CN106487451B - 微波光子相移装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种微波光子相移装置及方法。该装置包括光学单边带信号产生器和光学滤波器，光学单边带信号产生器用于产生一光载波和一信号边带；光学滤波器包括第一上传/下载滤波器、第二上传/下载滤波器和可调光学相移器，第一上传/下载滤波器的一输出端、可调光学相移器和第二上传/下载滤波器的一输入端连接形成一条支路，第一上传/下载滤波器的另一输出端与第二上传/下载滤波器的另一输入端连接形成另一条支路，光载波通过可调光学相移器所在支路传输并产生相移，信号边带通过另一条支路传输。本发明通过可调光学相移器改变微波信号的相移，且光学滤波器的幅度和相位响应恒定，因此光学信号幅度恒定，在相移的过程中输出信号的幅度保持恒定。
Description
技术领域
本发明涉及微波光子技术领域，更具体地设计一种微波光子相移装置及方法。
背景技术
近20年来，由于大带宽、低损耗、抗电磁干扰等优点，采用光学方法处理微波信号的技术不断发展，并形成一门独立的微波光子技术，微波光子相移器是其中一个技术要点。采用光学滤波的方式实现微波相移是目前的一个重要方法。在2009年1月的《IEEEPhotonic Technology Letter》发表的“A Tunable Broadband Photonic RF PhaseShifter Based on a Silicon Microring Resonator”一文中，公开了一种微波相移技术。其利用马赫增德尔光学调制器产生双边带信号，利用光学滤波器滤除其中一个边带形成单边带信号，单边带信号进入直通微环滤波器，通过改变直通微环中心波长同输入信号光载波波长的相对位置来改变光载波的相移，进而实现输出微波信号的相移。然而上面的方案存在下面的问题：(1)由于微环滤波器的幅度响应在调相的时候会改变，从而导致光载波强度变化，其结果为输出信号的强度会在调相的过程中发生浮动；(2)由于相位调节范围受光学滤波器相位响应范围限制，调节范围有限。
发明内容
基于以上问题，本发明的主要目的在于提出一种微波光子相移装置及方法，用于解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提出了一种微波光子相移装置，包括光学单边带信号产生器和光学滤波器，其中：
所述光学单边带信号产生器用于产生一光载波和一信号边带；
所述光学滤波器包括第一上传/下载滤波器、第二上传/下载滤波器和一可调光学相移器，其中可调光学相移器分别与第一上传/下载滤波器的一输出端和第二上传/下载滤波器的一输入端连接而形成一条支路，第一上传/下载滤波器的另一输出端与第二上传/下载滤波器的另一输入端连接而形成另一条支路，光载波通过所述可调光学相移器所在的支路传输并产生相移，信号边带通过另一条支路传输。
进一步地，上述微波光子相移装置还包括一光电探测器，用于探测第二上传/下载滤波器输出的光载波和信号边带。
进一步地，所述光学单边带信号产生器、光学滤波器和光电探测器均为采用分立的元器件或其中的至少两部分集成于同一基材上。
进一步地，上述第一光上传/下载滤波器和第二光上传/下载滤波器为微环滤波器、光子晶体型滤波器、光学薄膜滤波器或光纤布拉格光栅滤波器。
进一步地，上述第一光上传/下载滤波器和第二上传/下载滤波器的带宽都小于微波信号的中心频率，第一光上传/下载滤波器和第二上传/下载滤波器的中心波长都与所述光载波的波长相等。
进一步地，所述光学单边带信号产生器为连续光激光器和外部调制器的组合，或者为连续光激光器、外部调制器和光学滤波器的组合，或者为直接调制激光器。
进一步地，所述外部调制器为马赫增德尔型调制器、微环调制器、耦合器型调制器和嵌套的马赫增德尔型调制器中的任一种。
作为本发明的另一个方面，本发明还提出了一种微波光子相移方法，包括以下步骤：
步骤1、光学单边带信号产生器产生一光载波和一信号边带；
步骤2、光载波和信号边带传输至第一上传/下载滤波器并由第一上传/下载滤波器输出；
