CN106685535A - 一种可重构的微波光子下变频方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种可重构的微波光子下变频方法，其旨在于提供一种能够满足任意频段、宽带射频信号的微波光子下变频的需求，同时降低对高频电学本振信号源要求的下变频方法，避免使用高频电学本振源。对光混频结构中输入的光频梳信号进行滤波，分别产生两个频率不同的光载波，实现频率间隔可调的光学本振；将待处理的射频信号通过光混频结构中的相位调制器调制在其中一个光载波上，将电学本振信号通过光混频结构中的另外一个相位调制器调制在另外一个光载波上，相位调制产生的相邻一阶光边带进行拍频并由光电探测器进行检测，得到下变频信号；通过改变光学本振的频率间隔和设置电学本振的频率，实现不同频段和带宽射频信号的可重构微波光子下变频。

Description

一种可重构的微波光子下变频方法及装置
技术领域
本发明属于微波光子技术领域，具体涉及一种可重构的微波光子下变频方法及微波光子下变频装置。
背景技术
混频器是通信系统中不可或缺的变频基本器件，随着高载频、大宽带光载微波系统成为未来光纤通信的发展趋势，传统电学的变频技术受到工作带宽限制、隔离度低、损耗大以及转换效率低等问题的影响，越来越难以满足当前的需求。微波光子变频技术充分利用光子技术的带宽大、传输损耗低、隔离度高等优点，实现对高频射频信号到中频或者基频的下变频，在无线通信系统、相控阵雷达和电子战系统中应用广泛。发展微波光子变频技术对于产生、接收、处理分析高频、宽带射频信号特别重要。
通常，基于微波光子技术的下变频方法有串联或并联电光调制法(Haas B M,Murphy T E.Linearized downconverting microwave photonic link using dual-wavelength phase modulation and optical filtering[J].IEEE Photonics Journal,2011,3(1):1-12.Tang ZZ,Pan S L.A Reconfigurable Photonic Microwave MixerUsing a 90°Optical Hybrid[J].IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques,2016,64(9):3017-3025.)、光电振荡法(Tang ZZ,Zhang F Z,Pan SL.Photonic microwave downconverter based on an optoelectronic oscillatorusing a single dual-drive Mach-Zehnder modulator[J].Optics express,2014,22(1):305-310.)、光频梳外差法(Fang X,Bai M,Ye X Z,Zheng Z.Ultra-broadbandmicrowave frequency down-conversion based on optical frequency comb[J].Opticsexpress,2015,23(13):17111-17119.)。其中串联或并联电光调制法通过将待处理射频信号和电学本振信号分别加载到两个不同的电光调制器上，利用光滤波器选择两个频率相邻的调制光边带，然后通过光电探测器拍频实现下变频，该方案需要高频的电学本振源，且由于受到光滤波器滤波带宽限制，待处理的射频信号频率范围受限，转换效率低；光电振荡法利用电-光-电振荡原理实现高质量本振信号的产生，无需额外提供高频电学本振信号，但由于振荡系统和宽带的微波器件的存在，增加了系统复杂度和成本；光频梳外差法利用加载了待处理射频信号的调制光边带与光频梳进行外差拍频，可实现任意频段射频信号的下变频处理，且无需额外的电学本振信号，但由于仅仅采用光频梳作为光学本振源，下变频的中频信号频率无法灵活控制，对不同带宽的射频信号较难处理。
