CN104216196A

CN104216196A - 一种无外部电本振可调谐的全光微波光子变频装置

Info

Publication number: CN104216196A
Application number: CN201410427941.3A
Authority: CN
Inventors: 梁栋; 谭庆贵; 蒋炜; 李小军; 朱忠博; 窦金芳
Original assignee: Xian Institute of Space Radio Technology
Current assignee: Xian Institute of Space Radio Technology
Priority date: 2014-08-27
Filing date: 2014-08-27
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2034-08-27
Also published as: CN104216196B

Abstract

一种无外部电本振可调谐的全光微波光子变频装置。主要包括窄线宽半导体激光器、非线性光环路、光电探测器和低通滤波器，在不提供外部电本振情况下，激发饱和受激布里渊散射效应，通过非线性光环路选路传输，产生反向斯托克斯光用于射频信号变频。降低传统微波光子变频中光本振生成引起的杂波和噪声干扰。同时利用双驱动铌酸锂调制器对射频信号进行高阶调制，实现可调谐的全光微波光子变频。

Description

一种无外部电本振可调谐的全光微波光子变频装置

技术领域

本发明涉及一种全光微波光子变频装置，特别是一种无外部电本振可调谐的全光微波光子变频装置，属于卫星激光通信和微波光子处理转发技术领域。

背景技术

星载宽带微波光子处理转发系统充分利用微波光子技术的大带宽、可集成、强并行处理能力、强抗电磁干扰能力等特性，将宽带微波信号调制到光域，在光域实现宽带宽、多频段、多信号格式微波信号的微波光子处理转发。该技术为解决我国空间信息传输与分发系统通信容量小、波束数量有限、卫星平台资源受限等问题提供一种有效解决方案。在整个处理转发系统中，微波光子变频是很重要的一个环节。

常见的微波光子变频装置设计过程中，除需要变频的射频信号进行电光调制，还需要外界提供一个特定频率的电本振信号，调制到光域生成光本振与射频信号相互作用产生二者的差频输出。常见的光本振来源有两种：一种是直接由高频率射频源提供高频电本振，通过电光调制器生成高频光本振；另一种是由低频射频源提供低频电本振，经倍频器在光域倍频，产生纯净的高频光本振信号。两种方法都有各自的局限性。直接使用高频电本振调制电光调制器，波导的非线性效应会引起噪声性能恶化。而使用低频电本振时，整个变频过程需要利用本振的高次谐波，处理过程引入额外杂波干扰，影响信号的正常接收。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供了一种无外部电本振可调谐的全光微波光子变频装置，尽可能的避免光本振生成过程中的非线性效应，降低了对变频信号的杂波和噪声影响，保证了微波光子变频性能，同时提高变频装置的频率可调谐性。

本发明包括如下技术方案：一种无外部电本振可调谐的全光微波光子变频装置，包括：窄线宽半导体激光器、非线性光环路、光电探测器和低通滤波器；

其中，非线性光环路包括分光器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、光环形器、双驱动铌酸锂调制器、直流稳压电源、电衰减器、电功分器、电移相器、光隔离器和单模保偏光纤；

光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，单模保偏光纤包括端口a和端口b，双驱动铌酸锂调制器包括第一射频端口、第二射频端口和直流端口；

窄线宽半导体激光器产生一束功率可调的窄线宽光载波信号并输入给分光器，分光器将该窄线宽光载波信号分为泵浦光和调制光两路，并将泵浦光传输给第一偏振控制器，将调制光输出给第二偏振控制器；第一偏振控制器和第二偏振控制器分别将泵浦光和调制光调整为偏振角度相同的线偏振光；

泵浦光经第一偏振控制器调整为线偏振态泵浦光后，由光环形器的第一端口输入，并经由第二端口输出至单模保偏光纤的端口a，线偏振态泵浦光在单模保偏光纤中激发饱和受激布里渊散射，产生反向斯托克斯光；

