CN110233675A - 多功能微波光子模块及基于其的信号处理方法、装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多功能微波光子模块，包括双偏振双平行马赫‑曾德尔调制器、偏振控制器、偏振分束器、平衡光电探测器；双偏振双平行马赫‑曾德尔调制器的输出端通过所述偏振控制器与偏振分束器的输入端连接，偏振分束器的两个输出端与平衡光电探测器的两个输入端分别连接。本发明还公开了基于上述多功能微波光子模块的信号处理方法、装置。本发明从激光器外部着手对微波光子链路中的相对强度噪声进行有效抑制，并可对微波信号进行混频、倍频以及相移等多种处理，且结构简单，实现成本低廉。

Description

多功能微波光子模块及基于其的信号处理方法、装置
技术领域
本发明涉及一种多功能微波光子模块及基于其的信号处理方法、装置，属于微波光子技术领域。
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。而系统噪声作为链路性能的重要指标，是制约其应用的关键因素。激光器作为微波光子链路中主要的有源器件之一，是系统噪声的重要来源。激光器中存在三种噪声：热噪声、散粒噪声和相对强度噪声。其中相对强度噪声功率与激光功率的平方成正比。在激光器输出功率满足实际应用需求的情况下，相对强度噪声是噪声的主要成分。
相对强度噪声是由于激光器相干光场的自发辐射产生的，其结果为输出光载波强度的随机波动。对于输出具有一定线宽的激光器，还存在各频率分量之间的拍频效应，引起光强度的周期波动。对于当前的窄线宽激光器，相对强度噪声为155～160dB/Hz左右，因此链路的无杂散动态范围一般只有110dB·Hz2/3左右。然而，在一些在需要大动态范围的应用场合，比如雷达、高速无线通信等，往往需要较高的光功率。因而相对强度噪声带来的问题更加突出。
微波光子移相器是用光的方法控制微波信号相位的器件。微波信号经过电光转换调制到光信号上，通过光控移相的方法调节信号的相位后经光电转换变回微波信号，最终实现微波信号的相位控制。微波光子移相器充分利用了光子器件带宽大，响应平坦的特点，突破了电子器件幅相耦合的限制。
以往抑制激光器相对强度噪声的方法大多从激光器内部着手，包括改进谐振腔结构，减弱驱动电流波动等。这些方法实现复杂，效果有限。
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，提供一种多功能微波光子模块，从激光器外部着手对微波光子链路中的相对强度噪声进行有效抑制，并可对微波信号进行混频、倍频以及相移等多种处理，且结构简单，实现成本低廉。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种多功能微波光子模块，包括双偏振双平行马赫-曾德尔调制器、偏振控制器、偏振分束器、平衡光电探测器；双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的输出端通过所述偏振控制器与偏振分束器的输入端连接，偏振分束器的两个输出端与平衡光电探测器的两个输入端分别连接。
可选地，所述多功能微波光子模块还包括串接于双偏振双平行马赫-曾德尔调制器与偏振控制器之间的放大器。
根据上述技术方案还可得到以下技术方案：
一种基于上述多功能微波光子模块的信号处理方法，向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波，并将相位相差90°的两路同源微波信号分别分为两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的子双平行调制器的两个射频输入端和另一个偏振态上的子双平行调制器的两个射频输入端；控制直流偏置电压，使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的四个马赫-曾德尔调制器都工作在最小传输点，则从所述平衡光电探测器的输出端输出噪声抑制的二倍频微波信号，并可通过所述偏振控制器实现所述二倍频微波信号在0～360°范围的移相。
一种基于上述多功能微波光子模块的的信号处理装置，用于生成噪声抑制的二倍频微波信号，且所述二倍频微波信号可在0～360°范围移相；所述信号处理装置包括：
光源，用于向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波；
射频输入单元，用于将相位相差90°的两路同源微波信号分别分为两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的子双平行调制器的两个射频输入端和另一个偏振态上的子双平行调制器的两个射频输入端；
直流偏置单元，用于控制直流偏置电压，以使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的四个马赫-曾德尔调制器都工作在最小传输点。
一种基于上述多功能微波光子模块的信号处理方法，向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波，并将相位相差45°的两路同源微波信号分别分为两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的子双平行调制器的两个射频输入端和另一个偏振态上的子双平行调制器的两个射频输入端；控制直流偏置电压，使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的四个马赫-曾德尔调制器都工作在最大传输点，并将双偏振双平行马赫-曾德尔调制器所输出信号中的光载波滤除，则从所述平衡光电探测器的输出端输出噪声抑制的四倍频微波信号，并可通过所述偏振控制器实现所述四倍频微波信号在0～360°范围的移相。
