CN107508607A - 一种基于双平行调制器的光电振荡射频倍频器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于双平行调制器的光电振荡射频倍频器，属于微波光子学微波射频倍频信号产生技术领域。包括连续激光源、包含上下臂的双平行调制器、光耦合器、N路不同长度的长光纤、N个光电探测器、电耦合器、电放大器以及电信号功分器；上、下臂的前端均与连续激光源输出端连接，上、下臂的后端合并后形成干涉结构，该干涉结构的输出端与光耦合器连接后通过N路长光纤与N个光电探测器连接，各光电探测器共同通过电耦合器与电放大器和电信号功分器连接，该电信号功分器第一输出端输出倍频射频电信号，第二输出端与双平行调制器下臂连接；相比于传统的倍频技术，本发明能得到更大带宽、更高频率、相位噪声表现更好的倍频射频信号。

Description

一种基于双平行调制器的光电振荡射频倍频器
技术领域
本发明提出一种基于双平行调制器的光电振荡射频倍频器，涉及微波光子学微波射频倍频信号产生技术领域。
背景技术
如今，微波信号倍频器已经广泛应用在通信、导航、雷达等多类电子系统中。
目前，传统微波信号倍频器(电倍频器)如图1所示，由二次谐峰产生链路101和二次谐峰放大链路102构成，射频信号注入二次谐峰产生链路101进行射频信号倍频产生，再通过二次谐峰放大链路102，对二次谐峰产生链路101的输出信号进行信号放大，最后倍频射频信号从二次谐峰放大链路102输出。在图1中，输入信号通过二次谐峰产生链路101中的非线性器件，使其输出波形发生畸变，产生了该信号的各次谐波，再用二次谐峰产生链路101的滤波电路滤出所需的谐波频次能量并输出到二次谐峰放大链路102中进行信号放大，从而实现基频信号的倍频输出。
然而随着信息传输、探测技术的快速发展，用户对信号频率和带宽的需求不断增加，传统微波信号倍频器产生的带宽和频率已经不能满足需求。微波光子倍频技术突破了上述限制，成为了高频倍频的优质方案。现有的微波光子倍频器的结构如图2所示，在这种结构中，连续激光源103将光信号注入强度调制器104，射频输入信号在强度调制器104上进行抑制载波调制，调制输入的电信号作为基频信号；经过抑制载波调制后的光信号进入光电探测器105后输出射频倍频信号(为电信号)，从而实现基频信号的倍频输出。然而利用图2所示微波光子倍频器产生的抑制载波射频倍频信号与传统的微波信号倍频器一样无法突破相位噪声恶化这一限制，输出的射频倍频信号同样存在6dB的噪声恶化。
为了突破电信号在吉赫兹(GHz)范围噪声大与倍频噪声恶化的限制，可在微波光子倍频技术基础之上利用光电振荡器作为微波信号产生器件。现有光电振荡器的原理如图3所示，在图3结构中，连续光源103直接进入强度调制器104进行射频信号光调制，调制的射频信号为环路振荡频率；经过调制的射频光信号通过长光纤106后再进入光电探测器105，经过光电探测器105的拍频后得到射频电信号；再通过电放大器107放大的射频电信号再通过窄带滤波器108进行振荡模式选模，其后在电信号功分器110分为两路，一路射频电信号重新注入强度调制器104完成振荡回路闭合，另一路射频电信号从环路输出。由于长光纤延长了光信号在环路里的时间，从而提高了环路的内部储能时间，因此提高了微波的信号质量。自倍频光电振荡器就是基于该原理实现倍频射频电信号发生，然而自倍频光电振荡器由于长延时原因导致其倍频射频输出电信号在低频偏处的相位噪声指标差，因此限制了其在低速探测领域的应用。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于双平行调制器的光电振荡射频倍频器。本发明可产生带宽大、倍频频率高、相位噪声低的倍频射频信号。
本发明采用如下技术方案：
一种基于双平行调制器的光电振荡射频倍频器，包括连续激光源、电放大器以及电信号功分器，其特征在于，该光电振荡射频倍频器还包括双平行调制器、光耦合器、N路不同长度的长光纤、N个光电探测器以及电耦合器；所述双平行调制器包括作为射频电信号输入臂的上臂、作为射频倍频信号振荡反馈臂的下臂，该上、下臂分别设有射频电信号输入端和射频倍频电信号输入端；其中，该作为射频电信号输入臂的上臂、作为射频倍频信号振荡反馈臂的下臂前端均与连续激光源输出端连接，该作为射频电信号输入臂的上臂、作为射频倍频信号振荡反馈臂的下臂的后端合并后形成干涉结构，该干涉结构的输出端与光耦合器连接后通过N路长光纤分别与N个光电探测器的输入端连接，该N个光电探测器的输出端共同通过电耦合器与电放大器的输入端连接，电放大器的输出端与电信号功分器连接，通过该电信号功分器的第一输出端输出倍频射频电信号，电信号功分器的第二输出端与双平行调制器下臂的倍频射频电信号输入端连接，对双平行调制器进行电压调制。
