CN111010172B - 一种频率可调谐倍频三角波、方波的产生装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种频率可调谐倍频三角波、方波的产生装置及方法，所述装置包括激光器，第一偏振控制器，第一强度调制器（MZM1），微波源，微波功分器，第一电压源，第二偏振控制器，偏振分束器，第二强度调制器（MZM2），微波放大器，第二电压源，偏振合束器，光电探测器，90°移相器。所述方法如下：激光经MZM1调制产生±1阶光边带，此信号经偏振分束器分成两束偏振态相互垂直的光，一路进入MZM2调制后产生±3阶光边带。两路光信号经偏振合束器后送入光电探测器，分别拍频得二次、六次谐波，通过调节二者幅度比，即可产生倍频三角波、方波。本发明不需要滤波器、倍频器等复杂器件，具有系统复杂度低、成本低、可调性好、可调谐范围大、易于实现等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种频率可调谐倍频三角波、方波的产生装置及方法，属于微波光子学、任意波形产生技术、光通信技术领域。
背景技术
随着信息技术的发展，微波任意波形信号已经广泛应用于电子设备测试测量、雷达系统、光通信系统等领域。其中三角波由于其在时域上具有线性上升沿和下降沿的特点，在全光波转换，光脉冲压缩和信号转换等应用中有较强的优势；方波可用做时钟信号以精确触发同步电路。但是传统电子学的微波信号产生技术受带宽限制，且难以产生稳定高频的任意波形信号源，不能满足日益发展的信息系统的高频和大带宽要求。因此如何获得高频稳定易调谐的信号源，一直以来是国内外研究的重点。
微波光子学是将光子学和微波学相结合的新兴学科，其利用光子学的大带宽、低损耗、抗电磁干扰等特性，克服了电子学瓶颈，从而在获得稳定高频的信号源上取得了突破。因此，基于微波光子学技术产生高频率、带宽大、具有灵活的可调谐能力和大的可调谐范围的微波信号具有重要的应用前景。目前基于光子学技术产生三角形、方波信号的技术主要可以分为三种，一是通过光学光谱整形，二是利用非线性光纤处理，三是对连续波的外部调制。其中连续波的外部调制，可通过合理组合不同大小的正弦脉冲信号的傅里叶分量就可以得到三角形和方波信号，具有成本低，系统灵活性高等优势。
目前现有的基于连续波的外部调制产生三角波、方波信号的研究中，基于偏振调制器及 Sagnac环的任意波形产生，虽然能产生误差较小的任意波形，但是无法实现倍频信号产生；基于双偏振调制器光子产生倍频微波波形，虽然产生了较高频率的信号，但由于使用了三倍频器，增加了插入损耗和系统成本；基于两个MZM及Sagnac环的倍频三角波和方波的产生，在Sagnac环路中需要额外使用一个偏振控制器，与Sagnac环路外的偏振控制器在调节时会互相干扰，不易控制。
发明内容
本发明为了解决现有电子学方法在带宽、体积、电磁干扰等方面的缺点，以及突破电子技术产生稳定的高频任意波形信号源的瓶颈，提供了一种基于频率可调谐倍频三角波、方波的产生装置及方法，既可产生高频稳定的倍频三角波、方波信号，还具有系统复杂度低，易于实现等优点。
为了达到上述目的，本发明采用的方法是：一种频率可调谐倍频三角波、方波的产生装置，包括激光器、第一偏振控制器、第一强度调制器、微波源、微波功分器、第一电压源、第二偏振控制器、偏振分束器、第二强度调制器、微波放大器、第二电压源、偏振合束器、光电探测器、90°移相器；所述第一偏振控制器的两端分别与激光器输出端和第一强度调制器的光输入端相连；所述微波源的输出端与微波功分器的输入端相连，微波功分器的一个输出端与第一强度调制器的微波输入端相连，微波功分器的另一输出端与微波放大器的输入端相连，所述第一电压源的电输出端接第一强度调制器的电压偏置端口；所述第二偏振控制器的两端分别与第一强度调制器的光输出端和偏振分束器的输入端相连；所述偏振分束器的两个输出端分别与第二强度调制器的输入端、偏振合束器的一个输入端相连，第二强度调制器的微波输入端与微波放大器的输出端相连，第二电压源的电输出端接第二强度调制器的电压偏置端口；所述第二强度调制器的输出端与偏振合束器的另一个输入端相连，偏振合束器的输出端与光电探测器的输入端相连；所述光电探测器的输出端与90°移相器的输入端相连。
