CN109756274A - 基于内调制激光器和平行马赫曾德尔干涉仪的微波系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于内调制激光器和平行马赫曾德尔干涉仪产生微波的方法，包括：微波模块和反馈控制环；其中，微波模块包括高压放大器，锆钛酸铅压电陶瓷驱动器，外部半导体激光器，光隔离器，光开关，第一光耦合器，第二光耦合器，第一马赫曾德尔干涉仪，第四光耦合器，第一光电探测器，高通滤波器及光谱分析仪；反馈控制环包括第三光耦合器，第二马赫曾德尔干涉仪，第五光耦合器，第二光电探测器，模数转换器和现场可编程门阵列。本发明设计合理，器械成本低，系统的输出波长可以在较宽的频率范围内调整。

Description

基于内调制激光器和平行马赫曾德尔干涉仪的微波系统

技术领域

本发明涉及一种微波系统，更具体的说是涉及一种基于内调制激光器和平行马赫曾德尔干涉仪的微波系统，属于无线波技术领域。

背景技术

随着人们对信息需求的不断增加，目前无线频谱资源已经非常的紧张，无线通讯系统必须利用更高频率的载波进行通讯，Radio over fiber(RoF)技术是一种将光与通讯结合的技术，可以在光无线网络中提供宽带无线接入，相较于普通的电信号，它具备功耗低、易于安装、带宽较宽及避免干扰等优点，已经成为近年国际研究的热点之一。

为了提高RoF系统性能、降低成本，高质量的毫米波的产生成为了系统的关键技术。目前具有四种利用光子学的方法产生毫米波的方式，分别是光注入锁定、光锁相环、外部调制法以及双波长激光器。其中外部调制法的应用最为广泛，但其也存在着明显的缺陷，该系统的成本昂贵，并且毫米波源的输出频率限制了通过外部调制产生的毫米波的频率范围；双波长激光器存在着很难改变激光器输出波长的缺陷，致使只能产生一种频率的毫米波；光锁相环缺陷在于对激光器的线宽要求非常严格，并且传输中需要插入导频，另外锁相通道与数据通道之间存在串扰，会影响接收机对信号的恢复；光注入锁定器械体积大，杂散性高，稳定性差。

因此，如何提供一种成本低、频率可调的微波系统成为了本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于内调制激光器和平行马赫曾德尔干涉仪的微波系统，设计合理，器械成本低，系统的输出波长可以在较宽的频率范围内调整。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于内调制激光器和平行马赫曾德尔干涉仪的微波系统，包括：微波模块和反馈控制环；其中，微波模块包括高压放大器，锆钛酸铅压电陶瓷驱动器，外部半导体激光器，光隔离器，光开关，第一光耦合器，第二光耦合器，第一马赫曾德尔干涉仪，第四光耦合器，第一光电探测器，高通滤波器及光谱分析仪；反馈控制环包括第三光耦合器，第二马赫曾德尔干涉仪，第五光耦合器，第二光电探测器，模数转换器和现场可编程门阵列。

其中，

所述高压放大器，用于放大锆钛酸铅压电陶瓷驱动器的驱动斜波；

所述锆钛酸铅压电陶瓷驱动器，用于调整调制频率的范围；

所述外部半导体激光器，用于提供输出激光；

所述光隔离器，用于阻止激光反射的损失；

所述光开关，用于协助FPGA忽略不稳定的初始拍频；

所述第一光耦合器，用于通过一个输出端将激光耦合进入第二耦合器，通过另一个输出端将激光耦合进入第三耦合器；

所述第二光耦合器，第一马赫曾德尔干涉仪，第四光耦合器，第一光电探测器，高通滤波器，及光谱分析用于产生毫米波并对其进行检测；

所述第三光耦合器，第二马赫曾德尔干涉仪，第五光耦合器，第二光电探测器，模数转换器，现场可编程门阵列(FPGA)为反馈控制环，用于确保外部半导体激光器调频的线性。

优选的，所述第一光耦合器通过一个输出端将激光耦合进入所述第二耦合器，并通过另一个输出端将激光耦合进入所述第三耦合器。

优选的，所述第一光耦合器将调频激光进行分光后，进入所述第一马赫曾德尔干涉仪，所述第一马赫曾德尔干涉仪的输出由所述第一光电探测器接收，再由所述高通滤波器滤波后的微波进入所述光谱分析仪。