步骤3、光载波通过由第一上传/下载滤波器的一输出端、可调光学相移器和第二上传/下载滤波器的一输入端连接形成的一条支路传输至第二上传/下载滤波器，并经由可调光学相移器产生一相移；信号边带通过由第一上传/下载滤波器的另一输出端和第二上传/下载滤波器的另一输入端连接形成的另一条支路传输至第二上传/下载滤波器；
步骤4、光电探测器探测由所述第二上传/下载滤波器输出的光载波和信号边带。
进一步地，上述第一光上传/下载滤波器和第二光上传/下载滤波器为微环滤波器、光子晶体型滤波器、光学薄膜滤波器或光纤布拉格光栅滤波器中任意一种。
进一步地，上述第一光上传/下载滤波器和第二上传/下载滤波器的带宽都小于微波信号的中心频率，第一光上传/下载滤波器和第二上传/下载滤波器的中心波长都与所述光载波的波长相等。
基于上述技术方案可知，本发明的微波光子相移装置及方法具有以下有益效果：
1、本发明中光载波先上传到可调光学相移器经过可调光学相移器后再下载回到干路，整个方案中通过调节可调光学相移器的相移来改变输出微波信号的相移，且光学滤波器的幅度和相位响应没有发生变化，因此光学信号的幅度没有改变，从而在相移的过程中使得输出信号的幅度保持恒定；
2、本发明中微波相移调节范围由可调光学相移器的调节范围决定，而可调光学相移器的调节范围在技术上没有限制，从而可以拓宽微波光子相移器的相移范围。
附图说明
图1是本发明提出的微波光子相移装置的结构示意图；
图2是本发明一实施例提出的微波光子相移装置的结构示意图；
图3(a)是图2所示微波光子相移装置中微环滤波器的干路端输入干路端输出时的频率响应谱线；
图3(b)是图2所示微波光子相移装置中微环滤波器的上传端输入干路输出或者说干路端输入下载端输出时的频率响应谱线；
图4(a)是图2所示微波光子相移器工作过程中，光学相移与输出微波信号相移的关系示意图；
图4(b)是图2所示微波光子相移器工作过程中，光学相移与输出微波信号强度的关系示意图。
【附图标记说明】
1-光学单边带信号产生器； 2-光学滤波器；
3-第一光上传/下载滤波器； 4-第二光上传/下载滤波器；
5-可调光学相移器； 6-光电探测器；
7-连续光激光器； 8-马赫增德尔调制器；
9-上传/下载第一微环滤波器； 10-上传/下载第二微环滤波器；
3-1-第一光上传下载滤波器的干路输入端；
3-2-第一光上传-下载滤波器的干路输出端；
3-3-第一光上传下载滤波器的上传输出端；
4-1-第二光上传下载滤波器的干路输入端；
4-2-第二光上传下载滤波器的下载输入端；
4-3-第二光上传下载滤波器的干路输出端。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
两个频率不同的光波之间拍频可以产生微波信号，其中光波的强度决定了微波信号的强度，而光波之间的相位决定了微波信号的相位。本发明的目的在于改变两个光波信号之间的相位，同时又不改变这两个光波信号的强度，这样就可以在进行微波调相的同时又不会引入信号强度的浮动。且输出的微波的相位调节范围由可大范围调节的光学相移器的调节范围决定，从而可拓宽微波光子相位调节范围。
本发明提出的微波光子相移装置，工作原理如下：首先微波信号注入光学单边带信号产生器1，光学单边带信号产生器1会产生两个频率不同的光波，其中一个是光源自身提供的光载波，另外一个是由于微波信号作用而产生的信号边带；光载波和信号边带同时进入第一光上传/下载滤波器3的干路输入端3-1，其中光载波通过第一光上传/下载滤波器的上传输出端3-3达到可调光学相移器5，从而对光载波的相位进行调节，调节相位后的光载波通过第二光上传下载滤波器4的下载输入端4-2回到干路输出端4-3；其中信号边带先从第一光上传/下载滤波器3的干路输出端3-2输出，经过第二光上传/下载滤波器4的干路输入端4-1从干路输出端4-3输出。最后，光载波和信号边带在第二光上传/下载滤波器4的干路输出端4-3共同输出，并且在光探测器6上产生拍频信号，还原成电学信号。
从上述工作原理中可看出，本发明提出的微波光子相移器，可以将光载波和信号边带分开处理。光载波通过可调光学相移器5调节相位，而信号边带经过固定通路，其相位固定不变；则结果是光学可调相移器5，可以控制拍频出来的微波信号的相位。与此同时，由于第一上传/下载滤波器3和第二上传/下载滤波器4在整个过程中幅度响应都固定不变，光载波和信号边带的强度在调节的过程中保持不变，从而还原出来的微波信号强度在调相的过程中能保持恒定。同时微波相移的调节范围由可调光学相移器调节范围决定，由于可调光学相移器调节的范围在技术上没有限制，从而可以拓宽微波光子相移器的相移范围。