本发明还公开了上述一种频率可调谐倍频三角波、方波的产生装置的实现方法，包括如下步骤：
步骤一：采用激光器输出频率为ωc的激光载波进入第一强度调制器，微波源输出频率为ωRF的微波信号经微波功分器分成两路频率相同的微波信号，一路微波信号经过第一强度调制器的微波输入端进入第一强度调制器，通过设置第一电压源的输出电压，使第一强度调制器工作在最小传输点，光信号被第一强度调制器调制后产生载波抑制且相位相反的正负一阶光边带信号，其中负一阶光边带信号频率为ω1＝ωc-ωRF，正一阶光边带信号频率为ω1＝ωc+ωRF；
步骤二：正负一阶光边带信号被偏振分束器分成两束偏振态相互垂直的光，上路X偏振态的正负一阶光边带经保偏光纤进入第二强度调制器，下路Y偏振态的正负一阶光边带信号不经处理，直接经保偏光纤进入偏振合束器。微波功分器输出的另一路微波信号经过微波放大器放大微波功率后，通过第二强度调制器的微波输入端进入第二强度调制器，上路(X 偏振态)中频率为ωc-ωRF的-1阶光边带(图2中②号光边带)作为光载波被第二强度调制器调制，通过调节第二电压源的输出电压，使第二强度调制器工作在最大传输点，则奇次边带被抑制，剩余载波与偶次谐波，因此产生频率为ωc-3ωRF的负二阶光边带(图2中①号光边带) 及频率为ωc+ωRF的正二阶光边带(图2中③号光边带)；同理上路(X偏振态)中频率为ωc+ωRF的+1阶光边带(图2中⑤号光边带)作为光载波被第二强度调制器调制后产生频率为ωc-ωRF负二阶光边带(图2中④号光边带)及频率为ωc+3ωRF的正二阶光边带(图2中⑥号光边带)，通过调节输入第二强度调制器的微波输入功率，可使X偏振态上②和④光边带等辐反相相消、③和⑤光边带等辐反相相消，即可使得上路只剩下正负三阶光边带；
步骤三：两路偏振态相互垂直的光信号经过偏振合束器偏振复用后送入光电探测器，由于不同偏振态信号不会互相拍频，所以Y偏振态方向上正负一阶光边带拍频产生频率为2ωRF的二次谐波，X偏振态方向上正负三阶光边带拍频产生频率为6ωRF的六次谐波，通过控制第二偏振控制器调节二次谐波和六次谐波的幅度比为9：1，即功率比为19.1dB，则可产生倍频三角波；
步骤四：两路偏振态相互垂直的光信号经过偏振合束器偏振复用后进入光电探测器拍频产生二次谐波和六次谐波，再进入90°移相器，将电信号的相位改变90°，最后通过控制第二偏振控制器调节二次谐波和六次谐波的幅度比为3：1，即功率比为9.5dB，则可产生倍频方波；
步骤五：改变微波源的输出频率，即可改变产生的倍频三角波和方波的频率。
有益效果：
(1)本发明只需改变微波信号频率即可实现三角波、方波信号的频率可调谐，具有可调性好，灵活性高的特点。
(2)本发明可产生高频的三角波、方波信号，且具有大的频率可调谐范围，主要仅受到调制器工作带宽和光电探测器工作带宽的限制；
(3)本发明避免了滤波器、三倍频器等复杂仪器的使用，对载波的波长没有严格要求，使得系统更为简单，易于实现。
(4)本发明生成的三角波、方波信号的频率为微波信号频率的二倍，利用低速器件获得高速信号，降低成本。
附图说明
图1为本发明提供的频率可调谐倍频三角波、方波的产生装置的结构示意图。
图2为本发明提供的频率可调谐倍频三角波、方波的产生方法的原理图。
图3为输入微波信号为10GHz时产生倍频三角波的仿真结果图，其中：(a)为光电探测器拍频后生成20GHz三角波信号的频谱图；(b)为生成的20GHz三角波信号的时域波形图。
图4为输入微波信号为10GHz时产生倍频方波的仿真结果图，其中：(a)为光电探测器拍频后生成20GHz方波信号的频谱图；(b)为生成的20GHz方波信号的时域波形图。
图5(a)为40GHz三角波时域波形图；图5(b)为60GHz三角波时域波形图。
