CN106027152B - 一种基于马赫增德尔调制器8倍频产生120GHz毫米波的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于马赫增德尔调制器8倍频产生120GHz毫米波的方法，方法如下：利用马赫增德尔调制器和布拉格光纤光栅组合，实现偶数阶谐波调制，控制第一马赫增德尔调制器的调制指数，实现2阶边带以上所有边带可忽略不计，利用滤波器滤除0阶边带，布拉格光纤光栅将2阶边带分成四个频率分量为频率分量2和频率分量3、频率分量1和频率分量4，其中频率分量2和频率分量3经光电探测器产生电信号，将此电信号作为本振源作用在第二马赫增德尔调制器上，实现频率分量1和频率分量4上边带调制。本发明使用双激光器来产生毫米波的技术，本身就能很有效的降低光纤色散，且结构简单，能够产生高频段、高质量的毫米波。

Description

一种基于马赫增德尔调制器8倍频产生120GHz毫米波的方法

技术领域

本发明属于一种基于马赫增德尔调制器8倍频产生120GHz毫米波的方法。

背景技术

人们对信息需求的不断增加，目前无线频谱资源已经非常的紧张了，无线通信系统必须利用更高频率的载波进行通信，Radio over Fiber(RoF)技术就是一种将光和毫米波结合的通信技术，可以同时实现功耗低、易于安装、带宽宽，可以避免干扰的优点。近年来已成为国际研究热点之一了。

在RoF系统的众多关键技术中，高质量毫米波的产生更是提高RoF系统性能和降低系统造价的关键技术。随着微波光子技术的发展，利用微波光子学来产生高频、高稳定度的毫米波具有更显著得优势。目前该领域的研究热点是如何获得高质量、高频段的光生毫米波信号，包括高纯度毫米波信号的生成以及克服光纤色散效应的毫米波信号传输。毫米波信号光学生成技术有光外差法，外调制法，基于非线性调制四波混频效应法以及受激布里渊散射法等。在这些方法中，光外调制法因其具有系统结构简单、操作稳健且频率可调谐的优点得到了广泛的应用。光外调制法已经设计出了各种各样的微波倍频系统，使用的调制器件有强度调制器，马赫增德尔调制器，偏振调制器和相位调制器等。在这些外调制器当中，马赫增德尔调制器既可以调制强度又可以调制相位，使用非常灵活，在不同的偏置电压下，可实现抑制载波、抑制偶数阶谐波和抑制奇数阶谐波等优点，已越来越受到广泛的关注和应用。

为了产生高频、高稳定度的毫米波，本专利提出了一种基于马赫增德尔调制器8倍频产生120GHz毫米波的方法。该方案产生的毫米波没有相位噪声，稳定性高，频谱纯度高，结构简单并能有效降低光纤色散。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述缺陷，提供一种基于马赫增德尔调制器8倍频产生120GHz毫米波的方法，设计合理，没有相位噪声，稳定性高，频谱纯度高，结构简单并能有效降低光纤色散。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于马赫增德尔调制器8倍频产生120GHz毫米波的方法，其特征在于：方法如下：

利用马赫增德尔调制器和布拉格光纤光栅组合，实现偶数阶谐波调制，控制第一马赫增德尔调制器的调制指数，实现2阶边带以上所有边带可忽略不计，利用滤波器滤除0阶边带，布拉格光纤光栅将2阶边带分成四个频率分量为频率分量2和频率分量3、频率分量1和频率分量4，其中频率分量2和频率分量 3经光电探测器产生电信号，将此电信号作为本振源作用在第二马赫增德尔调制器上，实现频率分量1和频率分量4上边带调制；调节第二马赫增德尔调制器的调制指数，实现1阶边带以上都可忽略，利用布拉格光纤光栅选择2个有相同初相位的边带进行拍频，得到的毫米波信号消除了激光器的相位噪声。

