CN110061406A - 具有多分频模式的光子型微波分频器及其分频方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有多分频模式的光子型微波分频器，具有1/3和2/3分频模式；该分频器包括：第一电光调制模块，具有载波抑制双边带调制工作模式和单边带调制工作模式且可在两种工作模式间切换；光电振荡环路，其包括处于载波抑制双边带调制工作模式下的第二电光调制模块以及光电探测器、微波放大器、微波带通滤波器、移相器、功分器，第二电光调制模块的光输入端连接第一电光调制模块的输出端；控制单元，用于控制第一电光调制模块的工作模式并对移相器进行控制。本发明还公开了该光子型微波分频器的分频方法。本发明能够在光域实现任意微波信号的1/3和2/3分频以及两种分频模式的灵活切换，且具有大带宽、低噪声、低杂散以及对外部干扰小的优点。

Description

具有多分频模式的光子型微波分频器及其分频方法

技术领域

本发明涉及一种光子型微波分频器，尤其涉及一种具有多分频模式的光子型微波分频器。

背景技术

对单频信号而言，分频是指将单一频率信号的频率降低为原来的1/N，就叫N分频；对由很多不同频率成分组成的混合信号而言，分频是对信号中不同频率成分的各种信号分开，分成几个频率段。实现分频的电路或装置称为“分频器”。不同应用对分频器的性能要求各有不同。在通信系统应用中，分频器基于自身的参考时钟向系统提供可变的时钟信号，以应对不同速率的信号产生、调制与解调；在雷达探测系统应用中，其在频率综合器中起着举足轻重的作用，如本振分频、锁相环等。对极大通信容量的迫切需求和对射频探测领域中超高探测精度的热切期望，使得人们越来越关注微波的频率、带宽及性能要求，同时关注着分频器的工作频率、杂散、抗干扰能力、抗噪声性能等方面的进一步发展。

在电子学领域中，分频器可分为数字分频器和模拟分频器两类。数字分频器具有分频灵活的特点，其内部利用数字计数器及触发器实现分频功能，缺点是工作频率较低，且其内部触发器的工作模式易给系统引入过多杂散分量，使得相位噪声严重恶化，限制了数字分频器的使用。模拟分频器是基于超调和注入锁定技术或再生反馈回路技术，两者都是利用微波混频器的非线性形成微波环路，然后输出分频后的信号，其带宽可以扩展到几十甚至几百GHz，产生的分频信号频率高、相位噪声低。然而，基于微波技术的分频器往往需要使用窄带滤波器件，很难实现宽带分频。

由于电子学分频器存在诸如功耗较大等许多缺点，人们开始利用光子技术实现分频。光子技术主要包括光参量分频法、光频梳分频法、光电振荡器分频法等。光参量分频技术是基于二阶非线性光学相互作用，将输入泵浦转换成两个相干的分谐波输出,且满足能量守恒关系【D.Lee,"Tunable optical frequency division using a phase-lockedoptical parametric oscillator",Opt.Lett.17,13-15(1992)】，通过划分单个输入频率而不是两个输入频率的频率差，用偏振反射方法将激光频率锁定到微波参考频率源，从而精确地确定输出频率。该方法可以生成稳定的分频信号，抑制过量噪声。光参量振荡器(Optical parametric oscillator，OPO)精确的拍频调谐能力在高分辨率激光微波光谱中是非常有用的。但锁相OPO分频器的信号和闲频输出的频率噪声主要由输入泵浦线宽决定，且对器件要求较高，系统复杂。而基于光频梳分频技术主要实现信号的精确频率划分，用于微波信号的固定下变频【Yuan Yao,"Optical frequency divider with divisionuncertainty at the 10^-21level",National Science Review.3,463–469(2016)】。该技术能对输入光的频率进行任意数的分频，采用了自参考频率基准技术，不再需要精度远低于光钟的微波频率基准，也无需通过精确测量输入和输出光的频率来确定分频数，可实现多个通道同时分频，分频不确定度可达10-²¹，且噪声低。但其对光钟的频率的精确性要求极高，光谱范围也较窄。而基于光电振荡器分频法【任凤鑫."光电振荡器长期稳定性研究[D]".浙江大学.2016】主要利用包括激光器、偏振控制、马赫-曾德尔调制器、光纤延时线、光电探测器、滤波器、放大器等组成的光电振荡器系统实现注入信号的分频，且频率稳定性较好。但光电振荡器中的光纤和滤波器对温度比较敏感，且不加反馈控制回路时频率会变得不稳定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种具有多分频模式的光子型微波分频器，能够在光域实现任意微波信号的三分之一和三分之二分频以及两种分频模式的灵活切换，且具有大带宽、低噪声、低杂散以及对外部干扰小的优点。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种具有多分频模式的光子型微波分频器，具有三分之一分频模式和三分之二分频模式；该分频器包括：