图6(a)为40GHz方波时域波形图；图6(b)为60GHz方波时域波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明提供的频率可调谐倍频三角波、方波的产生装置的结构示意图，包括激光器1、第一偏振控制器2、第一强度调制器3、微波源4、微波功分器5、第一电压源6、第二偏振控制器7、偏振分束器8、第二强度调制器9、微波放大器10、第二电压源11、偏振合束器12、光电探测器13、90°移相器14；所述第一偏振控制器2的两端分别与激光器1 输出端和第一强度调制器3的光输入端相连；所述微波源4的输出端与微波功分器5的输入端相连，微波功分器5的一个输出端与第一强度调制器3的微波输入端相连，微波功分器5 的另一输出端与微波放大器10的输入端相连，所述第一电压源6的电输出端接第一强度调制器3的电压偏置端口；所述第二偏振控制器7的两端分别与第一强度调制器3的光输出端和偏振分束器8的输入端相连；所述偏振分束器8的两个输出端分别与第二强度调制器9 的输入端、偏振合束器12的一个输入端相连，第二强度调制器9的微波输入端与微波放大器10的输出端相连，第二电压源11的电输出端接第二强度调制器9的电压偏置端口；所述第二强度调制器9的输出端与偏振合束器12的另一个输入端相连，偏振合束器12的输出端与光电探测器13的输入端相连；所述光电探测器13的输出端与90°移相器14的输入端相连。
上述频率可调谐倍频三角波、方波的产生装置的实现方法，包括以下的步骤：
采用激光器1输出频率为ωc的激光载波进入第一强度调制器3，微波源4输出频率为ωRF的微波信号经微波功分器5分成两路频率相同的微波信号，一路微波信号经过第一强度调制器3的微波输入端进入第一强度调制器3，通过设置第一电压源6的输出电压，使第一强度调制器3工作在最小传输点，光信号被第一强度调制器3调制后产生载波抑制且相位相反的正负一阶光边带信号，其中负一阶光边带信号频率为ω1＝ωc-ωRF，正一阶光边带信号频率为ω1＝ωc+ωRF；正负一阶光边带信号被偏振分束器8分成两束偏振态相互垂直的光，上路X偏振态的正负一阶光边带经保偏光纤进入第二强度调制器9，下路Y偏振态的正负一阶光边带信号不经处理，直接经保偏光纤进入偏振合束器12。微波功分器5输出的另一路微波信号经过微波放大器10放大微波功率后，通过第二强度调制器9的微波输入端进入第二强度调制器9，上路(X偏振态)中频率为ωc-ωRF的-1阶光边带(图2中②号光边带)作为光载波被第二强度调制器9调制，通过调节第二电压源11的输出电压，使第二强度调制器9工作在最大传输点，则奇次边带被抑制，剩余载波与偶次谐波，因此产生频率为ωc-3ωRF的负二阶光边带(图2中①号光边带)及频率为ωc+ωRF的正二阶光边带(图2中③号光边带)；同理上路 (X偏振态)中频率为ωc+ωRF的+1阶光边带(图2中⑤号光边带)作为光载波被第二强度调制器9调制后产生频率为ωc-ωRF负二阶光边带(图2中④号光边带)及频率为ωc+3ωRF的正二阶光边带(图2中⑥号光边带)，通过调节输入第二强度调制器9的微波输入功率，可使X 偏振态上②和④光边带等辐反相相消、③和⑤光边带等辐反相相消，即可使得上路只剩下正负三阶光边带；两路偏振态相互垂直的光信号经过偏振合束器12偏振复用后送入光电探测器 13，由于不同偏振态信号不会互相拍频，所以Y偏振态方向上正负一阶光边带拍频产生频率为2ωRF的二次谐波，X偏振态方向上正负三阶光边带拍频产生频率为6ωRF的六次谐波，通过控制第二偏振控制器7调节二次谐波和六次谐波的幅度比为9：1，即功率比为19.1dB，则可产生倍频三角波；两路偏振态相互垂直的光信号经过偏振合束器12偏振复用后进入光电探测器13拍频产生二次谐波和六次谐波，再进入90°移相器14，将电信号的相位改变90°，最后通过控制第二偏振控制器7调节二次谐波和六次谐波的幅度比为3：1，即功率比为 9.5dB，则可产生倍频方波；改变微波源4的输出频率，即可改变产生的倍频三角波和方波的频率。
根据图1所示的倍频三角波、方波产生系统结构示意图，激光器LD输出波长为λc(角频率ωc＝2πfc)，光场强度为E0的激光载波，其光场表达式为：
Ein＝E0 exp(jωct) (1)
该激光载波进入调制器MZM1，微波源输出频率ωRF＝2πfRF的微波信号经微波功分器后分成两路，其中一路微波信号进入电光调制器MZM1，通过设置MZM1的偏置电压使其工作在最小传输点，即可在A点产生载波抑制且相位相反的正负一阶光边带信号，调制后的光信号表达式为：