作为一种优化的技术方案，具体方法如下：

激光器1和激光器2发出两束光波频率分别为f₁和f₂，注入到第一马赫增德尔调制器中，注入光波的偏振方向经偏振控制器PC1和PC2调整使之与第一马赫增德尔调制器的偏振方向一致，两束光经光纤耦合器OC1进入第一马赫增德尔调制器中，频率为f_RF的射频本振信号作用在第一马赫增德尔调制器上，第一马赫增德尔调制器处于偶数阶边带调制，直流偏压调制到第一马赫增德尔调制器的工作的最小点，上臂相位移动为π/2，上下臂相位差π，调节第一马赫增德尔调制器的调制指数，2阶边带以上的其他边带可被忽略不计，利用光滤波器滤除0阶边带，最后只剩下2阶边带，此时有四个频率分量为频率分量1、频率分量2、频率分量3、频率分量4，分别为f₁-2f_RF、f₁+2f_RF、f₂-2f_RF、f₂+2f_RF，这四个频率分量经掺饵光纤放大器放大后经光环形器到第一布拉格光纤光栅后四个频率分量分开成频率分量2、频率分量3和频率分量1、频率分量4，其中频率分量2、频率分量3经光电探测器产生电信号，此时的电信号存在相位噪声，无法直接作为毫米波来使用。将此电信号作为本振源作用在第二马赫增德尔调制器上，频率分量1、频率分量4经过时间延长器使得从光环行器到第二马赫增德尔调制器的两路的时间相同，第二马赫增德尔调制器处于单边带调制，直流偏压调制到第二马赫增德尔调制器的工作的最大点，相位差为π/2，信号1、4 经单边带调制后，调节第二马赫增德尔调制器调制指数，1阶以上的谐波可以被忽略不计，此时有4个频率分量为频率分量1、频率分量4、频率分量5、频率分量6，分别为f₁-2f_RF、f₂+2f_RF、f₂+△f-2f_RF、f₁+△f-6f_RF，其中△f＝f₁-f₂，△f是两激光器输出光信号的频率间隔，数值取决于电信号相位噪声其中f₁和f₂是激光器1和激光器2发出的两束光波频率，数值取决于两激光器的随机初相位和其中频率分量4和频率分量6有相同的相位，经过布拉格光纤光栅选出频率分量4、频率分量6，经过掺饵光纤放大器放大后，在经过光电探测器拍频，得到8倍频的120GHz的毫米波。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明使用双激光器来产生毫米波的技术，本身就能很有效的降低光纤色散，本身不需要参考信号源，产生的毫米波不存在激光的相位噪声，且结构简单，能够产生高频段、高质量的毫米波。

同时下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1一种基于马赫增德尔调制器8倍频产生120GHz毫米波的方案图。

图2本发明中第一个马赫增德尔调制器在偶数阶边带调制下的输出光谱图。

图3本发明中经过滤波器后的输出光谱图。

图4本发明中第二个马赫增德尔调制器调制后的光谱图。

图5本发明中经光电探测器后产生的8倍频的120GHz射频信号的波形图。

具体实施方式

实施例：

参见图1-5，一种基于马赫增德尔调制器8倍频产生120GHz毫米波的方案，包括激光器1、激光器2、偏振控制器3、偏振控制器4、射频信号源5，移相器 6，移相器7，光纤耦合器8、第一马赫增德尔调制器9，光滤波器10，掺铒光纤放大器11，光环行器12，第一布拉格光纤光栅13，光电探测器14，隔直器 15，时间延迟器16，第二马赫增德尔调制器17，移相器18，第二布拉格光纤光栅19，掺饵光纤放大器20，光电探测器21。

