CN110441974A - 一种基于扫频激光器的微波光子移频器 - Google Patents

一种基于扫频激光器的微波光子移频器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于扫频激光器的微波光子移频器，包括扫频激光器、强度调制器、色散调谐模块、光电探测器；扫频激光器用于产生光载波，其输出端与强度调制器的光输入端连接；强度调制器用于将射频微波信号调制到光载波上，强度调制器的射频端口与待移频的微波射频信号连接，强度调制器的光输出端与色散调谐模块光输入端连接；色散调谐模块用于调制光信号进行色散控制，色散调谐模块光输出端与光电探测器光输入端连接；光电探测器用于探测调制光信号，光电探测器的射频输出端得到移频后的射频微波信号；本发明无需外接微波源，不受外接微波源频率抖动影响，结构简单，降低成本，能进行任意比例移频，工作范围广，能实现更高频率微波信号移频。

Description

一种基于扫频激光器的微波光子移频器
技术领域
本发明涉及微波光子系统的研究领域，特别涉及一种基于扫频激光器的微波光子移频器。
背景技术
微波移频器是一种实现将输入微波信号的频率进行一定的频率移动并输出的器件。微波移频器广泛的应用于信号处理、移动通信和无线电收发领域，例如在高速铁路通信中，由于载具的接收/发射拥有较高的运行速度，使其与地面固定位置的信号发射/接收端之间有较高的相对速度，导致接收到的频率会产生多普勒频移，从而干扰信号的接收效果，因此需要移频器进行相应的补偿。实现移频器功能的器件或系统一般可归纳为以下三大类：
(1)倍频器。传统电学倍频器可通过利用非线性电路产生高次谐波或者利用频率控制回路来实现，但往往频率较低，带宽小；更高的频率和更大的带宽范围的倍频器可利用微波光子技术，例如通过载波抑制双边带或高次谐波来实现。但倍频器的输出信号是输入信号的整数倍，无法实现非整数倍的移频，这就大大限制了其应用范围，因此倍频器被更多的应用到高频信号产生等领域。
(2)混频器。混频器是一种结构简单、可调谐性很强的微波信号处理器件，被广泛的应用在通信系统中。高频信号很难直接处理，通过混频器将高频信号的频谱搬移到低频可以降低处理难度。传统的混频器包括混频电路(适用于低频信号)和微波混频波导(适用于高频信号)；微波光子混频器利用光学系统来实现更高频率的信号混频，同时可以实现镜像抑制的功能。利用混频器进行移频的最大问题是，混频器需要额外的微波源来提供本振信号，因此增大了系统的复杂性并增加了成本，同时混频器本身也有带宽和镜像干扰信号等的限制，更适合于频移量较大的场合。
(3)数字信号处理。数字信号处理技术是一种能对输入信号做高速、实时的变换或加工等处理的运算，数字信号处理技术可以实现滤波、移相、混频、移频、调制解调等功能。但是数字信号处理技术本高昂，需要专门的设备，并且对于高频信号的处理难度非常大，使成本进一步增大。而且对于超高频率的微波信号，数字信号处理技术的处理难度也会大大增加。
因此目前需要一种工作范围大、调谐比例广、低成本、无需额外微波源的移频系统，来实现大带宽、大移频系数范围的微波信号移频功能。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于扫频激光器的微波光子移频器，通过匹配扫频激光器的啁啾率与色散系统的色散量，可以同时实现时域信号的拉伸或压缩，实现输出信号频率的减小或增大，可对待移频的微波射频信号进行任意比例的移频。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种基于扫频激光器的微波光子移频器，其特征在于，包括扫频激光器、强度调制器、色散调谐模块、光电探测器；
其中，扫频激光器用于产生光载波，扫频激光器输出端与强度调制器的光输入端连接；强度调制器用于将射频微波信号调制到光载波上，强度调制器的射频端口与待移频的微波射频信号连接，强度调制器的光输出端与色散调谐模块光输入端连接；色散调谐模块用于调制光信号进行色散控制，色散调谐模块光输出端与光电探测器光输入端连接；光电探测器用于探测调制光信号，光电探测器的射频输出端得到移频后的射频微波信号。