本发明的特点及有益效果在于:
本发明主要针对电倍频器射频电信号噪声恶化问题、倍频光电振荡器低频偏相位噪声高等不足。在微波光子倍频技术和光电振荡器(OEO)微波信号产生技术的基础上，首次提出了利用基于双平行调制器的光电振荡倍频器进行宽带、低噪声的射频倍频信号产生，得到了吉赫兹低相位噪声的倍频射频信号。本发明得到的射频信号与电倍频技术相比具有带宽大、倍频频率高、相位噪声低等优点，与自倍频光电振荡器相比具有低频偏更低相位噪声的优点。这能够使倍频信号得到更为广泛的应用，弥补传统技术在相位噪声上的缺陷。
附图说明
图1是传统微波信号倍频器的原理示意图。
图2是现有微波光子倍频器的原理示意图。
图3是现有光电振荡器的原理示意图。
图4是本发明光电振荡射频倍频器的原理示意图。
图5是本发明所采用的双平行探测器的信号输出图。
图6是对本发明实施例的结构示意图。
图7是通过图6所示实施例得到的射频倍频信号图。
图8(a)是采用图1所示电倍频器产生的倍频射频电信号(Elec doubler)与图6所示实施例输入的射频电信号(Input)、产生的倍频射频电信号(OEO doubler)的相位噪声结果对比图；
图8(b)是图6所示实施例得到的本发明产生的倍频射频电信号(OEO doubler)与采用图2所示的微波光子倍频器(input-doubling)得到倍频射频电信号和自倍频光电振荡器输出的射频电信号(Free-runing OEO)的相位噪声结果对比图。
具体实施方式
本发明提出了一种基于双平行调制器的光电振荡射频倍频器，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下。
本发明提出一种基于双平行调制器的光电振荡射频倍频器117的电路原理如图4所示，该倍频器包括：由作为射频电信号输入臂的上臂109-2(马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)子干涉结构2)以及作为射频倍频信号振荡反馈臂的下臂109-1(马赫-曾德尔子干涉结构1)一同构成的双平行调制器109，光耦合器111，N路不同长度的长光纤106，N个光电探测器105，电耦合器118，电放大器107以及电信号功分器110；作为射频电信号输入臂的上臂、作为射频倍频信号振荡反馈臂的下臂分别设有射频电信号输入端和倍频射频信号输入端；其中，作为射频电信号输入臂的上臂、作为射频倍频信号振荡反馈臂的下臂的前端均与连续激光源103输出端连接，该上、下臂的后端合并后形成干涉结构109-3，该干涉结构的输出端作为双平行调制器109的输出端与光耦合器111连接后通过N路长光纤106分别与N个光电探测器的输入端连接，各光电探测器105的输出端共同通过电耦合器118与电放大器107的输入端连接，电放大器的输出端与电信号功分器110输入端连接，从电信号功分器110的第一输出端输出倍频射频电信号Idoubling-output，电信号功分器110的第二输出端与双平行调制器109下臂的倍频射频电信号输入端连接。
所述双平行调制器109采用常规的双平行马赫-曾德尔调制器，对该双平行调制器进行如下电压调制：让双平行调制器109上臂的射频电信号的电压V2经外部电源调制后的偏置电压即调制电压Vb2工作在抑制载波工作点，让双平行调制器109下臂的倍频射频电信号的电压V1经外部电源调制后的偏置电压即调制电压Vb1工作在线性偏置点，控制马赫-曾德尔干涉臂3(MZ-3)109-3的调制电压Vb3使得上、下两臂的调制后的光信号工作在正交态，如图5所示。图5中，输入射频电信号与由双平行调制器109、光耦合器111、N路长光纤106、N个光电探测器、电耦合器118、电放大器107以及电信号功分器110构成的光电振荡环路内的振荡倍频射频电信号相位相差π/2，使得二者在光电探测器105输出不会相互影响；此时由光电探测器105输出的倍频射频电信号Iout满足公式(1)：
其中，ω是通过上臂输入的射频电信号的角频率，φ0是上、下两臂信号初始相位差，m1＝V1/2π、m2＝V2/2π分别是上、下两臂的电压调制深度；Eout(t)是进入光电探测器105前调制好射频电信号的光场强度，是Eout(t)的共轭参数，E0是连续激光源的初始输出光场强度，分别是下臂、上臂、干涉结构的偏置电压变化引起的光信号相位变化。
从公式(1)可以看出，经过抑制载波调制的链路信号如果工作在正交态后，即由电信号功分器110第一输出端输出的倍频射频电信号Idoubling-output可以表示为贝塞尔公式：