一种基于上述多功能微波光子模块的信号处理装置，用于生成噪声抑制的四倍频微波信号，且所述四倍频微波信号可在0～360°范围移相；所述信号处理装置包括：
光源，用于向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波；
射频输入单元，用于将相位相差45°的两路同源微波信号分别分为两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的子双平行调制器的两个射频输入端和另一个偏振态上的子双平行调制器的两个射频输入端；
直流偏置单元，用于控制直流偏置电压，以使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的四个马赫-曾德尔调制器都工作在最大传输点；
光滤波器，接在所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的输出端，用于将双偏振双平行马赫-曾德尔调制器所输出信号中的光载波滤除。
一种基于上述多功能微波光子模块的信号处理方法，向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波，并将相位相差45°的两路同源微波信号分别分为两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的子双平行调制器的其中一个射频输入端和另一个偏振态上的子双平行调制器的其中一个射频输入端；控制直流偏置电压，使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器中，两个正交偏振态上双平行马赫-曾德尔调制器中输入射频信号的子马赫-曾德尔调制器都工作在最大传输点，没有输入射频信号的两个子马赫-曾德尔调制器输出的光载波分别与各自偏振态上另一个调制器输出的调制信号中所含的光载波等幅反相，双偏振双平行马赫-曾德尔调制器所输出信号中的光载波相互抵消，则从所述平衡光电探测器的输出端输出噪声抑制的四倍频微波信号，并可通过所述偏振控制器实现所述四倍频微波信号在0～360°范围的移相。
一种基于上述多功能微波光子模块的信号处理装置，用于生成噪声抑制的四倍频微波信号，且所述四倍频微波信号可在0～360°范围移相，不需进行光滤波；所述信号处理装置包括：
光源，用于向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波；
射频输入单元，用于将相位相差45°的两路同源微波信号分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的双平行调制器的其中一个射频输入端和另一个偏振态上的双平行调制器的其中一个射频输入端；
直流偏置单元，用于控制直流偏置电压，以使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器中加载射频信号的两个子马赫-曾德尔调制器工作在最大传输点，另外两个子马赫-曾德尔调制器输出的光载波与调制信号所含光载波等幅反相相抵消。
一种基于上述多功能微波光子模块的信号处理方法，向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波，并将待混频的其中一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的子双平行调制器的一个射频输入端和另一个偏振态上的子双平行调制器的一个射频输入端，将待混频的另一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器剩余的两个射频输入端；控制直流偏置电压，使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的四个马赫-曾德尔调制器都工作在最小传输点，并将双偏振双平行马赫-曾德尔调制器所输出信号中一路微波信号调制信号的一侧1阶边带和另一路微波信号调制信号的另一侧1阶边带和两侧的2阶及以上高阶边带滤除，则从所述平衡光电探测器的输出端输出噪声抑制的上变频微波信号，并可通过所述偏振控制器实现所述上变频微波信号在0～360°范围的移相。
一种基于上述多功能微波光子模块的信号处理装置，用于生成噪声抑制的上变频微波信号，且所述上变频微波信号可在0～360°范围移相；所述信号处理装置包括：
光源，用于向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波；
射频输入单元，用于将待混频的其中一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的子双平行调制器的一个射频输入端和另一个偏振态上的子双平行调制器的一个射频输入端，将待混频的另一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器剩余的两个射频输入端；
直流偏置单元，用于控制直流偏置电压，以使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的四个马赫-曾德尔调制器都工作在最小传输点；