直流稳压源的输出端口与双驱动铌酸锂调制器的直流端口相连，为其提供偏压信号；

待变频的射频信号从电衰减器输入端口输入，并经电衰减器输出给电功分器，电功分器对射频信号进行分路后输出两路输出信号，其中一路输入至双驱动铌酸锂调制器的第一射频端口，另一路经电移相器后输入至双驱动铌酸锂调制器的第二射频端口；

调制光经第二偏振控制器调整为线偏振光后输入给双驱动铌酸锂调制器，双驱动铌酸锂调制器对输入的射频信号和调制光进行高阶调制，获得包含M阶射频分量的光信号后经由光隔离器从单模保偏光纤的端口b输入，并从单模保偏光纤的端口a输出，输出的光信号从光环形器的第二端口输入，第三端口输出，光隔离器用来防止后端泵浦光及反射光信号回流到双驱动铌酸锂调制器打坏器件；所述M为自然数；

反向斯托克斯光和调制光在单模保偏光纤中合路后经由光环形器的第三端口输出至光电探测器，反向斯托克斯光作为光本振信号，与光信号中的M阶射频分量在光电探测器中完成拍频及光电变换，得到包括反向斯托克斯光和M阶射频分量的差频分量在内的多个频率分量后，输出至低通滤波器，经低通滤波后输出中频信号，从而完成全光微波光子变频过程。

所述单模保偏光纤中激发饱和受激布里渊散射，产生反向斯托克斯光；具体为：

窄线宽半导体激光器输出线宽为100KHz，初始功率为0dBm的光载波信号，并经过分光器、第一偏振控制器、光环形器后输入至单模保偏光纤，由小及大按照步进0.1dB增加窄线宽半导体激光器输出的光载波信号功率，使得泵浦光信号在单模保偏光纤中激发受激布里渊散射效应，监测单模保偏光纤的端口a处光载波信号11GHz频偏处的反向斯托克斯光分量功率，增大光载波信号功率直至监测到的反向斯托克斯光分量功率不再线性增加，此时受激布里渊散射达到饱和。

所述双驱动铌酸锂调制器对输入的射频信号在光载波上进行高阶调制；具体为：

根据双驱动铌酸锂调制器的双电极特性和波导对称性，对双驱动铌酸锂调制器波导的频率响应函数进行泰勒展开和贝赛尔函数转换，得到简化后的双驱动铌酸锂调制器输出电场表达式为：

\begin{matrix} E_{MZM} (t) = \frac{1}{2} E_{in} (t) [2 \cos θ J_{0} (m) \\ + (2 jexp (jθ) \sin (ωt) + 2 jexp (- jθ) \sin (ωt + ψ)) J_{1} (m) \\ + (2 jexp (jθ) \cos (2 ωt) + 2 jexp (- jθ) \cos (2 ωt + 2 ψ)) J_{2} (m) \\ + (2 jexp (jθ) \sin (3 ωt) + 2 jexp (- jθ) \sin (3 ω + 3 ψ)) J_{3} (m) \\ + (2 jexp (jθ) \cos (4 ωt) + 2 jexp (- jθ) \cos (4 ωt + 4 ψ)) J_{4} (m)] \end{matrix}

式中，E_in(t)为双驱动铌酸锂调制器输入的调制光信号，θ为加载在双驱动铌酸锂调制器上的直流偏压，ω为电衰减器输入端加载的射频信号角频率，ψ为双驱动铌酸锂调制器两个射频端口输入的射频信号相位差，m为双驱动铌酸锂调制器上下两个电极的调制指数，且m＝πV/V_π，其中，V为输入射频信号的幅度，V_π为双驱动铌酸锂调制器半波电压；