目前，亟需发展一种能够满足任意频段、宽带射频信号的微波光子下变频的需求，同时降低对高频电学本振信号源要求的下变频方法。为了解决以上问题，本发明通过在光混频结构中实现频率间隔可调的光学本振，并结合频率可调的电学本振，对高频射频信号实现灵活、宽带的下变频，具有光学本振频率间隔可调、电学本振频率低、灵活、可重构、操作简便的特点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够满足任意频段、宽带射频信号的微波光子下变频的需求，同时降低对高频电学本振信号源要求的下变频方法，避免使用高频电学本振源。
本发明的一种可重构的微波光子下变频方法，锁模激光器输出的光频梳信号进入到由光分束器和光合束器等组成的光混频结构，在光混频结构的上、下两臂上，光频梳信号由可调光滤波器分别滤出不同频率的光载波，形成频率间隔可调的光学本振，两光载波分别经由偏振控制器进入到相位调制器，待处理射频信号和电学本振信号分别加载到两相位调制器上，对两个光载波进行调制，调制后的光载波通过光合束器合路成为光混频结构的输出光信号，之后光信号进入光电探测器进行光电检测，从两相位调制产生的相邻一阶光边带的拍频信号，得到下变频信号。
上述技术方案中，通过在光混频结构中获得频率间隔可调的光学本振，实现微波光子下变频，光混频结构是由光分束器和光合束器等组成的干涉结构，光混频结构的上臂包括依次光连接的可调光滤波器Ⅰ、偏振控制器Ⅰ和相位调制器Ⅰ，光混频结构的下臂包括依次光连接的可调光滤波器Ⅱ、偏振控制器Ⅱ和相位调制器Ⅱ。
上述技术方案中，锁模激光器输出光频梳信号的重复频率为fs，光混频结构上、下臂上光载波的频率差为Nfs，此即光学本振的频率间隔，在相位调制器Ⅰ的电极上加载频率为fR的待处理射频信号，在相位调制器Ⅱ的电极上加载频率为fL的电学本振信号，得到下变频信号频率为|fR-Nfs|±fL，满足N为正整数，且fs>|fR-Nfs|±fL。
上述技术方案中，针对不同频段和带宽的射频信号，改变光混频结构中的可调光滤波器的中心波长，从而改变并联上、下臂中两个光载波的频率差，即改变光学本振的频率间隔，并设置不同电学本振频率，实现可重构的微波光子下变频。
本发明还提供了一种可重构的微波光子下变频装置，包括锁模激光器、光混频结构、电学本振源和光电探测器。
所述光混频结构包括光分束器和光合束器，光分束器和光合束器之间连接有光混频结构的上臂和光混频结构的下臂；
光混频结构的上臂：包括依次光连接的可调光滤波器Ⅰ、偏振控制器Ⅰ和相位调制器Ⅰ；
光混频结构的下臂：包括依次光连接的可调光滤波器Ⅱ、偏振控制器Ⅱ和相位调制器Ⅱ。
上述技术方案中，待处理射频信号输出与相位调制器I的电极通过电连接，电学本振源输出与相位调制器Ⅱ的电极通过电连接。
上述技术方案中，锁模激光器产生光频梳信号，且光频梳重复频率为fs，光混频结构的上臂和光混频结构的下臂上两光载波的频率差为Nfs，此即光学本振的频率间隔；
上述技术方案中，在相位调制器Ⅰ的电极上加载频率为fR的待处理射频信号，在相位调制器Ⅱ的电极上加载频率为fL的电学本振信号，所得下变频信号频率为|fR-Nfs|±fL，满足N为正整数，且fs>|fR-Nfs|±fL。
本发明的有益效果是：
本发明由锁模激光器、光混频结构、电学本振源和光电探测器组成，通过改变光混频结构上、下臂中光载波构成的光学本振的频率间隔和设置电学本振频率，将任意频段、带宽的射频信号下变频到中频或基频频段，获得灵活、可重构的微波光子下变频系统；利用光学本振的可调频率间隔大大降低对电学本振信号频率的要求。
附图说明
图1是本发明一种可重构的微波光子下变频装置图；
图2是本发明实施例中通过改变光混频结构的上、下臂中光学本振的频率间隔和电学本振频率大小，记录的不同频率的待处理射频信号下变频到同一频率的中频信号的示意图；