光滤波器，接在所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的输出端，用于将双偏振双平行马赫-曾德尔调制器所输出信号中一路微波信号调制信号的一侧1阶边带和另一路微波信号调制信号的另一侧1阶边带和两侧2阶及以上高阶边带滤除。
一种基于上述多功能微波光子模块的信号处理方法，向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波，并将待混频的其中一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的子双平行调制器的两个射频输入端，将待混频的另一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器另一个偏振态上的子双平行调制器的两个射频输入端；控制直流偏置电压，使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的四个马赫-曾德尔调制器都工作在最小传输点，且两个偏振态上分别产生单边带调制信号，边带分别位于载波两侧，则从所述平衡光电探测器的输出端输出噪声抑制的上变频微波信号，并可通过所述偏振控制器实现所述上变频微波信号在0～360°范围的移相。
一种基于上述多功能微波光子模块的信号处理装置，用于生成噪声抑制的上变频微波信号，且所述上变频微波信号可在0～360°范围移相，不需要进行光滤波；所述信号处理装置包括：
光源，用于向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波；
射频输入单元，用于将待混频的其中一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的双平行调制器的两个射频输入端，将待混频的另一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器另一个偏振态上的双平行调制器的两个射频输入端；
直流偏置单元，用于控制直流偏置电压，以使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的四个马赫-曾德尔调制器都工作在最小传输点，且控制各偏振态上双平行调制器中两个子调制器输出信号的相对相位，进行单边带调制，且边带分别位于载波两侧。
一种基于上述多功能微波光子模块的信号处理方法，向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波，并将待混频的其中一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的子双平行调制器的一个射频输入端和另一个偏振态上的子双平行调制器的一个射频输入端，将待混频的另一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器剩余的两个射频输入端；控制直流偏置电压，使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的四个马赫-曾德尔调制器都工作在最小传输点，并将双偏振双平行马赫-曾德尔调制器所输出信号中两路微波信号调制信号的同一侧1阶边带和两侧2阶及以上高阶边带滤除，则从所述平衡光电探测器的输出端输出噪声抑制的下变频微波信号，并可通过所述偏振控制器实现所述下变频微波信号在0～360°范围的移相。
一种基于上述多功能微波光子模块的信号处理装置，用于生成噪声抑制的下变频微波信号，且所述下变频微波信号可在0～360°范围移相；所述信号处理装置包括：
光源，用于向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波；
射频输入单元，用于将待混频的其中一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的子双平行调制器的一个射频输入端和另一个偏振态上的子双平行调制器的一个射频输入端，将待混频的另一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器剩余的两个射频输入端；
直流偏置单元，用于控制直流偏置电压，以使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的四个马赫-曾德尔调制器都工作在最小传输点；
光滤波器，接在所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的输出端，用于将双偏振双平行马赫-曾德尔调制器所输出信号中两路微波信号调制信号的同一侧1阶边带和两侧2阶及以上高阶边带滤除。
一种基于上述多功能微波光子模块的信号处理方法，向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波，并将待混频的其中一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的双平行调制器的两个射频输入端，将待混频的另一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器另一个偏振态上的双平行调制器的两个射频输入端；控制直流偏置电压，使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的四个子马赫-曾德尔调制器都工作在最小传输点，且两个偏振态上分别产生单边带调制信号，边带位于载波同一侧，则从所述平衡光电探测器的输出端输出噪声抑制的下变频微波信号，并可通过所述偏振控制器实现所述下变频微波信号在0～360°范围的移相。