上式中2cosθJ₀(m)、(2jexp(jθ)sin(ωt)+2jexp(-jθ)sin(ωt+ψ))J₁(m)、(2jexp(jθ)cos(2ωt)+2jexp(-jθ)cos(2ωt+2ψ))J₂(m)、(2jexp(jθ)sin(3ωt)+2jexp(-jθ)sin(3ωt+3ψ))J₃(m)和(2jexp(jθ)cos(4ωt)+2jexp(-jθ)cos(4ωt+4ψ))J₄(m)]五个子项分别表示包含正负阶的N阶边带分量，N取0、1、2、3、4，根据需要的N值不同，调整m、Ψ和θ的值，从而改变子项中的分量系数，抑制非N阶分量，使非N阶边带分量系数等于0，实现可调谐射频信号高阶调制，由以上传输函数数学模型得到不同N值时，调制指数、射频相位差和直流偏压的参数设置关系如表1所示；

表1

N	调制指数	射频相位差	直流偏压
				1	/	0.5π	0.75π
2	/	π	0
				3	3.8	π	0.5π
4	5.1	π	0

根据表1中的数据改变电衰减器衰减量、电移相器移相大小和直流稳压源输出电压实现m、ψ和θ值的改变，从而输出不同的中频信号，具体为：

当N＝1时，改变电衰减器衰减量使输入调制器的射频信号功率为-10dBm，电移相器对射频信号移相0.5π，即90°，直流稳压源调整输入调制器电压角度值为0.75π，此时得到的中频信号频率为|f_RF-f_s|；

当N＝2时，改变电衰减器衰减量使输入调制器的射频信号功率为0dBm，电移相器对射频信号移相π，即180°，直流稳压源调整输入调制器电压为0，此时得到的中频信号频率为|2f_RF-f_s|；

当N＝3时，改变电衰减器衰减量使调制器的调制指数m＝3.8，电移相器对射频信号移相π，即180°，直流稳压源调整输入调制器电压角度值为0.5π。此时得到的中频信号频率为|3f_RF-f_s|；

当N＝4时，改变电衰减器衰减量使调制器的调制指数m＝5.1，电移相器对射频信号移相π，即180°，直流稳压源调整输入调制器电压角为0，此时得到的中频信号频率为|4f_RF-f_s|；

式中，f_RF为输入的射频信号频率，f_s为反向斯托克斯光与窄线宽半导体激光器输出的光信号的频偏。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明利用窄线宽半导体激光器和非线性光环路激发受激布里渊散射效应，激励产生反向斯托克斯光信号作为光本振用于射频信号的变频，不需要提供外部电本振源，避免了电本振信号电光调制、滤波、放大过程。与传统微波光子变频相比，降低了光本振信号生成产生的杂波和噪声干扰，且节省了系统资源，降低成本；

(2)本发明采用双驱动铌酸锂调制器，通过对其调制指数、信号相位、直流偏压等参数进行精确匹配，根据N值不同，对射频信号进行高阶调制，实现对任意阶边带的保留或抑制，降低带内谐波对变频性能的影响，提高全光微波光子变频的频率可调谐性；

(3)本发明利用非线性光环路进行光信号选路传输，泵浦光能够与反向斯托克斯光和调制光有效隔离。与其他全光微波光子变频装置相比，输入光电探测器光信号不包含泵浦光，避免了泵浦光拍频引入的额外噪声，且避免了因光功率过大产生的其他非线性效应对变频性能的影响，能够有效抑制杂波干扰，具有很高的频谱纯净度；

(4)本发明能够实现多路波分/时分复用，在多路并行结构中易于集成化处理，减少了系统单机数量，提高可复用性；

(5)本发明采用光学器件和方法实现射频信号变频处理，提高了系统的电磁兼容性，减小了系统的重量和功耗。

附图说明

图1是本发明的全光微波光子变频装置结构框图；

图2是本发明变频实现过程光谱简化原理图；

图3是本发明仿真验证频谱结果图(N＝1)。

具体实施方式

如图1所示，本发明的无外部电本振可调谐的全光微波光子变频装置包括：窄线宽半导体激光器、非线性光环路、光电探测器和低通滤波器，其中非线性光环路包括：分光器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、光环形器、双驱动铌酸锂调制器、光隔离器、单模保偏光纤、电衰减器、电功分器、电移相器及直流稳压源。