具体地，作为本发明的一个优选方案，如图1所示，本发明公开了一种微波光子相移装置，包括光学单边带信号产生器1和光学滤波器2，其中：
光学单边带信号产生器1用于产生一光载波和一信号边带；
所述光学滤波器2包括第一上传/下载滤波器3、第二上传/下载滤波器4和一可调光学相移器5，其中可调光学相移器5分别与第一上传/下载滤波器3的一输出端和第二上传/下载滤波器4的一输入端连接而形成一条支路，第一上传/下载滤波器3的另一输出端与第二上传/下载滤波器4的另一输入端连接而形成另一条支路，光载波通过可调光学相移器5所在的支路传输并产生相移，信号边带通过另一条支路传输。
上述微波光子相移装置还包括一光电探测器6，光电探测器6与光学滤波器2相连，用于探测第二上传/下载滤波器4输出的光载波和信号边带。具体地，第一上传/下载滤波器3具有一干路输入端3-1、一干路输出端3-2和一上传输出端3-3，第二上传/下载滤波器4具有一干路输入端4-1、一下载输入端4-2和一干路输出端4-3。
优选地，上述光学单边带信号产生器1、光学滤波器2和光电探测器6均采用分立的元器件或其中的至少两部分集成于同一基材上。
优选地，上述第一光上传/下载滤波器3和第二光上传/下载滤波器4为微环滤波器、光子晶体型滤波器、光学薄膜滤波器和光纤布拉格光栅滤波器中的任一种。
优选地，上述第一光上传/下载滤波器3和第二光上传/下载滤波器4的带宽小于微波信号的中心频率，且其中心波长都与光载波的波长相等。
优选地，所述光学单边带信号产生器1为连续光激光器和外部调制器的组合，或者为连续光激光器、外部调制器和光学滤波器的组合，或者为直接调制激光器。
优选地，所述外部调制器为马赫增德尔型调制器、微环调制器、耦合器型调制器和嵌套的马赫增德尔型调制器中的任一种。
本发明还公开了一种微波光子相移方法，包括以下步骤：
步骤1、光学单边带信号产生器1产生一光载波和一信号边带；
步骤2、光载波和信号边带传输至第一上传/下载滤波器3并由第一上传/下载滤波器3输出；
步骤3、光载波通过由第一上传/下载滤波器3的一输出端、可调光学相移器5和第二上传/下载滤波器4的一输入端连接形成的一条支路传输至第二上传/下载滤波器4，并经由可调光学相移器5产生一相移；信号边带通过由第一上传/下载滤波器3的另一输出端和第二上传/下载滤波器4的另一输入端连接形成的另一条支路传输至第二上传/下载滤波器4；
步骤4、光电探测器探测6由所述第二上传/下载滤波器输出4的光载波和信号边带。
优选地，上述第一光上传/下载滤波器3和第二光上传/下载滤波器4为微环滤波器、光子晶体型滤波器、光学薄膜滤波器或光纤布拉格光栅滤波器中任意一种。
优选地，上述第一光上传/下载滤波器3和第二上传/下载滤波器4的带宽都小于微波信号的中心频率，第一光上传/下载滤波器3和第二上传/下载滤波器4的中心波长都与所述光载波的波长相等。
故通过上述方式，可以实现一个输出信号恒定，大调节范围的微波光子相移器。
以下通过具体实施例对本发明提出的微波光子相移器进行进一步的详细描述。
实施例
如图2所示，本实施例提供一种微波光子相移器，包括光学单边带信号产生器1、光学滤波器2和光电探测器6。
其中单边带信号产生器由一连续光激光器7和一双臂驱动的马赫增德尔调制器8构成，通过控制加载到马赫增德尔调制器8两个调制臂的电学驱动信号的相位差以及调制器两臂的静态光学相位差，可以产生单边带信号。本实施例中加载到马赫曾德尔调制器8上的微波信号频率为40GHz。
其中光学滤波器2由上传/下载第一微环滤波器9、上传/下载第二微环滤波器10和可调光学相移器5组成，上传/下载第一微环滤波器9与上传/下载第二微环滤波器10的结构相同，中心波长都与光载波相等。微环滤波器的自由谱域(FSR)为100GHz，微环同干路波导的耦合系数为0.25，环内衰减因子为0.99，微环同上传/下载路波导的耦合系数为0.2085。