图3是本发明实施例中通过改变电学本振频率大小，记录的同一待处理射频信号下变频到不同频率的中频信号的示意图。
其中附图1标记：1-锁模激光器、2-光分束器、31-可调光滤波器Ⅰ、41-偏振控制器Ⅰ、51-相位调制器Ⅰ、32-可调光滤波器Ⅱ、42-偏振控制器Ⅱ、52-相位调制器Ⅱ、6-电学本振源、7-光合束器、8-光电探测器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明一种可重构的微波光子下变频装置图如图1所示。锁模激光器1激射出重复频率为fs的光频梳信号，通过光分束器2分别进入光混频结构的上、下臂，在上臂中，通过可调光滤波器Ⅰ31从光频梳信号中滤出一个频率为f0的光载波，通过偏振控制器Ⅰ41后进入相位调制器Ⅰ51，将频率为fR的待处理射频信号调制在频率为f0的光载波上，在下臂中，通过可调光滤波器Ⅱ32从光频梳信号中滤出一个频率为f0+Nfs的光载波，通过偏振控制器Ⅱ42后进入相位调制器Ⅱ52，将频率为fL的电学本振信号调制在频率为f0+Nfs的光载波上，上、下臂中的相位调制信号通过光合束器7进入光电探测器8进行光电检测，从两相位调制产生的相邻一阶光边带的拍频信号，得到频率为|fR-Nfs|±fL的下变频信号，针对不同频段和带宽的射频信号，改变光混频结构中的可调光滤波器的中心波长，从而改变并联上、下臂中两个光载波的频率差，即改变光学本振的频率间隔，并设置不同电学本振频率，实现可重构的微波光子下变频。
本发明一种可重构的微波光子下变频方法的原理如下：
锁模激光器1激射出重复频率为fs的光频梳信号，通过光分束器2分别进入光混频结构的上、下臂，在上臂中，通过可调光滤波器Ⅰ31从光频梳信号中滤出一个频率为f0的光载波，在下臂中，通过可调光滤波器Ⅱ32从光频梳信号中滤出一个频率为f0+Nfs的光载波，其电场可分别表示为：
其中A1、A2分别为两光载波电场幅度大小，j为虚数，t为时间。
频率为f0的光载波经过偏振控制器Ⅰ41进入相位调制器Ⅰ51，将频率为fR的待处理射频信号调制在频率为f0的光载波上，由于微波光子下变频技术是借由调制边带进行下变频，为了方便说明，所以只需考虑被调制光信号的一阶边带，从相位调制器Ⅰ51输出的电场为：
其中，m1为相位调制器Ⅰ51的调制系数，J1(m1)为1阶第一类贝塞尔函数。
频率为f0+Nfs的光载波经过偏振控制器Ⅱ42进入相位调制器Ⅱ52，将频率为fL的电学本振信号调制在频率为f0+Nfs的光载波上，从相位调制器Ⅱ52输出的电场为：
其中，m2为相位调制器Ⅱ52的调制系数，J1(m2)为1阶第一类贝塞尔函数。
上下两臂被调制的光信号经过光合束器7进入光电探测器8探测拍频信号的光电流为：
其中C为直流成分，R为光电探测器7对不同频率的响应度，*表示取共轭复数，Iother表示其它频率成分的光电流。
设光电探测器8的带宽远小于fs，所能探测到的下变频信号fIF＝|fR-Nfs|-fL的光电流为：
IIF＝A1A2J1(m1)J1(m2)R(|fR-Nfs|±fL) (6)
其中N为正整数，且满足fs>|fR-Nfs|±fL。
实施例1
将不同频率的待处理射频信号下变频到同一频率的中频信号。
待处理的射频信号频率分别为16GHz、17GHz和18GHz，设置可调光滤波器Ⅰ31和可调光滤波器Ⅱ32的滤波窗口，分别对重复频率为fs＝10GHz的锁模激光器1激射输出的光频梳信号进行滤波，得到频率差为Nfs＝20GHz(N＝2)的两束频率不同的光载波，对应频率大小分别为f0＝193.55THz和f0+Nfs＝193.57THz。设置电学本振源频率分别为fL＝3.5GHz、2.5GHz和1.5GHz，对应下变频的中频信号频率都为|fR-Nfs|-fL＝500MHz。图2将频率分别为16GHz、17GHz和18GHz的待处理射频信号下变频到频率为500MHz的中频信号的示意图。
实施例2