一种基于上述多功能微波光子模块的信号处理装置，用于生成噪声抑制的下变频微波信号，且所述下变频微波信号可在0～360°范围移相，不需要进行光滤波；所述信号处理装置包括：
光源，用于向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波；
射频输入单元，用于将待混频的其中一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的双平行调制器的两个射频输入端，将待混频的另一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器另一个偏振态上的双平行调制器的两个射频输入端；
直流偏置单元，用于控制直流偏置电压，以使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的四个马赫-曾德尔调制器都工作在最小传输点，且两个偏振态上分别产生单边带调制信号，边带位于载波同一侧。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
1)在激光器外部对噪声进行对消，系统噪声不再受激光器限制，同时可对光放大器等有源器件引入的共模噪声进行抑制。
2)在噪声对消的同时实现调制边带的叠加，提升了链路增益。
3)在噪声对消的同时整合了微波移相功能，提高了系统的集成度。
4)在噪声对消与微波移相的同时整合了微波倍频或混频功能，进一步提高了系统的集成度和多功能性。
5)不使用滤波器的方案进一步降低了系统成本，减少了系统带宽限制。
附图说明
图1为本发明信号处理装置的基本结构示意图；
图2为双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的结构示意图；
图3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4为基于本发明多功能微波光子模块的二倍频信号处理装置结构原理及各处边带示意图；
图5为基于本发明多功能微波光子模块的四倍频信号处理装置结构原理及各处边带示意图；
图6为基于本发明多功能微波光子模块的不需进行光滤波的四倍频信号处理装置结构原理及各处边带示意图；
图7为基于本发明多功能微波光子模块的上变频频信号处理装置结构原理及各处边带示意图；
图8为基于本发明多功能微波光子模块的不需进行光滤波的上变频信号处理装置结构原理及各处边带示意图；
图9为基于本发明多功能微波光子模块的下变频频信号处理装置结构原理及各处边带示意图；
图10为本发明信号处理装置的噪声抑制性能测试结果；
图11为本发明信号处理装置的微波移相性能测试结果。
具体实施方式
针对现有技术的不足，本发明的思路是基于双偏振双平行马赫-曾德尔调制器和平衡光电探测器构建一种多功能微波光子模块，从激光器外部着手对微波光子链路中的相对强度噪声进行有效抑制，并可对微波信号进行混频、倍频以及相移等多种处理。具体而言，本发明的多功能微波光子模块，包括双偏振双平行马赫-曾德尔调制器、偏振控制器、偏振分束器、平衡光电探测器；双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的输出端通过所述偏振控制器与偏振分束器的输入端连接，偏振分束器的两个输出端与平衡光电探测器的两个输入端分别连接。
在某些应用环境下需要对光信号进行中长距离传输，或者对链路增益有一定要求，此时可以在双偏振双平行马赫-曾德尔调制器与偏振控制器之间串接放大器，本发明多功能微波光子模块同样可对放大器所引入的共模噪声进行有效抑制。
为便于公众理解，下面结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明信号处理装置的基本结构如图1所示，包括光源、射频输入单元以及本发明的多功能微波光子模块，该多功能微波光子模块包括顺次连接的双偏振双平行马赫-曾德尔调制器、偏振控制器、偏振分束器、平衡光电探测器。其中，光源用于为多功能微波光子模块提供光载波，射频输入单元用于生成两路微波信号分别输入双偏振双平行马赫-曾德尔调制器中两个双平行马赫-曾德尔调制器x、y的射频输入端。通过适当设置射频输入单元具体结构及马赫-曾德尔调制器直流偏置点以及在双偏振双平行马赫-曾德尔调制器输出端附加必要的光滤波器，可同时实现链路噪声抑制、射频信号移相以及射频信号倍频(二倍频、四倍频)或混频(上变频、下变频)。
本发明所用双偏振双平行马赫-曾德尔调制器，又称偏分复用马赫-曾德尔调制器，在数字系统中，也称双偏振QPSK单驱动马赫-曾德尔调制器，其基本结构如图2所示。其中“电光调制x”和“电光调制y”分别为双平行马赫-曾德尔调制器，y路光经旋光器后偏振态与x路正交，之后偏振合束输出。一个双偏振双平行马赫-曾德尔调制器中上臂的双平行马赫-曾德尔调制器x和下臂的双平行马赫-曾德尔调制器y分别由两个平行设置的马赫-曾德尔调制器构成，因此，一个双偏振双平行马赫-曾德尔调制器中共有四个射频输入端。
一个基本的马赫-曾德尔调制器的传输函数曲线如图3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。
下面以基于本发明多功能微波光子模块的二倍频信号处理装置为例来对本发明原理进行详细说明：
