CN107846254B - 利用集成器件实现微波下变频和移相的光子方法及系统 - Google Patents

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Abstract

利用集成器件实现微波下变频和移相的光子方法及系统，属于微波光子学领域。首先，激光器产生的光载波通过偏振控制器后输入双平行马赫‑曾德尔调制器中，射频信号调制上臂子调制器，通过直流偏置实现载波抑制双边带调制；本振信号调制下臂子调制器，通过直流偏置实现载波抑制双边带调制；主强度调制器的直流偏置用来改变射频和本振光信号之间的相位差。输出的载波抑制双边带调制光信号，被光学带通滤波器滤掉‑1阶光边带，保留+1阶光边带，将无用的光边带抑制到噪底以下。然后，对光信号进行功率放大，补偿调制器和滤波器的插入损耗。最后利用光电探测器拍频得到移相后的下变频信号，十分纯净的频谱信号，提升下变频和移相集成功能链路的性能。

Description

利用集成器件实现微波下变频和移相的光子方法及系统
技术领域
本发明提出了一种利用集成器件实现微波下变频和移相的光子方法及系统，该方法及系统属于微波光子学领域。
背景技术
传统的微波通信能够在任意方向上发射、易于构建和重构，但受限于同轴电缆的传输性能，使得微波通信具有带宽小、损耗高、受电磁干扰严重、体积庞大等不足。而光纤通信较好的解决了上述问题，具有低损耗、抗电磁干扰、超大带宽等优点。微波光子学作为一门新兴的交叉学科，将光纤技术与微波通信结合在一起，形成了新型的通信链路。微波光子链路增加了电/光和光/电转换，将输入的微波信号调制到光域，并进行信号处理。结合微波无缝覆盖和光纤大带宽、长距离传输的优点，该链路具备传输带宽大、抗干扰能力强、传输损耗低等优点。此外，由于光频率远远高于射频频率，使微波光子链路具有良好的信号隔离度，避免了信号泄漏，使其在处理宽带微波信号以及信号的远程传输等方面具有显著优势。
随着无线通信、卫星通信、以及雷达探测等应用对频带需求的日益增加，促使微波通信逐渐向高频段发展。当前商用探测器的带宽和量化噪声水平有限，无法利用探测器直接检测高频微波信号，为此提出了微波光子下变频技术。通常微波光子下变频系统是利用天线接收外界的高频信号，同时在微波信号源上产生一个频率相近的本振信号，通过调制器把高频信号与本振信号分别加载到光载波上，最后在探测器上通过拍频得到下变频信号。对微波信号进行降频处理，降低了系统对探测器的要求，从而可以使用技术更成熟且成本更低的中低频器件对微波信号进行探测和后期处理。实现微波信号下变频的方法有许多，其中包括利用不同调制方式的下变频技术，例如直接调制、级联强度调制和级联相位调制等下变频方法与系统。在这些方法中，直接调制下变频系统结构简单、容易实现，但本振频率难于稳定控制，且对激光器进行直接调制大大限制了传输信号的带宽。在级联强度调制系统中，将射频信号和本振信号分别加载到两个调制器上，在探测器处实现频率的下转换，该方法使射频信号和本振信号具有很好的隔离度，但微波信号经过两次调制后，能量损耗较大，系统的转换效率不高。在级联相位调制系统中，由于采用相位调制器，该链路有着很好的线性度，然而相位调制会产生较多能量接近的调制边带，需要通过窄带光纤光栅滤波器滤除光信号的高次边带，导致系统增益较低。
微波光子移相技术是通过电光调制器将微波信号调制到光信号上，通过对光信号进行相位控制，再利用光电探测器实现光电转换，进而实现对微波信号的移相处理。由于具有带宽大、抗电磁干扰能力强和移相范围大等优势，在光控相控阵和高速信号处理中具有广泛的应用前景。目前主要有矢量和技术、外差混频技术、受激布里渊散射效应、光真延时等移相方法。在外差混频技术中，可以使用双驱动马赫-曾德尔调制器(DMZM)、双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)、双偏振双驱动马赫-曾德尔调制器、双偏振双平行马赫-曾德尔调制器等实现微波光子移相。