CN104022830B - 利用马赫‑曾德尔调制器产生八倍频毫米波的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用马赫‑曾德尔调制器产生八倍频毫米波的装置及方法，主要用于光无线接入(ROF)网络中光载毫米波的产生。所述该方法如附图所示，利用两个并联的双平行铌酸锂马赫‑曾德尔调制器(DPMZM)的非线性特性和干涉叠加特性，在适当的直流偏置电压下，产生了频率为本振信号频率八倍的光毫米波信号，使产生高频/极高频信号所需要的设备频率指标大大降低，进而降低了系统成本。本发明不需要特定的相位调制指数，可以灵活调节射频信号，降低了对射频功率的要求，同时可以很好的抑制掉杂散边带。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域和微波技术领域，尤其涉及一种利用光通信技术中比较成熟的基于外调制技术产生高频率毫米波信号的方法。
背景技术
计算机和通信网络的发展将人类社会带入到了信息时代。近年来，互联网业务量的飞速增长以及业务形式的多样化，使得人们不仅仅满足于先前简单的文本、声音、图片传送的通信方式，对视频等多媒体通信的需求越来越高，也越来越迫切，这就对网络的带宽和移动性方面的要求也越来越高。在这种背景下，大容量、高带宽、低损耗、抗电磁干扰、易于维护的光纤通信网成为了很有吸引力的解决高速宽带接入网的方案，另一方面，高灵活性、高移动性的无线通信技术使得通信在任何时候、任何地点成为可能。因此结合了宽带化的光纤通信与高移动性的无线通信，即光载射频通信(RoF)系统，将是未来宽带无线通信的发展方向。
目前，由于全球移动通信系统(GSM)、码分多址(CDMA)、无线上网技术(Wi-Fi)、卫星通信等常用无线接入技术的工作波段都集中分布在800MHz、2GHz、2.5GHz和6GHz处，无线通信的频段大都在6G以下，如表1-1所示：
表1-1无线业务频谱分配情况
| 通信系统 | 占用频带 |
| 广播与电视业务 | ＜870MHz |
| 2G | 900MHz和1800MHz附近 |
| 3G | 1885～2025MHz和2110～2200MHz |
| 多路微波有线电视传输 | 2535MHz～2599MHz |
| 卫星电视 | 4～8GHz，12～18GHz |
这就导致10GHz以下频段的频谱资源非常有限，使未来移动通信的发展变得比较困难，另外现有的无线接入技术的数据传输速率最高也只能达到20Mbps左右，无法满足高速链路接入的需求，因此无线通信系统只能向更高频段发展。通过调查发现，现有的无线通信系统对于30GHz以上的频谱资源利用较少。因此极高频EHF(30-300GHz)将是未来宽带无线接入通信系统的发展方向，此外60GHz频率处有7G的免牌照申请带宽，这就成为了宽带无线 接入的首选频段。
然而，ROF系统中高频毫米波的产生是一个非常关键的问题，传统电域方法很难甚至几乎无法完成非常复杂的极高频毫米波信号的生成，其主要是因为在电域一般使用晶体振荡器通过倍频锁相产生高频毫米波信号，由于电子器件的速率瓶颈和工艺的局限性很难产生高频率、高质量的信号。另外，使用电域方法产生高频毫米波信号对器件有非常高的要求，复杂的加工制作工艺可能会大大降低器件的性能。
现有的毫米波产生方案有光外差法，外调制法，基于非线性效应四波混频效应法和受激布里渊散射法。在所有这些研究方法中，基于铌酸锂马赫曾德尔调制器的外调制方案通常被认为是最为可靠和有效的方法。因为在外调制倍频方法中所使用的本振源和调制器等微波器件的频率响应都大大降低，而且在光电探测器中进行拍频的两个光波均来自同一激光源具有非常好的相位相干性。因此，外调制技术成为了产生毫米波信号的首选技术。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种利用马赫-曾德尔调制器产生八倍频毫米波的方法，使产生高频/极高频信号所需要的设备频率指标大大降低，进而降低了系统成本，并且通过调节射频幅度，可以获得较高的射频杂散抑制比。
本发明的技术解决方案是：利用马赫-曾德尔调制器产生八倍频毫米波的装置，其特征在于：所述装置包括可调光源、射频信号源、上路双平行马赫-曾德尔调制器、下路双平行马赫-曾德尔调制器、第一移相器、第二移相器、第三移相器、分光器、第一电分路器、第二电分路器、第三电分路器、耦合器以及光电探测器；可调光源的输出端口与光分路器相连，经分光后输出上路光信号与上路双平行马赫-曾德尔调制器的输入端口相连，下路光信号与下路双平行马赫-曾德尔调制器的输入端口相连，射频信号源的输出端与第一电分路器输入端相连，第一电分路器的一个输出端与第二电分路器输入端相连，第二电分路器的一个输出端与上路双平行马赫-曾德尔调制器的一个射频输入端口相连，第二电分路器的另一个输出端与第一移相器的输入端相连，第一移相器的输出端与上路双平行马赫-曾德尔调制器的另一个射频输入口相连；第一电分路器的另一个输出端与第二移相器输入端相连，第二移相器的输出端与第三电分路器的输入端相连，第三电分路器的一个输出端与下路双平行马赫-曾德尔调制器的一个射频输入端口相连，第三电分路器的另一个输出端与第三移相器的输入端相连，第三移相器的输出端与下路双平行马赫-曾德尔调制器的另一个射频输入口相连。
上述上路双平行马赫-曾德尔调制器、下路双平行马赫-曾德尔调制器均包括三个马 赫-曾德尔调制器，其中一个马赫-曾德尔调制器作为主调制器，另外两个马赫-曾德尔调制器作为子调制器嵌在主调制器中。
上述子调制器具有相同的结构和性能。
上述子调制器具有独立的射频信号输入端口和偏置端口；另外还有一个主偏置端口，可用来调节两个子调制器的输出。
利用马赫-曾德尔调制器产生八倍频毫米波的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1)从激光器发出的波长为λ的光波经过分光器；上下路分别注入到对应的两个双平行马赫-曾德尔调制器中，注入光波的偏振方向经偏振控制器调整，使之与各个铌酸锂调制器的偏振方向一致；
2)频率为f0的射频本振经第一电分路器分成功率相同的两路，一路驱动上路的双平行马赫-曾德尔调制器，另一路经过第二移相器移相π/2后驱动下路双平行马赫-曾德尔调制器；
3)经过第一电分路器后的其中一路射频信号在驱动上路双平行马赫-曾德尔调制器之前，再经过一个功分器进行功率均分，功分后两路信号中的一路直接驱动调制器分支MZ1-a，另一路经过第一移相器移相π/4后驱动调制器分支MZ1-b，子调制器MZ1-a和MZ1-b均偏置在其传输曲线的最高点，主调制器偏置在最低点。经过调制器进行射频调制后的两路光波相干叠加后，其光成分主要为两个二阶边带和两个四阶边带；
4)射频本振经过第二移相器移相π/2的另一路射频信号在下路双平行马赫-曾德尔调制器做与上路双平行马赫-曾德尔调制器相同的设置；同时，下路双平行马赫-曾德尔调制器的偏置点设置与上路相同。同样，下路双平行马赫-曾德尔调制器输出的主要成分为两个二阶边带与两个四阶边带。因为上下路双平行马赫-曾德尔调制器间引入了π/2的相位差，所以上下路的正负二阶边带相位相反，正负四阶边带同相，这样两路光信号叠加后，上下路正负二阶边带抵消，正负四阶边带增强；
5)调节射频信号幅度，使得输出的正负四阶边带幅度较大，获得较高的边带抑制比；
6)耦合器输出的纯净的正负四阶边带，二者之间的频率间隔为8f0，通过光电探测器进行拍频得到八倍于射频驱动信号的毫米波信号。
本发明提出了一种新型八倍频光生毫米波的方法，该方案利用两个并联的双平行铌酸锂马赫-曾德尔调制器的非线性特性和干涉叠加特性，在适当的直流偏置电压下，产生了频率为本振信号频率八倍的光毫米波信号，使产生高频/极高频信号所需要的设备频率指标大大降低，进而降低了系统成本。
由于采用了双平行马赫-曾德尔调制器的干涉叠加特性和非线性调制特性，大大降低了射频本振信号的频率和调制器的响应频率要求，产生的毫米波信号的频率是射频本振信号频率的八倍，比如，我们只需要一个响应频率为7.5GHz的双平行马赫-曾德尔调制器和频率为7.5GHz的射频本振信号，就可以产生60GHz的毫米波信号。本发明设备简单，具有很强的实际可操作性，并且该结构不需要固定相位调制指数，这样就可以灵活调节射频信号幅度，抑制杂散边带，获得较高的边带抑制比。同时该结构不需要使用任何滤波器，因此可以应用到WDM系统中。