如图4所示，该二倍频信号处理装置中的射频输入单元具体化为微波源和90°混合耦合器和两个射频功分器，微波源输出的微波信号被90°混合耦合器分为相位相差90°的两路，然后其中一路被功分器x分为两路后分别输入上臂的双平行马赫-曾德尔调制器x的两个射频输入端，另一路被功分器y分为两路后分别输入下臂的双平行马赫-曾德尔调制器y的两个射频输入端。通过对直流偏置电压进行控制，令四个马赫-曾德尔调制器均工作于最小传输点，实现抑制载波的双边带调制，则从所述平衡光电探测器的输出端输出噪声抑制的二倍频微波信号，并可通过所述偏振控制器实现所述二倍频微波信号在0～360°范围的移相。其具体原理如下：
设激光器输出光载波为：
Ec(t)＝Eccos(ωct)+n(t)
n(t)，为激光器相对强度噪声，。
设射频信号为：
S(t)＝4Vrcos(ωmt)
90°混合耦合器输出的两路相差90°的微波信号分别分为两路，加载到马赫-曾德尔调制器x和y的射频输入端，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x和y都工作在最小传输点，实现抑制载波的双边带调制。由于调制器两臂中光载波相位相反，且n(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：
在双偏振双平行马赫-曾德尔调制器输出端，两路合并，Ex(t),Ey(t)分别成为输出信号两个正交偏振态上的调制信号。对于同一频率的分量，两个偏振态上的相位分别相差+90°和-90°，构成两列旋转方向相反的圆偏振光。
偏振控制器和偏振分束器可以等效为两个检偏角度相差90°的检偏器。设偏振分束器其中一路的检偏角度是α，则两路输出分别为
E1(t)＝Excosα+Eysinα
E2(t)＝Excosα+Eysinα
将Ex、Ey代入(假设调制器两路调制指数相同)
E1(t)∝sin((ωc+ωm)t+α)+sin((ωc-ωm)t)-α)+n(t)
E2(t)∝cos((ωc+ωm)t+α)-cos((ωc-ωm)t)-α)+n(t)
之后进入平衡探测器，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(2ωmt+2α)+n′(t)
I2(t)∝-cos(2ωmt+2α)+n′(t)
并进行差分探测，最终输出信号为
I(t)∝cos(2ωmt+2α)
由上述推导可知，两路信号项叠加，噪声项抵消，产生了二倍频移相信号。在0～180°范围内调节检偏角度即可实现二倍频信号在0～360°范围的移相。其中，两列不同波长旋转方向相反的圆偏振光经过偏振控制器和偏振分束器之后拍频，产生的微波相位可由偏振控制器调节。这是本发明中微波光子移相器部分的原理。
图5显示了本发明四倍频信号处理装置的结构原理，基本与图4类似，只是需要将90°混合耦合器换成45°移相器，对微波源输出的两路微波信号中的一路进行45°移相，然后其中一路被功分器x分为两路后分别输入上臂的双平行马赫-曾德尔调制器x的两个射频输入端，另一路被功分器y分为两路后分别输入下臂的双平行马赫-曾德尔调制器y的两个射频输入端。将各马赫-曾德尔调制器的偏置点由最小点改为最大点，进行抑制奇数阶边带的双边带调制，此后+2阶与-2阶边带偏振合束之后形成两列旋转方向相反的圆偏振光。经光滤波器滤除光载波，则在平衡探测器中±2阶边带拍频产生四倍频信号；根据前述微波光子移相器部分的推导，同样可以通过在0～180°范围内调节检偏角度来实现四倍频信号在0～360°范围的移相。
图6显示了本发明不需进行光滤波的四倍频信号处理装置的结构原理，基本与图5类似，只是需要对45°移相后的微波信号分别输入两个正交偏振态上的双平行马赫-曾德尔调制器的其中一个射频输入端，并将有微波输入的子马赫-曾德尔调制器偏置在最小点，进行抑制奇数阶边带的双边带调制，调节其他直流偏置，使没有微波信号输入的子马赫-曾德尔调制器输出的光载波分别与各自偏振态上另一个子调制器输出调制信号中的光载波等幅反相相抵消。+2阶与-2阶边带偏振合束之后形成两列旋转方向相反的圆偏振光。则在平衡探测器中±2阶边带拍频产生四倍频信号；根据前述微波光子移相器部分的推导，同样可以通过在0～180°范围内调节检偏角度来实现四倍频信号在0～360°范围的移相。
图7显示了本发明上变频信号处理装置的结构原理。首先需要将待混频的其中一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器上臂的一个射频输入端和下臂的一个射频输入端，将待混频的另一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器剩余的两个射频输入端。本实施例中待混频的两路微波信号记为RF、LO，分别经90°混合耦合器分为相位相差90°的两路，然后按图6所示输入双偏振调制器的四个射频输入端。通过控制偏置电压令四个马赫-曾德尔调制器均偏置在最小传输点，分别对光载波的两个偏振态进行抑制载波的双边带调制。根据前述推导，调制器偏振合束后，输出4列旋转方向两两相反的圆偏振光，经多通带光滤波器选出RF调制信号的+1阶边带和LO调制信号的-1阶边带，或RF调制信号的-1阶边带和LO调制信号的+1阶边带，输入平衡探测器即可产生噪声抑制的上变频信号，同样可以通过在0～180°范围内调节检偏角度来实现四倍频信号在0～360°范围的移相。
