CN106209250A - 利用im调制器和dpmzm调制器级联产生八倍频毫米波的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用强度(IM)调制器和DPMZM调制器级联产生八倍频毫米波的装置及方法，该发明涉及微波技术领域及光通信技术领域，主要应用于高频毫米波的生成。所述该方法如附图所示，包括光源、射频信号源、IM调制器、偏振控制器、DPMZM调制器、电分路器以及光电探测器。IM调制器和DPMZM调制器的子调制器MZM‑a均工作在最大点，DPMZM调制器的主调制器MZM‑c工作在最小点。通过合理设置DPMZM调制器的子调制器MZM‑b的直流偏置，即可产生八倍频毫米波信号。本方法使产生高频/极高频信号所需的射频频率指标大大降低，进而降低了系统成本。同时，本方法避免了滤波器的使用，具有很好的频率调节性。最后，生成的信号相位噪声低、频谱纯度高。

Description

利用IM调制器和DPMZM调制器级联产生八倍频毫米波的装置 及方法

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八倍频毫米波信号的方法。

背景技术

随着科技的不断进步，尤其是信息技术快速的更新换代，具有频谱纯度高、射频稳定性高、相位噪声低等高质量的微波信号的产生技术成为微波应用的关键。高质量的微波信号在很多领域具有广泛的应用，如：雷达系统、无线通信系统以及电子对抗系统。然而，对于传统的电子技术，毫米波信号的产生面临带宽瓶颈，并且在同轴电缆或者空气中传输毫米波信号会产生很大的损耗，这不利于电信号的传送。因此在宽带无线通信系统中，光载射频(ROF)技术作为一种非常具有潜力的方案已经被积极的研究。

无论在军事还是民事方面的应用，都要求微波系统具有带宽大、动态范围大以及灵敏度高等特点。尤其是在军事雷达以及电子对抗领域对微波系统的要求也会越来越高。同时，随着信息复杂度的提高、信息量越来越丰富，因此对信息系统的性能提出了更高、更严格的要求，尤其对微波系统中的信号源的频率稳定度以及频谱的纯度提出了越来越高的要求。因此，产生高频率、高频谱纯度、带宽可调谐以及相位噪声低的微波信号显得至关重要。

在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IM调制器和DPMZM调制器级联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。该方案具有结构简单、易于实现、射频杂散抑制比高等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述装置包括光源、射频信号源、电分路器、IM调制器、DPMZM调制器、偏振控制器以及光电探测器，其中DPMZM调制器由三个MZM组成，分别为MZM-a、MZM-b以及主调MZM-c；光源的输出端口与IM调制器相连；IM调制器的输出端与偏振控制器相连；偏振控制器的输出与DPMZM调制器相连；射频信号源的输出端与电分路器的相连；电分路器的一个输出端与IM调制器的射频输入端相连，另一个输出端与MZM-a的输入端相连；DPMZM调制器的输出端与光电探测器的输入端相连；光电探测器的输出端输出倍频后的电信号。

本发明在工作时包括以下步骤：

(1)从激光器发出波长为λ的线偏振光经过保偏光纤入射到IM调制器中；

(2)频率为f的射频本振经电分路器分成功率相同的两路，一路驱动IM调制器，另一路驱动MZM-a；

(3)IM调制器偏置在其传输曲线的最大点，IM调制器输出为光载波以及正负二阶边带；

(4)IM调制器的输出经偏振控制器输入DPMZM调制器，其中MZM-a偏置在其传输曲线的最大点；主调MZM-c偏置在其传输曲线的最小点；MZM-b不加射频信号，适当调节MZM-b的直流偏置，使DPMZM调制器输出纯净的正负四阶边带；

(5)光电探测器对DPMZM调制器的输出进行拍频，可以得到射频本振信号的八倍频信号。

本发明提出一种新型八倍频光生毫米波的方法，该方案利用IM调制器和DPMZM调制器级联产生了频率为本振信号频率八倍的光毫米波信号。因此，可以大大降低射频本振信号的频率和调制器的响应频率要求。比如，我们只需要频率为5GHz的射频本振信号，就可以产生40GHz的毫米波信号。本发明设备简单，具有很强的实际可操作性。

