CN104597686B - 微波光子级联系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微波光子级联系统，包括：级联的至少一个光子装置和至少一个微波装置。至少一个光子装置包括：具有将微波信号变换为光信号的MZM调制器、将光信号变换为电信号的光电探测器、激光器、光放大器、光滤波器的常规光子模块，以及对光信号进行处理的非线性补偿模块。非线性补偿模块对0阶边带光谱进行功率衰减，并对0阶边带光谱或±2阶边带光谱的相位进行移相。根据本发明实施例的微波光子级联系统，通过对0阶边带光谱进行功率衰减，并对0阶边带光谱或±2阶边带光谱的相位进行移相，可以实现对光子系统以及微波系统非线性的补偿，因此提高了微波系统乃至整个级联系统的无失真动态范围。
Description
技术领域
本发明涉及微波技术领域，特别涉及一种微波光子级联系统。
背景技术
微波光子系统是一种利用光子手段实现微波信号的传输和处理的系统。其具有频率高、带宽大、抗电磁干扰、传输距离远等特性，已被应用于雷达系统、无线通信、射电天文学等诸多领域。在实际应用中，该系统总是与已有的微波系统级联使用，或者光子系统在前，或者光子系统在后。
对光子系统的非线性补偿，包括电子手段和光子手段。电子手段主要为使用预失真电路对信号产生与光子系统非线性特性相反的非线性，以对实现非线性的补偿。然而电子手段虽然较为成熟，但是其应用频率低，带宽小，通常只有几个GHz，无法满足对于微波频段甚至毫米波频段的频率和带宽需求。另外，现有的方式着重对调制器的结构或电路进行重新设计，然而这种方式对于系统的升级成本高，应用范围非常局限，且不具备可重构可编程控制的动态灵活特性，这些技术并没有针对光子系统与微波系统级联的系统进行非线性的补偿。
而对于微波系统的非线性补偿，虽然在电子学领域已比较成熟，包括前馈、反馈、数字预失真、模拟预失真等方式。然而，这些方式仍然受限于电子技术的瓶颈，无法满足未来对信号带宽、频率、线性度改善程度的需求。
综上所述可知，无论是针对光子系统还是微波系统的非线性补偿，均具有其应用的局限性和缺陷，且都只在独立的系统中实现非线性的补偿，而没有实现光子系统与微波系统级联系统的非线性补偿。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。
为此，本发明需要提供一种微波光子级联系统。
有鉴于此，本发明的实施例提出一种微波光子级联系统，包括：级联的至少一个光子装置和至少一个微波装置，其特征在于，所述至少一个光子装置包括：具有将微波信号变换为光信号的MZM调制器、将光信号变换为电信号的光电探测器、激光器、光放大器、光滤波器的常规光子模块；以及对所述光信号进行处理，并对所述至少一个光子装置中的光信号进行补偿处理的非线性补偿模块，所述非线性补偿模块对0阶边带光谱进行功率衰减，并对0阶边带光谱或±2阶边带光谱的相位进行移相。
根据本发明实施例的微波光子级联系统，通过对0阶边带光谱进行功率衰减，并对0阶边带光谱或±2阶边带光谱的相位进行移相，可以实现对光子系统本身非线性以及对微波系统非线性的补偿，因此提高了微波系统乃至整个级联系统的无失真动态范围。由于光子系统与微波系统属级联关系，独立于微波系统，因此该方法具有升级灵活、适应范围广的特点，降低了系统升级的复杂度。本发明具有应用频率高、带宽大、调节灵活、可编程控制、可适用于任意结构的光子系统和微波系统等优点
在本发明的一个实施例中，所述至少一个光子装置位于所述至少一个微波装置之前，或所述至少一个微波装置之后。