光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，单模保偏光纤包括端口a和端口b，双驱动铌酸锂调制器包括第一射频端口、第二射频端口和直流端口。

窄线宽半导体激光器连接分光器输入端口，其主要作用是为整个装置提供一束功率可调的窄线宽光载波信号。由于受激布里渊散射阈值与光信号线宽成正比，采用线宽小于100KHz的光载波能够降低散射阈值，提高散射效率。分光器有一个光输入端口和两个光输出端口，将输入光载波信号分为泵浦光和调制光两路，并将泵浦光传输给第一偏振控制器，将调制光传输给第二偏振控制器；第一偏振控制器和第二偏振控制器分别将泵浦光和调制光调整为偏振角度相同的线偏振光；采用偏振角度相同的线偏振光能够降低调制光在双驱动铌酸锂调制器中的偏振损耗，并提高斯托克斯光和调制光的拍频效率。

泵浦光经第一偏振控制器调整为线偏振光后连接至光环形器，由光环形器的第一端口输入，并经由第二端口输出至单模保偏光纤的端口a。光环形器的主要作用是改变泵浦光、反向斯托克斯光和包含M阶射频分量的光信号的传输方向，并进行选路传输。泵浦光经过光环形器的选路传输后在单模保偏光纤中传输方向由端口a到端口b，并在单模保偏光纤中激发饱和受激布里渊散射，产生反向斯托克斯光，所述M为自然数；

为降低双折射效应和外界环境因素对光纤传输的影响，且避免因长距离传输导致泵浦光和调制光之间的偏振态偏移，本发明中使用1Km单模保偏光纤作为受激布里渊散射媒质。选用1Km长度的单模保偏光纤，1550nm波段光信号在单模保偏光纤传输引起的损耗可忽略不计。同时采用单模保偏光纤可将受激布里渊散射阈值降至与通常光信号功率相当，避免光纤中高功率传输带来的其他非线性影响。本发明中激发饱和受激布里渊散射主要步骤如下：

窄线宽半导体激光器发射一束中心波长1550nm、线宽100KHz、初始功率为0dBm的光载波信号。并经过分光器、第一偏振控制器、光环形器8后输入至单模保偏光纤。由小及大按照步进0.1dB增加窄线宽半导体激光器输出的光载波信号功率。使得泵浦光信号在单模保偏光纤中激发受激布里渊散射效应，监测单模保偏光纤的端口a处光载波信号11GHz频偏处的反向斯托克斯光分量功率。当有一光波分量产生时，即此时的单模保偏光纤中泵浦光功率达到受激布里渊散射阈值。继续增大光载波信号功率，记录反向斯托克斯光分量功率随输出光载波功率变化曲线，直至监测到的反向斯托克斯光分量功率不再线性增加，此时受激布里渊散射达到饱和。

反向斯托克斯光与窄线宽半导体激光器输出光信号的频率偏移量为11GHz，在单模保偏光纤中传输方向由端口b到端口a。半物理仿真结果表明，保持其他光载波参数和单模保偏光纤长度不变，受激布里渊散射达到饱和时，窄线宽半导体激光器输出光载波功率在15dBm左右。

直流稳压源的输出端口与双驱动铌酸锂调制器的直流端口相连，为其提供偏压信号；待变频的射频信号从电衰减器输入端口输入，并经电衰减器输出给电功分器，电功分器对射频信号进行分路后输出两路输出信号，其中一路输入至双驱动铌酸锂调制器的第一射频端口，另一路经电移相器后输入至双驱动铌酸锂调制器的第二射频端口。

调制光经第二偏振控制器调整为线偏振光后输入给双驱动铌酸锂调制器，双驱动铌酸锂调制器对输入的射频信号和调制光进行高阶调制，获得包含N阶射频分量的光信号后经由光隔离器从单模保偏光纤的端口b输入，并从单模保偏光纤的端口a输出，输出的光信号从光环形器的第二端口输入，第三端口输出，光隔离器对装置进行保护，防止后端泵浦光及反射光信号回流到双驱动铌酸锂调制器打坏器件；