其中μ1为MZM1的插入损耗，m1为MZM1的调制系数，将EMZM1进行Jacobi-Anger展开，若忽略三阶及以上高阶项，(2)式可以近似为:
其中负一阶光边带信号频率为ω1＝ωc-ωRF，正一阶光边带信号频率为ω1＝ωc+ωRF。
然后，正负一阶光边带信号被偏振分束器PBS分成两束偏振态相互垂直的光，其中上路X偏振态的正负一阶光边带经保偏光纤进入MZM2，下路Y偏振态的正负一阶光边带信号不经处理，直接经保偏光纤进入偏振合束器PBC。上路(X偏振态)中频率为ωc-ωRF的-1 阶光边带(图2中②号光边带)作为光载波被MZM2调制，通过调节MZM2偏置点使其工作在最大传输点，则奇次边带被抑制，剩余载波与偶次谐波，因此产生频率为ωc-3ωRF的负二阶光边带(图2中①号光边带)及频率为ωc+ωRF的正二阶光边带(图2中③号光边带)；同理上路(X偏振态)中频率为ωc+ωRF的+1阶光边带(图2中⑤号光边带)作为光载波被MZM2 调制后产生频率为ωc-ωRF负二阶光边带(图2中④号光边带)及频率为ωc+3ωRF的正二阶光边带(图2中⑥号光边带)，具体推导公式如下：
PBC两个输入端的光信号可以表示为：
其中μ2为MZM2的插入损耗，m2为MZM2的调制系数，α为入射偏振光与X偏振方向的夹角，将EPBC,in进行Jacobi-Anger展开，由于四阶及以上高阶项较小，所以可忽略，将EPBC,in作如下近似:
即
从式(6)可以看出，要消除上路X偏振态方向的正负一阶光边带，可以调节输入MZM2 的微波输入功率PRF2，从而调节m2使J0(m2)＝J2(m2)，使X偏振态上②和④光边带等辐反相相消、③和⑤光边带等辐反相相消，即可使得上路只剩下正负三阶光边带，此时光信号表达式如下：
B点、C点两路偏振态相互垂直的光信号经PBC合束后进入光电探测器，由于不同偏振态信号不会互相拍频，所以Y偏振态方向上正负一阶光边带拍频产生频率为2ωRF的二次谐波，X偏振态方向上正负三阶光边带拍频产生频率为6ωRF的六次谐波，光电流表达式如下：
其中P为产生信号的光功率，η为光电探测器的响应度，μ为链路的总损耗，c为光速，ε0为真空介电常数，n为有效折射率，Aeff为有效光模式面积。
对于一个三角波，其傅里叶展开表达式为：
其中Ctr,Dtr为常数，若只取两个谐波项(k＝1,k＝3)近似三角波，则(9)式近似为：
对比所得的光电流式(8)，若取ωtr＝2ωRF，则可知只要调节第二偏振控制器，使频率为2ωRF的二次谐波和频率为6ωRF的六次谐波的振幅比为9：1，即功率比为19.1dB，可得到倍频三角波。
同理，方波的傅里叶展开可表示为：
其中Csq,Dsq为常数，若只取两个谐波项(k＝1,k＝3)近似方波，方波的傅里叶展开可以近似表示为：
对比所得的光电流式(8)，可知要产生方波，需要先将电信号的相位改变90°，所以要在光电探测器后加入90°移相器，接着调节第二偏振控制器，使二次谐波和六次谐波的振幅比为3：1，即功率比为9.5dB，即可得到倍频方波。通过改变微波源的输出频率ωRF，可改变产生的倍频三角波和方波的频率。
基于本发明提供的这种频率可调谐倍频三角波、方波的产生装置及方法，对输入微波信号为10GHz时进行仿真，得到光电探测器拍频后生成三角波信号的频谱图和时域波形图、方波信号的频谱图和时域波形图，分别如图3(a)、3(b)、4(a)、4(b)所示；将微波源输出频率改为20GHz、30GHz，可产生40GHz、60GHz三角波和方波，如图5(a)、5(b)、6(a)、6(b)所示。
