CN106468834A - 基于双偏振调制器的微波光子移相器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双偏振调制器的微波光子移相器，该发明涉及微波技术领域以及光通信技术领域，主要应用于微波光子信号处理中。所述方法如附图所示，包括可调激光源、射频信号源、双偏振调制器、光带通滤波器、偏振控制器、起偏器以及光电探测器。所述双偏振调制器由Y分路器、上下两路并行的马赫增德尔调制器MZM1和MZM2以及偏振合束器构成。该方案利用双偏振调制器和光带通滤波器实现单边带调制，结合偏振控制器和起偏器，改变光载波和边带之间的相位差，从而在光电探测器拍频后得到相移后的微波信号。微波信号可实现360度连续移相，且保持幅度基本不变。同时该微光子波移相器具有结构简单、操作容易、带宽大等特点。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域和微波技术领域，主要涉及光通信技术中基于双偏振调制器实现微波光子移相器的方法。
背景技术
传统高频毫米波信号的产生、传输和处理技术存在较严重的电子瓶颈。借助光学方法实现对毫米波信号的产生、传输和处理逐渐成为各国研究热点之一。其中微波移相作为微波信号处理中的一个关键技术，在相控阵雷达、卫星通信、移动通信、电子对抗和航天航空等领域具有重要的应用价值。传统的微波移相器主要是电移相器，受到频带带宽小、抗干扰性能差、移相范围小、响应速度慢等限制，难以满足以上应用的需求。而微波光子移相，即利用光学方法实现微波、毫米波信号的移相功能，具有频带宽、相位调谐范围大、抗电磁干扰强、损耗低、重量轻、体积小和能与其他光系统兼容的优点而受到各国研究机构日益的重视。
目前微波光子移相器根据工作原理的不同，主要可以分为三种：(1)基于光学真延时的微波光子移相器，将微波信号调制到光载波上，在光路上经过不同延时的光程，最终实现微波信号的相移；(2)基于外差混频或者边带调制技术的微波光子移相器，即产生两个频率的光波，经光滤波器分开，然后对其中一路光波的相位进行控制，再把两路光波合成一路，最后在探测器中经过拍频即可得到相位可控的射频信号；(3)基于矢量和技术的微波光子移相器，即产生两路频率相同，幅度、相位不同的正弦信号，经过叠加后产生一定相位的信号，信号相位可由两个信号的幅度比值以及两者的相位差控制。
混频技术或边带调制技术可直接把光学相位转换为微波信号的相位。基于这种技术制作的移相器一般都具有结构紧凑的特点，极易实现高度的集成化，另外，由于该技术的调相过程不涉及到调幅，因而输出信号的功率波动相对也较小。其缺点在于实现边带调制需要比较复杂的器件结构或要对信号进行复杂的外部处理。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种基于双偏振调制器的微波光子移相器。
本发明所采用的技术方案是：所述装置包括可调激光源、双偏振调制器、光带通滤波器、偏振控制器、起偏器、光电探测器；可调激光源的输出端口与双偏振调制器输入端相连，该调制器的输出端与光带通滤波器的输入端口相连；待移相的射频信号与双偏振调制器的一个射频端口相连，其他射频端口空载；光带通滤波器输出端口与偏振控制器的一端相连；偏振控制器的另一端和起偏器的输入端口相连；起偏器的输出端和光电探测器的输入端口相连；光电探测器输出移相后的电信号。光带通滤波器的输出端可连接光谱仪进行观察测试，光电探测器的输出端可连接矢量分析仪进行测试。
所述双偏振调制器由Y分路器、上下两路并行的马赫增德尔调制器MZM1和MZM2以及偏振合束器构成。
本发明在工作时包括以下步骤：
(1)从可调谐激光器发出波长为λ的光波注入到双偏振调制器中；
(2)入射到双偏振调制器的光信号被功分两路，分别进入MZM1和MZM2中。频率为f的射频信号输入到的MZM1的一个射频端口，其他射频端口无信号。MZM1偏置在最小传输点，进行抑制载波的双边带调制。MZM2偏置在最大点，光信号不被调制，直接输出。MZM1和MZM2输出的两路信号输入到偏振合束器实现偏振态复用，在双偏振调制器的输出端得到一个偏振复用的双边带信号；
(3)双偏振调制器的输出信号进入到光带通滤波器中，光带通滤波器滤出偏振复用的双边带信号的上边带和光载波，从而得到一个偏振复用的单边带信号；
(4)从滤波器输出的单边带光信号具有两个正交的偏振态，通过起偏器后，这两个偏振态合并为一个方向的线偏振光，通过调节起偏器前面的偏振控制器，可以使得光载波和边带信号之间的相位差得到任意程度上的调整；
(5)起偏器输出的单边带信号进入光电探测器拍频可以得到相移后的微波信号；
本发明提出了一种实现微波光子移相方法，该方案利用双偏振调制器，结合光带通滤波器以及起偏器，对输出信号光载波和边带之间的相位差进行控制，从而在光电探测器后得到相位发生改变的微波信号。
本方案只需要通过偏振控制器调节起偏器的偏振方向，微波信号的相移就可以在360度内任意调整，而信号幅度几乎不发生变化。因此本发明设备简单，具有很强的实际可操作性。
本发明的微波光子移相是在光域直接进行的，通过对光信号的处理达到微波信号移相的目的，克服了传统的微波移相的带宽限制以及电磁干扰，因此系统的性能得到了很大的提高。
附图说明
图1为本发明基于双偏振调制器实施微波光子移相器的原理图；图2、图3为实验测试结果图，图2为滤波前后的光信号的光谱图和滤波器的滤波响应；图3(a)和(b)分别为微波光子移相器的相位-频率响应和幅度-频率响应。
