CN111525963B - 一种相干信道化接收机的集成结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相干信道化接收机的集成结构，包括激光产生模块、第一光学频率梳产生模块、第二光学频率梳产生模块、抑制载波单边带调制模块、I/Q光混合模块、两个并行光滤波器模块以及若干个I/Q电耦合模块。本发明利用微波光子技术，相比于传统的利用电信号处理的信道化设备，可以减少射频干扰；利用抑制载波的单边带调制方式，提高了可处理的带宽，并避免产生信号与原载波相互作用生成的对称镜像分量，降低对光带通滤波器的要求，有利于光学滤波器的集成，同时提高输出信号的信噪比。本发明优化了抑制载波单边带调制器的结构，减小了体积并提高了精度；通过主体光路的集成，减小了接收机体积，提高了信道化接收机的实用性和可靠性。

Description

一种相干信道化接收机的集成结构

技术领域

本发明属于光通信领域，特别涉及了一种相干信道化接收机的集成结构。

背景技术

随着现代射频系统中所接收信号带宽的增加，具有宽带射频信号处理能力的接收机是迫切需要的。然而，在大带宽下传统器件难以处理，因此信道化是实现这一要求的最有效方法之一，它将接收到的宽带射频信号分割成多个窄带信道，之后再对窄带信道进行并行处理。

由于具有宽频带、低损耗和抗电磁干扰等优点，微波光子信号处理在过去20年里受到了广泛的关注，其基本思想是通过调制器将微波信号上变频到光域，然后利用光学器件来完成信号处理，由于光频率极高，可以处理的信号带宽也非常大。随着高速电光调制器等一系列光学器件的不断发展，微波光子信号处理技术也必将获得更为广泛的应用。

现有的一种信道化方案，是利用多个带通滤波器来滤出每个信道，这个方案在低频段是性能良好的。但是对于信号的高频段，带通滤波器将更难制作；而在频率更高的光域内，制作难度更大。利用光域下的I/Q下变频是对该方案的改进。这个方案的核心思路是把信号下变频到一个较低的频率后再进行滤波。为了避免中心频率两侧信号发生混叠，一般采用I/Q下变频。此时就需要产生本振光，对光载波进行上移频就可以获得对准到所需的位置的本振光，但是在进行较多信道的信道化时，需要提供较多的射频源来生成相干本振光，在技术上较难实现。

另有方案使用光学频率梳来进行信道化。该方案利用了光学频率梳的等频率间隔的特点，可以一次性下变频多个频谱切片，同时对射频本振数量要求大为减少。但是传统光学频率梳的信道化方案所需分立器件较多，且价格昂贵，使得可靠性变差，维护变的困难。同时，传统光学频率梳的信道化方案所能实现的带宽，相对光频梳梳齿的频率间隔来说，可利用带宽不到输入射频源频率的一半，限制了信道化的进一步发展。同时光频梳的载波对最终输出的信号质量也有影响，较高功率的载波如果保留，在高频的子信道内，最终会产生与原信号功率几乎一致的对称镜像分量，而如果使用滤波来滤除载波，由于滤波器本身不是理想器件，又会进一步缩小可处理的带宽，同时滤波器的过渡带对准难度较大，无形中提高了制作的难度。

使用抑制载波的单边带调制可以避免上述问题，但是一般使用的双平行马赫增德尔调制器(DPMZM)较为复杂，同时所加直流偏置的大小需要事先在芯片测试阶段进行测量，应用起来较为麻烦，同时马赫增德尔调制器中的铌酸锂晶体的体积相对较大，不利于集成。

发明内容

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种相干信道化接收机的集成结构。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种相干信道化接收机的集成结构，包括激光产生模块、第一光学频率梳产生模块、第二光学频率梳产生模块、抑制载波单边带调制模块、I/Q光混合模块、两个并行光滤波器模块以及m个I/Q电耦合模块，其中m≥2；所述激光产生模块产生两路激光，这两路激光对应输入所述第一光学频率梳产生模块和第二光学频率梳产生模块，这两个光学频率梳产生模块分别由两路射频信号驱动，这两个光学频率梳产生模块输出两路光学频率梳，第一光学频率梳产生模块输出的光学频率梳经所述抑制载波单边带调制模块处理后输入所述I/Q光混合模块，第二光学频率梳产生模块输出的光学频率梳直接输入所述I/Q光混合模块，所述抑制载波单边带调制模块利用输入的光学频率梳将电信号上变频到光域，并产生多个信号副本，所述I/Q光混合模块将输入的两路光学频率梳进行90°移相混合，并输出I支路信号和Q支路信号，其中I支路信号为两路光学频率梳直接混合的结果，Q支路信号为抑制载波单边带调制模块输出的光学频率梳与移相90°的第二光学频率梳产生模块输出的光学频率梳的混合结果，所述I支路信号和Q支路信号对应输入所述两个并行光滤波器模块，两个并行光滤波器模块分别将I支路信号和Q支路信号分成m个通道输出，同一通道的I支路信号和Q支路信号一同被输入对应的所述I/Q电耦合模块中，所述I/Q电耦合模块将输入的两路信号转换为电信号后进行耦合，输出的耦合信号即为该通道初步信道化的结果。