该方案不需要特定的相位调制指数，这样就不需要特定的射频信号幅度，可以灵活调节射频信号，降低了对射频功率的要求，同时可以很好的抑制掉杂散边带。通过仿真，我们实现了由7.5GHz的射频本振信号生成60GHz的毫米波信号，获得的毫米波信号的射频杂散抑制比很高，射频信号幅度为4.5V时，射频杂散抑制比可达到52.5dB。该方案没有用到任何的滤波器件，因此适用于波分复用系统。
附图说明
图1为本发明利用双平行马赫-曾德尔调制器产生频率八倍于本振信号的毫米波的原理图；
图2为图1的各处光信号幅度与相位的输出光谱示意图；
图3为本发明中上路双平行马赫-曾德尔调制器的输出光谱示意图；
图4为本发明中下路双平行马赫-曾德尔调制器的输出光谱示意图；
图5为本发明中耦合器输出的光谱示意图；
图6为本发明中光毫米波信号通过高速光电探测器后，拍频得到的光电流的射频频谱图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例：
如图1所示，本实施例中，装置包括：可调光源1、射频信号源2、上路双平行马赫-曾德尔调制器3、下路双平行马赫-曾德尔调制器4、第一移相器5、第二移相器6、第三移相器7、分光器8、第一电分路器9、第二电分路器10、第三电分路器11、耦合器12、光电探测器13。可调光源1的输出端口与光分路器相连，经分光后输出上路光信号与上路双平行马赫-曾德尔调制器3的输入端口相连，下路光信号与下路双平行马赫-曾德尔调制器4的输入端口相连，射频信号源2的输出端与第一电分路器9输入端相连，第一电分路器9的一个输出 端与第二电分路器10输入端相连，第二电分路器10的一个输出端与上路双平行马赫-曾德尔调制器3的一个射频输入端口相连，第二电分路器10的另一个输出端与第一移相器5的输入端相连，第一移相器5的输出端与上路双平行马赫-曾德尔调制器3的另一个射频输入口相连。第一电分路器9的另一个输出端与第二移相器6输入端相连，第二移相器6的输出端与第三电分路器11的输入端相连，第三电分路器11的一个输出端与下路双平行马赫-曾德尔调制器4的一个射频输入端口相连，第三电分路器11的另一个输出端与第三移相器7的输入端相连，第三移相器7的输出端与下路双平行马赫-曾德尔调制器4的另一个射频输入口相连。上下路的双平行马赫-曾德尔调制器的输出光信号经耦合器12叠加后，获得较大的正负四阶光边带。然后，光耦合器12的输出端与光电探测器13的输入端相连。最后，经光电探测器13拍频后，在输出端得到了八倍频的毫米波信号。
本实例中，方法的具体实施步骤是：
步骤一、可调光源产生工作波长λ为1552.5nm的连续光波，连续光波经分光器后分别输入到半波电压为3.5V上下路双平行马赫-曾德尔调制器，射频信号源输出7.5GHz的本振信号经第一电分路器后分成功率相等的两路，一路用于驱动上路双平行马赫-曾德尔调制器，另一路通过第二移相器移相π/2后驱动下路双平行马赫-曾德尔调制器；
步骤二、经第一电分路器功分后的7.5GHz射频本振在进入上路双平行马赫-曾德尔调制器之前再通过第二电分路器分成两路，一路驱动上面的曾德尔调制器，另一路通过第一移相器移相π/4后驱动下面的曾德尔调制器，并且设置双平行马赫-曾德尔调制器的子调制器的偏置电压为0V，主调制器的偏置电压为3.5V。上路双平行马赫-曾德尔调制器的输出主要包含正负二阶边带，正负四阶边带；
步骤三、经第一功分器功分后的另一路信号经第二移相器移相π/2后的射频本振在进入下路双平行马赫-曾德尔调制器之前再经过第三功分器进行一次功分，一路用于驱动上面的马赫-曾德尔调制器，另一路通过第三移相器引入π/4的相移后驱动下面的马赫-曾德尔调制器，设置下路双平行马赫-曾德尔调制器的各个偏置电压与上路相同。这样，下路双平行马赫-曾德尔调制器的输出也主要包含正负二阶边带，正负四阶边带。因为，上下路双平行马赫-曾德尔调制器引入了π/2的相位差，这样上下路的正负2阶边带具有180°的相位差，而正负4阶边带同相。因此在耦合器输出时正负二阶边带相互抵消，正负四阶边带增强；
步骤四、调节射频信号幅度，使得正负四阶边带具有较大的幅度，获得较高的边带抑制比。这样耦合器的输出就只产生了较纯净的-4阶边带和+4阶边带；
步骤五、耦合器输出的光信号射入光电探测器进行光电转换，从而产生了频率为60GHz的 毫米波信号。由图6可以看出该方案获得的毫米波信号的电谱很纯净，射频信号幅度为3.5V时，射频杂散抑制比达到了44dB。
