CN107968681B - 低相噪的微波光子倍频装置及方法 - Google Patents

低相噪的微波光子倍频装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低相噪的微波光子倍频装置，包括：光源、微波源、光分路器、偏振保持光合路器、第一、第二电光调制模块、正交偏振模块、光纤、光探测器、微波放大器、电功分器；正交偏振模块用于将第一、第二电光调制模块的输出信号的偏振方向调整为相互垂直后输入光合路器；第一电光调制模块用于实现奇/偶次边带抑制的双边带调制，或者用于实现载波和奇次边带抑制的双边带调制，或者用于实现奇次和2(2n‑1)次边带抑制的双边带调制，n为整数；第二电光调制模块用于实现强度调制。本发明还公开了一种低相噪的微波光子倍频方法。本发明解决了传统技术倍频时信号相噪恶化的问题，实现了低相噪的微波光子倍频，可以实现宽带信号的倍频。

Description

低相噪的微波光子倍频装置及方法
技术领域
本发明涉及一种低相噪的微波光子倍频装置，属于微波光子学技术领域。
背景技术
随着无线通信、雷达等技术的不断发展，人们对无线通信速率的要求也越来越高，对雷达成像分辨率要求也在不断提升，这必然推动通信、雷达等技术对无线频谱资源的需求从低频段不断的向更高的频段发展。一般来说，高频微波信号主要通过对低频信号进行多次倍频获得。然而传统电子技术的微波信号倍频方法，受到电子器件速率瓶颈和工艺的限制，配置成本高、系统复杂、电磁干扰严重，生成的高频微波信号频率调谐范围窄。而光子技术与身俱来的大带宽，高频率，低传输损耗，抗电磁干扰等特性，使得在光域对微波信号进行倍频倍受关注。光子倍频不仅可以克服电子瓶颈的限制，还可以将光子倍频与传输相结合，利用光纤损耗低的特点实现微波信号的长距离、低损耗传输。传统微波光子倍频方法主要利用光外调制法，通过使用不同的光调制器，例如马赫曾德尔调制器(J.J.O’Reilly,P.M.Lane,R.Heidemann,and R.Hofstetter,“Optical generation of very narrowlinewidth millimeterwave signals,”Electron.Lett.,vol.28,no.25,pp.2309–2311,Dec.1992.)，双平行马赫曾德尔调制器(C.T.Lin,P.T.Shih,J.Chen,W.Q.Xue,P.C.Peng,and S.Chi,"Optical millimeter-wave signal generation using frequencyquadrupling technique and no optical filtering,"IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.20,no.9-12,pp.1027-1029,May-Jun 2008.)，偏振调制器(S.L.Pan,J.P.Yao,“Tunable subterahertz wave generation based on photonic frequency sextuplingusing a polarization modulator and a wavelength-fixed notch filter,”IEEETrans.Microw.Theory Tech.,vol.58,no.7,pp.1967-1975,Jul.2010.)等，可以分别实现倍频系数为2、4、6、8等不同倍频系数的光子倍频，从而能够得到超高频的微波信号。然而传统方法直接倍频，生成的高频信号的相位噪声性能由低频本振信号性能决定，经过低频本振信号多次倍频生成的高频信号的相位噪声也随之恶化，每倍频2倍，相噪恶化6dB，因此生成的高频信号不能很好的满足实际的应用需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有倍频技术所存在的相噪恶化的问题，提供一种低相噪的微波光子倍频装置，能够实现超低相噪的倍频信号产生。