为降低射频信号高阶调制过程链路损耗，提高电光转换效率，选用插入损耗(<3dB)和半波电压(<3V)较小的双驱动铌酸锂调制器。同时，为提高高阶调制中非M阶分量抑制比，选用消光比(>30dB)较大的双驱动铌酸锂调制器；

按照本发明建立的射频信号高阶调制传输函数数学模型，及不同N值时高阶调制参数设置对照表，通过改变电衰减器衰减量、电移相器移相角度及直流稳压源输出电压值，使得对应不同N值的调制指数、射频相位差、直流偏压等参数相互匹配，能够改变高次谐波谱功率，对射频信号进行可调谐的高阶调制。本发明中射频信号高阶调制原理及实现步骤如下：

根据双驱动铌酸锂调制器的双电极特性和波导对称性，对双驱动铌酸锂调制器波导的频率响应函数进行泰勒展开和贝赛尔函数转换，上下电极作用下的光波相互干涉，得到简化后的双驱动铌酸锂调制器输出电场表达式为：

\begin{matrix} E_{MZM} (t) = \frac{1}{2} E_{in} (t) [2 \cos θ J_{0} (m) \\ + (2 jexp (jθ) \sin (ωt) + 2 jexp (- jθ) \sin (ωt + ψ)) J_{1} (m) \\ + (2 jexp (jθ) \cos (2 ωt) + 2 jexp (- jθ) \cos (2 ωt + 2 ψ)) J_{2} (m) \\ + (2 jexp (jθ) \sin (3 ωt) + 2 jexp (- jθ) \sin (3 ω + 3 ψ)) J_{3} (m) \\ + (2 jexp (jθ) \cos (4 ωt) + 2 jexp (- jθ) \cos (4 ωt + 4 ψ)) J_{4} (m)] \end{matrix}

上式中2cosθJ₀(m)、(2jexp(jθ)sin(ωt)+2jexp(-jθ)sin(ωt+ψ))J₁(m)、(2jexp(jθ)cos(2ωt)+2jexp(-jθ)cos(2ωt+2ψ))J₂(m)、(2jexp(jθ)sin(3ωt)+2jexp(-jθ)sin(3ωt+3ψ))J₃(m)和(2jexp(jθ)cos(4ωt)+2jexp(-jθ)cos(4ωt+4ψ))J₄(m)]五个子项分别表示包含正负阶的N阶边带分量，N取0、1、2、3、4，根据需要的N值不同，调整m、Ψ和θ的值，从而改变子项中的分量系数，抑制非N阶分量，使非N阶边带分量系数等于0，实现可调谐射频信号高阶调制。由以上传输函数数学模型得到不同N值时，调制指数、射频相位差和直流偏压的参数设置关系如表1所示；

表1

f_RF为输入的射频信号频率，f_s为反向斯托克斯光与窄线宽半导体激光器输出的光信号的频偏。双驱动铌酸锂调制器对射频信号进行N阶调制，利用该全光微波光子变频装置，输出中频信号频率为|Nf_RF-f_s|，其频率随N值改变。

反向斯托克斯光和调制光在单模保偏光纤中合路后经由光环形器的第三端口输出至光电探测器，反向斯托克斯光作为光本振信号，与光信号中的N阶射频分量在光电探测器中完成拍频及光电变换，得到包括反向斯托克斯光和N阶射频分量的差频分量在内的多个频率分量后，输出至低通滤波器，经低通滤波后输出中频信号，从而完成全光微波光子变频过程。

附图2所示为本发明中无外部电本振可调谐的全光微波光子变频实现过程光谱简化图。分光器输出光信号分为泵浦光和调制光两路，如图所示。泵浦光经过饱和受激布里渊散射作用后在偏移量f_B处产生反向斯托克斯光信号，可以看出经过受激布里渊散射后，一部分泵浦光功率转移至斯托克斯光。经过非线性光环路的选路传输作用，斯托克斯光与泵浦光分路隔离。