图3(a)和图3(b)是微环滤波器频谱响应的仿真结果。其中图3(a)表示的是干路输入干路输出的频率响应曲线；图3(b)表示的是干路输入上传端输出，或者下载端输入干路输出的频率响应曲线。微环滤波器中心频率同光载波频率相同，信号边带偏离光载波40GHz。从图3(a)可以看到，在干路到干路的传输中，光载波的传输系数为0，而信号边带的传输系数为0.99；从图3(b)可以看到，在干路到下载端的传输以及下载端到干路的传输中，光载波的传输系数为0.688，而信号边带的传输系数为0。这些结果说明微环滤波器的上传下载作用只对光载波产生作用，而信号边带能够顺利的通过微环滤波器的干路不受影响。
图4(a)和图4(b)分别表示的是微波光子相移器输出信号的相位和强度同可调光学相移器5相移的关系。从图4(a)中可以看出，输出微波信号相位随着可调光学相移器5相位的变化而变化，两者间的关系呈线性关系，且两者的变化量相同，微波光子相移范围由可调光学相移器的可调节范围决定；从图4(b)中可以看出，微波信号的强度在整个调节过程中浮动小于0.35％，达到了很高的稳定性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微波光子相移装置，包括光学单边带信号产生器和光学滤波器，其特征在于：
所述光学单边带信号产生器用于产生一光载波和一信号边带；
所述光学滤波器包括第一光上传/下载滤波器、第二光上传/下载滤波器和一可调光学相移器，其中所述可调光学相移器分别与所述第一光上传/下载滤波器的一输出端和第二光上传/下载滤波器的一输入端连接而形成一条支路，所述第一光上传/下载滤波器的另一输出端与所述第二光上传/下载滤波器的另一输入端连接而形成另一条支路，所述光载波通过所述可调光学相移器所在的支路传输并产生相移，所述信号边带通过另一条支路传输。
2.如权利要求1所述的微波光子相移装置，其特征在于，还包括一光电探测器，与所述第二光上传/下载滤波器连接，用于探测所述第二光上传/下载滤波器输出的光载波和信号边带。
3.如权利要求2所述的微波光子相移装置，其特征在于，所述光学单边带信号产生器、光学滤波器和光电探测器均采用分立的元器件或其中的至少两部分集成于同一基材上。
4.如权利要求1所述的微波光子相移装置，其特征在于，所述第一光上传/下载滤波器和第二光上传/下载滤波器为微环滤波器、光子晶体型滤波器、光学薄膜滤波器或光纤布拉格光栅滤波器。
5.如权利要求1所述的微波光子相移装置，其特征在于，所述第一光上传/下载滤波器和第二光上传/下载滤波器的带宽都小于微波信号的中心频率，第一光上传/下载滤波器和第二光上传/下载滤波器的中心波长都与所述光载波的波长相等。
6.如权利要求1所述的微波光子相移装置，其特征在于，所述光学单边带信号产生器为连续光激光器和外部调制器的组合，或者为连续光激光器、外部调制器和光学滤波器的组合，或者为直接调制激光器。
7.如权利要求6所述的微波光子相移装置，其特征在于，所述外部调制器为马赫增德尔型调制器、微环调制器、耦合器型调制器和嵌套的马赫增德尔型调制器中的任一种。
8.一种微波光子相移方法，包括以下步骤：
步骤1、光学单边带信号产生器产生一光载波和一信号边带；
步骤2、所述光载波和信号边带传输至第一光上传/下载滤波器并由第一光上传/下载滤波器输出；
步骤3、所述光载波通过由所述第一光上传/下载滤波器的一输出端、可调光学相移器和第二光上传/下载滤波器的一输入端连接形成的一条支路传输至第二光上传/下载滤波器，并经由可调光学相移器产生一相移；所述信号边带通过由所述第一光上传/下载滤波器的另一输出端和第二光上传/下载滤波器的另一输入端连接形成的另一条支路传输至第二光上传/下载滤波器；
步骤4、光电探测器探测由所述第二光上传/下载滤波器输出的光载波和信号边带。
9.如权利要求8所述的微波光子相移方法，其特征在于，所述第一光上传/下载滤波器和第二光上传/下载滤波器为微环滤波器、光子晶体型滤波器、光学薄膜滤波器或光纤布拉格光栅滤波器。
10.如权利要求8所述的微波光子相移方法，其特征在于，所述第一光上传/下载滤波器和第二光上传/下载滤波器的带宽都小于微波信号的中心频率，所述第一光上传/下载滤波器和第二光上传/下载滤波器的中心波长都与所述光载波的波长相等。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |