CN109039464B - 一种基于上变频的微波光子毫米波超宽带信号产生方法及装置 - Google Patents

一种基于上变频的微波光子毫米波超宽带信号产生方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种基于上变频的微波光子毫米波超宽带信号产生方法及装置，属于微波光子学技术领域。由激光源、偏振控制器、任意波形发生器、微波信号源、双平行马赫曾德尔调制器、掺铒光纤放大器、光隔离器、第一环形器、单模光纤、第二环形器、光电探测器和频谱分析仪组成。本发明基于上变频技术产生位于22GHz‑29GHz的毫米波超宽带信号，用单边带调制实现的上变频能够克服单模光纤中的色散影响，使得产生的超宽带信号能够进行远距离传输；利用二次布里渊散射效应实现单边带调制，具有结构简单易于实现的特点。而且布里渊增益的放大与损耗的衰减特性使得生成超宽带信号的频谱较好的满足美国联邦通信委员会规定的功率谱密度掩膜。

Description

一种基于上变频的微波光子毫米波超宽带信号产生方法及 装置
技术领域
本发明属于微波光子学技术领域，具体涉及一种基于上变频的微波光子毫米波超宽带信号产生方法及装置。
背景技术
随着无线通讯技术的快速发展，各类型无线通信系统相继开发，可利用的频谱日渐饱和。但是人们对无线通讯系统的要求仍然在不停的增加，以求其数据传输速率更快、成本更低、功耗更小。在这样的需求背景下，超宽带信号引起人们的广泛关注，并且已经成为无线通信范畴研究和开发的一个热点问题。超宽带信号由于其低功耗、抗多径衰落、无载波和高数据速率等特点，可应用于近距离大容量无线通信和传感器网络中，被当作下一代无线通讯领域的关键因素。
传统的基于电域信号处理的超宽带生成方法，受限于电子瓶颈效应，无法生成带宽数十GHz甚至上百GHz的信号，而且容易受到电磁干扰导致传输距离缩短。而光学技术具有大带宽、高频率、低相位噪声等优点。通过利用微波光子技术将光信号与微波频段的电信号相互作用，可以产生稳定有效的超宽带信号。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于上变频的微波光子毫米波超宽带信号产生方法及装置。本发明利用二次布里渊效应对超宽带信号进行上变频，使系统结构简单易于实现。得益于布里渊增益谱和损耗谱的选择性放大和衰减特性，产生的超宽带信号频谱符合美国联邦通信委员会对超宽带信号的规定。
本发明所提出的基于上变频的微波光子毫米波超宽带信号产生装置，其结构如图1所示，由激光源、偏振控制器、任意波形发生器、微波信号源、双平行马赫曾德尔调制器、掺铒光纤放大器、光隔离器、第一环形器、单模光纤、第二环形器、光电探测器和频谱分析仪组成。
由激光源输出的连续光信号fc通过偏振控制器输入到双平行马赫曾德尔调制器中。偏振控制器用来将入射光的偏振态与双平行马赫曾德尔调制器的主轴对准。双平行马赫曾德尔调制器是集成在单个芯片上的商用器件，由第一子马赫曾德尔调制器、第二子马赫曾德尔调制器、第三母马赫曾德尔调制器组成；第一子马赫曾德尔调制器和第二子马赫曾德尔调制器作为两个子调制器嵌入在第三母马赫曾德尔调制器的两个臂上，第一直流稳压电源、第二直流稳压电源、第三直流稳压电源分别为第一子马赫曾德尔调制器、第二子马赫曾德尔调制器、第三母马赫曾德尔调制器提供直流电压；通过调整第一直流稳压电源、第二直流稳压电源、第三直流稳压电源的输出电压，改变双平行马赫曾德尔调制器的三个直流偏置，可以控制双平行马赫曾德尔调制器的工作状态。控制任意波形发生器，使其发送出一系列电高斯脉冲，作为电学超宽带信号，然后将其施加到第一子马赫曾德尔调制器中，作为第一子马赫曾德尔调制器电学信号输入，控制第一直流稳压电源的输出电压，使第一子马赫曾德尔调制器工作在最大传输点；同时，将微波信号源输出的频率等于布里渊频移fB的微波信号施加到第二子马赫曾德尔调制器，并控制第二直流稳压电源的输出电源，使第二子马赫曾德尔调制器工作在正交传输点；再通过调整第三直流稳压电源的输出电压，改变第三母马赫曾德尔调制器的偏置电压，在双平行马赫曾德尔调制器的输出端产生一个载有电学超宽带信号的光载波和一系列频率间隔为fB的边带，如图2(a)所示。通常情况下，超宽带信号的10dB带宽小于fB，因此附加在光载波上的超宽带信号不会被别的边带影响。双平行马赫曾德尔调制器输出的光载波和频率间隔为fB的边带由掺铒光纤放大器放大，经过光隔离器发送到第一环形器的Ⅰ端口，光隔离器的作用是确保光信号单向传输，随后，被掺铒光纤放大器放大的信号从第一环形器的Ⅱ端口输出进入单模光纤，这个信号有两个作用。
首先，当第一环形器的Ⅱ端口输出的光载波信号功率超过单模光纤产生受激布里渊散射的阈值时，在单模光纤中就会生成一个反向传输的斯托克斯光，这个斯托克斯光和光载波的频率差为布里渊频移fB，因此其频率为fc-fB，如图2(b)所示。在受激布里渊散射效应中，作为泵浦光的光载波的功率会逐渐转移到反向传播的斯托克斯光中，使得调制信号中的光载波有很大程度的衰减。同时，因为调制信号的各阶边带和搭载在光载波上的超宽带信号达不到受激布里渊散射的阈值，它们的幅度保持不变。产生的频率为fc-fB的斯托克斯光从第一环形器的Ⅱ端口输入、Ⅲ端口输出，然后由第二环形器的Ⅰ端口输入、Ⅱ端口输出，作为一个新的泵浦光输入到单模光纤中。这个新的泵浦信号与从第一环形器的Ⅱ端口输出到单模光纤中的正向传输的信号相互作用发生第二次受激布里渊散射效应。由这个频率为fc-fB的新泵浦光同时产生位于fc-2fB处的增益谱和位于fc处的损耗谱。增益谱与光隔离器输出的调制信号(图2(a))中的负二阶边带重叠，从而对负二阶边带进行放大。同样的，损耗谱与光隔离器输出的调制信号(图2(a))中的光载波重叠，因此对光载波进行进一步的衰减，经过二次衰减在很大程度上抑制了光载波中的低频分量。图2(c)展示了光隔离器输出的调制信号经过二次布里渊效应处理后的最终结果，即负二阶边带被放大，而剩余的边带在调制信号中被相对抑制。随后，经过受激布里渊散射处理的信号由第二环形器的Ⅲ端口输出，然后传输到光电探测器中进行光电转换，附加在载波上的超宽带信号与在fc-2fB处的负二阶边带进行拍频，从而将超宽带信号的频率向高频方向移动了2fB，最终获得毫米波段的超宽带信号。
本发明装置所述的器件特点：
(1)基于上变频技术产生位于22GHz-29GHz的毫米波超宽带信号。
(2)用单边带调制实现的上变频能够克服单模光纤中的色散影响，使得产生的超宽带信号能够进行远距离传输。
(3)利用二次布里渊散射效应实现单边带调制，具有结构简单易于实现的特点。而且布里渊增益的放大与损耗的衰减特性使得生成超宽带信号的频谱较好的满足美国联邦通信委员会规定的功率谱密度掩膜。
附图说明
图1：基于上变频的微波光子毫米波超宽带信号产生装置；
图2：频谱处理图；
图3：由任意波形发生器产生的高斯序列频谱图；
图4：调制器信号的光谱图；
图5：在第一环形器的Ⅲ端口测量到的反向传输的斯托克斯光的光谱图；
图6：由二次布里渊散射效应产生的单边带调制信号的光谱图；
图7：生成的毫米波超宽带信号的频谱图。
具体实施方式
实施例1：
激光源为Santec公司的TSL-510可调激光器，激光器的波长范围为1510nm～1630nm；偏振控制器为四川梓冠公司的三环偏振控制器；双平行马赫曾德尔调制器为Photline公司的MX-LN-40-PFA-PFA，带宽为40GHz，工作的光波长为1530nm～1580nm，其中第一子马赫曾德尔调制器和第二子马赫曾德尔调制器的半波电压为4.6V，第三母马赫德尔调制器的半波电压为9.1V；微波信号源为安捷伦公司的微波信号发生器E8257D，输出频率范围为100kHz～70GHz；任意波形发生器是安捷伦公司的M8195A；第一直流稳压电源、第二直流稳压电源、第三直流稳压电源均为固纬公司的GPS-4303C，输出电压幅度在1V～20V可调；掺铒光纤放大器为无锡市中兴光电子技术公司的WZEDFA-SO-P-S-0-1-2；飞博特光电科技(深圳)有限公司的光隔离器，隔离度大于40dB；单模光纤长度为14km；第一环形器和第二环形器均为深圳市智源光通讯技术公司的CIR-3-1550-900um-1m-FC/APC；光电探测器是Optilab公司的PD-40-M，带宽为40GHz；频谱分析仪是安捷伦公司的N9010A，测量信号范围带宽为10Hz～26.5GHz。
连接好系统之后，打开设备的开关，使所有的设备处于工作状态。激光源输出波长1549.58nm的连续光，经过偏振控制器，发送到双平行马赫曾德尔调制器中进行调制。由微波信号源输出一个射频信号，设置其频率值等于布里渊频移10.875GHz，然后将该射频信号施加到第二子马赫曾德尔调制器中。控制任意波形发生器输出一个13Gb/s的高斯伪随机比特序列，它的10dB带宽约为7GHz，将其作为超宽带信号施加在第一子马赫曾德尔调制器上。图3展示了由任意波形发生器产生的超宽带信号的频谱。为了获得具有最佳光载波与调制边带比的调制信号，令第一子马赫曾德尔调制器偏置在最大传输点，令第二子马赫曾德尔调制器偏置在正交传输点。因此，将第一直流稳压源设置为0V，将第二直流稳压源设置为9.1V。然后在第一子马赫曾德尔调制器和第二子马赫曾德尔调制器之间引入零相位差，因此将第三直流稳压源设置为0V。图4展示了光载波携带超宽带信号和没有携带超宽带信号的调制信号的光谱。在虚线与实线的对比中可以看出，光载波的线宽明显变宽，这表明超宽带信号成功地由光学载波携带，而其他边带几乎没有变化。然后将调制信号输入到了掺铒光纤放大器中，调制信号被放大了10dB。可以观察到，只有光载波超过了在14km单模光纤中的受激布里渊散射的阈值。单模光纤是用来发生受激布里渊散射效应的介质，经过测量，14km单模光纤的受激布里渊散射临界功率为7.5dBm，其布里渊频移为10.875GHz。图5展示了在14km单模光纤中由受激布里渊散射效应产生的反向传播的斯托克斯光的光谱。将由掺铒光纤放大器输出的信号输入到由第一环形器、第二环形器和一个14km的单模光纤组成的光环路中，以产生二次受激布里渊散射效应。在通过受激布里渊散射效应选择性地放大和衰减之后，正如理论所分析所示，调制信号中负二阶边带被放大，载波被抑制。图6展示了经过受激布里渊散射效应处理后产生的单边带调制信号的频谱。可以观察到，负二阶边带相比于其他边带幅度增加了20dB，而且载波被超宽带信号所淹没。由于上边带和下边带之间的不平衡，载波携带的超宽带信号与负二阶边带通过光电探测器拍频，从而超宽带信号被上变频到21.75GHz。通过频谱分析仪测量，光电探测器的输出频谱如图7所示。可以发现生成信号的频谱开始于22GHz。而21.75GHz和22GHz之间的频率分量被损耗谱抑制，该损耗谱是由反向斯托克斯光作泵浦光时所产生的，尽管这改变了超宽带信号的波形，但在实际应用中不会影响超宽带信号使用。更重要的是，这一特性使得生成的信号的频谱与美国联邦通信委员会所规定的掩膜很好地吻合。然而，由于使用频谱分析仪的频率测量范围是从10Hz到26.5GHz的，所以不能获得从22GHz到29GHz的完整频谱。尽管如此，基于所获得的现有数据，可以肯定是所提出的方案能够成功的生成有效地符合美国联邦通信委员会所规定的掩膜的毫米波超宽带信号。

Claims (2)