优选的，在所述反馈控制环中，激光通过所述第五光耦合器后，从所述第二马赫曾德尔干涉仪输出进入所述第二光电探测器。

优选的，所述第二光电探测器将拍频信号发送到所述模数转换器，所述现场可编程门阵列对所述模数转换器转换后的数字拍频信号进行处理。

优选的，所述现场可编程门列阵内部设置有稳定振荡器，所述稳定振荡器产生的振荡频率作为参考源。

Littrow结构外部半导体激光器用作光源，其腔中包含光栅，光栅固定在锆钛酸铅压电陶瓷驱动器上。当被高压放大器放大的谐波施加到锆钛酸铅压电陶瓷驱动器上时，调整光栅就可以改变外部半导体激光器的中心波长。外部半导体激光器光束通过光隔离器接着被第一光耦合器分成两束激光。一束激光经第一马赫曾德尔干涉仪产生毫米波，所生产的毫米波使用一台光谱分析仪进行监测。另一束激光通过第二马赫曾德尔干涉仪并用来控制调频扫描的线度。现场可编程门阵列(FPGA)芯片处理所有信号处理程序并控制模数转换来收集频率信号，然后采用快速傅里叶变换(FFT)来分析拍频的变化。如果变化超过参考值，则FPGA将修改斜波，以确保外部半导体激光器调频的线性。

外部半导体激光器中的激光束由第一光耦合器和第二光耦合器分开，先进入第一马赫曾德尔干涉仪再通过第一光电探测器。第一马赫曾德尔干涉仪中两束激光可以表示为:

其中A₁是光耦合器的增益，τ₁是第一马赫曾德尔干涉仪的光延时环时间，k是光频扫描的斜率，ω₁是初始的角频率，和是两个分离光路的相位角。

第一光电探测器接收到两束光后输出为:

其中G_PD是光功率和第一光电探测器响应度的乘积，是一个常数，简化为φ₁。第一光电探测器的输出就化简为:

其中是第一马赫曾德尔干涉仪的全部增益。相同的也可以得到第二马赫曾德尔干涉仪中的信号:

其中第二马赫曾德尔干涉仪中的τ₂是一个很小的常数。第二马赫曾德尔干涉仪中的拍频信号为Δω₂＝kτ₂，如果Δω₂保持不变，光频扫描的斜率也是一个常数，保证外部半导体激光器频率调制的线性。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于内调制激光器和平行马赫曾德尔干涉仪的微波系统，结构简单，设计合理，器械成本低，能够产生高频段、高质量的毫米波，并且可以通过反馈控制环路来保证外部半导体激光器频率调制的线性，确保系统的输出波长可以在较宽的频率范围内调整。

附图说明

图1毫米波发生器的系统方案

图2(a)锆钛酸铅压电陶瓷驱动器驱动斜波(窄线)和没有光开关的第一马赫曾德尔干涉仪拍频信号曲线(宽带)

图2(b)锆钛酸铅压电陶瓷驱动器驱动斜波(窄线)和有光开关的第一马赫曾德尔干涉仪拍频信号曲线(宽带)

图2(c)放大的第一马赫曾德尔干涉仪拍频曲线

图2(d)第一马赫曾德尔干涉仪在1.743GHz产生峰值的频谱特性

图3(a)在五种不同驱动斜波下第一马赫曾德尔干涉仪拍频的频谱

图3(d)无反馈控制环第一马赫曾德尔干涉仪产生的5.134GHz毫米波频谱和有反馈控制环的频谱

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种基于内调制激光器和平行马赫曾德尔干涉仪的微波系统，结构简单，能够产生高频段、高质量的毫米波，并且可以通过反馈控制环路来保证外部半导体激光器频率调制的线性，确保系统的输出波长可以在较宽的频率范围内调整。

