CN106301590B - 基于保偏光纤光栅的可调谐频移键控信号产生装置及其方法 - Google Patents

基于保偏光纤光栅的可调谐频移键控信号产生装置及其方法 Download PDF

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Abstract

一种基于保偏光纤光栅的可调谐频移键控信号产生装置及其方法，从一激光器出射的光源通过强度调制器进行载波抑制调制，在两个波长处各产生一个光频信号组成双频光信号，该双频光信号以及由微波信号源发出的微波信号同时输入光偏振调制器进行基带信号调制，将基带数据映射为光频信号的偏振态，再经过保偏光纤布拉格光栅的滤波后，仅输出其中一个波长的单频光信号，该单频光信号与另一激光器出射的光源输入光耦合器进行拍频，最后通过光电探测器产生频移键控信号。本发明方法通过光学手段实现频移键控信号产生，使频率调制向高频域扩展，保证了信号载波频率的可调性，增强了微波信号生成方法的灵活性。

Description

基于保偏光纤光栅的可调谐频移键控信号产生装置及其方法
技术领域
本发明涉及微波光子学、微波信号生成领域，尤其是光子型变频微波信号生成方法。
背景技术
高频微波生成技术在光载无线通信系统，雷达系统及传感网络中的一直起着关键性作用。目前，微波技术和应用中采用和拟采用的微波频段不断攀升，这对传统微波器件是一个极大的挑战，因此利用光学方法产生微波信号成为一个极有吸引力的研究热点。和传统的微波产生方法比较，光子学方法具有低损耗，高带宽特性，且不会受到电磁干扰。值得指出的是，利用光学方法生成的微波信号频率往往仅受光电探测器带宽的限制，因此，在高频微波信号生成领域，光学方法有着一定的优势。
就目前的研究进展而言，有多种利用光学方法产生微波信号的方案。其中，利用光谱构造结合频域时域映射以及利用差频光进行拍频的方法是两种主要的微波信号生成方案。前者利用梳状滤波器对宽谱光源进行光谱构造，接着通过色散介质及光探测器进行频域到时域映射，进而得到一定频率的微波信号。后者将两束频率相近，偏振态相同的光波同时入射到高频光探测器上进行拍频，得到的微波信号频率由两束光的频率差决定。
需要得指出的是：上述两种技术路线都只能存在着各自的局限性。前者只能产生固定频率的微波信号，一旦选用梳状光滤波器固定，生成信号频率也随之固定。而后者产生的微波信号频率受波长稳定性影响，输入光波长的偏移都会导致生成微波信号频率的变化，对选用器件要求较高。本发明给出了一种基于保偏光纤光栅的可调谐频移键控信号产生方案。
发明内容
鉴于以上陈述的已有方案的不足，本发明的目的是提供一种基于保偏光纤光栅的可调谐频移键控信号产生装置，旨在保证产生稳定频移键控信号的前提下增加微波信号频率的可调性。
本发明的目的通过如下手段来实现。
一种频移键控信号产生装置，一个激光器、强度调制器、光偏振调制器、保偏光纤光栅、光耦合器以及光电探测器顺次级联，微波信号源的信号输出至强度调制器，另一激光器的信号输出至光耦合器，上述强度调制器同时接收微波信号源输出信号，上述光偏振调制器同时接收基带数据信号。
还具有两个偏振控制器，其中一个偏振控制器接收所述强度调制器的输出信号，该一个偏振控制器的输出信号传送至光偏振调制器，另一偏振控制器接收光偏振调制器的输出信号，该另一偏振控制器的输出信号传送至保偏光纤光栅。
所述保偏光纤光栅为保偏光纤布拉格光栅。
本发明的另一目的是提供上述装置的频移键控信号产生方法。
本发明的另一目的是这样实现的：
将从一个激光器出射的光源以及由一个微波信号源发出的微波信号输入强度调制器进行载波抑制调制，在两个波长处各产生一个光频信号组成双频光信号，该双频光信号与基带数据信号同时输入光偏振调制器进行基带信号调制，将基带数据映射为光频信号的偏振态，再经过保偏光纤布拉格光栅的偏振相关滤波后，仅输出其中一个波长的单频光信号，该单频光信号与另一激光器出射的光源输入光耦合器进行拍频，最后通过光电探测器产生频移键控信号。
所述强度调制器输出的双频光信号先经过一个偏振控制器处理后再通过光偏振调制器进行基带信号调制；所述光偏振调制器的输出信号先经另一偏振控制器处理后，再经过保偏光纤布拉格光栅进行滤波。
通过调节另一激光器输出光波长，改变与入射光信号波长差，调谐所产生频移键控信号的载频；通过调节载波抑制调制产生的双频光信号频率之差，改变由光电探测器拍频得到的频移键控信号双载频之和。
将一个激光器出射的光源输入到光强度调制器(也称光学强度调制器)进行载波抑制调制后，得到两个正负一阶边带，其与载频的波长差由加载到强度调制器上的射频信号频率决定。得到的双频光经过偏振控制器偏振控制处理后输入到光学偏振调制器中，将基带数据映射到双频光载波的偏振态上，随后将调制信号光输入到保偏光纤布拉格光栅中，并通过一个偏振控制器保证入射光偏振态与光纤光栅主轴一致。由于保偏光纤布拉格光栅的滤波特性具有偏振相关性，双频信号光中仅一条光频(即单频光信号)能通过，输出的光频信号与另一激光器输出光共同注入一个光电探测器，通过拍频得到射频信号。由于得到的射频频率由两束入射光的波长差决定，而保偏光纤布拉格光栅的出射光波长由基带数据选择，因此最终得到的射频信号频率被基带数据调制，即产生频移键控信号。并且，通过改变本地激光器的出射光波长可以实现信号的载频调谐。
