CN110212988A - 微波光子链路动态范围提升方法及微波光子链路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微波光子链路动态范围提升方法，首先将光载波分为两路；然后使用两路同源的微波信号通过两个并行的马赫‑曾德尔调制器分别对这两路光载波进行电光调制，并使得两个马赫‑曾德尔调制器所输出调制光信号的相位相反；对这两路调制光信号进行空分复用，并通过空分复用光纤将所得到的空分复用光信号传输至远端；在远端对空分复用光信号进行解复用，并对解复用后的两路调制光信号进行平衡光电探测，得到噪声抑制的微波信号。本发明还公开了一种微波光子链路。本发明可大幅提高微波光子链路动态范围，从而实现光信号的高稳定远距离传输。

Description

微波光子链路动态范围提升方法及微波光子链路
技术领域
本发明涉及微波光子技术领域，尤其涉及一种微波光子链路动态范围提升方法。
背景技术
微波光子链路以其宽带响应、低损耗、抗电磁干扰等特性，在雷达、无线通信、频谱认知等领域有着广阔的应用前景。动态范围是链路性能的重要指标。相关领域技术的发展，对链路动态范围提出了越来越高的要求。对于微波光子链路，动态范围正成为制约其应用的关键因素。
提升链路动态范围的方法包括两种，一种是提升三阶交调点(即抑制非线性效应)，另一种是降低系统噪底(即抑制系统共模噪声)。其中提升三阶交调主要通过互补调制器法进行非线性信号的抑制，然而该方法不会降低系统的噪底，因此噪声仍然是限制系统动态范围的最根本因素。对于微波光子链路，主要由激光器、光电/电光转换、光放大器、传输链路(光纤)等组成，其噪声的主要来源是激光器的相对强度噪声以及光放大器的自发辐射噪声，这两种噪声均属于共模噪声。因此对微波光子链路进行共模噪声的抑制是提升动态范围的主要途径。
一种简单、有效的共模噪声抑制方法是平衡探测方法。当前平衡探测方案主要由两根独立光纤以及平衡探测器组成，其中一路光纤传输调制光信号，另一路传输不经调制的参考光载波。两路信号分别通过光电探测器拍频，产生包含噪声的微波信号和链路噪声信号，之后相减得到噪声抑制的微波信号。但是，当光信号在两根独立的光纤中传输时，环境扰动以及光纤本身的瑞利散射等仍会不可避免地在两路之间引入随机噪声，使系统难以应用于实际的远距离RoF系统中。另外，两路中只有一路传输有用光调制信号，浪费了系统资源，降低了系统的效率。
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，提供一种微波光子链路动态范围提升方法，可大幅提高微波光子链路动态范围，从而实现光信号的高稳定远距离传输。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种微波光子链路动态范围提升方法，首先将光载波分为两路；然后使用两路同源的微波信号通过两个并行的马赫-曾德尔调制器分别对这两路光载波进行电光调制，并使得两个马赫-曾德尔调制器所输出调制光信号的相位相反；对这两路调制光信号进行空分复用，并通过空分复用光纤将所得到的空分复用光信号传输至远端；在远端对空分复用光信号进行解复用，并对解复用后的两路调制光信号进行平衡光电探测，得到噪声抑制的微波信号。
优选地，所述空分复用光信号经过光放大器放大。
优选地，所述两个马赫-曾德尔调制器均工作于线性传输点。
优选地，所述空分复用为偏分复用、模分复用或多芯光纤空分复用。
基于相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
一种微波光子链路，包括：
光源，其所输出光载波被分为两路；
射频输入模块，用于将所输入微波信号分为两路；
两个并行的马赫-曾德尔调制器，用于使用所述两路微波信号分别对两路光载波进行所输出调制光信号相位相反的电光调制；
空分复用器，用于对两路调制光信号进行空分复用；
空分复用光纤，用于将所得到的空分复用光信号传输至远端；
解复用器，用于在远端对空分复用光信号进行解复用；