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：
图1为本发明利用基于双偏振调制器实施微波光子移相器的原理图。其中双偏振调制器对微波信号进行调制，生成一个偏振复用的双边带信号；利用光带通滤波器移除一个边带，生成一个偏振复用的单边带信号；利用起偏器实现信号的偏振态合并，偏振控制器既用于控制两路偏振态的合并方向，同时可用来控制载波与边带之间的相位差；经过光电探测器拍频后可得到经过相移后的微波信号。其中双偏振调制器由Y分路器、两个并行的马赫增德尔调制器MZM1和MZM2以及偏振合束器构成。可调激光源的输出端口与双偏振调制器相连；射频信号源的输出端与MZM1的一个射频端口相连，其他射频端口空载；双偏振调制器的输出端与光带通滤波器的输入端口相连；光带通滤波器的输出端与偏振控制器的一端相连，该偏振控制器的另一端与起偏器的输入端相连；起偏器的输出端和光电探测器的输入端口相连；光电探测器输出电信号。
本实例中，方法的具体实施步骤是：
步骤一：可调谐光源产生工作波长为1549.845nm、功率为10dBm的连续光波，连续光波输入到半波电压为3.5V、带宽为30GHz以上的双偏振调制器中。从5GHz到35GHz的射频信号由矢量分析仪产生，输入到MZM1的一个射频端口。MZM1偏置在最小传输点，进行抑制载波的双边带调制。MZM2偏置在最大点，光信号不被调制，直接输出。调制指数较小时，输出只包含载波与正负一阶光边带。MZM1和MZM2的输出信号在偏振合束器上被合成一个偏振复用的双边带信号。
步骤二：双偏振调制器的输出信号进入到光带通滤波器中，光带通滤波器滤出偏振复用的双边带信号的上边带和光载波，从而得到一个偏振复用的单边带信号。在实验中，一个抑制比为20dB、3dB带宽为23GHz的光纤布拉格光栅作为光带通滤波器使用，其滤波性能通过光谱仪得到验证。将微波信号的频率设定在20GHz，将滤波前后的光信号分别输入到光谱仪中。得到的结果如图2所示，负一阶边带的抑制比为33dB。
步骤三：从滤波器输出的单边带光信号具有两个正交的偏振态，通过起偏器后，这两个偏振态合并为一个方向的线偏振光，通过调节起偏器前面的偏振控制器，可以使得光载波和边带信号之间的相位差得到任意程度上的调整。因此，从起偏器输出的信号为一束线偏振的单边带信号。
步骤四：从起偏器输出的信号进入可进入光电探测器进行光电转换。
步骤五：从光电探测器输出的微波信号输入到矢量分析仪中，其幅度和相位的改变都可以在矢量分析仪测出。由于输入到双偏振调制器的微波信号的频率从5GHz到35GHz改变，因此得到所提出的微波光子移相器在5GHz到35GHz上的幅度和相位响应。移相量可以通过调节偏振控制器在0-360度内任意改变，同时幅度的变化量在很小的范围内。在11GHz以下，相位和幅度的不平稳响应主要是由滤波器的不完全的边带抑制引起的，在33GHz以上出现的噪声是因为信号频率超出了光电探测器的带宽。实验结果如图3所示，符合预期。
综上，本发明利用双偏振调制器、光带通滤波器以及起偏器实现微波光子移相器，结构简单易于实现，价格低廉，不受电子瓶颈影响。
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，微波光子移相器的工作频率范围不限于5到35GHz，如果使用50GHz的射频本振和光电探测器，该系统可以对50GHz的微波信号进行移相。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 (3)
1.一种基于双偏振调制器的微波光子移相器，包括可调激光源、双偏振调制器、光带通滤波器、偏振控制器、起偏器、光电探测器，其特征在于：可调激光源的输出端口与双偏振调制器输入端相连，该调制器的输出端与光带通滤波器的输入端口相连；待移相的射频信号与双偏振调制器的一个射频端口相连，其他射频端口空载；光带通滤波器输出端口与偏振控制器相连；偏振控制器的另一端和起偏器的输入端口相连；起偏器的输出端和光电探测器的输入端口相连。
所述双偏振调制器由Y分路器、两路并行的马赫增德尔调制器MZM1和MZM2以及偏振合束器构成。所述Y分路器将入射光信号分成两路功率相等的光信号，分别进入MZM1和MZM2中。射频信号只输入到MZM1一个射频端口，其他射频端口无信号。MZM1偏置在最小传输点，进行抑制载波的双边带调制。MZM2偏置在最大点，光信号不被调制，直接输出。MZM1和MZM2输出的两路信号在偏振合束器上被合成一个偏振复用的信号(其中一个偏振态是抑制载波的双边带信号，另一个偏振态只有光载波)。在双偏振调制器输出端得到一个偏振复用的双边带信号。
所述双偏振调制器后连接一个光带通滤波器。光带通滤波器滤出偏振复用的双边带信号的上边带和光载波，从而得到一个偏振复用的单边带信号。
所述光带通滤波器后面连接有偏振控制器和起偏器。偏振控制器和起偏器实现偏振复用光信号向线偏振光信号的转化，在起偏器的输出端得到线偏振光信号。通过调节偏振控制器，可以调整光载波和边带之间的相位差。起偏器输出的光信号进入光电探测器，经过拍频后可以得到相移后的微波信号。
2.根据权利要求1所述的基于双偏振调制器的微波光子移相器，其特征在于：双偏振调制器结合光带通滤波器可实现单边带调制。
3.根据权利要求1所述的基于双偏振调制器的微波光子移相器，其特征在于：可通过调节偏振控制器，改变光载波和边带之间相位差，可实现微波信号360度连续移相，且保持幅度基本不变。
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