CN107733530B - 偏振不敏感的高倍频光载毫米波产生的简化装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种属于光载无线（ROF）通信系统技术中光载毫米波产生领域的偏振不敏感的高倍频光载毫米波产生的简化装置及方法。本发明采用一个双臂的铌酸锂‑马赫曾德尔调制器，通过设置合适的偏置电压、调制深度和射频信号间的相位差，并结合一个带通滤波器产生了偏振方向相同、相位锁定的±3阶边带，再用一个单臂马赫曾德尔调制器将数据基带信号加载到－3阶边带上，将加载数据后的－3阶边带与＋3阶边带耦合后送入半导体光放大器（SOA）中实现简并的四波混频，最后利用一个光交叉复用器滤出±9阶边带，并送入光电检测器拍频后得到18倍频电毫米波。本发明能用较低的成本产生高倍频和高稳定性的光载毫米波，该装置和方法结构简单，容易实现。

Description

偏振不敏感的高倍频光载毫米波产生的简化装置及方法
技术领域
本发明属于光载无线（Radio-over-Fiber,缩写为ROF）通信系统技术中的光载毫米波产生领域。
背景技术
随着智能手机、平板电脑等智能终端广泛地进入人们的生活，人们对各种多媒体宽带业务的获取和交互提出了随时、随地的需求，无线通信的带宽需求在今后将持续保持增长的趋势。无线通信系统中，用高频率的载波传输信息可以提高系统容量。波长为1-10nm这一频段的无线电波就是通常所说的毫米波，利用这一频段的毫米波传输信号，可以解决无线接入带宽问题。但频率高的无线电波在大气中传输衰减快，无法进行较长距离的传输。因此，将无线通信的可移动性、灵活性和光纤通信的大容量传输、高可靠性等优点结合起来产生的光载无线通信（ROF）技术，可以实现宽带无线接入。在ROF系统中，信号的产生和光调制都集中在中心站完成，而基站只实现简单的光电（O/E）和电光（E/O）转换、电放大和天线发射的功能，简化了基站结构。可以通过大量部署基站来降低蜂窝的尺寸，实现灵活的组网和扩容。因此，ROF系统成为未来宽带无线接入的备选方案。
光载毫米波的产生是光载无线通信系统中关键技术之一。光载毫米波的产生技术有：直接强度调制技术、光外差技术、外部强度调制技术和基于光器件非线性效应的波长变换技术。其中直接强度调制技术受限于激光器的调制宽带，不适合毫米波的产生，光外差技术受到色散和相位噪声的严重干扰，采用外部强度调制技术产生光载毫米波稳定可靠。基于光器件非线性效应的波长变换技术包括：交叉相位调制（Cross-Phase Modulation，缩写为XPM）、交叉增益调制（Cross-Aain Modulation，缩写为XGM）和四波混频（Four-wavemixing，缩写为FWM）效应。其中，基于四波混频（FWM）效应的全光波长变换技术，具有对调制信号速率和调制格式透明的特点，还可以实现多播波长变换，适用于波分复用（WavelengthDivision Multiplexing, 缩写为WDM）系统的应用。
通常产生高频率的光载毫米波需要采用高带宽的电光调制器和高频率的射频（Radio Frequency，缩写为RF）信号源，这会造成系统成本的增加。因此，如何用简单的装置和方法产生高倍频和高稳定性的光载毫米波，对于降低系统成本和提升系统性能，具有很强的理论意义和实用价值。
目前，有实验报道，【Zi-hang Zhu,“Optical generation of millimeter-wavesignals via frequency 16-tupling without an optical filter”, OpticsCommunications, 2015,354:40-47】验证了一种使用两个级联的双平行马赫曾德尔调制器（Dual-parallel Mach-Zehnder