以上所述的具体实施方法，对于本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明方案的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在不脱离本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种频率可调谐倍频三角波、方波的产生装置，其特征在于：包括激光器(1)、第一偏振控制器(2)、第一强度调制器(3)、微波源(4)、微波功分器(5)、第一电压源(6)、第二偏振控制器(7)、偏振分束器(8)、第二强度调制器(9)、微波放大器(10)、第二电压源(11)、偏振合束器(12)、光电探测器(13)、90°移相器(14)；所述第一偏振控制器(2)的两端分别与激光器(1)输出端和第一强度调制器(3)的光输入端相连；所述微波源(4)的输出端与微波功分器(5)的输入端相连，微波功分器(5)的一个输出端与第一强度调制器(3)的微波输入端相连，微波功分器(5)的另一输出端与微波放大器(10)的输入端相连，所述第一电压源(6)的电输出端接第一强度调制器(3)的电压偏置端口；所述第二偏振控制器(7)的两端分别与第一强度调制器(3)的光输出端和偏振分束器(8)的输入端相连；所述偏振分束器(8)的两个输出端分别与第二强度调制器(9)的输入端、偏振合束器(12)的一个输入端相连，第二强度调制器(9)的微波输入端与微波放大器(10)的输出端相连，第二电压源(11)的电输出端接第二强度调制器(9)的电压偏置端口；所述第二强度调制器(9)的输出端与偏振合束器(12)的另一个输入端相连，偏振合束器(12)的输出端与光电探测器(13)的输入端相连；所述光电探测器(13)的输出端与90°移相器(14)的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的频率可调谐倍频三角波、方波的产生装置的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：采用激光器(1)输出频率为ωc的激光载波进入第一强度调制器(3)，微波源(4)输出频率为ωRF的微波信号经微波功分器(5)分成两路频率相同的微波信号，一路微波信号经过第一强度调制器(3)的微波输入端进入第一强度调制器(3)，通过设置第一电压源(6)的输出电压，使第一强度调制器(3)工作在最小传输点，光信号被第一强度调制器(3)调制后产生载波抑制且相位相反的正负一阶光边带信号，其中负一阶光边带信号频率为ω1＝ωc-ωRF，正一阶光边带信号频率为ω1＝ωc+ωRF；
步骤二：正负一阶光边带信号被偏振分束器(8)分成两束偏振态相互垂直的光，上路X偏振态的正负一阶光边带经保偏光纤进入第二强度调制器(9)，下路Y偏振态的正负一阶光边带信号不经处理，直接经保偏光纤进入偏振合束器(12)；微波功分器(5)输出的另一路微波信号经过微波放大器(10)放大微波功率后，通过第二强度调制器(9)的微波输入端进入第二强度调制器(9)，上路X偏振态中频率为ωc-ωRF的-1阶光边带作为光载波被第二强度调制器(9)调制，通过调节第二电压源(11)的输出电压，使第二强度调制器(9)工作在最大传输点，则奇次边带被抑制，剩余载波与偶次谐波，产生频率为ωc-3ωRF的负二阶光边带及频率为ωc+ωRF的正二阶光边带；上路X偏振态中频率为ωc+ωRF的+1阶光边带作为光载波被第二强度调制器(9)调制后产生频率为ωc-ωRF负二阶光边带及频率为ωc+3ωRF的正二阶光边带，通过调节输入第二强度调制器(9)的微波输入功率，使X偏振态上ωc-ωRF的-1阶光边带和ωc-ωRF负二阶光边带等辐反相相消、频率为ωc+ωRF的正二阶光边带和频率为ωc+ωRF的+1阶光边带等辐反相相消，使得上路只剩下正负三阶光边带；
步骤三：两路偏振态相互垂直的光信号经过偏振合束器(12)偏振复用后送入光电探测器(13)，Y偏振态方向上正负一阶光边带拍频产生频率为2ωRF的二次谐波，X偏振态方向上正负三阶光边带拍频产生频率为6ωRF的六次谐波，通过控制第二偏振控制器(7)调节二次谐波和六次谐波的幅度比为9：1，即功率比为19.1dB，产生倍频三角波；
步骤四：两路偏振态相互垂直的光信号经过偏振合束器(12)偏振复用后进入光电探测器(13)拍频产生二次谐波和六次谐波，再进入90°移相器(14)，将电信号的相位改变90°，最后通过控制第二偏振控制器(7)调节二次谐波和六次谐波的幅度比为3：1，即功率比为9.5dB，产生倍频方波；
步骤五：改变微波源(4)的输出频率，改变产生的倍频三角波和方波的频率。
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