CN106027153B - 基于新型双边带马赫增德尔调制器产生60GHz毫米波的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于新型双边带马赫增德尔调制器产生60GHz毫米波的方法，方法如下：利用马赫增德尔调制器和光纤光栅组合，先利用一个马赫增德尔调制器实现光载波抑制调制，控制其调制指数，实现除1阶边带以外的所有边带可忽略不计，再利用2个马赫增德尔调制器并联组合成新型双边带马赫增德尔调制器，实现双边带调制并且可以完全抑制2阶边带，调节调制指数，除0阶和1阶边带外的所有边带可忽略不计。所得边带中有两组边带的相位是相同的，用光纤光栅选择后经过光电探测器的拍频，得到电域无相位噪声的60GHz毫米波信号。本发明能够产生两个相同的毫米波，使得整个系统的使用效率大幅度的提高。

Description

基于新型双边带马赫增德尔调制器产生60GHz毫米波的方法

技术领域

本发明属于一种基于新型双边带马赫增德尔调制器产生60GHz毫米波的方法。

背景技术

光载射频(RadiooverFiber，RoF)技术是一种结合了光纤通信和微波通信的新型通信技术。在RoF系统中，高质量，高频段的毫米波的产生是提高RoF 系统性能和降低RoF系统造价的关键技术，已有许多毫米波的产生方案被提出。

随着微波光子技术的发展，采用微波光子学来产生高频段，高稳定度的毫米波更具有明显的优势。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是近年来的研究热点之一。现在产生毫米波信号的光学生成技术有很多，比如光外差法，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。在这些产生毫米波信号的方法中，光外调制法有系统结构简单、操作稳健且频率可调谐的优点得到了广泛的应用。各种各样的光外调制法的微波倍频系统已经产生，使用的有强度调制器，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，马赫增德尔调制器可以同时调制强度和相位，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，已经越来越受到广泛的关注和应用。

为了产生高频段、高稳定度的毫米波，本专利提出一种基于新型双边带马赫增德尔调制器产生60GHz毫米波的方法，该专利产生的毫米波没有相位噪声，稳定性高，频谱纯度高，能有效降低光纤色散并且提高了使用效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述缺陷，提供一种基于新型双边带马赫增德尔调制器产生60GHz毫米波的方法，设计合理，产生的毫米波没有相位噪声，稳定性高，频谱纯度高，能有效降低光纤色散并且提高了使用效率。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：

基于新型双边带马赫增德尔调制器产生60GHz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光纤光栅组合，先利用一个马赫增德尔调制器实现光载波抑制调制，控制其调制指数，实现除1阶边带以外的所有边带可忽略不计，再利用2个马赫增德尔调制器并联组合成新型双边带马赫增德尔调制器，拉格光纤光栅将1阶边带分成四个频率分量，分别为频率分量2和频率分量3、以及频率分量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双边带马赫增德尔调制器上，频率分量1 和频率分量4经双边带马赫增德尔调制器实现双边带调制，并且可以完全抑制2 阶边带，调节调制指数，除0阶和1阶边带外的所有边带可忽略不计；所得边带中有两组边带的相位是相同的，用光纤光栅选择后经过光电探测器的拍频，得到电域无相位噪声的60GHz毫米波信号。

