CN109150314B - 变频移相一体化光子微波混频装置 - Google Patents

变频移相一体化光子微波混频装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种变频相移一体化光子微波混频装置，包括：激光器、偏振复用平行光调制器(或被称为双偏振平行光调制器，偏振复用I/Q调制器，双偏振I/Q调制器)、双偏振光滤波器、光域移相器及光相干探测器。通过偏振复用平行光调制器实现基于正交偏振复用技术的平行架构光子混频器，使射频调制光信号和本振调制光信号处于相位相干的正交偏振态，并始终保持两路平行光的相位相对稳定，通过光域移相器实现所得中频信号的任意相移。相比于传统微波混频器，该装置具有更大的工作带宽、无杂散动态范围及更小的群延时波动，且能实现混频和移相的功能集成。

Description

变频移相一体化光子微波混频装置
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种变频移相一体化光子微波混频装置。
背景技术
随着通信技术及雷达技术等领域的不断发展，对射频接收系统各方面性能的要求也越来越高，例如：应能够接收更高载波频率和更大瞬时带宽的信号、应具有更好线性度(用动态范围来衡量)及更高灵敏度(用最小可探测功率衡量)等。受限于模数转换技术，对于高频宽带信号，变频器成为射频系统中不可或缺的模拟信号处理功能模块。基于传统电学技术下的变频器发展至今，其线性度、工作频段及带宽等射频技术指标已经很难同时满足未来需求，并成为制约接收机系统整体性能进一步提升的主要因素之一，发展具有更高性能的新型变频技术已是迫在眉睫。于是，基于微波光子技术的变频方法应运而生，凭借光子技术的高频宽带优势，光子混频器可以很好的克服传统混频器的带宽限制，同时具备更高的线性度和更好的群延时特性。
光子混频器的发展可追溯至上世纪九十年代中期，当时的研究工作主要集中于光子混频器的架构，并根据电光调制器的拓扑结构将光子混频器的架构分为级联式光子混频器和平行式光子混频器两种。其中，平行式结构相比级联式结构具有更好的射频技术指标。早期研究成果受限于光源功率不足、光电探测可承受功率小及电光/光电转换损耗高等因素，变频损耗和噪声系数都远高于电混频器。近期的研究工作更重视光子混频器的射频技术指标，典型工作是Harris公司在平行架构光子混频器的基础上引入光域滤波以提高线性度，其方案为：激光器发出的光经耦合器后分为两束，分别通过上下两个马赫曾德尔调制器被射频信号和本振信号调制，再经光纤光栅滤波，仅保留+1或者-1阶调制边带，最后经2×2耦合器后被平衡探测，所得信号即为射频信号和本振信号下变频后的电中频信号。相比电混频器，该方法实现了更大的变频带宽和动态范围，但由于平行调制结构需要匹配平行的两路光束的光程，而光路的相位特性容易受到环境的影响而扰动，这导致基于分立光纤器件两条光路的光程难以匹配，最终影响平行架构光子混频器系统整体射频性能，从而影响了实用性。
此外，光子技术在信号变频的同时，还可以完成相移、传输、分布及幅度均衡等功能，有望实现基于同一套硬件的高性能多功能信号处理平台。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对于现有的技术问题，本发明提供一种变频相移一体化光子微波混频装置，用于解决平行调制器架构光子混频器中分立光纤器件导致的两条光路的光程难以匹配的问题，并且实现相移功能和混频功能的集成。
(二)技术方案
本发明提供一种变频相移一体化光子微波混频装置，包括：
激光器，用于产生激光；
偏振复用平行光调制器，用于将激光分束成第一路激光和第二路激光，将射频信号和本振信号分别调制在第一路激光和第二路激光上产生光射频信号和光本振信号，调整光射频信号和光本振信号其中一路信号的偏振方向，使光射频信号和光本振信号的偏振方向垂直，并将偏振方向垂直的光射频信号和光本振信号偏振合束为偏振正交复用光信号；
双偏振光滤波器，用于滤除偏振正交复用光信号中光载波和无用光边带；
光域移相器，用于改变偏振正交复用光信号中光射频信号和光本振信号的相对群延时或相对光相位，产生相位可调的偏振正交复用光信号；