Modulator，缩写为DP-MZM）来产生16倍频的光载毫米波方案，该方案采用的双平行马赫曾德尔调制器由3个马赫曾德尔调制器（MZM）组成，其中两个子MZM呈并联结构嵌入主MZM的两臂中，结构复杂，很难控制每个调制器的直流偏压、驱动信号相位差和调制深度，且该方案采用两个DP-MZM相级联的方式，插入损耗大，DP-MZM价格昂贵，系统成本较高；【应祥岳，基于双平行MZM和HNLF四波混频效应的24倍频光生毫米波技术，光电子·激光，2016，27（8）：814-818】提出了利用DP-MZM和高非线性光纤（Highly-nonlinear Fiber，缩写为HNLF）中四波混频效应生成24倍频光载毫米波的方案；【耿红建，基于双平行MZM调制器和四波混频效应的高倍频微波信号的光学生成，光电子·激光，2014，25（10）：1926-1930】提出了利用DP-MZM和半导体光放大器(Semiconductor OpticalAmplifier，缩写为SOA)中四波混频效应生成24倍频光载毫米波的方案,基于HNLF中四波混频的波长变换具有较大的转换范围，但泵浦的频率必须靠近光纤的零色散点以满足相位匹配条件来实现可观的转换效率，基于SOA的四波混频的波长变换具有增益高，易于满足相位匹配条件，器件尺寸小，易于集成等优点。这两种方案均实现了24倍频光载毫米波的产生，但都采用了价格昂贵且结构复杂的双平行马赫曾德尔调制器。
为了解决上述问题，我们采用一个双臂的铌酸锂-马赫曾德尔调制器（LiNbO3Mach-Zehnder Modulator，缩写LN-MZM）和一个带通滤波器产生±3阶边带，并利用半导体光放大器中简并FWM效应产生了18倍频光载毫米波。本发明结构简单，倍频次数高，系统造价方面相比使用DP-MZM减少了成本，光载毫米波产生过程中无需使用偏振控制器，是偏振不敏感的，产生的光载毫米波信号性能稳定。
发明内容
本发明针对上述情况，解决了光载毫米波的产生在系统复杂度、造价和性能稳定度方面所存在的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种偏振不敏感的高倍频光载毫米波产生的简化装置，所述装置包括：
一个连续激光器，用于产生指定波长的光载波；
一个双臂铌酸锂-马赫曾德尔调制器，用于实现光中心载波、1阶边带和2
阶边带抑制，产生±3阶及以上的边带；
一个带通滤波器，用于滤除±3阶以上的高阶边带，获取所需的±3阶边带；
一个光交叉复用器，用于将所述的±3阶边带进行分离；
一个单臂马赫曾德尔调制器，用于加载基带数据信号到－3阶边带上；
一个光耦合器，用于将加载数据后的－3阶边带和未加载数据的＋3阶边带耦合在一起；
一个半导体光放大器，用于对光耦合器的输出信号实现四波混频；
一个光交叉复用器，用于滤除所述的±3阶边带和四波混频后产生的±9阶以上高阶边带，滤取出所需要的±9阶边带；
一个光电检测器，用于对所述的±9阶边带进行拍频。
与上述装置相应的，本发明还提出了一种偏振不敏感的高倍频光载毫米波的产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用连续激光器产生指定波长的光载波；利用射频信号驱动双臂铌酸锂-马赫曾德尔调制器；利用双臂铌酸锂-马赫曾德尔调制器对所述的光载波进行调制，通过设置适当的调制器的偏置电压、调制深度和射频信号间的相位差，实现光中心载波、1阶边带和2阶边带的抑制，产生3阶及以上边带；利用带通滤波器滤除±3阶以上的高阶边带，获取所需的±3阶边带；利用光交叉复用器将产生的±3阶边带进行分离；利用单臂马赫曾德尔调制器将基带数据信号加载到－3阶边带上；利用光耦合器将加载数据后的－3阶边带与未加载数据的＋3阶边带耦合在一起；利用半导体光放大器对所述的耦合后的±3阶边带实现四波混频，四波混频后在±3阶边带两边分别产生±9阶及高阶边带；利用光交叉复用器，滤除原有的±3阶边带和四波混频后的±9阶以上的高阶边带，滤取出所需要的±9阶边带；再利用光电检测器对所述的±9阶边带进行拍频可得到18倍于射频信号频率的电毫米波信号。