在本发明的一个实施例中，所述非线性补偿模块对0阶边带光谱进行功率衰减αP，并对0阶边带光谱或±2阶边带光谱的相位进行移相以操作基频和IMD3交调失真频率的幅度和相位，实现非线性补偿。
在本发明的一个实施例中，
所述基频通过如下公式表示，所述公式为，
其中，为光电探测器的响应度，ED为到达光电探测器的光幅度，为所述MZM调制器偏置点所引起的相位，Vb为所述MZM调制器的偏置电压，Vπ为所述MZM调制器的半波电压，JX为X阶第一类贝塞尔函数，mi＝πVi/2Vπ为调制系数，V1、V2为光子装置输入信号中基频信号幅度，V3、V4为IMD3信号幅度，Ω1为基频，t为时间，为常数相移。
在本发明的一个实施例中，
所述IMD3交调失真频率通过如下公式表示，所述公式为，
其中，为光电探测器的响应度，ED为到达光电探测器的光幅度，为所述MZM调制器偏置点所引起的相位，Vb为所述MZM调制器的偏置电压，Vπ为所述MZM调制器的半波电压，JX为X阶第一类贝塞尔函数，mi＝πVi/2Vπ为调制系数，V1、V2为光子装置输入信号中基频信号幅度，V3、V4为IMD3信号幅度，Ω4为IMD3交调失真频率，t为时间，为常数相移。
在本发明的一个实施例中，所述非线性补偿模块通过控制所述功率衰减αP和移相以实现所述IMD3交调失真频率的抑制而保留基频频率。
在本发明的一个实施例中，所述非线性补偿模块为光谱带阻滤波器或可编程光谱滤波器。
在本发明的一个实施例中，当所述非线性补偿模块为可编程光谱滤波器时，所述非线性补偿模块包括：多路解复用器，用于对所述多边带光谱进行光谱空间分离；子调制器阵列，用于对分离后的所述光谱中各边带进行独立的幅度衰减和相位的相移，以抑制所述交调失真频率；以及多路复用器，用于将经过所述子调制器阵列处理的多边带光谱进行合并。
在本发明的一个实施例中，所述常规光子模块包括：激光器，用于产生光载波；MZM调制器，用于将微波信号调制到光信号；常规光子信号处理模块，包括光放大器、光滤波器、光纤，用于对补偿后的所述激光信号进行放大、滤波和传输处理；以及光电探测器，用于探测处理后的所述光信号以获得所述微波信号。
在本发明的一个实施例中，所述至少一个微波装置具体包括：微波滤波器、微波放大器、微波混频器中的一种或多种组合。因此，可实现微波信号的放大、滤波或混频。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中，
图1为根据本发明一个实施例的微波光子级联系统的结构框图；
图2为根据本发明一个实施例的微波装置与光子装置相连(电光级联)的系统结构示意图；
图3为根据本发明实施例的补偿模块的结构框图；
图4为根据本发明一个实施例的光子装置与微波装置相连(光电级联)的系统结构示意图；
图5为根据本发明实施例的一种由带阻滤波器构成的补偿模块实施例的光谱响应示意图；
图6为根据本发明实施例的微波装置输出的信号频谱；
图7为根据本发明实施例的微波装置的动态范围性能图；
图8为根据本发明实施例的补偿处理前后的信号频谱变化示意图；
图9为根据本发明实施例的补偿处理前后对整个系统的性能提升示意图；
图10为根据本发明另一实施例(光电级联)的补偿处理前后的信号频谱变化示意图；
图11为根据本发明另一实施例(光电级联)的补偿处理前后对整个系统的性能提升示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1为根据本发明一个实施例的微波光子级联系统的结构框图。如图1所示，根据本发明实施例的微波光子级联系统，包括：级联的光子装置100和微波装置200，其中光子装置100包括常规光子模块110和非线性补偿模块120。