作为一种优化的技术方案，其特征在于：具体方法如下：

两激光器发出两束光波频率分别为f₁和f₂，注入到一个马赫增德尔调制器中，注入光波的偏振方向经偏振控制器调整使之于马赫增德尔调制器的偏振方向一致，两束光经光纤耦合器进入马赫增德尔调制器，频率为f_s的射频本振信号作用在马赫增德尔调制器上，马赫增德尔调制器处于光载波抑制调制(OCS)，直流偏压调节到调制器的最小输出点，上下臂相位差为π，调节调制系数，除了1阶边带，其他边带都可被忽略不计，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-f_s、f₁+f_s、f₂-f_s、f₂+f_s，经光环行器到第一布拉格光纤光栅后四个频率成分分开成频率分量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经光电探测器拍频产生电信号，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新型双边带马赫增德尔调制器上，由2个马赫增德尔调制器并联，第一个马赫增德尔调制器上臂有π/2的相移，第二个马赫增德尔调制器下臂有π/2的相移，两个马赫增德尔调制器的直流偏压调节到调制器的最大输出点，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达进行新型双边带马赫增德尔调制器的两路的时间相同，频率分量1、频率分量4经NDSB 调制后，可以实现2阶边带完全被抑制，调节调制指数，除0阶和1阶以外的边带都可以被忽略不计，此时有六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、频率分量7、频率分量8，分别为f₁-f_s、f₂+f_s、f₁-△f+f_s、 f₂-△f+3f_s、f₂+△f-f_s、f₁+△f-3f_s，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1和频率分量6有相同的相位，频率分量4和频率分量8有相同的相位，经过第二布拉格光纤光栅选出频率分量1和频率分量6，经过第三布拉格光纤光栅选出频率分量4和频率分量8，经过掺饵光纤放大器放大后，在经过单模光纤传输后到达光电探测器拍频，得到两个60GHz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，不需要参考信号源，且产生的毫米波不存在激光的相位噪声，同时，本发明中采用的新型双边带马赫增德尔调制器完全抑制了2阶边带，并且提高了0阶和1阶谐波的强度，降低了光纤色散。另外，本发明能够产生两个相同的毫米波，使得整个系统的使用效率大幅度的提高。

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为本发明中一种利用新型双边带调制产生60GHz毫米波的方案图。

图2本发明中双臂马赫增德尔调制器在15GHz的本振信号调制下的输出光谱图。

图3本发明中经新型双边带马赫增德尔调制器调制后的光谱图。

图4本发明中经光电探测器后产生的60GHz射频信号的波形图。

图5本发明中利用传统双边带马赫增德尔调制器代替新型双边带马赫增德尔调制器产生的60GHz毫米波。

具体实施方式

实施例：

参见图1-5，一种利用新型双边带调制产生60GHz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、光纤耦合器5、射频信号源6，移相器7，马赫增德尔调制器8，光环行器9，第一布拉格光纤光栅10，光电探测器11，隔直器12，时间延迟器13，光纤耦合器14，新型双边带马赫增德尔调制器19(马赫增德尔调制器15，马赫增德尔调制器16，移相器17，移相器 18)，光纤耦合器20，光环行器21，第二布拉格光纤光栅22，第三布拉格光纤光栅23，掺饵光纤放大器24，掺饵光纤放大器25，光电探测器26，光电探测器27。

激光器1和激光器2发出频率分别为193.365THz和193.435THz的光波作为光载波(初相位分别为和)，两频率间隔为40GHz，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马赫增德尔调制器8的偏振方向一致，两束光波经耦合器5耦合到一根光纤上，频率f_s＝15GHz的射频信号6源作用在马赫增德尔调制器8上，直流偏压调节到调制器的最小输出点，下臂有一移相器7移动相位为π，使得上下臂之间相位差为π，马赫增德尔调制器8实现抑制光载波调制，调节调制器的调制指数为0.785，使得输出的高于1阶谐波可忽略不计，得到4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-f_s、f₁+f_s、f₂-f_s、f₂+f_s，如图1的(a)所示，四个频率分量经过光环行器9到达第一布拉格光纤光栅10选出频率分量2和频率分量3，反射频率分量1，反射频率分量4。通过的频率分量2,频率分量3经过光电探测器11拍频后产生一个频率为40GHz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12，滤除直流分量，作用在新型双边带马赫增德尔调制器33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13后作为新的光载波进入新型双边带马赫增德尔调制器19 中，时间延迟器13使得从光环行器9出发到达新型双边带马赫增德尔调制器19 的两路时间相同，新型双边带马赫增德尔调制器19由2个相同的马赫增德尔调制器(马赫增德尔调制器15，马赫增德尔调制器16)并联组合而成，每个马赫增德尔调制器的直流偏压调制为调制器的最大输出点，移相器17，移相器18的值都为π/2，实现2阶边带的完全抑制，并且提高了0阶和1阶边带的强度，调节调制器的调制指数为0.393，使得除0阶和1阶以外的边带都可忽略不计，输出6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、频率分量7、频率分量8，分别为f₁-f_s、f₂+f_s、f₁-△f+f_s、f₂-△f+3f_s、f₂+△f-f_s、 f₁+△f-3f_s，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1和频率分量6有相同的相位，频率分量4和频率分量8有相同的相位，所有频率分量通过光耦合器20耦合到一根光纤上到达光环行器21上先经过第二布拉格光纤光栅22选出频率分量1，频率分量6后，再经过掺饵光纤放大器24放大后经光电探测器26，将两频率分量拍频得到60GHz的电信号。剩余分量返回再经过光环行器21传输到达第三布拉格光纤光栅23选出频率分量4和频率分量8，其余分量返回。选出的频率分量4和频率分量8经掺饵光纤放大器25放大后，再经过光电探测器27拍频，得到另一个60GHz的电信号，这两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，分别发出频率分别为 193.365THz和193.435THz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)。