平衡光电探测器，用于对解复用后的两路调制光信号进行平衡光电探测，得到噪声抑制的微波信号。
优选地，所述微波光子链路还包括设置于空分复用器与解复用器之间的光放大器。
优选地，所述两个马赫-曾德尔调制器均工作于线性传输点。
优选地，所述空分复用为偏分复用、模分复用或多芯光纤空分复用。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
1)使用空分复用电光调制器同时对两路光载波进行电光调制，相比于一路调制一路参考的方法，降低了链路功率代价。
2)在接收端进行噪声抑制，可消除系统中包括激光器相对强度噪声、放大器自发辐射噪声在内的所有共模噪声。
3)在噪声对消的同时实现调制边带的叠加，提升了链路增益。
4)抑制噪声的同时提升了链路增益，实现了动态范围同时向上下拓展。
5)结合如偏分复用等具体的空分复用方案，在链路动态范围提升的同时可整合倍频、混频、移相等信号处理功能，进一步提高了系统的集成度和多功能性。
附图说明
图1为本发明微波光子链路的基本结构示意图；
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(传输函数图像)；
图3为基于偏分复用的本发明光子链路结构原理示意图；
图4为基于模分复用的本发明光子链路结构原理示意图；
图5为基于空分复用(多芯光纤)本发明光子链路结构原理示意图。
具体实施方式
针对现有技术不足，本发明的解决思路是综合平衡光电探测和空分复用技术，采用平衡探测架构抑制噪声，拓展动态范围下限；采用空分复用电光调制的方法提高光波利用率，从而提高链路增益，拓展动态范围上限；采用空分复用的传输方法保证两路光信号的高度同步，可实现光信号的高稳定远距离传输，并且具有结构简单，实现成本低廉的优点。
随着光通信产业的飞速发展，通信速率的不断提高，空分复用技术受到了越来越多的重视。商用的偏振复用器件已十分成熟，模分复用技术与器件也已经走入市场。这也为本发明通过利用偏分复用、模分复用等空分复用技术来提高平衡探测链路性能提供了可能。
为了便于公众理解，下面结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明的微波光子链路如图1所示，包括光源、射频输入模块、空分复用器、空分复用光纤、解复用器、平衡光电探测器以及包括两个并行的马赫-曾德尔调制器(图中表示为“电光调制1”和“电光调制2”)的空分复用电光调制器。如图1所示，光源输出的光载波被分为两路分别输入两个马赫-曾德尔调制器的光输入端，射频输入模块将所输入微波信号分为两路后分别输入两个马赫-曾德尔调制器的微波输入端；两个马赫-曾德尔调制器分别对两路光载波进行电光调制，并通过控制直流偏置电压，使得两个马赫-曾德尔调制器所输出调制光信号的相位相差180°；空分复用器将两路调制光信号进行空分复用后通过空分复用光纤将所得到的空分复用光信号传输至远端；设置于远端的解复用器对空分复用光信号进行解复用，平衡光电探测器对解复用后的两路调制光信号进行平衡光电探测，得到噪声抑制的微波信号。还可根据信号传输距离在空分复用器与解复用器之间设置光放大器。
马赫-曾德尔调制器的传输函数曲线如图2所示，可表示为
其中,Vb是直流偏置电压，Vπ是调制器半波电压，ε是由于调制器消光比的不理想引入的常数。通过调整直流偏置电压，可使得马赫-曾德尔调制器工作于不同的传输点，进而实现不同的电光调制模式。本发明中，为获得最大动态范围，调制器应工作于线性传输点，且为使平衡探测后信号叠加，两路输出调制信号应反相，即两路调制器工作点应位于传输函数斜率分别为+0.5和-0.5的位置。
所述空分复用可以采用偏分复用、模分复用、多芯光纤空分复用等形式。
图3显示了基于偏分复用的本发明微波光子链路的基本结构，射频输入单元将射频信号同步输入偏分复用调制器的两个射频输入端。通过对直流偏置电压进行控制，令两个马赫-曾德尔调制器工作于斜率分别为+0.5和-0.5处的线性传输点，实现大线性范围的电光调制，且调制信号反相，则从所述平衡光电探测器的输出端输出噪声抑制、信号叠加的微波信号。其具体原理如下：