图8显示了本发明不需进行光滤波的上变频信号处理装置的结构原理。将待混频的其中一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的子双平行调制器的两个射频输入端，将待混频的另一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器另一个偏振态上的子双平行调制器的两个射频输入端；控制直流偏置电压，使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的四个马赫-曾德尔调制器都工作在最小传输点，且两个偏振态上分别产生单边带调制信号，边带分别位于载波两侧，则从所述平衡光电探测器的输出端输出噪声抑制的上变频微波信号，并可通过所述偏振控制器实现所述上变频微波信号在0～360°范围的移相。
图9显示了本发明下变频信号处理装置的结构原理，与图7类似，只需调节光滤波器同时选出RF调制信号和LO调制信号的+1阶边带，或者同时选出两者的-1阶边带，拍频即获得差频微波信号。
本发明不需要光滤波的下变频信号处理装置的结构与图8类似，只需调节双偏振双平行马赫-曾德尔调制器各偏置点使其进行单边带调制，且边带位于载波同一侧，拍频即获得差频微波信号。
图10为频谱图，横坐标单位为Hz，纵坐标单位为dBm，显示了本发明信号处理装置的噪声抑制性能。本装置配置为下变频模式。图中两条曲线分别为不采用平衡探测架构和采用平衡探测架构时输出下变频信号的频谱。可以看到，平衡探测的方法较好地对噪声进行了抵消，同时信号没有受到损失。
图11显示了本发明信号处理装置的移相性能。本装置配置为下变频模式，输入一路固定23GHz的微波信号，和一路扫频信号，光电探测器输出下变频微波信号。调节偏振控制器改变输出信号相位。得益于微波光子移相器的平坦响应，移相性能有很高的频率稳定性。

Claims (15)

1.一种多功能微波光子模块，其特征在于，包括双偏振双平行马赫-曾德尔调制器、偏振控制器、偏振分束器、平衡光电探测器；双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的输出端通过所述偏振控制器与偏振分束器的输入端连接，偏振分束器的两个输出端与平衡光电探测器的两个输入端分别连接。
2.一种基于权利要求1所述多功能微波光子模块的信号处理方法，其特征在于，向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波，并将相位相差90°的两路同源微波信号分别分为两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的子双平行调制器的两个射频输入端和另一个偏振态上的子双平行调制器的两个射频输入端；控制直流偏置电压，使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的四个马赫-曾德尔调制器都工作在最小传输点，则从所述平衡光电探测器的输出端输出噪声抑制的二倍频微波信号，并可通过所述偏振控制器实现所述二倍频微波信号在0～360°范围的移相。
3.一种基于权利要求1所述多功能微波光子模块的信号处理装置，其特征在于，用于生成噪声抑制的二倍频微波信号，且所述二倍频微波信号可在0～360°范围移相；所述信号处理装置包括：
光源，用于向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波；
射频输入单元，用于将相位相差90°的两路同源微波信号分别分为两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的子双平行调制器的两个射频输入端和另一个偏振态上的子双平行调制器的两个射频输入端；
直流偏置单元，用于控制直流偏置电压，以使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的四个马赫-曾德尔调制器都工作在最小传输点。
4.一种基于权利要求1所述多功能微波光子模块的信号处理方法，其特征在于，向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波，并将相位相差45°的两路同源微波信号分别分为两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的子双平行调制器的两个射频输入端和另一个偏振态上的子双平行调制器的两个射频输入端；控制直流偏置电压，使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的四个马赫-曾德尔调制器都工作在最大传输点，并将双偏振双平行马赫-曾德尔调制器所输出信号中的光载波滤除，则从所述平衡光电探测器的输出端输出噪声抑制的四倍频微波信号，并可通过所述偏振控制器实现所述四倍频微波信号在0～360°范围的移相。
5.一种基于权利要求1所述多功能微波光子模块的信号处理装置，其特征在于，用于生成噪声抑制的四倍频微波信号，且所述四倍频微波信号可在0～360°范围移相；所述信号处理装置包括：
光源，用于向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波；
射频输入单元，用于将相位相差90°的两路同源微波信号分别分为两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的子双平行调制器的两个射频输入端和另一个偏振态上的子双平行调制器的两个射频输入端；
直流偏置单元，用于控制直流偏置电压，以使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的四个马赫-曾德尔调制器都工作在最大传输点；
光滤波器，接在所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的输出端，用于将双偏振双平行马赫-曾德尔调制器所输出信号中的光载波滤除。
6.一种基于权利要求1所述多功能微波光子模块的信号处理方法，其特征在于，向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波，并将相位相差45°的两路同源微波信号分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的子双平行调制器的其中一个射频输入端和另一个偏振态上的子双平行调制器的其中一个射频输入端；控制直流偏置电压，使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器中，两个正交偏振态上双平行马赫-曾德尔调制器中输入射频信号的子马赫-曾德尔调制器都工作在最大传输点，没有输入射频信号的两个子马赫-曾德尔调制器输出的光载波分别与各自偏振态上另一个调制器输出的调制信号中所含的光载波等幅反相，双偏振双平行马赫-曾德尔调制器所输出信号中的光载波相互抵消，则从所述平衡光电探测器的输出端输出噪声抑制的四倍频微波信号，并可通过所述偏振控制器实现所述四倍频微波信号在0～360°范围的移相。
7.一种基于权利要求1所述多功能微波光子模块的信号处理装置，其特征在于，用于生成噪声抑制的四倍频微波信号，且所述四倍频微波信号可在0～360°范围移相，不需进行光滤波；所述信号处理装置包括：
光源，用于向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波；
射频输入单元，用于将相位相差45°的两路同源微波信号分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的双平行调制器的其中一个射频输入端和另一个偏振态上的双平行调制器的其中一个射频输入端；
直流偏置单元，用于控制直流偏置电压，以使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器中加载射频信号的两个子马赫-曾德尔调制器工作在最大传输点，另外两个子马赫-曾德尔调制器输出的光载波与调制信号所含光载波等幅反相相抵消。
8.一种基于权利要求1所述多功能微波光子模块的信号处理方法，其特征在于，向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波，并将待混频的其中一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的子双平行调制器的一个射频输入端和另一个偏振态上的子双平行调制器的一个射频输入端，将待混频的另一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器剩余的两个射频输入端；控制直流偏置电压，使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的四个马赫-曾德尔调制器都工作在最小传输点，并将双偏振双平行马赫-曾德尔调制器所输出信号中一路微波信号调制信号的一侧1阶边带和另一路微波信号调制信号的另一侧1阶边带滤除，则从所述平衡光电探测器的输出端输出噪声抑制的上变频微波信号，并可通过所述偏振控制器实现所述上变频微波信号在0～360°范围的移相。
9.一种基于权利要求1所述多功能微波光子模块的信号处理装置，其特征在于，用于生成噪声抑制的上变频微波信号，且所述上变频微波信号可在0～360°范围移相；所述信号处理装置包括：
光源，用于向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波；
射频输入单元，用于将待混频的其中一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的子双平行调制器的一个射频输入端和另一个偏振态上的子双平行调制器的一个射频输入端，将待混频的另一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器剩余的两个射频输入端；
直流偏置单元，用于控制直流偏置电压，以使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的四个马赫-曾德尔调制器都工作在最小传输点；
光滤波器，接在所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的输出端，用于将双偏振双平行马赫-曾德尔调制器所输出信号中一路微波信号调制信号的一侧1阶边带和另一路微波信号调制信号的另一侧1阶边带和两侧的2阶及以上高阶边带滤除。
10.一种基于权利要求1所述多功能微波光子模块的信号处理方法，其特征在于，向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波，并将待混频的其中一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的子双平行调制器的两个射频输入端，将待混频的另一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器另一个偏振态上的子双平行调制器的两个射频输入端；控制直流偏置电压，使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的四个马赫-曾德尔调制器都工作在最小传输点，且两个偏振态上分别产生单边带调制信号，边带分别位于载波两侧，则从所述平衡光电探测器的输出端输出噪声抑制的上变频微波信号，并可通过所述偏振控制器实现所述上变频微波信号在0～360°范围的移相。