本发明低相噪的微波光子倍频装置，包括：光源、微波源、光分路器、偏振保持光合路器、第一电光调制模块、第二电光调制模块、正交偏振模块、光纤、光探测器、微波放大器、电功分器；微波源与第一电光调制模块的射频信号输入端连接，光源与光分路器的输入端连接，光分路器的两个输出端分别连接第一电光调制模块、第二电光调制模块的光载波输入端，第一电光调制模块、第二电光调制模块的输出端与偏振保持光合路器的两个输入端连接，偏振保持光合路器的输出端依次连接光纤、光探测器、微波放大器、电功分器，电功分器的一个输出端作为微波光子倍频装置的倍频输出端，电功分器的另一个输出端连接第二电光调制模块的射频信号输入端；正交偏振模块用于将第一电光调制模块、第二电光调制模块的输出信号的偏振方向调整为相互垂直后输入偏振保持光合路器；所述第一电光调制模块用于实现奇/偶次边带抑制的双边带调制，或者用于实现奇次边带和2(2n-1)次边带抑制的双边带调制，或者用于实现奇次边带和4n次边带抑制的双边带调制，n为整数；所述第二电光调制模块用于实现强度调制。
优选地，所述正交偏振模块为一个连接于第一电光调制模块与偏振保持光合路器之间或第二电光调制模块与偏振保持光合路器之间的90°偏振旋转器。
为了实现低相噪的二倍频，优选地，所述第一电光调制模块用于实现奇/偶次边带抑制的双边带调制。
作为其中一种实现方案，所述第一电光调制模块包括一个双驱动马赫曾德尔调制器和一个电功分器，所述电功分器的输入端与微波源连接，该电功分器的两个输出端分别连接所述双驱动马赫曾德尔调制器的两个射频信号输入端，双驱动马赫曾德尔调制器的输出端连接所述偏振保持光合路器的一个输入端。
作为另一实现方案，所述第一电光调制模块包括一个双平行马赫曾德尔调制器和一个电功分器，所述电功分器的输入端与微波源连接，该电功分器的两个输出端分别连接所述双平行马赫曾德尔调制器的两个射频信号输入端，双平行马赫曾德尔调制器的输出端连接所述偏振保持光合路器的一个输入端。
作为又一实现方案，所述第一电光调制模块为单驱动马赫曾德尔调制器，其射频信号输入端与微波源连接，其输出端连接所述偏振保持光合路器的一个输入端。
一种低相噪的微波光子倍频方法，基于上述微波光子倍频装置；令所述微波光子倍频装置实现振荡，则在该微波光子倍频装置的倍频信号输出端输出相位噪声与微波源所输出基频信号相位噪声无关的二倍频信号。
为了实现低相噪的微波光子四倍频，优选地，所述第一电光调制模块用于实现奇次边带和4n次边带抑制的双边带调制，或者用于实现奇次边带和2(2n-1)次边带抑制的双边带调制，n为整数。
作为其中一个优选实现方案，所述第一电光调制模块包括一个双平行马赫曾德尔调制器和一个90度定向耦合器，所述90度定向耦合器的输入端与微波源连接，该90度定向耦合器的两个输出端分别连接所述双平行马赫曾德尔调制器的两个射频信号输入端，双平行马赫曾德尔调制器的输出端连接所述偏振保持光合路器的一个输入端。
一种低相噪的微波光子倍频方法，基于上述微波光子倍频装置；令所述微波光子倍频装置实现振荡，则在该微波光子倍频装置的倍频信号输出端输出相位噪声与微波源所输出基频信号相位噪声无关的四倍频信号。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明振荡环路中的振荡信号为驱动信号的倍频信号，所输出的倍频后的信号的相位噪声不受驱动信号的相位噪声限制。本发明通过选用合适的电光调制模块可利用同一套硬件结构实现低相噪的二倍频和四倍频信号的生成，便于集成，适用范围更广。