相干探测器，用于根据相位可调的偏振正交复用光信号产生相位差可调的电中频信号。
可选地，偏振复用平行光调制器进一步包括：
保偏光分束器，用于将激光分束成第一路激光和第二路激光；
第一电光强度调制器，用于将射频信号调制在第一激光上产生光射频信号；
第二电光强度调制器，用于将本振信号调制在第二激光上产生光本振信号；
偏振旋转器，用于将所述光射频信号和光本振信号其中一路信号的偏转方向旋转90度，使光射频信号和所述光本振信号的偏振方向垂直；
偏振光合束器，将偏振方向垂直的光射频信号和光本振信号偏振合束为偏振正交复用光信号。
可选地，光相干探测器进一步包括：
偏振光分束器，用于根据偏振方向将相位可调的偏振正交复用光信号分为a、b两路光信号；
光相位混合耦合器，用于根据a、b两路光信号产生c、d、e、f路光信号；
第一平衡探测器用于将c、d路光信号转化为电信号并做差产生I路中频信号；
第二平衡探测器，用于将e、f路光信号转化为电信号并做差产生Q路中频信号。
可选地，该c、d、e、f路光信号的电场Ec、Ed、Ee、Ef与a、b路光信号的电场Ea、Eb的关系满足Ec∝Ea+Eb、Ed∝Ea-Eb、Ee∝Ea+iEb及Ed∝Ea-iEb。
可选地，调节光域移相器中加载到偏振正交复用光信号中光射频信号和光本振信号分别对应的光波导的直流偏置电压大小或对偏振正交复用光信号中光射频信号和光本振信号分别引入不同群延时，以调节I/Q路电中频信号相位。
可选地，第一电光强度调制器和第二电光强度调制器保持在载波抑制模式，用于在调制过程中抑制光载波并产生均由±1阶光边带构成的光射频信号和光本振信号。
可选地，a路信号对应于光射频信号，b路信号对应于光本振信号。
可选地，光相位混合耦合器为光90度混合耦合器。
可选地，光子微波混频装置的各器件保持25dB以上的偏振消光比，同时器件之间通过保偏光纤连接。
可选地，激光器产生的激光的波长和偏振态不变。
(三)有益效果
本发明提供一种变频相移一体化光子微波混频装置，具有以下有益效果：
(1)在平行调制架构中引入正交偏振复用技术，利用环境扰动对同一条保偏光纤中两个偏振方向的光波相对扰动很小的特性，同时采用保偏光学器件(保偏光分束器、保偏光纤)对光信号进行分束、传输，使两路平行光的光程匹配，保证了相位的相对稳定。同时，通过双偏振光滤波器滤除多余光边带分量，再对两束调制光信号进行外差相干探测，实现射频信号与本振信号的I/Q混频。相比于传统微波混频器，本发明的装置具有更大的工作带宽和无杂散动态范围，以及更小的群延时波动。
(2)基于上述偏振复用技术，在处于正交偏振态的光射频信号和光本振信号中分别引入不同群延时，或调节光域移相器中加载到与偏振正交复用光信号中光射频信号和光本振信号分别对应的光波导的直流偏置电压大小(调整相对光相位)可实现混频所得电中频信号的任意相移，此外，借助于保偏光纤可对合束光信号进行远距离传输，由此实现了混频和相移的集成，同时具备传输能力。
附图说明
图1是本发明变频移相一体化光子微波混频装置的结构示意图。
图2是本发明一实施例变频相移一体化光子微波混频装置的结构示意图。
图3是本发明另一实施例变频相移一体化光子微波混频装置的偏振复用平行光调制器的结构示意图。
图4为本发明另一实施例变频相移一体化光子微波混频装置的光域移相器的原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种变频相移一体化光子微波混频装置，如图1所示，该装置包括：
激光器，用于产生激光；
偏振复用平行光调制器，用于将激光分束成第一路激光和第二路激光，将射频信号和本振信号调制在第一路激光和所述第二路激光上产生光射频信号和光本振信号，调节光射频信号和光本振信号其中一路信号的偏振方向，使光射频信号和光本振信号的偏振方向垂直，并将偏振方向垂直的光射频信号和光本振信号偏振合束为偏振正交复用光信号；
双偏振光滤波器，用于滤除偏振正交复用光信号中的光载波和无用光边带；
光域移相器，用于改变偏振正交复用光信号中光射频信号和光本振信号的相对群延时或相对光相位，产生相位可调的偏振正交复用光信号；
相干探测器，用于根据相位可调的偏振正交复用光信号产生相位可调的I/Q电中频信号。