11.一种基于权利要求1所述多功能微波光子模块的信号处理装置，其特征在于，用于生成噪声抑制的上变频微波信号，且所述上变频微波信号可在0～360°范围移相，不需要进行光滤波；所述信号处理装置包括：
光源，用于向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波；
射频输入单元，用于将待混频的其中一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的双平行调制器的两个射频输入端，将待混频的另一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器另一个偏振态上的双平行调制器的两个射频输入端；
直流偏置单元，用于控制直流偏置电压，以使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的四个马赫-曾德尔调制器都工作在最小传输点，且控制各偏振态上双平行调制器中两个子调制器输出信号的相对相位，进行单边带调制，且边带分别位于载波两侧。
12.一种基于权利要求1所述多功能微波光子模块的信号处理方法，其特征在于，向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波，并将待混频的其中一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的子双平行调制器的一个射频输入端和另一个偏振态上的子双平行调制器的一个射频输入端，将待混频的另一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器剩余的两个射频输入端；控制直流偏置电压，使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的四个马赫-曾德尔调制器都工作在最小传输点，并将双偏振双平行马赫-曾德尔调制器所输出信号中两路微波信号调制信号的同一侧1阶边带滤除，则从所述平衡光电探测器的输出端输出噪声抑制的下变频微波信号，并可通过所述偏振控制器实现所述下变频微波信号在0～360°范围的移相。
13.一种基于权利要求1所述多功能微波光子模块的信号处理装置，其特征在于，用于生成噪声抑制的下变频微波信号，且所述下变频微波信号可在0～360°范围移相；所述信号处理装置包括：
光源，用于向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波；
射频输入单元，用于将待混频的其中一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的子双平行调制器的一个射频输入端和另一个偏振态上的子双平行调制器的一个射频输入端，将待混频的另一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器剩余的两个射频输入端；
直流偏置单元，用于控制直流偏置电压，以使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的四个马赫-曾德尔调制器都工作在最大传输点；
光滤波器，接在所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的输出端，用于将双偏振双平行马赫-曾德尔调制器所输出信号中两路微波信号调制信号的同一侧1阶边带和两侧的2阶及以上高阶边带滤除。
14.一种基于权利要求1所述多功能微波光子模块的信号处理方法，其特征在于，向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波，并将待混频的其中一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的双平行调制器的两个射频输入端，将待混频的另一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器另一个偏振态上的双平行调制器的两个射频输入端；控制直流偏置电压，使得双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的四个子马赫-曾德尔调制器都工作在最小传输点，且两个偏振态上分别产生单边带调制信号，边带位于载波同一侧，则从所述平衡光电探测器的输出端输出噪声抑制的下变频微波信号，并可通过所述偏振控制器实现所述下变频微波信号在0～360°范围的移相。
15.一种基于权利要求1所述多功能微波光子模块的信号处理装置，其特征在于，用于生成噪声抑制的下变频微波信号，且所述下变频微波信号可在0～360°范围移相，不需要进行光滤波；所述信号处理装置包括：
光源，用于向所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器的光输入端输入光载波；
射频输入单元，用于将待混频的其中一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器一个偏振态上的双平行调制器的两个射频输入端，将待混频的另一路微波信号分为相位相差90°的两路后分别输入所述双偏振双平行马赫-曾德尔调制器另一个偏振态上的双平行调制器的两个射频输入端；
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