附图说明
图1为本发明的微波光子倍频装置一个具体实施例的结构框图；
图2为马赫曾德尔调制器输出功率随直流偏置电压的变化图；
图3为低相噪光电振荡器的装置图；
图4为电光调制器1通过抑制奇次边带的双边带调制实现二倍频时，倍频装置中不同位置的频谱示意图；
图5为电光调制器1通过抑制偶次边带的双边带调制实现二倍频时，倍频装置中不同位置的频谱示意图；
图6为电光调制器1通过抑制奇次边带和4n次边带的双边带调制实现四倍频时，倍频装置中不同位置的频谱示意图；
图7为电光调制器1通过抑制奇次边带和2(2n-1)边带的双边带调制实现四倍频时，倍频装置中不同位置的频谱示意图。
具体实施方式
为了解决现有技术所存在的相噪恶化的问题，本发明提出了一种低相噪的微波光子倍频装置，包括：光源、微波源、光分路器、偏振保持光合路器、第一电光调制模块、第二电光调制模块、正交偏振模块、光纤、光探测器、微波放大器、电功分器；微波源与第一电光调制模块的射频信号输入端连接，光源与光分路器的输入端连接，光分路器的两个输出端分别连接第一电光调制模块、第二电光调制模块的光载波输入端，第一电光调制模块、第二电光调制模块的输出端与偏振保持光合路器的两个输入端连接，偏振保持光合路器的输出端依次连接光纤、光探测器、微波放大器、电功分器，电功分器的一个输出端作为微波光子倍频装置的倍频信号输出端，电功分器的另一个输出端连接第二电光调制模块的射频信号输入端；正交偏振模块用于将第一电光调制模块、第二电光调制模块的输出信号的偏振方向调整为相互垂直后输入光合路器；所述第一电光调制模块用于实现奇/偶次边带抑制的双边带调制，或者用于实现奇次边带和4n次边带抑制的双边带调制，或者用于实现奇次边带和2(2n-1)次边带抑制的双边带调制，n为整数；所述第二电光调制模块用于实现强度调制。
上述技术方案中，根据第一电光调制模块的调制模式的不同，分别可以对驱动基频信号进行二倍频和四倍频，当第一电光调制模块为奇/偶次边带抑制的双边带调制模式时，倍频装置输出端输出相位噪声与微波源所输出基频信号相位噪声无关的二倍频信号；当第一电光调制模块为奇次边带和4n次边带抑制的双边带调制模式，以及奇次边带和2(2n-1)次边带抑制的双边带调制模式时，n为整数，倍频装置输出端输出相位噪声与微波源所输出基频信号相位噪声无关的四倍频信号。
要实现奇/偶次边带抑制的双边带调制模式，可基于双平行马赫曾德尔调制器、双驱动马赫曾德尔调制器或单驱动马赫曾德尔调制器等；要实现奇次边带和4n次边带抑制的同时抑制的双边带调制模式以及奇次边带和2(2n-1)次边带抑制的双边带调制模式，n为整数，可基于双平行马赫曾德尔调制器等。
所述正交偏振模块可以利用一个连接于第一电光调制模块与光合路器之间或第二电光调制模块与光合路器之间的90°偏振旋转器来实现，当然，也可以采用偏振合束器作为所述光合路器。
为了便于公众理解，下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