通过偏振复用平行光调制器，实现基于正交偏振复用技术的平行架构光子混频器，使射频调制光信号和本振调制光信号处于相位相干的正交偏振态，同时，采用保偏光学器件(保偏光分束器、保偏光纤)对光信号进行分束、传输，始终保持两路平行光的相位相对稳定，采用相干探测器对处于正交偏振态的两束调制光信号进行偏振分束、正交混合耦合和平衡光电探测，实现调制光信号的外差相干探测，获得射频信号与本振信号I/Q混频后的中频信号；此外，通过光域移相器在正交偏振复用的光载波上引入可编程差分群延时使两路处于正交偏振态的调制光信号产生相对群延时，再经过外差探测将延时转换为中频信号的相移，或通过调节所述光域移相器中加载到与两个偏振方向光波(光射频信号和光本振信号)分别对应的光波导的直流偏置电压大小直接产生相对光相位差，再通过外差探测将相对光相位差转换为中频信号的相位，实现移相功能与混频功能的集成。
该装置的工作过程可理解为：
保偏光分束器将激光器产生的激光分束成第一路激光和第二路激光，并将第一路激光输出至第一电光强度调制器，将第二路激光输出至第二电光强度调制器，第一电光强度调制器将射频信号调制到第一路激光上输出光射频信号，第二电光强度调制器将本振信号调制到第二路激光上输出光本振信号，光射频信号和光本振信号其中的一路信号直接输出至偏振光合束器，另一路信号经偏振旋转器旋转后输出至偏振光合束器，偏振光合束器将输入的两路信号偏振合束成偏振正交复用光信号后输出至双偏振光滤波器，双偏振光滤波器滤除偏振正交复用光信号中的光载波和无用边带并将通过的偏振正交复用光信号输出至光域移相器，光域移相器对滤除后的偏振正交复用光信号进行处理，产生相对群延时或相对光相位可调偏振正交复用光信号并输出至偏振光分束器，偏振光分束器将相位差可调的光信号分成a路光信号和b路光信号，并将a路光信号和b路光信号输出至光相位混合耦合器，光相位混合耦合器根据a、b路光信号产生c、d、e、f路光信号，并将c、d路光信号输出至第一平衡探测器，将e、f路光信号输出至第二平衡探测器，第一平衡探测器将c、d路光信号转化为电信号并做差产生I路电中频信号，第二平衡探测器将e、f路光信号转化为电信号并做差产生Q路电中频信号。
图2是本发明一实施例变频相移一体化光子微波混频装置的结构示意图。
如图2所示，在本发明一实施例中，第一电光强度调制器为第一马赫曾德尔调制器，第二电光强度调制器为第二马赫曾德尔调制器，光域移相器为相位调制型光域移相器(光域偏振模式色散补偿器)，光相位混合耦合器为光90度混合耦合器，本发明不加以限制。下面结合具体例子对该装置的混频移相功能进行详细描述。
激光器产生波长稳定的连续激光，其电场为：
E0＝A0exp[-i(ω0t)]
其中，A0为振幅，ω0为角频率。
该激光经过保偏光分束器后被分为并行的两束：第一路激光和第二路激光。将两束激光分别输入至第一、第二马赫曾德尔调制器，第一马赫曾德尔调制器将射频信号
Figure BDA0001841709060000061
调制在第一路激光上产生光射频信号，第二马赫曾德尔调制器将本振信号VLO cos(ωLOt)调制在第二路激光上产生光本振信号，在调制的过程中将第一、第二马赫曾德尔调制器的偏置电压设置在最小偏置点，使得两个调制器工作在载波抑制模式，获得载波抑制的且均以±1阶光边带构成的光射频信号和光本振信号。采用偏振旋转器将光本振信号的偏振方向旋转90度，使光射频信号的偏振方向与旋转后的光本振信号的偏振方向正交(旋转前两路信号的偏转方向一致)，也可以采用偏振旋转器旋转光射频信号的偏转方向，本发明不加以限制。将正交的光射频信号和光本振信号输入至偏振光合束器偏振合束成偏振正交复用光信号，该偏振正交复用光信号的电场为：
Figure BDA0001841709060000071
其中，Ex(t)、Ey(t)为两个正交偏振方向(分别对应光射频信号和光本振信号)的电场；J1为一阶第一类Bessel函数；βRF＝πVRF/Vπ；βLO＝πVLO/Vπ；Vπ为调制器的半波电压，由于高阶调制边带的相对振幅较小，此处可以忽略。
将合束成的偏振正交复用光信号输入至双偏振光滤波器，同时滤除光射频信号和光本振信号的+1阶边带，滤波后的光信号的电场为：
Figure BDA0001841709060000072