激光器1和激光器2发出频率分别为193.365THz和193.475THz的光波作为光载波(初相位分别为和)，两频率间隔为120GHz，两激光器发出两束光波，分别经过偏振控制器3和偏振控制器4，使注入的光波的偏振方向与第一马赫增德尔调制器9的偏振方向一致，两束光波经耦合器8耦合到一根光纤上，频率f_RF＝15GHz的射频信号源5作用在第一马赫增德尔调制器9上，直流偏压调制到马赫增德尔调制器的工作的最小点，上臂有一移相器移动6相位为π/2，上下臂之间有一移相器7移动相位为π，第一马赫增德尔调制器9实现偶数阶边带输出调制，调节调制器的调制指数为1.201，使得输出的高于2阶的边带可忽略不计，利用光滤波器10滤除0阶的边带，得到4个频率分量1、2、3、 4，分别为f₁-2f_RF、f₁+2f_RF、f₂-2f_RF、f₂+2f_RF，如图1的(a)所示，四个频率分量先经过掺铒光纤放大器11放大后到达光环行器12，先到达第一布拉格光纤光栅13选出频率分量2，频率分量3，反射频率分量1，4。通过的频率分量2，频率分量3经过光电探测器14拍频后产生一个频率为60GHz的电信号，但此电信号存在相位噪声将得到的电信号经过隔直器15，滤除直流分量，作用在第二个马赫增德尔调制器17上，被反射的频率分量1，频率分量4经光环行到达时间延迟器16后作为新的光载波进入第二个马赫增德尔调制器17，时间延迟器16使得从光环行器16到达第二个马赫增德尔调制器17的时间相同，第二个马赫增德尔调制器17处于单边带调制(上边带调制)，直流偏压调制到马赫增德尔调制器的工作的最大点，上下臂有一移相器18为π/2，实现单边带上边带调制，调节调制器的调制指数为0.393，使得除1阶以外边带都可忽略不计，此时有4个频率分量为频率分量1、频率分量4、频率分量5、频率分量6，分别为f₁-2f_RF、f₂+2f_RF、f₂+△f-2f_RF、f₁+△f-6f_RF，如图1的(b)所示，其中△f＝f₁-f₂，△f是两激光器输出光信号的频率间隔，数值取决于电信号相位噪声其中f₁和f₂是激光器1和激光器2发出的两束光波频率，数值取决于两激光器的随机初相位和其中频率分量4和频率分量6有相同的相位，经过第二布拉格光纤光栅19选出频率分量4，频率分量6，经过掺饵光纤放大器20 放大后，在经过光电探测器21拍频，得到8倍频的120GHz的毫米波。这个电信号不存在激光器的相位噪声。

激光器1和激光器2：两激光器是单频激光器，分别发出出频率分别为 193.365THz和193.475THz的光波作为光载波(初相位分别为和)。

偏振控制器：使注入的光载波的偏振方向与马赫增德尔调制器的偏振方向一致。偏振控制器是指能将任意输入的偏振态转变为任意期望输出偏振态的器件。在光纤相干通信系统中，仅当信号光场与本振光场的偏振态一致时，才能得到预期的外差接收高灵敏度。然而由于单模光纤双折射特性，光纤输出光偏振态会随温度、压力和弯曲等各种因素而变化，引起信号光与本振光之间偏振态失配，从而影响接收机灵敏度。另外，在使用保偏光纤作为传感光纤的相干测量系统中，往往要求入射光的偏振方向与光纤的双折射主轴之一重合，以满足测量的需求。

光耦合器亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管 (LED)，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。光耦合器的作用是将光波耦合到一根光纤上。

移相器(Phaser)能够对波的相位进行调整的一种装置。任何传输介质对在其中传导的波动都会引入相移，这是早期模拟移相器的原理；现代电子技术发展后利用A/D、D/A转换实现了数字移相，顾名思义，它是一种不连续的移相技术，但特点是移相精度高。移相器的作用是将相位移动一定的值。

射频信号源的作用是发出射频信号，其射频信号源常用于校准频谱分析仪、调制度分析仪、功率计、频率计、射频毫伏表、高频数字示波器等众多射频无线电测量仪器。

马赫增德尔调制器将射频信号加载到光载波上并同时调节强度和相位。其工作原理将输入光分成两路相等的信号分别进入调制器的两个光支路这两个光支路采用的材料是电光性材料，其折射率随外部施加的电信号大小而变化。由于光支路的折射率变化会导致信号相位的变化，当两个支路信号调制器输出端再次结合在一起时，合成的光信号将是一个强度大小变化的干涉信号，相当于把电信号的变化转换成了光信号的变化，实现了光强度的调制。简而言之，该调制器通过控制其偏置电压，可以实现不同边带的调制。

光滤波器的作用是滤除不需要的光分量。光滤波器是用来进行波长选择的仪器，它可以从众多的波长中挑选出所需的波长，而除此波长以外的光将会被拒绝通过。它可以用于波长选择、光放大器的噪声滤除、增益均衡、光复用/解复用。