由于没有使用任何光滤波器或电滤波器，本方案具有很好的频率可调性，即可以任意改变射频本振信号的频率，生成相应的八倍频毫米波信号。

附图说明

图1为本发明利用IM调制器和DPMZM调制器级联产生频率八倍于本振信号的毫米波示意图；

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为实验中在5GHz本振条件下IM调制器的输出光谱；

图4为实验中在5GHz本振条件下DPMZM调制器的输出光谱；

图5为实验中光毫米波信号通过高速光电探测器后，拍频得到的40GHz射频信号频谱图；

图6为实验生成的40GHz射频信号的相位噪声与5GHz本振源相位噪声的对比图；

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，光源1、射频信号源2、IM调制器3、DPMZM调制器4、电分路器5、偏振控制器6、光电探测器7。光源1的输出端口与IM调制器3相连，射频信号源2的输出端与电分路器5输入端相连，电分路器5的一个输出端与IM调制器3相连，IM调制器3输出光载波和正负二阶边带，IM调制器3的输出端经偏振控制器6送往DPMZM调制器，电分路器5的另一个输出端与DPMZM调制器4的MZM-a相连，DPMZM调制器4的输出端只包含正负四阶边带，然后，DPMZM调制器4的输出端与光电探测器7相连。最后，经光电探测器7拍频后，在输出端得到了八倍频的毫米波信号。

本实施例中，具体倍频方法和原理包括以下步骤：

步骤一：光源产生工作波长λ为1552nm，功率为12dBm的连续光波E₁＝E₀exp(jω_ct)，其中ω_c为光波频率，E₀为光波幅度，连续光波输入到IM调制器；IM调制器半波电压为V_π＝3.5V；

步骤二：射频信号源输出幅度为V_RF，频率为ω_RF＝5GHz的本振信号经电分路器分成功率相等的两路，一路用于驱动IM调制器，另一路驱动DPMZM调制器的MZM-a；

步骤三：设置IM调制器的偏置电压为0V，工作在最大点，则IM调制器输出信号可表示为：

$\begin{array}{c}{E}_{IM}=\frac{E_I}{2}\left\{\exp \left({\mathrm{jm}}_{1}cos\right({\mathrm{\ω}}_{RF}t)\right)+\exp (-{\mathrm{jm}}_{1}cos({\mathrm{\ω}}_{RF}t)\left)\right\}\\ =\frac{E_I}{2}\left\{\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\mathrm{\Σ}}}{J}_{2n}\left(m_1\right)\exp \left(2{\mathrm{jn\ω}}_{RF}t\right)\right\}\\ \≈\frac{E_I}{2}\{J_2\left(m_1\right)\exp (-2{\mathrm{j\ω}}_{RF}t)+J_0\left(m_1\right)+J_2\left(m_1\right)\exp \left(2{\mathrm{j\ω}}_{RF}t\right)\}\end{array}$

其中，m₁＝πV_RF/V_π为IM调制器的调制指数，J_n(·)为第一类贝塞尔函数；

步骤四：IM调制器的输出信号经偏振控制器输入DPMZM调制器，DPMZM的子调制器半波电压均为V_π＝4V；MZM-a被电分路器的一路射频信号驱动，并设置MZM-a的偏置电压为0V，工作在最大点，则MZM-a输出信号可表示为：

$\begin{array}{c}{E}_{MZMa}=\frac{E_I}{2\sqrt{2}}\left\{\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\mathrm{\Σ}}}{J}_{2n}\left(m_1\right)\exp \left({\mathrm{jn\ω}}_{RF}t\right)\right\}\·\left\{\exp \left({\mathrm{jm}}_{2}cos\right({\mathrm{\ω}}_{RF}t)\right)+\exp (-{\mathrm{jm}}_{2}cos({\mathrm{\ω}}_{RF}t)\left)\right\}\\ \≈\frac{E_I}{\sqrt{2}}\{J_2\left(m_1\right)\exp (-2{\mathrm{j\ω}}_{RF}t)+J_0\left(m_1\right)+J_2\left(m_1\right)\exp \left(2{\mathrm{j\ω}}_{RF}t\right)\}\\ \·\{J_2\left(m_2\right)\exp (-2{\mathrm{j\ω}}_{RF}t)+J_0\left(m_2\right)+J_2\left(m_2\right)\exp \left(2{\mathrm{j\ω}}_{RF}t\right)\}\\ =\frac{E_I}{\sqrt{2}}\left\{\begin{array}{c}{J}_2\left(m_1\right)J_2\left(m_2\right)\exp (-4{\mathrm{j\ω}}_{RF}t)\\ +\[J_2\left(m_1\right)J_0\left(m_2\right)+J_0\left(m_1\right)J_2\left(m_2\right)\]\exp (-2{\mathrm{j\ω}}_{RF}t)\\ +\[J_2\left(m_1\right)J_2\left(m_2\right)+J_0\left(m_1\right)J_0\left(m_2\right)+J_2\left(m_1\right)J_2\left(m_2\right)\]\\ +\[J_2\left(m_1\right)J_0\left(m_2\right)+J_0\left(m_1\right)J_2\left(m_2\right)\]\exp \left(2{\mathrm{j\ω}}_{RF}t\right)\\ +J_2\left(m_1\right)J_2\left(m_2\right)\exp \left(4{\mathrm{j\ω}}_{RF}t\right)\end{array}\right\}\end{array}$