1.一种基于上变频的微波光子毫米波超宽带信号产生方法，其特征在于：由激光源输出的连续光信号fc通过偏振控制器输入到双平行马赫曾德尔调制器中，入射光的偏振态与双平行马赫曾德尔调制器的主轴对准；控制任意波形发生器，使其发送出一系列电高斯脉冲，作为电学超宽带信号，然后将其施加到第一子马赫曾德尔调制器中，作为第一子马赫曾德尔调制器电学信号输入；控制第一直流稳压电源的输出电压，使第一子马赫曾德尔调制器工作在最大传输点；同时，将微波信号源输出的频率等于布里渊频移fB的微波信号施加到第二子马赫曾德尔调制器，并控制第二直流稳压电源的输出电源，使第二子马赫曾德尔调制器工作在正交传输点；再通过调整第三直流稳压电源的输出电压，改变第三母马赫曾德尔调制器的偏置电压，在双平行马赫曾德尔调制器的输出端产生一个载有电学超宽带信号的光载波和一系列频率间隔为fB的边带；双平行马赫曾德尔调制器输出的光载波和频率间隔为fB的边带由掺铒光纤放大器放大，经过光隔离器发送到第一环形器的I端口，随后被掺铒光纤放大器放大的信号从第一环形器的II端口输出进入单模光纤；当第一环形器的II端口输出的光载波信号功率超过单模光纤产生受激布里渊散射的阈值时，在单模光纤中就会生成一个反向传输的斯托克斯光，这个斯托克斯光的频率为fc-fB，在受激布里渊散射效应中，作为泵浦光的光载波的功率会逐渐转移到反向传播的斯托克斯光中，使得调制信号中的光载波有衰减；同时，因为调制信号的各阶边带和搭载在光载波上的超宽带信号达不到受激布里渊散射的阈值，它们的幅度保持不变；产生的频率为fc-fB的斯托克斯光从第一环形器的II端口输入、III端口输出，然后由第二环形器的I端口输入、II端口输出，作为一个新的泵浦光输入到单模光纤中；这个新的泵浦信号与从第一环形器的II端口输出到单模光纤中的正向传输的信号相互作用发生第二次受激布里渊散射效应；由这个频率为fc-fB的新泵浦光同时产生位于fc-2fB处的增益谱和位于fc处的损耗谱，增益谱与光隔离器输出的调制信号中的负二阶边带重叠，从而对负二阶边带进行放大；同样的，损耗谱与光隔离器输出的调制信号中的光载波重叠，因此对光载波进行进一步的衰减，经过二次衰减在很大程度上抑制了光载波中的低频分量；随后，经过受激布里渊散射处理的信号由第二环形器的III端口输出，然后传输到光电探测器中进行光电转换，附加在载波上的超宽带信号与在fc-2fB处的负二阶边带进行拍频，从而将超宽带信号的频率向高频方向移动了2fB，最终获得毫米波段的超宽带信号。
2.一种权利要求1所述基于上变频的微波光子毫米波超宽带信号产生方法所使用的基于上变频的微波光子毫米波超宽带信号产生装置，其特征在于：由激光源、偏振控制器、任意波形发器、微波信号源、双平行马赫曾德尔调制器、掺铒光纤放大器、光隔离器、第一环形器、单模光纤、第二环形器、光电探测器和频谱分析仪组成；双平行马赫曾德尔调制器由第一子马赫曾德尔调制器、第二子马赫曾德尔调制器、第三母马赫曾德尔调制器组成；第一子马赫曾德尔调制器和第二子马赫曾德尔调制器作为两个子调制器嵌入在第三母马赫曾德尔调制器的两个臂上，第一直流稳压电源、第二直流稳压电源、第三直流稳压电源分别为第一子马赫曾德尔调制器、第二子马赫曾德尔调制器、第三母马赫曾德尔调制器提供直流电压；激光源为TSL-510可调激光器，激光器的波长范围为1510nm～1630nm；偏振控制器为三环偏振控制器；双平行马赫曾德尔调制器为MX-LN-40-PFA-PFA，带宽为40GHz，工作的光波长为1530nm～1580nm，其中第一子马赫曾德尔调制器和第二子马赫曾德尔调制器的半波电压为4.6V，第三母马赫德尔调制器的半波电压为9.1V；微波信号源为微波信号发生器E8257D，输出频率范围为100kHz～70GHz；任意波形发生器为M8195A；第一直流稳压电源、第二直流稳压电源、第三直流稳压电源均为GPS-4303C，输出电压幅度在1V～20V可调；掺铒光纤放大器为WZEDFA-SO-P-S-0-1-2；光隔离器的隔离度大于40dB；单模光纤长度为14km；第一环形器和第二环形器均为CIR-3-1550-900um-1m-FC/APC；光电探测器为PD-40-M，带宽为40GHz；频谱分析仪为N9010A，测量信号范围带宽为10Hz～26.5GHz。
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