将同一待处理射频信号下变频到不同频率的中频信号。
待处理的射频信号频率为18GHz，设置可调光滤波器Ⅰ31和可调光滤波器Ⅱ32的滤波窗口，分别对重复频率为fs＝10GHz的锁模激光器1激射输出的光频梳信号进行滤波，得到频率差为Nfs＝20GHz(N＝2)的两束频率不同的光载波，对应频率大小分别为f0＝193.55THz和f0+Nfs＝193.57THz。设置电学本振源频率分别为fL＝1.8GHz、1.5GHz和1.2GHz，对应下变频的中频信号频率分别为|fR-Nfs|-fL＝200MHz、500MHz和800MHz。图3将频率为18GHz的待处理射频信号下变频到频率分别为200MHz、500MHz和800MHz的中频信号的示意图。
以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种可重构的微波光子下变频方法，其特征在于，包括以下步骤：
在光混频结构中对输入的光频梳信号进行滤波，分别产生两个频率不同的光载波，实现频率间隔可调的光学本振；
将待处理的射频信号通过光混频结构中的相位调制器调制在其中一个光载波上，将电学本振信号通过光混频结构中的另外一个相位调制器调制在另外一个光载波上，相位调制产生的相邻一阶光边带进行拍频并由光电探测器进行检测，得到下变频信号；
通过改变光学本振的频率间隔和设置电学本振的频率，实现不同频段和带宽射频信号的可重构微波光子下变频。
2.根据权利要求书1所述的一种可重构的微波光子下变频方法，其特征在于：所述光混频结构包括光分束器(2)和光合束器(7)，光分束器(2)和光合束器(7)之间连接有光混频结构的上臂和光混频结构的下臂；
光混频结构的上臂：包括依次光连接的可调光滤波器Ⅰ(31)、偏振控制器Ⅰ(41)和相位调制器Ⅰ(51)；
光混频结构的下臂：包括依次光连接的可调光滤波器Ⅱ(32)、偏振控制器Ⅱ(42)和相位调制器Ⅱ(52)。
3.根据权利要求书1所述的一种可重构的微波光子下变频方法，其特征在于：所述光频梳信号是由锁模激光器(1)产生，且光频梳重复频率为fs，光混频结构的上臂和光混频结构的下臂上两光载波的频率差为Nfs，此即光学本振的频率间隔；
在相位调制器Ⅰ(51)的电极上加载频率为fR的待处理射频信号，在相位调制器Ⅱ(52)的电极上加载频率为fL的电学本振信号，所得下变频信号频率为|fR-Nfs|±fL，满足N为正整数，且fs>|fR-Nfs|±fL。
4.一种可重构的微波光子下变频装置，其特征在于，包括锁模激光器(1)、光混频结构、电学本振源(6)和光电探测器(8)，锁模激光器(1)连接光混频结构，光混频结构连接电学本振源(6)和光电探测器(8)；
所述光混频结构包括光分束器(2)和光合束器(7)，光分束器(2)和光合束器(7)之间连接有光混频结构的上臂和光混频结构的下臂；
光混频结构的上臂：包括依次光连接的可调光滤波器Ⅰ(31)、偏振控制器Ⅰ(41)和相位调制器Ⅰ(51)；
光混频结构的下臂：包括依次光连接的可调光滤波器Ⅱ(32)、偏振控制器Ⅱ(42)和相位调制器Ⅱ(52)。
5.根据权利要求书4所述的一种可重构的微波光子下变频装置，其特征在于：待处理射频信号输出与相位调制器I(51)的电极通过电连接，电学本振源(6)输出与相位调制器Ⅱ(52)的电极通过电连接。
6.根据权利要求书4所述的一种可重构的微波光子下变频装置，其特征在于：锁模激光器(1)产生光频梳信号，且光频梳重复频率为fs，光混频结构的上臂和光混频结构的下臂上两光载波的频率差为Nfs，此即光学本振的频率间隔；
在相位调制器Ⅰ(51)的电极上加载频率为fR的待处理射频信号，在相位调制器Ⅱ(52)的电极上加载频率为fL的电学本振信号，所得下变频信号频率为|fR-Nfs|±fL，满足N为正整数，且fs>|fR-Nfs|±fL。
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