具体地，常规光子模块110用于将所接收到的微波信号变换为光信号、对光信号进行常规的放大、滤波、传输处理并将光信号变换回微波信号。非线性补偿模块120对光子装置100中的光信号进行非线性补偿处理，具体的是对0阶边带光谱进行功率衰减，并对0阶边带光谱或±2阶边带光谱的相位进行移相。
图2为根据本发明一个实施例的微波装置与光子装置相连(电光级联)的系统结构示意图。如图2所示，根据本发明实施例的微波光子级联系统包括光子装置100和微波装置200。
具体地，微波装置200接收微波信号，并将所微波信号发送给光子装置100，由光子装置100对微波信号进行补偿、放大、滤波等处理以输出处理后的微波信号。光子装置100包括：激光器111、MZM调制器112、非线性补偿模块120、常规光子信号处理模块113和探测器114。具体而言，MZM调制器112将接收到的微波信号调制到由激光器111所发出的激光上得到多边带光谱并发送给补偿模块120。补偿模块120对所接收激光中微波信号的0阶边带光谱进行功率衰减，并对0阶边带光谱或±2阶边带光谱的相位进行移相以对微波信号进行补偿处理。常规光子信号处理模块113对补偿处理后的信号进行放大、滤波等操作，由探测器114探测经过处理后激光中的微波信号，并输出微波信号。
在本发明的一个实施例中，补偿模块120可以通过对MZM调制器112输出光谱中0阶光谱边带(0-OSB)的功率衰减α(单位dB)以及2阶光谱边带(2-OSB)的相位相移π，以抑制所输出微波信号的三阶交调失真(IMD3)，达到补偿微波信号的目的。除此之外，还可以通过对MZM调制器112输出光谱中0阶光谱边带(0-OSB)的功率衰减α(单位dB)以及0-OSB的相位相移π，以抑制所输出微波信号的三阶交调失真(IMD3)，达到补偿微波信号的目的。本发明的实施例中，使用双音信号作为输入信号，把信号在链路中重要节点的频谱作为对电光、光电级联系统非线性特性的分析以及对非线性补偿性能的评估。所输入的微波信号可表示为，-公式1，其中，V0为所输入微波信号的幅度，Ω1和Ω2分别表示角频率，t为时间。
在本发明的一个实施例中，补偿模块120对0阶边带光谱进行功率衰减αP，并对0阶边带光谱或±2阶边带光谱的相位进行移相以实现所述IMD3交调失真频率的抑制而保留基频频率。
在本发明的一个实施例中，微波装置200所输出的微波信号包含基频及其各阶非线性失真频率。这里只考虑基频及IMD3，从而MZM调制器112的输入信号可表示为具有4个频率的信号，其中，Ω1、Ω2为基频，Ω3、Ω4为IMD3。假设光子装置100中输入的激光为E0exp(jω0t)，其中E0为光场幅度，ω0为激光角频率。在MZM调制器112的输出光谱中，选取0阶光边带、±1阶光边带和±2阶光边带。假设对MZM调制器112输出光谱的0阶边带功率衰减αPdB，对2阶边带相移则探测器114所输出的基频频率可表示为，
-公式2，
其中，为光电探测器的响应度，ED为到达光电探测器的光幅度，为所述MZM调制器偏置点所引起的相位，Vb为所述MZM调制器的偏置电压，Vπ为所述MZM调制器的半波电压，JX为X阶第一类贝塞尔函数，mi＝πVi/2Vπ为调制系数，V1、V2为光子装置输入信号中基频信号幅度，V3、V4为IMD3信号幅度，Ω1为基频，t为时间，为常数相移。
探测器114所输出的IMD3交调失真频率可表示为，
-公式3
其中，为光电探测器的响应度，ED为到达光电探测器的光幅度，为所述MZM调制器偏置点所引起的相位，Vb为所述MZM调制器的偏置电压，Vπ为所述MZM调制器的半波电压，JX为X阶第一类贝塞尔函数，mi＝πVi/2Vπ为调制系数，V1、V2为光子装置输入信号中基频信号幅度，V3、V4为IMD3信号幅度，Ω4为IMD3交调失真频率，t为时间，为常数相移。