时间延迟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。

新型双边带马赫增德尔调制器：由2个相同的马赫增德尔调制器并联组合而成，实现双边带调制其中2阶边带的完全抑制同时提高了0阶和1阶边带的强度。

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，得到电信号。隔直器：滤除直流分量。掺饵光纤放大器：实现光放大。

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，不需要参考信号源，且产生的毫米波不存在激光的相位噪声，同时，本发明中采用的新型双边带马赫增德尔调制器完全抑制了2阶边带，并且提高了0 阶和1阶谐波的强度，降低了光纤色散。另外，本发明能够产生两个相同的毫米波，使得整个系统的使用效率大幅度的提高。

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.基于新型双边带马赫增德尔调制器产生60GHz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光纤光栅组合，先利用一个马赫增德尔调制器实现光载波抑制调制，控制其调制指数，实现除1阶边带以外的所有边带可忽略不计，再利用2个马赫增德尔调制器并联组合成新型双边带马赫增德尔调制器，布拉格光纤光栅将1阶边带分成四个频率分量，分别为频率分量2和频率分量3、以及频率分量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双边带马赫增德尔调制器上，频率分量1和频率分量4经双边带马赫增德尔调制器实现双边带调制，并且可以完全抑制2阶边带，调节调制指数，除0阶边带和1阶边带外的所有边带可忽略不计；所得边带中有两组边带的相位是相同的，用光纤光栅选择后经过光电探测器的拍频，得到电域无相位噪声的60GHz毫米波信号。

2.根据权利要求1所述的基于新型双边带马赫增德尔调制器产生60GHz毫米波的方法，其特征在于：

具体方法如下：

两激光器发出两束光波频率分别为f₁和f₂，注入到一个马赫增德尔调制器中，注入光波的偏振方向经偏振控制器调整使之与马赫增德尔调制器的偏振方向一致，两束光经光纤耦合器进入马赫增德尔调制器，频率为f_s的射频本振信号作用在马赫增德尔调制器上，马赫增德尔调制器处于光载波抑制调制(OCS)，直流偏压调节到调制器的最小输出点，上下臂相位差为π，调节调制系数，除了1阶边带，其他边带都可被忽略不计，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-f_s、f₁+f_s、f₂-f_s、f₂+f_s，经光环行器到第一布拉格光纤光栅后四个频率成分分开成频率分量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经光电探测器拍频产生电信号，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新型双边带马赫增德尔调制器上，由2个马赫增德尔调制器并联，第一个马赫增德尔调制器上臂有π/2的相移，第二个马赫增德尔调制器下臂有π/2的相移，两个马赫增德尔调制器的直流偏压调节到调制器的最大输出点，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达进行新型双边带马赫增德尔调制器的两路的时间相同，频率分量1、频率分量4经NDSB调制后，可以实现2阶边带完全被抑制，调节调制指数，除0阶和1阶以外的边带都可以被忽略不计，此时有六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、频率分量7、频率分量8，分别为f₁-f_s、f₂+f_s、f₁-△f+f_s、f₂-△f+3f_s、f₂+△f-f_s、f₁+△f-3f_s，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1和频率分量6有相同的相位，频率分量4和频率分量8有相同的相位，经过第二布拉格光纤光栅选出频率分量1和频率分量6，经过第三布拉格光纤光栅选出频率分量4和频率分量8，经过掺饵光纤放大器放大后，在经过单模光纤传输后到达光电探测器拍频，得到两个60GHz毫米波。