Idoubling-output∝Iout∝2J2(2m1)cos(2ωt)+4J1(2m2)cos(2ωt+φ0) (2)
其中，J1(2m2)和J2(2m1)分别是贝塞尔函数的一阶和二阶第一类贝塞尔函数在2m2和2m1处的常数值。由公式(2)可以看出基频信号ωt被完全抑制。
本发明的工作过程及原理如下：
本发明采用连续激光源103，该光源进入双平行调制器109，分别通过其内的上、下臂进行上路、下路光信号不同相位的调制，具体的，通过外部电源调整上臂的偏置电压，让该臂的射频输入电信号工作在抑制载波处；再通过光耦合器111分成N路光信号，分别经过一路长光纤和一个光电探测器105将光信号转为电信号，该电信号通过电放大器107放大后由电信号功分器108分成两部分，一部分返回双平行调制器109完成光电振荡回路，另一部分输出倍频射频电信号。在所述光电振荡回路中通过N路不同长度的长光纤106让振荡回路中起振的频率高阶谐振峰能量得到有效的抑制，从而提高主频的能量，使相位噪声得到有效的优化。
本发明通过双平行调制器进行上下两臂光信号的不同相位调制，使得两臂的光信号工作在正交状态，从而有效抑制基频信号(即输入的射频电信号)对倍频射频电信号的模式竞争；同时，倍频射频电信号在光电振荡回路中不断振荡，经过长光纤的储能，使得射频倍频信号质量提高，从而得到相位噪声更低的信号输出。
本发明所采用的各个元器件均可通过常规产品予以实现。
以下通过实施例对本发明提出的光电振荡射频倍频器的有效性进行验证，本实施例的光电振荡射频倍频器的结构参见图6本实施例采用型号为FTM7961EX的双平行调制器；采用长度为1km和4km的长光纤106各一路，采用型号为U2T(V2150RM)的光电探测器(该型号的光电探测器集成有两台子光电探测器)105，采用型号为JiTai(LNA0015)的电放大器107，利用Teraxion(PS-TNL)激光源103产生连续激光。
为了测得本实施例由电信号功分器110输出的倍频射频电信号Idoubling-output、并观察该倍频射频信号Idoubling-output与基频信号(即通过双平行调制器的上臂调制输入的射频电信号)的抑制比，在电信号功分器的第一输出端设置一台常规的电谱仪115，测量结果如图7所示；此外，。可以看到，本发明可以实现宽带高频的倍频功能，同时有效的抑制了基频的模式竞争，本发明相比大多数微波光子倍频技术的基频抑制比有着显著提高。
其次，通过常规的相噪仪116测得本实施例输出的倍频射频电信号Idoubling-output、输入的射频电信号的相位噪声结果，将该结果与利用如图1所示现有的电倍频器产生的倍频射频电信号相位噪声相比，对比结果如图8(a)所示；再将本实施例测得的倍频射频电信号Idoubling-output，与利用如图2所示现有的微波光子倍频器和现有自倍频光电振荡器产生的射频电信号的6GHz的相位噪声结果相比较，如图图8(b)所示；从图8(a)可以看出本发明的倍频射频电信号相位噪声要优于电倍频器输出的射频电信号。在图8(b)中，可清晰的看到本发明的倍频射频电信号要比微波光子倍频器的相位噪声更加优秀，其主要表现在低频偏的相位噪声处。
应当理解的是，在以上叙述和说明中对本发明所进行的描述只是说明而非限定性的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对上述实施例进行各种改变、变形、和/或修正。

Claims (1)

1.一种基于双平行调制器的光电振荡射频倍频器，包括连续激光源、电放大器以及电信号功分器，其特征在于，该光电振荡射频倍频器还包括双平行调制器、光耦合器、N路不同长度的长光纤、N个光电探测器以及电耦合器；所述双平行调制器包括作为射频电信号输入臂的上臂、作为射频倍频信号振荡反馈臂的下臂，该上、下臂分别设有射频电信号输入端和射频倍频电信号输入端；其中，该作为射频电信号输入臂的上臂、作为射频倍频信号振荡反馈臂的下臂前端均与连续激光源输出端连接，该作为射频电信号输入臂的上臂、作为射频倍频信号振荡反馈臂的下臂的后端合并后形成干涉结构，该干涉结构的输出端与光耦合器连接后通过N路长光纤分别与N个光电探测器的输入端连接，该N个光电探测器的输出端共同通过电耦合器与电放大器的输入端连接，电放大器的输出端与电信号功分器连接，通过该电信号功分器的第一输出端输出倍频射频电信号，电信号功分器的第二输出端与双平行调制器下臂的倍频射频电信号输入端连接，对双平行调制器进行电压调制。
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