设激光器输出光载波为：
Ec(t)＝Ec cos(ωct)+nl(t)
其中nl(t)为激光器相对强度噪声。
设输入射频信号为：
S(t)＝4Vrcos(ωmt)
射频输入单元将此微波信号均等分为两路，加载到马赫-曾德尔调制器1和2的射频输入端，并使相位同步，对光载波进行调制。控制直流偏置电压，使得马赫曾德尔调制器1和2都工作在线性传输点，且分别位于传输函数斜率分别为+0.5和-0.5处，实现大动态范围线性调制，且两路输出调制信号反相。由于nl(t)＜＜Ec，可认为噪声项不受调制。输出调制信号分别为
其中Vπ是所用马赫曾德尔调制器的半波电压。
进行Jacobi–Anger展开，略去高阶项，得：
经过90°旋光器和偏振合束器，两路合并，E1(t)，E2(t)分别成为输出信号两个正交偏振态上的调制信号。
之后经过保偏光纤传输，以及光放大器的放大，两路信号被引入共模噪声nf(t)。进入平衡探测器，两路光信号分别转换为射频信号(假设探测器两路响应度相同)
I1(t)∝cos(ωmt)+n′l(t)+n′f(t)
I2(t)∝-cos(ωmt)+n′l(t)+n′f(t)
并进行差分探测，最终输出信号为
I(t)∝cos(ωmt)
由上述推导可知，两路信号项叠加，噪声项抵消。
基于模分复用和多芯光纤空分复用的本发明微波光子链路分别如图4和图5所示，与基于偏分复用的本发明微波光子链路类似，只需将空分复用传输器件换为相应的具体器件即可，此处不再赘述。
此外，基于本发明所用的各项具体的空分复用技术，可以融合多种信号处理功能。比如基于偏分复用的微波光子链路中，可以在偏振分束器前加入偏振控制器，即可形成微波光子移相器，通过调节偏振控制器，可对平衡光电探测器输出微波信号进行移相。向两个马赫-曾德尔调制器输入不同频率的微波信号，系统可对其进行混频操作。调节马赫-曾德尔调制器直流偏置和射频信号相对相位，可抑制有关边带，输出倍频信号。进一步提高了系统的集成度和多功能性。

Claims (8)

1.一种微波光子链路动态范围提升方法，其特征在于，首先将光载波分为两路；然后使用两路同源的微波信号通过两个并行的马赫-曾德尔调制器分别对这两路光载波进行电光调制，并使得两个马赫-曾德尔调制器所输出调制光信号的相位相反；对这两路调制光信号进行空分复用，并通过空分复用光纤将所得到的空分复用光信号传输至远端；在远端对空分复用光信号进行解复用，并对解复用后的两路调制光信号进行平衡光电探测，得到噪声抑制的微波信号。
2.如权利要求1所述微波光子链路动态范围提升方法，其特征在于，所述空分复用光信号经过光放大器放大。
3.如权利要求1所述微波光子链路动态范围提升方法，其特征在于，所述两个马赫-曾德尔调制器均工作于线性传输点。
4.如权利要求1所述微波光子链路动态范围提升方法，其特征在于，所述空分复用为偏分复用、模分复用或多芯光纤空分复用。
5.一种微波光子链路，其特征在于，包括：
光源，其所输出光载波被分为两路；
射频输入模块，用于将所输入微波信号分为两路；
两个并行的马赫-曾德尔调制器，用于使用所述两路微波信号分别对两路光载波进行所输出调制光信号相位相反的电光调制；
空分复用器，用于对两路调制光信号进行空分复用；
空分复用光纤，用于将所得到的空分复用光信号传输至远端；
解复用器，用于在远端对空分复用光信号进行解复用；
平衡光电探测器，用于对解复用后的两路调制光信号进行平衡光电探测，得到噪声抑制的微波信号。
6.如权利要求5所述微波光子链路，其特征在于，还包括设置于空分复用器与解复用器之间的光放大器。
7.如权利要求5所述微波光子链路，其特征在于，所述两个马赫-曾德尔调制器均工作于线性传输点。
8.如权利要求5所述微波光子链路，其特征在于，所述空分复用为偏分复用、模分复用或多芯光纤空分复用。
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