进一步地，所述扫频激光器的波长随时间线性变化，扫频激光器的波长范围为1500～1600nm，扫频激光器的啁啾率为0～40nm/ps。
进一步地，所述扫频激光器为脉冲激光器，其输出的时域脉冲信号的占空比范围为1％～99％，重复频率范围为2kHz～20GHz。
进一步地，所述强度调制器的工作波长包含扫频激光器的波长范围。
进一步地，所述强度调制器能将射频信号调制到光载波，同时能使得光电探测器直接检测出微波信号。
进一步地，所述色散调谐模块具有较平坦的波长-耗损关系曲线，能对宽带时域脉冲信号进行压缩或展宽。
进一步地，所述色散调谐模块为长单模光纤、色散补偿光纤、啁啾布拉格光纤光栅其中之一。
进一步地，所述光电探测器的工作波长范围包含扫频激光器的波长范围，并能探测压缩或展宽的宽带时域脉冲信号；且所述光电探测器具有一定带宽，能满足移频范围内的微波信号频率范围。
进一步地，所述光电探测器为50G带宽光电探测器或能达到50G带宽光电探测器效果的探测器。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明无需外接微波源，不受外接微波源的频率抖动影响，结构简单，大大降低成本。
2、本发明可以进行任意比例移频，即可以实现非整数比例的移频。
3、本发明工作范围广，能实现更高频率的微波信号移频。
附图说明
图1是本发明所述一种基于扫频激光器的微波光子移频器的结构示意图；
图2是本发明所述实施例中VPI软件模拟结构示意图；
图3是本发明所述实施例中VPI软件模拟结果示意图。
图中，1-扫频激光器，2-强度调制器，3-色散调谐模块，4-光电探测器，5输入信号源，6-频谱分析仪。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
一种基于扫频激光器的微波光子移频器，如图1所示，包括扫频激光器1、强度调制器2、色散调谐模块3、光电探测器4；
其中，扫频激光器光输出端与强度调制器光输入端连接，扫频激光器用于产生光载波，强度调制器光输出端与色散调谐模块输入端连接，强度调制器的射频端口与待移频的微波射频信号连接，强度调制器用于将射频微波信号调制到光载波上，色散调谐模块光输出端与光电探测器光输入端连接，用于调制光信号进行色散控制，光电探测器输出端得到移频后的射频微波信号，用于探测调制光信号。
所述扫频激光器1，其波长随时间线性变化，波长范围为1500～1600nm，啁啾率为0～40nm/ps，其输出的时域脉冲信号的占空比在1％～99％，重复频率范围为2kHz～20GHz，不限于具体的扫频机制，可以使用任何具有上述特性的扫频激光器；
所述强度调制器2，不限于强度调制器的种类，能实现将射频信号调制到脉冲光载波上，同时要能够在光电探测器上直接检测出微波信号，因此不能使用相位调制器；
所述色散调谐模块3，不限于具体色散控制实现方法，色散调谐模块为长单光纤、色散补偿光纤、啁啾布拉格光纤光栅其中之一；
所述光电探测器4，不限于使用50G带宽光电探测器，只要能达到与50G带宽光电测试器相同效果的光电探测器都可以。
图2为VPI软件模拟仿真结构图，包括扫频激光器1、马赫增德尔强度调制器及其偏置电压源2、长度为1公里的单模光纤3、光电探测器4，以及相应的输入信号源5和探测输出信号的频谱分析仪6。
本施例中，扫频激光器1的重复频率为1MHz，啁啾率为正负可切换，具体值设置为±95nm/μs，±128nm/μs和±192nm/μs；通过切换啁啾率的正负，可以分别实现对输入微波信号实现上移频和下移频效果；通过调整啁啾率绝对值，可以调节移频量的大小。扫频激光器1的啁啾率由仿真参数调节来实现。