其中，m₂＝πV_RF/V_π为MZM-a的调制指数；

MZM-b不加射频信号，只加直流偏置，设直流偏置电压为V，则MZM-b的输出信号可以表示为：

其中，

设置DPMZM调制器主调MZM-c偏置电压为4V，工作在最小点，则DPMZM调制器输出信号可以表示为：

上式中，要实现对光载波和正负二阶边带抑制，需要满足以下方程组：

在本实施例中，设置m₁＝1.72，m₂＝1.72，

步骤五：将DPMZM调制器的输出信号接入光电探测器，拍频后的信号可以表示为：

$\begin{array}{c}{I}_{PD}=\mathrm{\η}|E_{DPMZM}{|}^2\\ =|J_2\left(m_1\right)J_2\left(m_2\right)\exp (-4{\mathrm{j\ω}}_{RF}t)+J_2\left(m_1\right)J_2\left(m_2\right)\exp \left(2{\mathrm{j\ω}}_{RF}t\right){|}^2\\ ={{\mathrm{\ηE}}_0}^2{\[J_2\left(m_1\right)J_2\left(m_2\right)\]}^2\[1+\cos \left(8{\mathrm{\ω}}_{RF}t\right)\]\end{array}$

从上式可以看出，忽略直流信号，得到了八倍频的毫米波信号。

图3为IM调制器输出信号的光谱图，由图可以看出IM调制器输出光载波和正负二阶边带；图4为DPMZM调制器输出信号的光图，由图可以看出光载波和正负二阶边带得到抑制，剩下正负四阶边带，其光谐波抑制比达到了18dBm；图5为光电探测器输出信号的频谱，由图可以看出该方案获得了频率为40GHz的电谱，射频杂散抑制比达到了15dBm；图6为本振信号与拍频获得的八倍频信号相位噪声对比图，由图可以看出，该方案生成的八倍频毫米波信号具有较好的相位噪声特性，与本振信号的相位噪声相比恶化了18.7dB。

综上，本发明利用IM调制器和DPMZM调制器级联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。另外本发明结构简单，易于实现，工程可应用性较强。

总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，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40GHz，如果使用7GHz的射频本振，该系统可以产生56GHz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 (6)

1.一种利用IM调制器和DPMZM调制器级联产生八倍频毫米波的装置，包括激光器、IM调制器、DPMZM调制器、射频信号源、电分路器、偏振控制器以及光电探测器。其特征在于：IM调制器工作在传输曲线的最大点，输出零阶和正负二阶边带，然后送往DPMZM调制器；DPMZM子调制器MZM-a工作在传输曲线的最大点，输出零阶、正负二阶以及正负四阶边带；DPMZM子调制器MZM-b输出零阶和正负二阶边带；DPMZM的主调制器MZM-c工作在传输曲线的最小点，使MZM-a和MZM-b输出反相；调节MZM-b的直流偏置，使上下两路的零阶和正负二阶边带相互抵消，DPMZM调制器输出正负四阶边带，光电探测器输出为八倍频信号。

2.根据权利要求1所述的光学产生微波八倍频信号的装置所述，其特征在于：DPMZM调制器包括三个马赫-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。

3.根据权利要求1所述的光学产生微波八倍频信号的装置所述，其特征在于：IM调制器的射频端口连接电分路器的一个输出端，所述电分路器的另一个输出端与DPMZM调制器的MZM-a的射频端口连接，所述电分路器的输入端输入射频本振信号。

4.根据权利要求1所述的利用IM调制器和DPMZM调制器级联产生八倍频毫米波的装置，其特征在于：所述DPMZM调制器的MZM-b不加射频信号，只加直流偏置。

5.根据权利要求3所述的利用IM调制器和DPMZM调制器级联产生八倍频毫米波的装置，其特征在于：IM调制器和MZM-a的调制指数均为1.72。

6.根据权利要求4所述的利用IM调制器和DPMZM调制器级联产生八倍频毫米波的装置，其特征在于：MZM-b只加直流偏置具体是指，设置MZM-b直流偏置使上下臂信号之间相差36°。