调制光经过双驱动铌酸锂调制对射频信号进行高阶调制，N阶射频分量功率最大，其他如非N阶射频分量和调制光载波分量功率均被抑制。之后包含N阶射频分量的调制光信号与斯托克斯光经环形器作用完成合路，最后经过光电探测器和低通滤波器完成斯托克斯光和N阶射频分量的拍频及低通滤波，输出纯净的中频信号。

本发明不需要外界提供电本振源，降低光本振生成过程的杂波和噪声干扰，通过非线性光环路的选路传输作用，能够很好的隔离高功率泵浦光对变频性能的影响，且改变N的数值，能够提高系统频率可调谐性。

附图3所示为输入射频信号10GHz，到达调制器的功率0dBm，N＝1时，利用无外部电本振可调谐的全光微波光子变频方法得到的1GHz中频信号频谱图。可以看出输出中频信号频谱中杂散抑制比达到68dB。这是因为本发明避免了光本振生成过程的杂波干扰，并且对高功率泵浦光分量进行了很好的分路隔离。该微波光子变频装置能够有效抑制杂波干扰，具有很高的频谱纯净度。

本发明针对现有微波光子变频中光本振生成过程引入的噪声和额外杂波干扰等方面的不足，实现了无外部电本振可调谐的全光微波光子变频，降低光本振生成过程对变频信号的杂波和噪声影响。通过非线性光环路的选路传输作用，能够很好的隔离高功率泵浦光对变频性能的影响，有效抑制杂波干扰，具有很高的频谱纯净度。且通过高阶调制作用，提高全光微波光子变频的频率可调谐性。

本发明应用场景：

本发明在不需要提供外部电本振源情况下实现可调谐的全光微波光子变频，降低了光本振信号生成产生的杂波和噪声干扰，可以应用于对信号频谱纯净度要求较高的变频系统；同时，本发明具有频率可调谐性，适用于需要多种频率输出的变频系统；与光集成技术结合，本发明还可以应用于多路并行结构的时分/波分复用变频系统。另外，本发明采用光学结构设计，在对电磁兼容能力、重量和功耗要求较高的变频系统中也有广阔的应用前景。

本发明未作详细描述的内容属于本领域技术人员公知常识。

Claims

1.一种无外部电本振可调谐的全光微波光子变频装置，其特征在于包括：窄线宽半导体激光器、非线性光环路、光电探测器和低通滤波器；

2.根据权利要求1所述一种无外部电本振可调谐的全光微波光子变频装置，其特征在于：所述单模保偏光纤中激发饱和受激布里渊散射，产生反向斯托克斯光；具体为：

3.根据权利要求1所述一种无外部电本振可调谐的全光微波光子变频装置，其特征在于：所述双驱动铌酸锂调制器对输入的射频信号在光载波上进行高阶调制；具体为：

\begin{matrix} E_{MZM} (t) = \frac{1}{2} E_{in} (t) [2 \cos θ J_{0} (m) \\ + (2 jexp (jθ) \sin (ωt) + 2 jexp (- jθ) \sin (ωt + ψ)) J_{1} (m) \\ + (2 jexp (jθ) \cos (2 ωt) + 2 jexp (- jθ) \cos (2 ωt + 2 ψ)) J_{2} (m) \\ + (2 jexp (jθ) \sin (3 ωt) + 2 jexp (- jθ) \sin (3 ω + 3 ψ)) J_{3} (m) \\ + (2 jexp (jθ) \cos (4 ωt) + 2 jexp (- jθ) \cos (4 ωt + 4 ψ)) J_{4} (m)] \end{matrix}

表1

N 调制指数射频相位差直流偏压 1 / 0.5π 0.75π 2 / π 0 3 3.8 π 0.5π 4 5.1 π 0

当N＝3时，改变电衰减器衰减量使调制器的调制指数m＝3.8，电移相器对射频信号移相π，即180°，直流稳压源调整输入调制器电压角度值为0.5π，此时得到的中频信号频率为|3f_RF-f_s|；