第一电光调制模块，具有载波抑制双边带调制工作模式和单边带调制工作模式且可在两种工作模式间切换；

光电振荡环路，其包括处于载波抑制双边带调制工作模式下的第二电光调制模块以及光电探测器、微波放大器、微波带通滤波器、移相器、功分器，所述第二电光调制模块的光输入端连接第一电光调制模块的输出端；

控制单元，用于控制第一电光调制模块的工作模式并对所述移相器进行控制。

优选地，所述第一电光调制模块为双平行马赫-曾德尔调制器，所述第二电光调制模块为工作在最小传输点的推挽式马赫-曾德尔调制器。

如上任一技术方案所述光子型微波分频器的分频方法，用频率为ω_c的待分频微波信号在所述第一电光调制模块中对光载波进行调制，并将所生成的调制光信号注入所述光电振荡环路；控制单元控制第一电光调制模块处于载波抑制双边带调制工作模式/单边带调制工作模式，令所述微波带通滤波器对频率小于等于的信号为带通而对频率为ω_c的待分频微波信号为带阻，并调节所述光电振荡环路的参数，使得频率为的振荡模式在光电振荡环路中形成稳定正反馈振荡，从而获得稳定的三分之二分频输出/三分之一分频输出。

优选地，通过令所述光电振荡环路满足以下稳态条件，以使得频率为的振荡模式在所述光电振荡环路中形成正反馈振荡：

其中，A为光载波的光幅度，G为光电振荡环路增益，V_RF、ω_c、φ为待分频微波信号的幅度、角频率和相位，V、ω、θ分别是注入到第二电光调制模块的振荡信号的幅度、角频率和相位，m、n分别为第一电光调制模块、第二电光调制模块的调制系数，J₁(x)为第一阶贝塞尔函数(x＝m,n)，V_πD、V_πM分别为第一电光调制模块、第二电光调制模块的半波电压。

优选地，通过令所述光电振荡环路满足以下稳态条件，以使得频率为的振荡模式在所述光电振荡环路中形成正反馈振荡：

其中，A为光载波的光幅度，G为光电振荡环路增益，V_RF、ω_c、φ为待分频微波信号的幅度、角频率和相位，V_RF1、V_RF2、ω₁、ω₂、θ₁、θ₂是注入到第二电光调制单元的双频振荡信号中较低频振荡信号、较高频振荡信号的幅度、角频率和相位，m₁、m₂为第二电光调制单元对频率ω₁、ω₂的振荡信号的调制系数，m为第一电光调制单元的调制系数，J₀(m)、J₀(m₁)、J₀(m₂)为第零阶贝塞尔函数，J₁(m)、J₁(m₁)、J₁(m₂)为第一阶贝塞尔函数，V_πD、V_πM分别为第一电光调制模块、第二电光调制模块的半波电压。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明能够在光域实现任意微波信号的三分之一和三分之二分频以及两种分频模式的灵活切换，并通过使用宽带滤波器来使得分频器的带宽得到大幅度提升。此外，本发明具有低噪声、低杂散等特点，且当没有外部信号注入时，该微波分频器也没有信号输出，降低了对外界的干扰。

附图说明

图1为本发明光子型微波分频器一个优选实施例的结构示意图。

具体实施方式

针对现有微波分频技术的不足，本发明提出了一种具有多分频模式的光子型微波分频器及其分频方法，能够在光域实现任意微波信号的三分之一和三分之二分频以及两种分频模式的灵活切换，且具有大带宽、低噪声、低杂散以及对外部干扰小的优点。具体而言，本发明分频器包括：

第一电光调制模块，具有载波抑制双边带调制工作模式和单边带调制工作模式且可在两种工作模式间切换；

光电振荡环路，其包括处于载波抑制双边带调制工作模式下的第二电光调制模块以及光电探测器、微波放大器、微波带通滤波器、移相器、功分器，所述第二电光调制模块的光输入端连接第一电光调制模块的输出端；

控制单元，用于控制第一电光调制模块的工作模式并对所述移相器进行控制。

所述光子型微波分频器的分频方法，用频率为ω_c的待分频微波信号在所述第一电光调制模块中对光载波进行调制，并将所生成的调制光信号注入所述光电振荡环路；控制单元控制第一电光调制模块处于载波抑制双边带调制工作模式/单边带调制工作模式，令所述微波带通滤波器对频率小于等于的信号为带通而对频率为ω_c的待分频微波信号为带阻，并调节所述光电振荡环路的参数，使得频率为的振荡模式在光电振荡环路中形成稳定正反馈振荡，从而获得稳定的三分之二分频输出/三分之一分频输出。