本发明利用一个双臂LN-MZM和一个带通滤波器，基于SOA中简并的四波混频原理实现了18倍频光载毫米波信号的产生。本发明中采用一个双臂LN-MZM和一个带通滤波器来产生±3阶边带，将这两个3阶边带进行简并的四波混频，由于这两个光波来自同一个激光源，其偏振态相同，FWM过程是偏振不敏感的，光载毫米波的产生也是偏振不敏感的，因此无需使用偏振控制器来控制毫米波传输的偏振态，产生的光载毫米波信号性能稳定，且本发明仅采用了一个价格相对低廉的双臂LN-MZM和一个带通滤波器，相比采用复杂且昂贵的双平行MZM，降低了系统复杂度和成本。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图。
图2为本发明产生的抑制中心载波、1阶边带和2阶边带，产生3阶及以上边带调制的光谱图。
图3为本发明滤取的±3阶边带光谱图。
图4为本发明产生的加载了2.5Gb/s数据的－3阶边带与未加载数据的＋3阶边带耦合后的光谱图。
图5为本发明实现四波混频后的光谱图。
图6为本发明滤取的±9阶边带光谱图。
图7为本发明在光电检测器拍频后得到的电毫米波信号的电谱图。
图8为本发明双臂铌酸锂-马赫曾德尔调制器2的连接方式。
图1中：
1- 连续激光器（LD）
2- 双臂铌酸锂-马赫曾德尔调制器（LN-MZM）
3- 射频信号（RF）
4- 带通滤波器（BPF）
5- 光交叉复用器（IL）
6- 单臂马赫曾德尔调制器（MZM）
7- 基带数据信号
8- 光耦合器(OC)
9- 半导体光放大器（SOA）
10-光交叉复用器（IL）
11-光电检测器（PD）
12-分支器（Splitter）
13-相移器（PS）。
具体实施方式
下面结合具体实验例子和附图，对本发明作具体说明。
由图1所示，偏振不敏感的高倍频光载毫米波产生的简化装置各部件说明如下：
连续激光器1，用于产生指定波长的光载波；
双臂铌酸锂-马赫曾德尔调制器2，用于实现光中心载波、1阶边带和2阶 边带抑制调制，产生±3阶及以上的边带；
射频信号3，用于驱动双臂铌酸锂-马赫曾德尔调制器；
带通滤波器4，用于滤除±3阶以上的高阶边带，获取所需的±3阶边带；
光交叉复用器5，用于将所述的±3阶边带进行分离；
单臂马赫曾德尔调制器6，用于加载基带数据信号到－3阶边带上；
基带数据信号发生器7，用于产生基带数据信号；
光耦合器8，用于将加载数据后的－3阶边带和未加载数据的＋3阶边带耦合在一起；
半导体光放大器9，用于对光耦合器的输出信号实现四波混频；
光交叉复用器10，用于滤除所述的±3阶边带和四波混频后的±9阶以上的高阶边带，滤取出所需要的±9阶边带；
光电检测器11，用于对所述的±9阶边带进行拍频。
本发明所采用的工作工程如下：
利用连续激光器1产生频率为193.1THz的光载波；利用5GHz的射频信号3驱动双臂铌酸锂-马赫曾德尔调制器2；利用双臂铌酸锂-马赫曾德尔调制器2对所述的光载波进行调制，通过设置调制器的偏置电压为半波电压4V、调制深度为3.8和射频信号间的相位差为π，可以实现光中心载波、1阶边带和2阶边带的抑制，产生3阶及以上边带，其光谱图如图2所示；利用带通滤波器4滤除±3阶以上的高阶边带，获取所需的±3阶边带，其光谱图如图3所示；利用光交叉复用器5将产生的±3阶边带进行分离；利用单臂马赫曾德尔调制器6将基带数据信号发生器7产生的2.5Gb/s基带数据加载到－3阶边带上；利用光耦合器8将加载基带数据后的－3阶边带与未加载数据的＋3阶边带耦合在一起，其光谱图如图4所示；利用半导体光放大器9对所述的耦合后的±3阶边带实现四波混频，四波混频后在±3阶边带两边产生±9阶及高阶边带，其光谱图如图5所示；利用光交叉复用器10，滤除所述的±3阶边带和±9阶以上的高阶边带，滤取出所需要的±9阶边带，其光谱图如图6所示，本实施例子中两个9阶边带的频率间隔为90GHz，即得到了18倍于射频（RF）信号频率的光载毫米波信号；利用光电检测器11对所述的±9阶边带进行拍频可得到18倍于射频（RF）信号频率的电毫米波信号，其电谱图如图7所示。