经过以上设计后，本发明方法具有如下优点：在不改变系统结构装置的基础上，生成的频移键控信号频率可根据系统要求调节，并能在一个较大范围内连续地进行调节，增加了光生微波技术的灵活性。
本发明的优点将在具体实施例中得到进一步验证。
附图说明
图1是本发明方案的系统(即微波信号产生装置或称载波频率可调的频移键控信号产生装置)框图。
图2是保偏光纤布拉格光栅的传输特性曲线图。
图3a和图3b分别是是两激光器波长分别设置为1550.995nm及1551.007nm时的光电探测器入射信号光谱以及得到的频移键控信号频谱。
图4a和图4b分别是信号码率为0.5Gb/s以及信号码率为1Gbit/s时对应的解调频移键控信号得到的眼图。
图5是得到的频移键控信号载波频率随本地激光器波长变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述。
如图1所示，本发明方案由两个激光器100与101，一个强度调制器200(即光强度调制器)，一个光偏振调制器300，一个保偏光纤布拉格光栅400，一个光耦合器500和一个光电探测器600以及一个微波信号源(图1中产生的信号输入光偏振调制器300)构成微波信号产生装置。
上述微波信号产生装置还可包括两个偏振控制器。
一种频移键控信号产生装置，一个激光器100、强度调制器200、光偏振调制器300、保偏光纤光栅、光耦合器500以及光电探测器600顺次级联，微波信号源的信号输出至强度调制器200，另一激光器101的信号输出至光耦合器500，上述强度调制器200同时接收微波信号源输出信号，上述光偏振调制器300同时接收基带数据信号。
频移键控信号产生方法使用光学偏振调制器进行基带信号的光调制，将数据信号反映在入射光信号的偏振态上，然后经过保偏光纤布拉格光栅实现偏振相关的带通滤波，之后得到的单频光与本地激光器(指激光器101)输出光进行拍频，由于保偏光纤布拉格光栅输出光波长由基带数据确定，因此光电探测器产生的射频信号频率会随加载基带信号的变化而不同，从而实现频率调制。
还具有两个偏振控制器，其中一个偏振控制器接收所述强度调制器200的输出信号，该一个偏振控制器的输出信号传送至光偏振调制器300，另一偏振控制器接收光偏振调制器300的输出信号，该另一偏振控制器的输出信号传送至保偏光纤光栅。
保偏光纤光栅为保偏光纤布拉格光栅400。
将从一个激光器100出射的光源以及由一个微波信号源发出的微波信号输入强度调制器200进行载波抑制调制，在两个波长处各产生一个光频信号组成双频光信号，该双频光信号与基带数据信号同时输入光偏振调制器300进行基带信号调制，将基带数据映射为光频信号的偏振态，再经过保偏光纤布拉格光栅400的偏振相关滤波后，仅输出其中一个波长的单频光信号，该单频光信号与另一激光器101出射的光源输入光耦合器500进行拍频，最后通过光电探测器600产生频移键控信号。
强度调制器200输出的双频光信号先经过一个偏振控制器处理后再通过光偏振调制器300进行基带信号调制；所述光偏振调制器300的输出信号先经另一偏振控制器处理后，再经过保偏光纤布拉格光栅400进行滤波。
通过调节另一激光器101输出光波长，改变与入射光信号波长差，调谐所产生频移键控信号的载频；通过调节载波抑制调制产生的双频光信号频率之差，改变由光电探测器600拍频得到的频移键控信号双载频之和。
由激光器100输出的单频光源频率为fc，经过强度调制器200进行载波抑制调制，调制载波信号频率为f1，产生的双频光信号可以用下式表示：
A(t)＝C{exp[2πj(fc+f1)t]+exp[2πj(fc-f1)t]} (1)
其中，C表示信号幅度。此信号输入到光偏振调制器300后，其偏振态被基带数据调制(当数据为1时，输出信号，当数据为0时，输出信号偏振态为∥)。随后，信号被输入到保偏光纤布拉格光栅，其滤波特性受输入信号偏振态影响(如图2，当输入信号偏振态为⊥时，滤波特性如实线所示；当输入信号偏振态为∥时，滤波特性为虚线所示)。因此通过保偏光纤布拉格光栅后，信号可表示为下式：
其中ai表示基带数据。接着，另一激光器101输出的光源(频率为fc′)通过光耦合器500与信号光耦合并输入到光电探测器600进行拍频。得到的信号可表示如下：
其中分别为初始相位。从上式可知，得到的信号为频移键控信号，载波频率分别为f1±(fc′-fc)，因此产生的频移键控信号载频可以通过改变两个激光器的频率差(fc′-fc)来调节。式(2)、式(3)中的j为虚数单位，t表示时间。
根据上述方案原理，我们给出一组实验示例说明该方案的有效性。设定激光器100与激光器101输出光源波长分别为1550.995nm及1551.007nm。加载到强度调制器上的射频信号频率为11GHz，输入到光电探测器600的光信号光谱为如图3a所示。经过拍频后得到的频移键控信号频谱如图3b所示。由图可见，产生的调频信号载频分别为12.5GHz及9.5GHz。为检验信号质量，通过相应的解调算法处理后得到的眼图如图4a、图4b所示，基带信号码率分别为0.5Gbit/s及1Gbit/s。图5给出了频移键控信号载波频率随本地激光器波长变化曲线。由图可见，产生的频移键控信号载波频率可以在一个较大范围内进行连续可调。
综上所述，本发明的特征主要有以下两点：(1)利用保偏光纤布拉格光栅偏振相关的滤波特性，实现双频信号光的光频选择，从而完成频移键控信号的产生；(2)通过调节本地激光器(指图1中的激光器101)输出光波长，对产生的频移键控信号载频实现灵活调谐。