综上，本发明由于利用了双平行结构的铌酸锂马赫-曾德尔调制器的相干叠加特性和非线性特性实现了毫米波八倍频信号的产生。降低了毫米波系统中对光电调制器和射频本振的频率要求，且产生的毫米波信号频率纯净度高。该发明使得高频、极高频毫米波信号的产生有了更实际的操作性。
总之，以上所述实施方案仅为本发明的较佳实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，毫米波的频率范围不限于60GHz，如果使用10GHz的射频本振，该系统可以产生80GHz的毫米波信号，这些等同变形和替换以及频率范围的调整也应视为本发明保护的范围。
Claims (3)
1.利用马赫-曾德尔调制器产生八倍频毫米波的装置，包括可调光源、光分路器、上路双平行马赫-曾德尔调制器、下路双平行马赫-曾德尔调制器、耦合器，光电检测器；所述光分路器设置在可调光源的出射光路上，所述光分路器与双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)的输入端连接，其特征在于：所述两个双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)是并联的，所述光分路器分别与双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)的输入端连接；所述双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)的输出端分别与光耦合器连接，所述光耦合器与光电探测器相连；
所述上路双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)的一个射频输入端口连接有对射频源的射频信号产生45°相移差的第一移相器；所述下路双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)的一个射频输入端口连接有对射频源的射频信号产生90°相移差的第二移相器；所述下路双平行马赫曾德尔调制器的另一个射频输入端口连接有依次对射频源的射频信号产生90°相移差的第二移相器和产生45°相移差的第三移相器；双平行马赫-曾德尔调制器的两个子调制器均工作在最大点，主调制器工作在最小点；
所述上路双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)输出的主要成分为两个二阶边带与两个四阶边带；所述下路双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)输出的主要成分同样为两个二阶边带与两个四阶边带；因为上下路双平行马赫-曾德尔调制器间引入了π/2的相位差，所以上下路的正负二阶边带相位相反，正负四阶边带同相，这样两路光信号叠加后，上下路正负二阶边带抵消，正负四阶边带增强；耦合器输出纯净的正负四阶边带，二者之间的频率间隔为8f0，其中f0为射频驱动信号的频率；在不需要光滤波器和特殊调制指数的情况下，通过光电探测器进行拍频得到八倍于射频驱动信号的毫米波信号。
2.根据权利要求1所述的利用马赫-曾德尔调制器产生八倍频毫米波的装置，其特征在于：所述第一移相器可以连接在上路双平行马赫曾德尔调制器的上臂或者下臂；所述第三移相器可以连接在下路双平行马赫曾德尔调制器的上臂或者下臂；所述第二移相器可以连接在上路双平行马赫曾德尔调制器或者下路双平行马赫曾德尔调制器。
3.根据权利要求1所述的利用马赫-曾德尔调制器产生八倍频毫米波的装置，其特征在于：所述两个双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)均包括三个马赫-曾德尔调制器，其中一个马赫-曾德尔调制器作为主调制器，另外两个马赫-曾德尔调制器作为子调制器嵌在主调制器中，每个子调制器具有独立的射频信号输入端口和偏置端口，两个子调制器具有相同的结构和性能，另外还有一个主偏置端口，可用来调节两个子调制器的输出。
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