其中，第一电光调制模块可通过现有或将有的各种方式实现，例如可采用一个双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)、两个推挽式马赫-曾德尔调制器级联、一个推挽式马赫-曾德尔调制器和偏振调制器或者相位调制器级联、强度/相位调制器加可编程滤波器等方式构建。由于双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)可很方便地通过偏置电压的调整实现载波抑制双边带调制工作模式和单边带调制工作模式的切换且结构简单、成本低廉，因此本发明优选采用DPMZM作为第一电光调制模块。

第二电光调制模块同样可通过现有或将有的各种方式实现，例如，使用推挽式马赫-曾德尔调制器(MZM)、相位调制器加滤波器、偏振调制器加检偏器等方式构建，本发明优选采用推挽式马赫-曾德尔调制器(MZM)。

为了便于公众理解，下面通过一个优选实施例并结合附图来对本发明的技术方案及其原理进行详细说明：

如图1所示，本实施例中的光子型微波分频器包括由DPMZM和MZM级联而成的两级电光调制模块以及光电探测器、微波放大器、微波带通滤波器、电控移相器、功分器，MZM与光电探测器、微波放大器、微波带通滤波器、电控移相器、功分器构成一个光电振荡环路。第一级的DPMZM用于用待分频微波信号对光源输出的光载波进行第一级的载波抑制双边带调制/单边带调制，产生第一级调制光信号，第二级的MZM用于用振荡信号对第一级调制光信号进行载波抑制双边带调制，生成第二级调制光信号；第二级调制光信号进入光电探测器，并在光电探测器中实现光信号到电信号的转化之后通过微波放大器以及电控移相器、微波滤波器输入到功分器中；微波滤波器可滤除频率为ω_c的待分频微波信号且对频率小于等于的信号为带通；功分器的一路输出信号作为振荡信号输入第二级调制器，通过合适的光电振荡环路参数设置，可使得频率为2ω_c/3或ω_c/3的振荡模式在环路中形成正反馈振荡，并最终在功分器的另一路输出端口输出分频后的信号。其中，微波放大器、电控移相器以及微波滤波器的先后次序可根据实际需要灵活调整。

如图1所示，假设输入到双平行马赫曾德尔调制器两臂电输入端的待分频信号为：

V_in(t)＝V_RF cos(ω_ct+φ) (1)

其中V_RF、ω_c、φ表示待分频信号的幅度、角频率和相位。

设输入光源为:

E_in＝Aexp(jω₀t) (2)

其中，A为光载波的幅度，ω₀为其角频率。

同时我们假设理想情况下，经过光电振荡器稳定后，环路中振荡的信号为:

x_in(t)＝Vcos(ωt+θ) (3)

其中V、ω、θ表示振荡信号的幅度、角频率和相位。

因此V_in(t)与x_in(t)分别注入至第一级DPMZM和第二级MZM中，并在DPMZM和MZM中实现载波抑制双边带调制。考虑到DPMZM上下两臂的直流偏置电压V_DC1、V_DC2，DPMZM的输出可以表示为：

其中，当DPMZM工作在最小传输点时，且令则

通过Jacobi公式展开，得：

只保留±1阶边带得：

DPMZM输出的已调信号经过MZM与振荡信号进行调制，得到：

MZM工作在最小传输点，则则：

E_outM＝-E_out sin[ncos(ωt+θ)] (9)

通过Jacobi公式展开，得：

只保留±1阶边带得：

经过光电探测器拍频后转化为电信号为：

通过微波放大器和滤波器的放大、滤波，频率大于等于ω_c的分量将会被滤除，频率为2ω_c/3的分量将会被保留下来。通过展开式(12)，我们知道直流分量以及多余的频率分量都会被滤除，因此滤波器输出可以简化为：

其中，G为光电振荡环路增益。

由于系统处于稳定状态，可知：x_out(t)＝x_in(t)

于是可得：

因此可知产生三分之二分频的稳态条件：

我们再假设理想情况下，经过光电振荡器稳定后，环路中振荡的信号为：

x_in(t)＝V₁cos(ω₁t+θ₁)+V₂cos(ω₂t+θ₂) (16)

其中V₁、V₂、ω₁、ω₂、θ₁、θ₂分别表示双频振荡信号的幅度、角频率和相位。

因此V_in(t)与x_in(t)分别注入至第一级DPMZM和第二级MZM中，并在DPMZM实现单边带调制，在MZM中实现载波抑制双边带调制。考虑到DPMZM上下两臂的直流偏置电压V_DC1、V_DC2，DPMZM的输出可以表示为：