滤波后偏振正交复用光信号输入至相位调制型光域移相器，相位调制型光域移相器改变偏振正交复用光信号中光射频信号和光本振信号的相对群时延或相对光相位，改变的方式为调整光射频信号和光本振信号的光程从而分别引入不同群延时，或者分别调整光域移相器中两个偏振方向(光射频信号与光本振信号)分别对应的光波导的直流偏置电压大小，从而改变通过的偏振正交复用光信号的光相位差。对于引入群延时的方式，延时后产生的相位差可调节的光信号的电场可表示为：
Figure BDA0001841709060000073
由此可知，光射频信号与光本振信号经过相干探测得到的电中频信号的相位差为
Figure BDA0001841709060000074
由于ω0远大于ωLO，延时后的相位差近似为
Figure BDA0001841709060000075
引入的延时τ不同，相位差
Figure BDA0001841709060000076
不同。
对于采用分别调整光域移相器中两个偏振方向(光射频信号与光本振信号)对应的光波导的直流偏置电压大小，改变通过的偏振正交复用光信号的相对光相位的方式，偏置电压在光射频信号和光本振信号所在的两个正交偏振方向分别产生相移
Figure BDA0001841709060000081
调节偏置电压的大小，可控制二者之差
Figure BDA0001841709060000082
为一任意值，满足条件
Figure BDA0001841709060000083
相位可调的偏振正交复光信号的电场为：
Figure BDA0001841709060000084
在相干接收机端，相位可调的偏振正交复光信号输入至偏振光分束器，偏振光分束器根据偏振方向将相位可调的偏振正交复光信号中的光射频信号和光本振信号分束为a、b两路信号，其中，a路信号对应于光射频信号，b路信号对应于光本振信号，光90°混合耦合器根据a、b两路信号产生c、d、e、f四路信号。其中，c、d、e、f路光信号的电场Ec、Ed、Ee、Ef与a、b路光信号的电场Ea、Eb的关系满足Ec∝Ea+Eb、Ed∝Ea-Eb、Ee∝Ea+iEb及Ed∝Ea-iEb。
将c、d两路信号输入至第一平衡探测器，e、f两路信号输入至第二平衡探测器。第一平衡探测器将c、d两路光信号分别转化为电信号并做差，输出光射频信号与光本振信号的差频信号(I路电中频信号)，其光电流为：
Figure BDA0001841709060000085
第二平衡探测器将e、f两路光信号分别转化为电信号并做差，输出光射频信号与移相90度后的光本振信号的差频信号(Q路电中频信号)，其光电流为：
Figure BDA0001841709060000086
由此可知，通过本实施例的变频移相一体化光子微波混频装置后，产生角频率为ωIF＝ωRF-ωLO的两路正交信号，即射频信号与本振信号混频后的I/Q电中频信号，其中均包含了可调相位
Figure BDA0001841709060000087
同时实现了I/Q混频与移相。
其中，本实施例的变频移相一体化光子微波混频装置各器件通过保偏光纤连接，使各器件之间的光信号通过保偏光纤传输，保证平行光信号间的光程匹配，同时，各器件均保持较高(25dB)的偏振消光比，避免消光比不足导致获得的中频信号的幅度和相位不稳定。
此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
在本发明另一实施例中，图2中所示的偏振复用平行光调制器可以用如图3中所示结构代替，该结构包括双偏振BPSK调制器、180度耦合器1、180度耦合器2，本发明不加以限制。射频信号和本振信号分别输入至180度耦合器1和180度耦合器2，各输出的两路反相信号分别调制到双偏振BPSK调制器的上下两个马赫曾德尔调制器的两臂，构成双平行推挽式马赫曾德尔调制器；与上述实施例相同地，令上、下两个调制器的偏置电压均控制在最小偏置点，即工作在载波抑制模式，即可实现与图2所示实施例中的偏振复用平行光调制器相同的功能。
在本发明另一实施例中，图2中的相位调制型光域移相器可以用差分群延时型光域移相器代替，本发明不加以限制。其原理如图4所示。通过偏振控制器件在正交偏振复用的光射频信号和光本振信号中引入不同的光程，从而引起不同的光相位延迟，形成两路光信号间的相位差