为了便于将电光调制部分进行片上集成，本实施例微波光子倍频装置中的两个电光调制模块均采用相同的双射频端口的电光调制器，其结构如图1所示，包括光源、微波源、第一电功分器、电光调制器1、电光调制器2、光纤、光探测器、微波放大器、第二电功分器、第三电功分器、第一直流偏置电路、第二直流偏置电路。微波源的输出端与第一电功分器的输入端相连，第一电功分器的两输出端与电光调制器1的两射频输入口相连，光源通过一个Y型分路器分为两路后分别连接电光调制器1、电光调制器2的光输入端口，第一直流偏置电路与电光调制器1的直流偏置输入端连接，电光调制器2的输出经过90°偏振旋转器后与电光调制器1的输出通过一个Y型合路器(其为偏振保持型合路器)合束，然后依次与光纤、光探测器、微波放大器、第三电功分器相连，第三电功分器的一个输出口与第二电功分器的输入口相连，第三电功分器的另一个输出口输出低相噪的倍频信号，第二电功分器的两个输入口与电光调制器2的两射频输入口相连，第二直流偏置电路与电光调制器2的直流偏置输入端连接。第一电功分器将微波扫频源输出的基频信号分成功率相等的两路；电光调制器1将第一电功分器输出的两路基频信号调制到光源输出的光载波上；第一直流偏置电路为电光调制器1提供直流偏置；第二电功分器将光电环路输出的信号分成相等的两路；电光调制器2将第二电功分器输出的两路倍频信号调制到光源输出的光载波上；第二直流偏置电路为电光调制器2提供直流偏置。
如需上述装置工作在二倍频输出状态，电光调制器1(为了便于片上集成，本实施例中电光调制器2与电光调制器1结构相同，实际上电光调制器2也可采用其他形式的调制器，只要能进行常规的强度调制即可)可采用双驱动马赫曾德尔调制器，或者双平行马赫曾德尔调制器。图2为马赫曾德尔调制器的输出光功率随直流电源加载的直流驱动电压的变化曲线，通过改变马赫曾德尔调制器的直流偏压端外接的直流偏置电压，可以改变马赫曾德尔调制器的偏置工作点。采用双驱动马赫曾德尔调制器时，微波扫频源产生的基频信号加载到双驱动马赫曾德尔调制器1的射频输入端对进入双驱动马赫曾德尔调制器1的光载波进行调制，通过第一直流偏置电路控制偏压使得双驱动马赫曾德尔调制器1工作在最大传输点，从而可实现抑制奇次边带的双边带调制。此时双驱动马赫曾德尔调制器1的输出信号经过光探测产生倍频信号；该倍频微波信号经过放大后分束，一束分成两路后反馈到双驱动马赫曾德尔调制器2的射频输入端，另一束输出经过倍频后的信号；反馈回双驱动马赫曾德尔调制器2的倍频微波信号对进入双驱动马赫曾德尔调制器2的光载波信号进行调制。通过控制第二直流偏置电路使得双驱动马赫曾德尔调制器2工作于线性传输点。双驱动马赫曾德尔调制器2的输出端信号经过90度偏振旋转器后与双驱动马赫曾德尔调制器1的输出信号合并。合并后的光调制信号进入光电环路中，构成振荡于二倍频的环路。同样的，采用双平行马赫曾德尔调制器时，通过控制第一直流偏置电路使得双平行马赫曾德尔调制器1偏置于最大传输点，控制第二直流偏置电路使得双平行马赫曾德尔调制器2偏置于线性传输点。
如需上述装置工作在四倍频，电光调制器1可采用双平行马赫曾德尔调制器，第一电功分器采用90度定向耦合器。微波扫频源产生的基频信号经过90度定向耦合器分成相位正交的两路后分别加载到双平行马赫曾德尔调制器1的两个射频输入端对进入双平行马赫曾德尔调制器1的光载波进行调制，通过第一直流偏置电路控制偏压使得双平行马赫曾德尔调制器1中的两个子调制器工作在最大传输点，母调制器工作于最小传输点或者最大传输点，产生只有2(2n-1)次边带的双边带调制或者产生只有4n次边带的双边带调制信号，n为整数此时双平行马赫曾德尔调制器1的输出信号经过光探测产生四倍频信号；该四倍频微波信号经过放大后分束，一束分成两路后反馈到双偏振双平行马赫曾德尔调制器的双平行马赫曾德尔调制器2的射频输入端，另一束输出四倍频信号；反馈回双平行马赫曾德尔调制器2的四倍频微波信号对进入双平行马赫曾德尔调制器2的光载波信号进行调制。通过控制第二直流偏置电路使得双平行马赫曾德尔调制器2中的两子调制器工作于线性传输点，母调制器工作于最大传输点。双平行马赫曾德尔调制器2的输出端信号经过90度偏振旋转器后与双平行马赫曾德尔调制器1的输出信号合并。合并后的光调制信号进入光电环路中，构成振荡于四倍频的环路。
对于二倍频信号生成，与微波源连接的第一电光调制模块也可采用单驱动马赫曾德尔调制器。使用单驱动马赫曾德尔调制器时，微波扫频源产生的基频信号加载到单驱动马赫曾德尔调制器1的射频输入端对进入单驱动马赫曾德尔调制器1的光载波进行调制，通过第一直流偏置电路控制偏压使得单驱动马赫曾德尔调制器1工作在最大传输点，从而可实现抑制奇次边带的双边带调制。此时单驱动马赫曾德尔调制器1的输出信号经过光探测产生倍频信号；该倍频微波信号经过放大后分束，一束分成两路后反馈到单驱动马赫曾德尔调制器2的射频输入端，另一束输出高倍频谐振频率信号；反馈回单驱动马赫曾德尔调制器2的倍频微波信号对进入单驱动马赫曾德尔调制器2的光载波信号进行调制。通过控制第二直流偏置电路使得单驱动马赫曾德尔调制器2工作于线性传输点。单驱动马赫曾德尔调制器2的输出端信号经过90度偏振旋转器后与单驱动马赫曾德尔调制器1的输出信号合并。合并后的光调制信号进入光电环路中，构成振荡于二倍频的环路。
为了便于公众更清楚地理解本发明技术方案，下面对本发明的理论原理进行简要介绍(以采用双驱动马赫曾德尔调制器，抑制奇次边带的微波光子二倍频为例)。
假设光载波的表达式为，E0(t)＝E0exp(jω0t)，射频驱动信号为S(t)＝Vrcos(ωrt)，则双驱动马赫曾德尔调制器的输出端信号为：
其中β1为马赫曾德尔调制器1的调制系数，β1＝πVr/2Vπ，φd1为第一直流电源引入的相位差，φd1＝πVd1/Vπ。通过调节第一直流偏置电路使得φd1＝π，并将上述信号进行贝塞尔函数展开，此处忽略大于2阶的边带，可以得到：
则上述信号进入光探测器后可以产生：
其中为光探测器的响应度。此时产生了频率为驱动信号频率二倍和四倍的信号。如果控制微波驱动信号的功率，使得四倍频信号较小，则可忽略四倍频信号。上述信号经过放大，分束后输入双驱动马赫曾德尔调制器2的射频输入口，则双驱动马赫曾德尔调制器2的输出信号为：
其中β2为双驱动马赫曾德尔调制器2的调制系数，β2＝πV2r/2Vπ，φd2为第二直流偏置电路引入的相位差，φd2＝πVd2/Vπ。控制第二直流偏置电路使得φd2＝π/2，即双驱动马赫曾德尔调制器2偏置于线性点，则：
上式为省略掉大于1阶边带的贝塞尔展开式，其中φr为二倍频信号相对于基频信号的相位差。双驱动马赫曾德尔调制器2输出信号经过90度起偏器后与双驱动马赫曾德尔调制器1输出信号合并。由于两光信号处于垂直偏振态上，相互之间没有干涉。因此在光探测器探测时，两偏振态上光信号分别转换成电流信号，则光探测器输出端信号为：
上式为忽略了四倍频微波信号的结果。该信号经过放大后反馈回光电振荡器环路中。由于环路中振荡的是二倍频信号，因此产生的倍频信号的相位噪声与驱动基频信号相位噪声无关，只与振荡器系统中的噪声有关。
为了方便公众更清楚理解倍频信号生成装置的技术原理，图4～图7分别给出了所述微波光子倍频装置通过不同调制模式工作于二倍频和四倍频时不同位置(参见图3的光电振荡器简化结构示意图，图中将双驱动马赫曾德尔调制器1、2集成在一起，称为双偏振调制器)的频谱图，图4为电光调制器1通过抑制奇次边带的双边带调制实现二倍频，图5为电光调制器1通过抑制偶次边带的双边带调制实现二倍频，图6为电光调制器1通过抑制奇次边带和4n次边带的双边带调制实现四倍频，图7为电光调制器1通过抑制奇次边带和2(2n-1)次边带的双边带调制实现四倍频。A点处为光源输出光载波信号的光谱图，B点处为双偏振调制器输出端的不同偏振态上信号的光谱图，C点为光探测器输出端的频谱图。从中可以看出，该微波光子倍频装置可以实现低相噪的倍频操作。

Claims (10)

1.一种低相噪的微波光子倍频装置，其特征在于，包括：光源、微波源、光分路器、偏振保持光合路器、第一电光调制模块、第二电光调制模块、正交偏振模块、光纤、光探测器、微波放大器、电功分器；微波源与第一电光调制模块的射频信号输入端连接，光源与光分路器的输入端连接，光分路器的两个输出端分别连接第一电光调制模块、第二电光调制模块的光载波输入端，第一电光调制模块、第二电光调制模块的输出端与偏振保持光合路器的两个输入端连接，偏振保持光合路器的输出端依次连接光纤、光探测器、微波放大器、电功分器，电功分器的一个输出端作为微波光子倍频装置的倍频信号输出端，电功分器的另一个输出端连接第二电光调制模块的射频信号输入端；正交偏振模块用于将第一电光调制模块、第二电光调制模块的输出信号的偏振方向调整为相互垂直后输入偏振保持光合路器；所述第一电光调制模块用于实现奇/偶次边带抑制的双边带调制，或者用于实现奇次边带和4n次边带抑制的双边带调制，或者用于实现奇次边带和2(2n-1)次边带抑制的双边带调制，n为整数；所述第二电光调制模块用于实现强度调制。
2.如权利要求1所述微波光子倍频装置，其特征在于，所述第一电光调制模块用于实现奇/偶次边带抑制的双边带调制。
3.如权利要求2所述微波光子倍频装置，其特征在于，所述第一电光调制模块包括一个双驱动马赫曾德尔调制器和一个电功分器，所述电功分器的输入端与微波源连接，该电功分器的两个输出端分别连接所述双驱动马赫曾德尔调制器的两个射频信号输入端，双驱动马赫曾德尔调制器的输出端连接所述偏振保持光合路器的一个倍频输入端。
4.如权利要求2所述微波光子倍频装置，其特征在于，所述第一电光调制模块包括一个双平行马赫曾德尔调制器和一个电功分器，所述电功分器的输入端与微波源连接，该电功分器的两个输出端分别连接所述双平行马赫曾德尔调制器的两个射频信号输入端，双平行马赫曾德尔调制器的输出端连接所述偏振保持光合路器的一个输入端。
5.如权利要求2所述微波光子倍频装置，其特征在于，所述第一电光调制模块为单驱动马赫曾德尔调制器，其射频信号输入端与微波源连接，其输出端连接所述偏振保持光合路器的一个输入端。
6.如权利要求1所述微波光子倍频装置，其特征在于，所述第一电光调制模块用于实现奇次边带和4n次边带抑制的双边带调制，或者用于实现奇次边带和2(2n-1)次边带抑制的双边带调制，n为整数。
7.如权利要求6所述微波光子倍频装置，其特征在于，所述第一电光调制模块包括一个双平行马赫曾德尔调制器和一个90度定向耦合器，所述90度定向耦合器的输入端与微波源连接，该90度定向耦合器的两个输出端分别连接所述双平行马赫曾德尔调制器的两个射频信号输入端，双平行马赫曾德尔调制器的输出端连接所述偏振保持光合路器的一个输入端。
8.如权利要求1所述微波光子倍频装置，其特征在于，所述正交偏振模块为一个连接于第一电光调制模块与偏振保持光合路器之间或第二电光调制模块与偏振保持光合路器之间的90偏振旋转器。
9.一种低相噪的微波光子倍频方法，其特征在于，该方法基于权利要求2～5任一项所述微波光子倍频装置；令所述微波光子倍频装置实现振荡，则在该微波光子倍频装置的倍频信号输出端输出相位噪声与微波源所输出基频信号相位噪声无关的二倍频信号。
10.一种低相噪的微波光子倍频方法，其特征在于，该方法基于权利要求6～7任一项所述微波光子倍频装置；令所述微波光子倍频装置实现振荡，则在该微波光子倍频装置的倍频信号输出端输出相位噪声与微波源所输出基频信号相位噪声无关的四倍频信号。
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