请参阅附图1，图1为毫米波生成系统。选择一个线宽10Khz具有Littrow结构的外部半导体激光器，包括一个光栅以用来进行频率选择，光栅每毫米有1050个凹槽且中心发射波长为1550nm的激光。第一光耦合器将调频激光进行分光后，90％的激光以长延迟线进入第一马赫曾德尔干涉仪，其中长延迟线含有折射率为1.448的10km长的保偏光纤(PM-SMF)。该装置产生48.93μs的延迟。第一马赫曾德尔干涉仪的输出由带宽为5GHz的第一光电探测器接收，毫米波在第一光电探测器上形成，再由高通滤波器滤除不需要的低频噪音，滤波器的带宽为1.4GHz到5.5GHz。滤波后的毫米波进入工作频率为6.2kHz-9kHz的光谱分析仪，高通滤波器和光谱分析仪形成了测量输出毫米波的频率监测仪。剩余10％的原始光束通过光耦合器第三光耦合器，分成两束相同光束，以短延迟线进入第二马赫曾德尔干涉仪，其中短延迟线是一个折射率为3m的保偏光纤(PM-SMF)。该装置产生的光延时为14.48ns，该延时很小可以控制调制频率的线性。这两个具有所有保偏元件的马赫曾德尔干涉仪应该放置在防振箱中，以避免环境变化所造成的相位噪声。在通过第五光耦合器后，从第二马赫曾德尔干涉仪输出的激光进入1.2GHz带宽的第二光电探测器。第二光电探测器将拍频信号发送到10-bit的模数转换器上。FPGA处理数字拍频信号，该FPGA具有内部稳定振荡器，作为参考源。根据线性频率调制理论，FPGA接收拍频信号并将其与参考源进行比较。如果频差值大于参考值，则FPGA将控制通过10-bit数模转换器(DAC)进行斜坡波形校正，以确保调制的线性。

在本发明中，锆钛酸铅压电陶瓷驱动器的最大驱动电压为150V，对应的波长从1546.0521nm到1546.3416nm，产生36.33GHz的频率调制范围。锆钛酸铅压电陶瓷驱动器在安全电压为145V的情况下以1KHz的斜波驱动，其调制范围为36GHz，可以推断锆钛酸铅压电陶瓷驱动器的调制速度等于36THz/s。图2(a)显示了锆钛酸铅压电陶瓷驱动器驱动电压曲线为窄线，第一马赫曾德尔干涉仪的输出波形为宽带。我们用具有6GHz带宽的数字示波器观察第一马赫曾德尔干涉仪拍频。在波形开始时，它表现出剧烈的振动，持续约200秒。该振动用于说明由斜波驱动锆钛酸铅压电陶瓷驱动器快速调制，当从波峰到波谷时，该波形产生了一个剧烈的变化。当电压迅速变化时，锆钛酸铅压电陶瓷驱动器具有电容特性，电容器不能及时释放电荷。结果，残留电荷进入下一个充电过程并出现锆钛酸铅压电陶瓷驱动器调制振动。由于这种情况难以避免，FPGA程序通过控制光开关来忽略初始拍频。使用该光开关只剩下相对稳定的拍频。图2(b)表示使用光开光后的脉冲波剧烈变化被滤除。图2(c)表示第一马赫曾德尔干涉仪在时域放大的拍频信号。图2(d)表示拍频在频域为1.743GHz。

为了获得更高频率的毫米波，锆钛酸铅压电陶瓷驱动器以145V的恒定电压下驱动，形成了以500Hz一个梯度增长从1kHz到3kHz的斜波。第二马赫曾德尔干涉仪的输出拍频为495kHz，738kHz，1.013MHz，1.275MHz和1.502MHz。与之对应的第一马赫曾德尔干涉仪的输出毫米波频率为1.743GHz，2.583GHz，3.487GHz，4.283GHz和5.134GHz，这些毫米波频谱如图3(a)所示。为了形成稳定的毫米波，我们使用反馈控制回路来保证拍频的稳定性。如果差异超过参考信号，则FPGA补偿并改变斜波波形，以线性方式驱动外部半导体激光器的调制。在本发明中，当第二马赫曾德尔干涉仪中参考信号被锁定在1.502MHz时，在第一马赫曾德尔干涉仪中对应的稳定毫米波频率为5.134GHz。在电子反馈控制下，第一光电探测器的输出变化明显减小，如图3(b)所示。宽带宽和低功率峰值的表示无反馈控制的5.134GHz频谱；使用窄带宽和高功率峰值显示在使用反馈控制后的5.134GHz频谱。

相位噪声是衡量毫米波产生器的一个重要性能指标。本专利利用光谱分析仪监测光谱并测量毫米波最大值5.134GHz的相位噪声。表1为在第一马赫曾德尔干涉仪产生的5.134GHz毫米波的相位噪声特征。