目前的微波光子链路大多只能分别实现微波信号的下变频或者移相，完成单一功能的操作。如果要对微波信号进行下变频和移相处理，往往需要构建下变频和移相两个功能模块。而在无线通信、卫星通信、相控阵雷达等应用链路中，往往需要对微波信号的频率和相位进行联合处理。若在同一个微波光子链路可以同时实现下变频与移相功能，那么将有利于简化微波光子系统的链路结构，降低系统成本，具有重要的研究意义和实用价值。2016年，Yu等人提出通过双驱动马赫-曾德尔调制器结合光纤布拉格光栅滤波器，同时实现对射频信号的下变频和移相。但是该链路中双驱动马赫-曾德尔调制器唯一的直流偏置用于实现移相操作，因而无法实现载波抑制，导致双驱动马赫-曾德尔调制器输出的频谱里会包含载波和高阶边带等杂散信号，即便使用了光纤布拉格光栅滤波器，无用的杂散信号仍然存在。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种利用双平行马赫-曾德尔调制器和光学带通滤波器实现微波下变频和移相功能的微波光子方法和系统。
利用集成器件同时实现微波下变频和移相的光子系统，由激光器、偏振控制器、双平行马赫-曾德尔调制器、光学带通滤波器、掺铒光纤放大器、光电探测器组成，其特征在于：所述激光器发出光波频段的连续光载波，光载波经过偏振控制器调整光载波的偏振方向后对准双平行马赫-曾德尔调制器的慢轴进入双平行马赫-曾德尔调制器，分成两路分别进入双平行马赫-曾德尔调制器的上臂子强度调制器和下臂子强度调制器，将待测射频信号通过所述上臂子强度调制器调制到光载波上，调节相应的直流偏置电压DC1，实现对射频信号的载波抑制双边带调制；将已知的本振信号通过所述下臂子强度调制器调制到光载波上，调节相应的直流偏置电压DC2，实现对本振信号的载波抑制双边带调制；在双平行马赫-曾德尔调制器的主强度调制器中，调节直流偏置电压DC3来改变上臂子强度调制器和下臂子强度调制器中光载波的相位差，即改变射频信号和本振光信号边带之间的相位差；双平行马赫-曾德尔调制器输出的信号进入光学带通滤波器，光学带通滤波器滤掉射频信号和本振的信号-1阶光边带，保留它们的+1阶光边带，从而实现单边带调制；然后采用掺铒光纤放大器对光信号进行功率放大，用于补偿双平行马赫-曾德尔调制器和光学带通滤波器引入的插入损耗；最后使用光电探测器对射频和本振的+1阶边带光信号进行拍频，得到移相后的下变频信号。
所述光载波为由分布反馈式激光器输出的中心频率为1550.09nm，功率为12dBm，线宽为500kHz的光载波。
所述双平行马赫-曾德尔调制器3的半波电压为3.5V，3dB带宽为22GHz；所述直流偏置电压DC1为5.6V；所述直流偏置电压DC2为8.9V；所述直流偏置电压DC3为0～16.1V。
所述掺铒光纤放大器设置为APC模式(automatic power control mode，自动功率控制模式)，使输出光功率恒为2.6dBm。
所述光电探测器采用带宽为40GHz，响应度为0.65A/W的光电探测器。。
本发明采用双平行马赫-曾德尔调制器和光学带通滤波器结构实现微波下变频和移相的功能集成，调整双平行马赫-曾德尔调制器的两个子强度调制器的直流偏置电压实现载波抑制，利用光学带通滤波器滤掉-1阶光边带，保留+1阶光边带，通过在光电探测器中拍频，实现微波下变频；控制双平行马赫-曾德尔调制器的主强度调制器的偏置电压对光信号进行移相，进而实现下变频和移相的功能复用。该方法的优势在于可以利用双平行马赫-曾德尔调制器实现载波抑制双边带调制，结合光学滤波器可以将杂散信号降低到本底噪声以下，输出十分纯净的频谱信号，提升下变频和移相集成功能链路的性能。
附图说明
图1为利用双平行马赫-曾德尔调制器和光学带通滤波器同时实现微波下变频和移相的光子系统的链路结构示意图。
图2为图1中(a)、(b)、(c)、(d)处的光谱示意图。
图3为光带通滤波器输出的实验光谱图(实验条件为：射频信号频率为12GHz，功率为10dBm；本振信号频率为7GHz，功率为14dBm；光载波中心波长为1550.09nm)。
