）图的2ASK信号由一个8.5Gb/s的“1101”数字信号幅度调制产生，（b）图的2ASK信号由一个10Gb/s的“11011”数字信号幅度调制产生；此时，可编程偏振模色散单元106-1和106-2的群速度延时色散值分别为6.73ps和32.28ps;

由以上实验结果中可以观察到本发明中的可调谐偏振相关光梳状滤波器可以实现在相互垂直的线偏振态上进行独立可调谐的梳状滤波。因此在本发明中结合该光梳状滤波器与频域到时域映射技术可以实现调制速率、载波频率、调制方式、占空比可调的数字调制信号源。

Claims

1.一种基于微波光子技术的数字调制信号源，其特征在于，在锁模激光器（101），光强度调制器（102），光偏振调制器（103），可调谐偏振相关光梳状滤波器（111），可调谐光带通滤波器（108），线性色散介质（109）和光电探测单元（110）构成的数字调制信号源中，可调谐偏振相关光梳状滤波器（111）由光环形器（104），偏振分束器（105），第一可编程偏振模色散单元（106-1）、第二可编程偏振模色散单元（106-2），第一45度法拉第旋转器（107-1）、第二45度法拉第旋转器（107-2）连接;其中：偏振分束器(105)的顺时针方向的输出口的偏振态与第一可编程偏振模色散单元(106-1)的主轴成45度夹角，第一可编程偏振模色散单元(106-1)和第二可编程偏振模色散单元(106-2)的主轴之间以45度夹角固定；实现在相互垂直的线偏振态上进行独立可调谐的梳状滤波。

2.根据权利要求1所述之一种基于微波光子技术的数字调制信号源，其特征在于，所述数字调制信号源可以实现不同调制速率、不同载波频率、不同调制方式、不同占空比的数字调制信号的产生。

3.根据权利要求1所述之一种基于微波光子技术的数字调制信号源，其特征在于，所述数字调制方式包括二进制幅度调制信号2ASK、二进制频率调制信号2FSK、二进制相位调制信号2PSK、四进制相位幅度调制信号4DPASK，以及它们的复合调制方式，如2ASK+2PSK，2PSK+2FSK等。