当工作在线性传输点时，且令则：

通过Jacobi公式展开，得：

只保留载波和±1阶边带得：

DPMZM输出的已调信号经过MZM与振荡信号进行调制，得到：

MZM工作在最小传输点，则则：

通过Jacobi公式展开，得：

只保留±1阶边带得：

经过光电探测器拍频后转化为电信号为：

通过微波放大器和滤波器的放大、滤波，频率大于等于ω_c的分量将会被滤除，频率为ω_c/3和2ω_c/3的分量将会被保留下来。通过展开式(25)，我们知道直流分量以及多余的频率分量都会被滤除，因此滤波器输出可以简化为：

其中，G为光电振荡环路增益。

由于系统处于稳定状态，可知：x_out(t)＝x_in(t)。

于是可得：

因此可知产生三分之一分频的稳态条件：

可见，在产生三分之一分频的同时产生的三分之二分频的电信号的相位与仅产生三分之二分频电信号的相位一致。进行切换时需要利用控制模块改变第一级调制器DPMZM的偏置电压以及对信号移相即可实现。

综上，本发明可实现微波信号在光域的分频并输出稳定的分频信号。与模拟分频技术相比，由于采用宽带滤波器作为分频选频机制，因此该系统具有宽带特性，且具有同时在光域和电域输出分频信号的能力。此外，由于光子系统的宽带特性，该装置可以拓展到上百GHz信号的分频。本发明还具有抗电磁干扰、低噪声等特性，可广泛应用于通信、雷达探测、稳相传输、航空航天和电子对抗等领域。

Claims (5)

1.一种具有多分频模式的光子型微波分频器，其特征在于，具有三分之一分频模式和三分之二分频模式；该分频器包括：

第一电光调制模块，具有载波抑制双边带调制工作模式和单边带调制工作模式且可在两种工作模式间切换；

光电振荡环路，其包括处于载波抑制双边带调制工作模式下的第二电光调制模块以及光电探测器、微波放大器、微波带通滤波器、移相器、功分器，所述第二电光调制模块的光输入端连接第一电光调制模块的输出端；

控制单元，用于控制第一电光调制模块的工作模式并对所述移相器进行控制。

2.如权利要求1所述光子型微波分频器，其特征在于，所述第一电光调制模块为双平行马赫-曾德尔调制器，所述第二电光调制模块为工作在最小传输点的推挽式马赫-曾德尔调制器。

3.如权利要求1或2光子型微波分频器的分频方法，其特征在于，用频率为ω_c的待分频微波信号在所述第一电光调制模块中对光载波进行调制，并将所生成的调制光信号注入所述光电振荡环路；控制单元控制第一电光调制模块处于载波抑制双边带调制工作模式/单边带调制工作模式，令所述微波带通滤波器对频率小于等于的信号为带通而对频率为ω_c的待分频微波信号为带阻，并调节所述光电振荡环路的参数，使得频率为的振荡模式在光电振荡环路中形成稳定正反馈振荡，从而获得稳定的三分之二分频输出/三分之一分频输出。

4.如权利要求3所述分频方法，其特征在于，通过令所述光电振荡环路满足以下稳态条件，以使得频率为的振荡模式在所述光电振荡环路中形成正反馈振荡：

其中，A为光载波的光幅度，G为光电振荡环路增益，V_RF、ω_c、φ为待分频微波信号的幅度、角频率和相位，V、ω、θ分别是注入到第二电光调制模块的振荡信号的幅度、角频率和相位，m、n分别为第一电光调制模块、第二电光调制模块的调制系数，J₁(x)为第一阶贝塞尔函数(x＝m,n)，V_πD、V_πM分别为第一电光调制模块、第二电光调制模块的半波电压。

5.如权利要求3所述分频方法，其特征在于，通过令所述光电振荡环路满足以下稳态条件，以使得频率为的振荡模式在所述光电振荡环路中形成正反馈振荡：

其中，A为光载波的光幅度，G为光电振荡环路增益，V_RF、ω_c、φ为待分频微波信号的幅度、角频率和相位，V_RF1、V_RF2、ω₁、ω₂、θ₁、θ₂是注入到第二电光调制单元的双频振荡信号中较低频振荡信号、较高频振荡信号的幅度、角频率和相位，m₁、m₂为第二电光调制单元对频率ω₁、ω₂的振荡信号的调制系数，m为第一电光调制单元的调制系数，J₀(m)、J₀(m₁)、J₀(m₂)为第零阶贝塞尔函数，J₁(m)、J₁(m₁)、J₁(m₂)为第一阶贝塞尔函数，V_πD、V_πM分别为第一电光调制模块、第二电光调制模块的半波电压。