在上述公式2中，基频和IMD3均包含两部分，其中一部分的幅度可通过控制0-OSB的幅度加以控制，另一部分的相位可通过控制2-OSB的相位加以控制。故存在功率衰减αP和相位使得IMD3的两部分等幅反相从而相互抵消。通过理论实际实验表明，当时，可实现IMD3的抑制。此外，对0‐OSB的相位相移π与对2‐OSB的相位相移π可达到等同的效果。
在本发明的一个实施例中，补偿模块120可以为光谱带阻滤波器或可编程光谱滤波器。图3为根据本发明实施例的补偿模块的结构框图。如图3所示，当补偿模块120为可编程光谱滤波器时，补偿模块120包括：多路解复用器121、子调制器阵列122和多路复用器123。
具体而言，多路解复用器121用于对所述多边带光谱进行光谱空间分离。子调制器阵列122用于对分离后所述光谱中各边带进行独立的幅度衰减和相位的相移，以抑制所述交调失真频率。多路复用器123用于将经过所述子调制器阵列处理的多边带光谱进行合并。对于微波信号的补偿包括两种方式，一种是对多边带光谱中的0-OSB的幅度进行衰减，对0-OSB的相位移相π，另一种是对多边带光谱中的0-OSB的幅度进行衰减，对±2-OSB的相位移相π。
如图3所示，子调制器阵列122和多路复用器123将光谱中的0-OSB和±2-OSB分离出来，以便链路中的子调制器阵列122对两者进行幅度和相位的控制。多路解复用器121和多路复用器123可使用光栅和透镜构成空间光路型频空复用解复用模块，多路解复用器121与子调制器阵列122之间以及子调制器阵列122与多路复用器123之间为空间光路。多路解复用器121和多路复用器123也可使用阵列波导光栅等光纤型波分复用解复用器件，多路解复用器121与子调制器阵列122之间以及子调制器阵列122与多路复用器123之间由光纤连接。
在本发明的一个实施例中，微波装置200包括微波放大器、微波滤波器和微波混频器中的一种或多种的组合。
如图2和图3所示，输入微波信号经过MZM调制器112和非线性补偿模块120处理后所输出的光谱包含5条光谱边带。假设激光器150的工作波长为1549.3nm，MZM调制器112使用Avanex AM40 40GHz强度调制器，其半波电压约为4.5V，偏置点设置在线性点。另外，微波装置200的放大器为CENTELLAX的UA0L30VM 100kHz-30GHz宽带放大器，其饱和输出功率23dBm，增益30dB，噪声系数约为4.5dB。微波滤波器为17GHz-21GHz的带通滤波器。所有的动态范围测量实验中，输入微波信号使用两个频率分别为17.96GHz和18.04GHz的双音信号。
根据本发明实施例的微波光子级联系统，通过对0阶边带光谱进行功率衰减，并对0阶边带光谱或±2阶边带光谱的相位进行移相，可以实现对光子系统本身非线性以及对微波系统非线性的补偿，因此提高了微波系统乃至整个级联系统的无失真动态范围。由于光子系统与微波系统属级联关系，独立于微波系统，因此该方法具有升级灵活、适应范围广的特点，降低了系统升级的复杂度。
图4为根据本发明另一个实施例的光子装置与微波装置相连(光电级联)的系统结构示意图。如图4所示，根据本发明实施例的微波光子级联系统包括光子装置100和微波装置200。
在本发明的实施例(光电级联)中，对于公式1所示的双音信号通过光子装置100时产生包含基频及各阶非线性失真的频率IMD3。非线性补偿模块120选取光谱中的0阶光边带、±1阶光边带和±2阶光边带，并且对0阶边带功率衰减αP dB，对2阶边带相移则光子装置100输出的基频和IMD3可分别表示为：