表1

如表1所示，在使用反馈控制环后，相位噪声在1KHz增加了33.45dBc/Hz，在1MHz增加了30.93dBc/Hz，这是一个显著的提高。

本发明可以快速地在大频率范围内获得任意频率的毫米波，产生的毫米波频率取决于两个因素：频率调制斜率k和光延迟回路时间τ，第一马赫曾德尔干涉仪中的τ₁是常数，k取决于三个要素：锆钛酸铅压电陶瓷驱动器的调制频率、施加到锆钛酸铅压电陶瓷驱动器的斜波的电压和锆钛酸铅压电陶瓷驱动器的数量。如果一个锆钛酸铅压电陶瓷驱动器库存包含几个锆钛酸铅压电陶瓷驱动器覆盖了200GHz光调制频率范围，则调制频率高达5KHz并且ODL1的长度为20公里。本发明具有产生大于100GHz的毫米波的潜力。这些因素不能无限增加，长延迟线的长度应小于外部半导体激光器的最大相干长度。如果电压过高，锆钛酸铅压电陶瓷驱动器会受到损坏，驱动频率也会造成相同的结果。在本发明，有一个特殊情况需要注意。当锆钛酸铅压电陶瓷驱动器的驱动电压为恒定145V时，在第一光电探测器的最大带宽(5GHz)下，第一马赫曾德尔干涉仪的输出可以达到5.134GHz的峰值。相反地，当调制频率提高到3KHz以上时，由于第一光电探测器仅具有5GHz带宽，所以第一光电探测器停止响应。第二光电探测器的输出可以看出，当锆钛酸铅压电陶瓷驱动器的调制频率大于8KHz时，第二光电探测器的拍频不会线性地持续增加，并且很难保证线性。因为锆钛酸铅压电陶瓷驱动器在高频振荡的条件下，其频率响应特性导致比锆钛酸铅压电陶瓷驱动器在较低频率下振荡的位移性能降低。锆钛酸铅压电陶瓷驱动器在高频振荡如果具有足够的带宽，也会影响第一光电探测器的输出。这种效应意味着存在驱动频率限制线。如果调制频率超过这条线，毫米波可能会降低并变得不稳定。当观察用光开光滤波由斜波产生的拍频的初始部分时，输出毫米波是脉冲波。这些脉冲波受益于快速频率变化和宽频率调制范围。可以广泛应用于无线电探测系统。

本专利中系统的输出波长可以方便快捷地在较宽的频率范围调整，系统中使用的所有装置成本都相对较低，并且这种毫米波发生系统在军事应用，无线电通信和科学研究提供了巨大的潜力。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种基于内调制激光器和平行马赫曾德尔干涉仪的微波系统，其特征在于，包括：微波模块和反馈控制环；其中，所述微波模块包括高压放大器，锆钛酸铅压电陶瓷驱动器，外部半导体激光器，光隔离器，光开关，第一光耦合器，第二光耦合器，第一马赫曾德尔干涉仪，第四光耦合器，第一光电探测器，高通滤波器及光谱分析仪；所述反馈控制环包括第三光耦合器，第二马赫曾德尔干涉仪，第五光耦合器，第二光电探测器，模数转换器和现场可编程门阵列。

2.根据权利要求1所述的一种基于内调制激光器和平行马赫曾德尔干涉仪的微波系统，其特征在于，所述第一光耦合器通过一个输出端将激光耦合进入所述第二耦合器，并通过另一个输出端将激光耦合进入所述第三耦合器。

3.根据权利要求1所述的一种基于内调制激光器和平行马赫曾德尔干涉仪的微波系统，其特征在于，所述第一光耦合器将调频激光进行分光后，进入所述第一马赫曾德尔干涉仪，所述第一马赫曾德尔干涉仪的输出由所述第一光电探测器接收，再由所述高通滤波器滤滤波后的微波进入所述光谱分析仪。

4.根据权利要求1所述的一种基于内调制激光器和平行马赫曾德尔干涉仪的微波系统，其特征在于，在所述反馈控制环中，激光通过所述第五光耦合器后，从所述第二马赫曾德尔干涉仪输出进入所述第二光电探测器。

5.根据权利要求4所述的一种基于内调制激光器和平行马赫曾德尔干涉仪的微波系统，其特征在于，所述第二光电探测器将拍频信号发送到所述模数转换器，所述现场可编程门阵列对所述模数转换器转换后的数字拍频信号进行处理。

6.根据权利要求5所述的一种基于内调制激光器和平行马赫曾德尔干涉仪的微波系统，其特征在于，所述现场可编程门列阵内部设置有稳定振荡器，所述稳定振荡器产生的振荡频率作为参考源。