图中，1、激光器，2、偏振控制器，3、双平行马赫-曾德尔调制器，3-1、上臂子强度调制器，3-2、下臂子强度调制器，3-3、主强度调制器，4、光学带通滤波器，5、掺铒光纤放大器，6、光电探测器。
具体实施方式
下面结合实施例及附图和数学推导对本发明做进一步说明。
本实施例的基于双平行马赫-曾德尔调制器和光学带通滤波器的微波光子下变频与移相功能的集成方法的系统结构如图1所示。
激光器1采用分布反馈式激光器(RIO,ORION)，输出中心频率为1550.09nm的光载波，其功率为12dBm，线宽为500kHz。光载波通过偏振控制器2后进入双平行马赫-曾德尔调制器3(Fujitsu,FTM7962EP)，偏振控制器2用于调整光载波的偏振方向，使其对准双平行马赫-曾德尔调制器3的慢轴以实现最大功率输出。双平行马赫-曾德尔调制器3的半波电压为3.5V，3dB带宽为22GHz。双平行马赫-曾德尔调制器3是由两个子强度调制器(上臂子强度调制器3-1、下臂子强度调制器3-2)和一个主强度调制器3-3组成，这三个强度调制器又各自由对应的三个直流偏置电压(DC1、DC2、DC3)控制。通过上臂子强度调制器将待测的射频信号调制到光载波上，调节相应的直流偏置电压DC1至5.6V，实现对射频信号的载波抑制双边带调制，其光谱如图2中的(a)。通过下臂子强度调制器将本振信号调制到光载波上，调节相应的直流偏置电压DC2至8.9V，实现对本振信号的载波抑制双边带调制，其光谱如图2中的(b)。调节直流偏置电压DC3来改变主强度调制器两臂(上臂子强度调制器和下臂子强度调制器)光载波的相位差，即改变射频和本振光信号边带之间的相位差，其光谱如图2中的(c)，即双平行马赫-曾德尔调制器的输出光谱。使用光学带通滤波器对双平行马赫-曾德尔调制器输出信号进行滤波，用于滤掉射频信号和本振信号的-1阶光边带，保留它们的+1阶光边带，从而实现单边带调制，其光谱如图2中的(d)。当光载波中心波长为1550.09nm，输入射频信号频率为12GHz，功率为10dBm，本振信号频率为7GHz，功率为14dBm时，光学带通滤波器输出光谱如图3所示，可见光学带通滤波器只保留了射频和本振调制光信号的+1阶边带，其余光信号都被抑制到了底噪之下。然后采用掺铒光纤放大器(Golight,C-M-C-P-FA)对光信号进行功率放大，用于补偿双平行马赫-曾德尔调制器和光学带通滤波器引入的插入损耗。最后使用带宽为40GHz，响应度为0.65A/W的光电探测器(Conquer,KG-PT-40G)对射频和本振的+1阶边带光信号进行拍频，得到移相后的下变频信号。
本发明基于双平行马赫-曾德尔调制器和光学带通滤波器的微波光子下变频与移相功能的集成方法的原理如下，
步骤一：
激光器输出连续光作为载波，可表达为
Figure BDA0001431621440000041
式中，P0为载波的光功率，ω0为载波的中心频率。光载波输入双平行马赫-曾德尔调制器后，光功率等分进入两个子强度调制器当中。上臂子强度调制器的输出光场为
Figure BDA0001431621440000042
式中，ωRF为射频信号的中心频率，mRF＝πVRF/Vπ为射频信号的调制度，VRF为射频信号的幅度，θ1＝πVDC1/Vπ为上臂子强度调制器两臂之间的相位差，Vπ是双平行马赫-曾德尔调制器的半波电压。下臂子强度调制器的输出光场为
Figure BDA0001431621440000043
式中，ωLO为本振信号的中心频率，mLO＝πVLO/Vπ为本振信号的调制度，VLO为本振信号的幅度，θ2＝πVDC2/Vπ为下臂子强度调制器两臂之间的相位差。为了实现对射频信号和本振信号的载波抑制双边带调制，令θ1＝θ2＝π。此时，双平行马赫-曾德尔调制器的输出光场为
Figure BDA0001431621440000044
式中，θ3＝πVDC3/Vπ为主强度调制器两臂之间的相位差，即射频光信号和本振光信号之间的相位差。基于雅可比-安格尔公式对上式展开，可改写为