其中，I0,0，I0,1分别为0-OSB与±1-OSB所产生的基频光电流振幅和IMD3光电流振幅，I1,0，I1,1分别为±1-OSB与±2-OSB所产生的基频光电流振幅和IMD3光电流振幅。经过处理后，输出信号将产生新的IMD3分量。忽略输入中的IMD3经过微波系统后产生的二次畸变，只考虑输入信号中的基频经微波装置200后所产生的IMD3，假设微波装置200的增益为αAdB，那么新的基频和IMD3频率为
在本发明的实施例中，对于IMD3，经过光电级联系统后将由3部分构成，一部分来自0-OSB与±1-OSB的差拍，一部分来自±1-OSB与±2-OSB的差拍，一部分来自基频经过微波系统后所产生的IMD3Iamp。可以找到合适的αP，使得上式中的三项和为0，实现对IMD3的抑制。理论计算和实验表明，当时，可实现IMD3的抑制。此外，理论也表明，对0-OSB的相位相移π与对2-OSB的相位相移π可达到等同的效果。
图2与图4分别表示本发明的两种实施例，根据用户需求，可以这两种实施例为基础级联多个微波装置200和光子装置100。
图5为根据本发明实施例的一种由带阻滤波器构成的补偿模块实施例的光谱响应示意图。如图5所示，非线性补偿模块120可采用光谱带阻滤波器。光信号的0-OSB(中心光波长λ0)位于该滤波器的阻带，光信号的±1-OSB和±2-OSB位于通带中，且阻带与通带有π的相移差。
图6为根据本发明实施例的微波装置输出的信号频谱。微波装置200在输入微波功率为‐20dBm时的输出如图6所示的信号频谱。其中包含基频和IMD3，载波干扰比(基频和IMD3的功率比)为39.78dB。图7为根据本发明实施例的微波装置的动态范围性能图。如图7所示，在不采取任何非线性补偿措施的情况下，微波系统的动态范围为108.2dB□Hz2/3。
对于如图2所示的微波光子级联系统，当微波输入功率为-15dBm时，在αP＝-20.65dB附近IMD3被完全抑制。图8为根据本发明实施例的补偿处理前后的信号频谱变化。如图8所示，微波输入功率为-20dBm时，补偿非线性前后整个电光级联系统所对应的输出信号频谱变化。补偿前，由于微波系统与光子系统的双重非线性作用，载波干扰比为31.64dB。补偿后，将系统的IMD3抑制，载波干扰比提高至62.54dB，提高了30.9dB。
图9为根据本发明实施例的补偿处理前后对整个系统的性能提升示意图。如图9所示，使用Agilent E4446A测得系统噪底为-151dBm/Hz。补偿前，由于微波装置200与光子装置100的双重非线性作用，整个级联系统的动态范围为93.8dB□Hz2/3。本发明技术对光信号进行处理，抑制整个系统的IMD3，从而将动态范围提升至118.4dB□Hz2/3。整个级联系统动态范围提高了24.6dB。与单纯的微波系统相比，动态范围提高了10.2dB。
对于如图4所示的微波光子级联系统，当微波输入功率为5dBm时，在αP＝-16.14dB附近IMD3被完全抑制。图10为根据本发明另一实施例(光电级联)的补偿处理前后的信号频谱变化示意图。如图10所示在微波输入功率为7dBm时，补偿前，由于光子装置100与微波装置200的双重非线性作用，载波干扰比为37.7dB。补偿后，将系统的IMD3进行抑制，载波干扰比提高至67.7dB，提高了30dB。
图11为根据本发明另一实施例(光电级联)的补偿处理前后对整个系统的性能提升示意图。如图11所示，使用Agilent E4446A测得系统噪底为-120dBm/Hz。补偿前，由于光子装置100与微波装置200的双重非线性作用，整个级联系统的动态范围为93.8dB□Hz2/3。经过处理可抑制整个系统的IMD3，从而将动态范围提升至114.1dB□Hz2/3。整个级联系统动态范围提高了20.3dB。与单纯的微波系统相比，动态范围提高了6dB。