Claims (5)

1.一种频移键控信号产生装置，其特征是，一个激光器(100)、强度调制器(200)、光偏振调制器(300)、保偏光纤光栅、光耦合器(500)以及光电探测器(600)顺次级联，微波信号源的信号输出至强度调制器(200)，另一激光器(101)的信号输出至光耦合器(500)，上述强度调制器(200)同时接收微波信号源输出信号，上述光偏振调制器(300)同时接收基带数据信号。
2.根据权利要求1所述的频移键控信号产生装置，其特征是，还具有两个偏振控制器，其中一个偏振控制器接收所述强度调制器(200)的输出信号，该一个偏振控制器的输出信号传送至光偏振调制器(300)，另一偏振控制器接收光偏振调制器(300)的输出信号，该另一偏振控制器的输出信号传送至保偏光纤光栅。
3.根据权利要求1或2所述的频移键控信号产生装置，其特征是，所述保偏光纤光栅为保偏光纤布拉格光栅(400)。
4.一种如权利要求1所述的频移键控信号产生装置的信号产生方法，其特征是，将从一个激光器(100)出射的光源以及由一个微波信号源发出的微波信号输入强度调制器(200)进行载波抑制调制，在两个波长处各产生一个光频信号组成双频光信号，该双频光信号与基带数据信号同时输入光偏振调制器(300)进行基带信号调制，将基带数据映射为光频信号的偏振态，再经过保偏光纤布拉格光栅(400)的偏振相关滤波后，仅输出其中一个波长的单频光信号，该单频光信号与另一激光器(101)出射的光源输入光耦合器(500)进行拍频，最后通过光电探测器(600)产生频移键控信号。
5.根据权利要求4所述的信号产生方法，其特征是，所述强度调制器(200)输出的双频光信号先经过一个偏振控制器处理后再通过光偏振调制器(300)进行基带信号调制；所述光偏振调制器(300)的输出信号先经另一偏振控制器处理后，再经过保偏光纤布拉格光栅(400)进行滤波。
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