由图8所示本发明中双臂铌酸锂-马赫曾德尔调制器2的连接方式，具体如下：射频信号3的输出端连接分支器12，分支的信号一路直接连接到双臂铌酸锂-马赫曾德尔调制器2的输入端，另一路通过相移器13产生π的相移，再与双臂铌酸锂-马赫曾德尔调制器2的另一个输入端相连接。
主要技术优势
本发明装置将简并的四波混频原理应用于光载毫米波的产生，实现了18倍频的光载毫米波的产生。采用一个双臂LN-MZM结合带通滤波产生两个3阶边带，将这两个3阶边带送入SOA中进行四波混频，该四波混频过程是偏振不敏感的，基于四波混频原理产生的光载毫米波也是偏振不敏感的，产生的光载毫米波信号性能稳定，该发明装置与采用复杂且价格昂贵DP-MZM相比，降低了系统复杂度和系统成本。
总之，本发明的优点是能用较低的成本产生高倍频和高稳定性的光载毫米波，该发明装置的结构简单，容易实现，且易于集成。

Claims (4)

1.一种偏振不敏感的高倍频光载毫米波产生的简化装置，所述装置包括：
一个连续激光器，用于产生指定波长的光载波；
一个双臂铌酸锂-马赫曾德尔调制器，用于实现光中心载波、1阶边带和2阶边带抑制调制，产生±3阶及以上的边带；
一个带通滤波器，用于滤除±3阶以上的高阶边带，滤取所需±3阶边带；
一个光交叉复用器，用于将所述的±3阶边带进行分离；
一个单臂马赫曾德尔调制器，用于加载基带数据信号到－3阶边带上；
一个光耦合器，用于将加载数据后的－3阶边带和未加载数据的+3阶边带耦合在一起；
一个半导体光放大器，用于对光耦合器的输出信号实现四波混频；
一个光交叉复用器，用于滤除所述的±3阶边带和四波混频后产生的±9阶以上的高阶边带，滤取出所需要的±9阶边带；
一个光电检测器，用于对所述的±9阶边带进行拍频。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：通过适当调节双臂铌酸锂-马赫曾德尔调制器的偏置电压、调制深度和射频信号的相位差，实现光中心载波、1阶边带和2阶边带抑制，产生了±3阶及以上的边带，再通过一个带通滤波器滤除±3阶以上的高阶边带，滤取所需±3阶边带。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：进行四波混频的两个3阶边带来自同一个激光源，具有相同的偏振态和相位锁定的特点，四波混频过程是偏振不敏感的，通过滤波和光电检测后，实现了偏振不敏感的18倍频毫米波信号的产生。
4.一种偏振不敏感的高倍频光载毫米波的产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用连续激光器产生指定波长的光载波；利用射频信号驱动双臂铌酸锂-马赫曾德尔调制器；利用双臂铌酸锂-马赫曾德尔调制器对所述的光载波进行调制，通过设置适当的调制器的偏置电压、调制深度和射频信号间的相位差，实现光中心载波、1阶边带和2阶边带的抑制，产生3阶及以上边带；利用带通滤波器滤除±3阶以上的高阶边带，获取所需的±3阶边带；利用光交叉复用器将产生的±3阶边带进行分离；利用单臂马赫曾德尔调制器将基带数据信号加载到－3阶边带上；利用光耦合器将加载数据后的－3阶边带与未加载数据的+3阶边带耦合在一起；利用半导体光放大器对所述的耦合后的±3阶边带实现四波混频；四波混频后在±3阶边带两边分别产生±9阶及高阶边带；利用光交叉复用器，滤除原有的±3阶边带和四波混频后的±9阶以上的高阶边带，滤取出所需要的±9阶边带；再利用光电检测器对所述的±9阶边带进行拍频可得到18倍于射频信号频率的电毫米波信号。
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Granted publication date: 20200410

Termination date: 20211024