扫频激光器1的输出端连接到马赫增德尔强度调制器2的光纤输入端口，其扫频输出光信号作为光载波(carrier)；微波信号源5的射频输出端生成的待移频的微波信号波形为正弦，频率为10GHz，通过射频电缆连接到马赫增德尔强度调制器2的射频输入端作为调制信号(data)；马赫增德尔强度调制器2的偏置电压(DC)设置为0.5倍的半波电压，在其光输出端，待移频的微波信号后被加载到光载波上，并输入到单模光纤3的输入端。由于单模光纤3的色散作用，使扫频光脉冲在传输的过程中发生展宽或者压缩，从而使光脉冲上被调制的微波信号波形发生相应的展宽或压缩，其变化率取决于展宽或压缩量与原始脉宽的比例；从单模光纤3输出端出来的光脉冲信号输入到光电探测器4的输入端，光电探测器4将微波信号还原出来，检测到的微波信号的频率已经发生了改变从而实现了移频效果。光电探测器4的输出端与频谱分析仪6的输入端相连，来检测系统的移频效果，参见图3。
图3(a)是扫频激光器啁啾率设置为95nm/μs，单模光纤3长度为0时，系统输出射频信号频谱，由于没有色散光纤的影响，其中心频率为10GHz，和输入信号的频谱一致；图3(b)是扫频激光器啁啾率分别设置为-95nm/μs、-128nm/μs和-192nm/μs，单模光纤3长度为1km时，系统输出射频信号频谱，由于光源的啁啾率与色散光纤的色散符号相反相反，使扫频光脉冲被压缩，实现了上移频，移频后的中心频率分别为10.01GHz、10.02GHz和10.03GHz；图3(c)是扫频激光器啁啾率分别设置为192nm/μs、128nm/μs和95nm/μs，单模光纤3长度为1km时，系统输出射频信号频谱，由于光源的啁啾率与色散光纤的色散量相同，使扫频光脉冲被拉伸，实现了下移频，移频后的中心频率分别为9.97GHz、9.98GHz和9.99GHz。实现了不同频移量的上移频和下移频两种移频效果。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于扫频激光器的微波光子移频器，其特征在于，包括扫频激光器、强度调制器、色散调谐模块、光电探测器；
其中，扫频激光器用于产生光载波，扫频激光器输出端与强度调制器的光输入端连接；强度调制器用于将射频微波信号调制到光载波上，强度调制器的射频端口与待移频的微波射频信号连接，强度调制器的光输出端与色散调谐模块光输入端连接；色散调谐模块用于调制光信号进行色散控制，色散调谐模块光输出端与光电探测器光输入端连接；光电探测器用于探测调制光信号，光电探测器的射频输出端得到移频后的射频微波信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于扫频激光器的微波光子移频器，其特征在于，所述扫频激光器的波长随时间线性变化，所述扫频激光器的波长范围为1500-1600nm，啁啾率为0～40nm/ps。
3.根据权利要求2所述的一种基于扫频激光器的微波光子移频器，其特征在于，所述扫频激光器为脉冲激光器，其输出的时域脉冲信号的占空比为1％～99％，重复频率范围2kHz～20GHz。
4.根据权利要求1所述的一种基于扫频激光器的微波光子移频器，其特征在于，所述强度调制器的工作波长包含扫频激光器的波长范围。
5.根据权利要求4所述的一种基于扫频激光器的微波光子移频器，其特征在于，所述强度调制器能将射频信号调制到光载波，同时能使得光电探测器直接检测出微波信号。
6.根据权利要求1所述的一种基于扫频激光器的微波光子移频器，其特征在于，所述色散调谐模块具有较平坦的波长-耗损关系曲线，能对宽带时域脉冲信号进行压缩或展宽。
7.根据权利要求6所述的一种基于扫频激光器的微波光子移频器，其特征在于，所述色散调谐模块为长单模光纤、色散补偿光纤、啁啾布拉格光纤光栅其中之一。
8.根据权利要求6所述的一种基于扫频激光器的微波光子移频器，其特征在于，所述色散调谐模块为长单模光纤、色散补偿光纤、啁啾布拉格光纤光栅任意组合。
9.根据权利要求1所述的一种基于扫频激光器的微波光子移频器，其特征在于，所述光电探测器的工作波长范围包含扫频激光器的波长范围，并能探测压缩或展宽的宽带时域脉冲信号；且所述光电探测器具有一定带宽，能满足移频范围内的微波信号频率范围。
10.根据权利要求9所述的一种基于扫频激光器的微波光子移频器，其特征在于，所述光电探测器为50G带宽光电探测器或能达到50G带宽光电探测器效果的探测器。
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