本发明利用MZM调制器本身的非线性所产生的多边带光谱特性，对光信号0阶光谱边带和2阶光谱边带进行处理，实现了MZM调制器非线性的全光后补偿，以及微波装置非线性的全光后补偿(电光级联)和全光预失真(光电级联)。本发明具有应用频率高、带宽大、调节灵活、可编程控制、可适用于任意结构的光子系统和微波系统等优点。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种微波光子级联系统，包括：级联的至少一个光子装置和至少一个微波装置，其特征在于，所述至少一个光子装置包括：
具有将微波信号变换为光信号的MZM调制器、将光信号变换为电信号的光电探测器、激光器、光放大器、光滤波器的常规光子模块；以及
对所述光信号进行处理，并对所述至少一个光子装置中的光信号进行补偿处理的非线性补偿模块，
所述非线性补偿模块对0阶边带光谱进行功率衰减αP，并对0阶边带光谱或±2阶边带光谱的相位进行移相以操作基频和IMD3交调失真频率的幅度和相位，实现非线性补偿。
2.如权利要求1所述的微波光子级联系统，其特征在于，所述至少一个光子装置位于所述至少一个微波装置之前，或所述至少一个微波装置之后。
3.如权利要求1所述的微波光子级联系统，其特征在于，所述基频通过如下公式表示，所述公式为，
其中，为光电探测器的响应度，ED为到达光电探测器的光幅度，为所述MZM调制器偏置点所引起的相位，Vb为所述MZM调制器的偏置电压，Vπ为所述MZM调制器的半波电压，JX为X阶第一类贝塞尔函数，mi＝πVi/2Vπ为调制系数，V1、V2为光子装置输入信号中基频信号幅度，V3、V4为IMD3信号幅度，Ω1为基频，t为时间，为常数相移。
4.如权利要求1所述的微波光子级联系统，其特征在于，所述IMD3交调失真频率通过如下公式表示，所述公式为，
其中，为光电探测器的响应度，ED为到达光电探测器的光幅度，为所述MZM调制器偏置点所引起的相位，Vb为所述MZM调制器的偏置电压，Vπ为所述MZM调制器的半波电压，JX为X阶第一类贝塞尔函数，mi＝πVi/2Vπ为调制系数，V1、V2为光子装置输入信号中基频信号幅度，V3、V4为IMD3信号幅度，Ω4为IMD3交调失真频率，t为时间，为常数相移。
5.如权利要求3或4所述的微波光子级联系统，其特征在于，所述非线性补偿模块通过控制所述功率衰减αP和移相以实现所述IMD3交调失真频率的抑制而保留基频频率。
6.如权利要求1所述的微波光子级联系统，其特征在于，所述非线性补偿模块为光谱带阻滤波器或可编程光谱滤波器。
7.如权利要求6所述的微波光子级联系统，其特征在于，当所述非线性补偿模块为可编程光谱滤波器时，所述非线性补偿模块包括：
多路解复用器，用于对多边带光谱进行光谱空间分离；
子调制器阵列，用于对分离后的所述光谱中各边带进行独立的幅度衰减和相位的相移，以抑制所述交调失真频率；以及
多路复用器，用于将经过所述子调制器阵列处理的多边带光谱进行合并。
8.如权利要求1所述的微波光子级联系统，其特征在于，所述常规光子模块包括：
激光器，用于产生光载波；
MZM调制器，用于将微波信号调制到光信号；
常规光子信号处理模块，包括光放大器、光滤波器、光纤，用于对补偿后的激光信号进行放大、滤波和传输处理；以及
光电探测器，用于探测处理后的所述光信号以获得所述微波信号。
9.如权利要求6所述的微波光子级联系统，其特征在于，所述至少一个微波装置为微波滤波器、微波放大器、微波混频器中的一种或多种组合。
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