Figure BDA0001841709060000091
在本发明另一实施例中，图2中的双偏振光滤波器可以有多种实现形式，包括但不限于薄膜滤波器，光学晶体滤波器等，本发明不加以限制。
综上所述，本发明通过在平行架构中引入正交偏振复用技术，使得两路平行光的光程匹配，保证相位的相对稳定，提升系统整体射频性能。同时，在处于正交偏振态的光射频信号和光本振信号中引入不同相移，调节二者相移之差实现混频所得电中频信号的任意相移，从而实现信号变频时混频和移相功能的集成。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光子微波混频装置，其特征在于，包括：
激光器，用于产生激光；
偏振复用平行光调制器，用于将所述激光分束成第一路激光和第二路激光，将射频信号和本振信号分别调制在所述第一路激光和所述第二路激光上产生由±1阶光边带构成的光射频信号和光本振信号，调节所述光射频信号和光本振信号其中一路信号的偏振方向，使所述光射频信号和光本振信号的偏振方向正交，并将偏振方向垂直的光射频信号和光本振信号偏振合束为偏振正交复用光信号；
双偏振光滤波器，用于滤除所述偏振正交复用光信号的光载波和无用光边带；
光域移相器，用于改变所述偏振正交复用光信号中光射频信号和光本振信号的相对群延时或相对光相位，产生相位可调的偏振正交复用光信号；
光相干探测器，用于根据所述相位可调的偏振正交复用光信号产生相位可调的I/Q路电中频信号；
其中，器件之间通过保偏光纤连接。
2.根据权利要求1所述的光子微波混频装置，其特征在于，所述偏振复用平行光调制器包括：
保偏光分束器，用于将所述激光分束成第一路激光和第二路激光；
第一电光强度调制器，用于将所述射频信号调制在所述第一激光上产生光射频信号；
第二电光强度调制器，用于将所述本振信号调制在所述第二激光上产生光本振信号；
偏振旋转器，用于将所述光射频信号和所述光本振信号其中一路信号的偏转方向旋转90°，使所述光射频信号和所述光本振信号的偏振方向正交；
偏振光合束器，将偏振方向正交的光射频信号和光本振信号偏振合束为所述偏振正交复用光信号。
3.根据权利要求1所述的光子微波混频装置，其特征在于，所述光相干探测器包括：
偏振光分束器，用于根据偏振方向将所述相位可调的偏振正交复用光信号分束为a、b两路光信号；
光相位混合耦合器，用于根据所述a、b两路光信号产生c、d、e、f路光信号；
第一平衡探测器，用于将所述c、d路光信号转化为电信号并做差产生所述相位可调的I路电中频信号；
第二平衡探测器，用于将所述e、f路光信号转化为电信号并做差产生所述相位可调的Q路电中频信号。
4.根据权利要求3所述的光子微波混频装置，其特征在于，所述c、d、e、f路光信号的电场Ec、Ed、Ee、Ef与所述a、b路光信号的电场Ea、Eb的关系满足Ec∝Ea+Eb、Ed∝Ea-Eb、Ee∝Ea+iEb及Ed∝Ea-iEb。
5.根据权利要求1所述的光子微波混频装置，其特征在于，调节所述光域移相器中加载到所述偏振正交复用光信号中光射频信号和光本振信号分别对应的光波导的直流偏置电压大小或对所述偏振正交复用光信号中光射频信号和光本振信号分别引入不同群延时，以调节所述I/Q路电中频信号的相位。
6.根据权利要求2所述的光子微波混频装置，其特征在于，所述第一电光强度调制器和所述第二电光强度调制器保持在载波抑制模式，用于在调制过程中抑制所述光载波并产生均由±1阶光边带构成的所述光射频信号和所述光本振信号。
7.根据权利要求3所述的光子微波混频装置，其特征在于，所述a路信号对应于所述光射频信号，所述b路信号对应于所述光本振信号。
8.根据权利要求3所述的光子微波混频装置，其特征在于，所述光相位混合耦合器为光90度混合耦合器。
9.根据权利要求1所述的光子微波混频装置，其特征在于，所述光子微波混频装置的各器件的偏振消光比至少为25dB。
10.根据权利要求1所述的光子微波混频装置，其特征在于，所述激光器产生的激光的波长和偏振态保持不变。
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