Figure BDA0001431621440000045
式中，Jn(·)为第一类n阶贝塞尔函数。
步骤二：
利用光学带通滤波器滤掉-1阶射频和本振光信号，保留+1阶射频和本振光信号。光学带通滤波器的输出光场为
Figure BDA0001431621440000046
步骤三：
用掺铒光纤放大器实现对滤波后的光信号的功率放大，放大后的光信号为
Figure BDA0001431621440000047
式中，G为掺铒光纤放大器对光信号的增益。
步骤四：
使用光电探测器对+1阶射频和本振信号进行拍频，即可得到频率为ωIF＝ωRF-ωLO的下变频信号
Figure BDA0001431621440000051
式中，
Figure BDA0001431621440000052
是光电探测器的响应度。由式可以得到该下变频信号的功率和相位分别为
Figure BDA0001431621440000053
Figure BDA0001431621440000054
式中，Rout是光电探测器的匹配阻抗。可见，本系统可以同时实现微波信号的下变频和移相功能，并且下变频信号的功率不受移相的影响。
综上所述，我们提出了一种基于双平行马赫-曾德尔调制器和光学带通滤波器的微波光子下变频与移相功能集成的链路，该链路可以同时实现对微波信号的下变频和移相处理。

Claims (5)

1.利用集成器件同时实现微波下变频和移相的光子系统，由激光器(1)、偏振控制器(2)、双平行马赫-曾德尔调制器(3)、光学带通滤波器(4)、掺铒光纤放大器(5)、光电探测器(6)组成，其特征在于：所述激光器(1)发出光波频段的连续光载波，光载波经过偏振控制器(2)调整光载波的偏振方向后对准双平行马赫-曾德尔调制器(3)的慢轴进入双平行马赫-曾德尔调制器(3)，分成两路分别进入双平行马赫-曾德尔调制器(3)的上臂子强度调制器(3-1)和下臂子强度调制器(3-2)，将待测射频信号通过所述上臂子强度调制器调制到光载波上，调节相应的直流偏置电压DC1，实现对射频信号的载波抑制双边带调制；将已知的本振信号通过所述下臂子强度调制器调制到光载波上，调节相应的直流偏置电压DC2，实现对本振信号的载波抑制双边带调制；在双平行马赫-曾德尔调制器(3)的主强度调制器(3-3)中，调节直流偏置电压DC3来改变上臂子强度调制器和下臂子强度调制器中光载波的相位差，即改变射频信号和本振光信号边带之间的相位差；双平行马赫-曾德尔调制器输出的信号进入光学带通滤波器(4)，光学带通滤波器(4)滤掉射频信号和本振的信号-1阶光边带，保留它们的+1阶光边带，从而实现单边带调制；然后采用掺铒光纤放大器(5)对光信号进行功率放大，用于补偿双平行马赫-曾德尔调制器(3)和光学带通滤波器(4)引入的插入损耗；最后使用光电探测器(6)对射频和本振的+1阶边带光信号进行拍频，得到移相后的下变频信号。
2.根据权利要求1所述的利用集成器件同时实现微波下变频和移相的光子系统，其特征在于：所述光载波为由分布反馈式激光器输出的中心频率为1550.09nm，功率为12dBm，线宽为500kHz的光载波。
3.根据权利要求1所述的利用集成器件同时实现微波下变频和移相的光子系统，其特征在于：所述双平行马赫-曾德尔调制器3的半波电压为3.5V，3dB带宽为22GHz；所述直流偏置电压DC1为5.6V；所述直流偏置电压DC2为8.9V；所述直流偏置电压DC3为0～16.1V。
4.根据权利要求1所述的利用集成器件同时实现微波下变频和移相的光子系统，其特征在于：所述掺铒光纤放大器(5)设置为APC模式，使输出光功率恒为2.6dBm。
5.根据权利要求1所述的利用集成器件同时实现微波下变频和移相的光子系统，其特征在于：所述光电探测器(6)采用带宽为40GHz，响应度为0.65A/W的光电探测器。
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