光环行器，使光沿着规定的方向传输，其本身是一种多端口的具有非互易特性的光器件。光信号由任一端口输入时，都能按图示的数字顺序从下一端口以很小的损耗输出，而该端口通向所有其他端口的损耗都很大，成为不相通端口。要求环行器相通端口间的插入损耗小(例如1至2dB)，不相通端口间的隔离度大(例如30dB)。

时间匹配器的作用是实现从光环行器到达新型双边带马赫增德尔调制器的两路时间相同。

布拉格光纤光栅：选择所需的光分量，反射不需要的光分量。光电探测器：实现两光的拍频，得到一个电信号。隔直器：滤除直流分量。掺饵光纤放大器：实现光的放大。

本发明使用双激光器来产生毫米波的技术，本身就能很有效的降低光纤色散，本身不需要参考信号源，产生的毫米波不存在激光的相位噪声，且结构简单，能够产生高频段、高质量的毫米波。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于马赫增德尔调制器8倍频产生120GHz毫米波的方法，其特征在于：

方法如下：

利用马赫增德尔调制器和布拉格光纤光栅组合，实现偶数阶谐波调制，控制第一马赫增德尔调制器的调制指数，实现2阶边带以上所有边带可忽略不计，利用滤波器滤除0阶边带，布拉格光纤光栅将2阶边带分成四个频率分量为频率分量2和频率分量3、频率分量1和频率分量4，其中频率分量2和频率分量3经光电探测器产生电信号，将此电信号作为本振源作用在第二马赫增德尔调制器上，实现频率分量1和频率分量4上边带调制；调节第二马赫增德尔调制器的调制指数，实现1阶边带以上都可忽略，利用布拉格光纤光栅选择2个有相同初相位的边带进行拍频，得到的毫米波信号消除了激光器的相位噪声。

2.根据权利要求1所述的基于马赫增德尔调制器8倍频产生120GHz毫米波的方法，其特征在于：

具体方法如下：

激光器1和激光器2发出两束光波频率分别为f₁和f₂，注入到第一马赫增德尔调制器中，注入光波的偏振方向经偏振控制器PC1和PC2调整使之与第一马赫增德尔调制器的偏振方向一致，两束光经光纤耦合器OC1进入第一马赫增德尔调制器中，频率为f_RF的射频本振信号作用在第一马赫增德尔调制器上，第一马赫增德尔调制器处于偶数阶边带调制，直流偏压调制到第一马赫增德尔调制器的工作的最小点，上臂相位移动为π/2，上下臂相位差π，调节第一马赫增德尔调制器的调制指数，2阶边带以上的其他边带可被忽略不计，利用光滤波器滤除0阶边带，最后只剩下2阶边带，此时有四个频率分量为频率分量1、频率分量2、频率分量3、频率分量4，分别为f₁-2f_RF、f₁+2f_RF、f₂-2f_RF、f₂+2f_RF，这四个频率分量经掺饵光纤放大器放大后经光环形器到第一布拉格光纤光栅后四个频率分量分开成频率分量2、频率分量3和频率分量1、频率分量4，其中频率分量2、频率分量3经光电探测器产生电信号，此时的电信号存在相位噪声，无法直接作为毫米波来使用；将此电信号作为本振源作用在第二马赫增德尔调制器上，频率分量1、频率分量4经过时间延长器使得从光环行器到第二马赫增德尔调制器的两路的时间相同，第二马赫增德尔调制器处于单边带调制，直流偏压调制到第二马赫增德尔调制器的工作的最大点，相位差为π/2，信号1、4经单边带调制后，调节第二马赫增德尔调制器调制指数，1阶以上的谐波可以被忽略不计，此时有4个频率分量为频率分量1、频率分量4、频率分量5、频率分量6，分别为f₁-2f_RF、f₂+2f_RF、f₂+△f-2f_RF、f₁+△f-6f_RF，△f＝f₁-f₂，其中△f是两激光器输出光信号的频率间隔，数值取决于电信号相位噪声其中f₁和f₂是激光器1和激光器2发出的两束光波频率，数值取决于两激光器的随机初相位和其中频率分量4和频率分量6有相同的相位，经过布拉格光纤光栅选出频率分量4、频率分量6，经过掺饵光纤放大器放大后，在经过光电探测器拍频，得到8倍频的120GHz的毫米波。