进一步地，所述抑制载波单边带调制模块包括第一～第三分光器、第一～第三功率分配器、第一～第二电90°移相器、电180°移相器、第一～第四相位调制器、第一～第二2×2多模干涉型光耦合器以及3×3多模干涉型光耦合器；所述第一分光器的输入端接入第一光学频率梳产生模块输出的光学频率梳，第一分光器的两个输出端分别连接所述第二分光器和第三分光器的输入端，第二分光器的两个输出端分别连接所述第一相位调制器和第二相位调制器的输入端，第三分光器的两个输出端分别连接第三相位调制器和第四相位调制器的输入端，所述第一功率分配器的输入端连接电信号源，第一功率分配器的两个输出端分别连接所述第二功率分配器和电180°移相器的输入端，第二功率分配器的两个输出端分别连接所述第一电90°移相器的输入端和第二相位调制器的驱动端，第一电90°移相器的输出端连接第一相位调制器的驱动端，电180°移相器的输出端连接所述第三功率分配器的输入端，第三功率分配器的两个输出端分别连接所述第二电90°移相器的输入端和第四相位调制器的驱动端，第二电90°移相器的输出端连接第三相位调制器的驱动端，第一相位调制器和第二相位调制器的输出端分别连接所述第一2×2多模干涉型光耦合器的两个输入端，第三相位调制器和第四相位调制器的输出端分别连接所述第二2×2多模干涉型光耦合器的两个输入端，第一2×2多模干涉型光耦合器和第二2×2多模干涉型光耦合器的其中一个输出端分别连接所述3×3多模干涉型光耦合器的其中两个输入端，3×3多模干涉型光耦合器的其中一个输出端作为整个抑制载波单边带调制模块的输出端。

进一步地，根据所述激光产生模块的中心波长确定所述第一2×2多模干涉型光耦合器、第二2×2多模干涉型光耦合器和3×3多模干涉型光耦合器的尺寸；对于第一2×2多模干涉型光耦合器、第二2×2多模干涉型光耦合器和3×3多模干涉型光耦合器中未使用的端口，通过设置吸光材料吸收干扰光。

进一步地，所述第二分光器和第三分光器输出的4路光信号之间的功率误差越小越优。

进一步地，输入第一～第四相位调制器驱动端的4路信号的功率精确相等。

进一步地，所述第一～第四相位调制器之间的工作参数和寄生参数的误差越小越优。

进一步地，对于激光产生模块输出的两路激光，其中输入第一光学频率梳产生模块的激光的功率大于输入第二光学频率梳产生模块的激光的功率。

进一步地，所述并行光滤波器模块包括光放大器、分光器以及m个光学带通滤波器；所述光放大器的输入端接入所述I/Q光混合模块的输出信号，光放大器的输出端连接所述分光器的输入端，分光器具有m个输出端，分别对应连接所述m个光学带通滤波器的输入端。

进一步地，当输入光学频率梳产生模块的射频信号的频率为单一值时，所述光学带通滤波器采用通带固定的光学带通滤波器；当输入光学频率梳产生模块的射频信号的频率为多个离散的值时，所述光学带通滤波器采用带通道选择开关的多个通带固定的光学带通滤波器；当输入光学频率梳产生模块的射频信号的频率为一定范围内的连续值时，所述光学带通滤波器采用可编程的光学带通滤波器。

采用上述技术方案带来的有益效果：

与现有滤波器阵列法(电滤波器/光滤波器)相比，本发明由于信号在光域进行处理，光域相对于电域，由于能够方便的进行信号的低噪声放大，且传输损耗也相对较小，能够使损耗大为降低；同时由于使用I/Q下变频技术，滤波精度相对直接进行滤波大大提高。与传统光学频率梳下变频法相比，本发明使用的抑制载波单边带调制，能够将带宽利用率提高接近一倍；同时对调制器件进行优化，使之体积减小，精度提高，适于集成，对后端光学器件的要求也进一步降低，同时能够提高输出信号的信噪比，可以充分发挥信道化接收的威力。

本发明所设计的集成结构，能够最大程度的将信道化设备小型化，具有较高的可靠性，并且便于维护；集成结构上集成了主体光路，对外周电路要求大为降低，具有较高的实用价值；本发明对抑制载波单边带调制模块的结构进行优化，使之体积更小，精度更高，使用更加方便，具有较强的可操作性。

附图说明

图1为本发明整体结构图

图2为本发明中的激光产生模块结构图；

图3为本发明中的光学频率梳产生模块结构图；

图4为本发明中的抑制载波单边带调制模块结构图；

图5为本发明中I/Q光混合模块结构图；

图6为本发明中并行光滤波器模块结构图；

图7为本发明中I/Q电耦合模块结构图；

图8为本发明输出端外接器件示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明设计了一种相干信道化接收机的集成结构，如图1所示，包括包括激光产生模块、第一光学频率梳产生模块、第二光学频率梳产生模块、抑制载波单边带调制模块、I/Q光混合模块、两个并行光滤波器模块以及m个I/Q电耦合模块，其中m≥2。所述激光产生模块产生两路激光，这两路激光对应输入所述第一光学频率梳产生模块和第二光学频率梳产生模块，这两个光学频率梳产生模块分别由两路射频信号驱动，这两个光学频率梳产生模块输出两路光学频率梳，第一光学频率梳产生模块输出的光学频率梳经所述抑制载波单边带调制模块处理后输入所述I/Q光混合模块，第二光学频率梳产生模块输出的光学频率梳直接输入所述I/Q光混合模块，所述抑制载波单边带调制模块利用输入的光学频率梳将电信号上变频到光域，并产生多个信号副本，所述I/Q光混合模块将输入的两路光学频率梳进行90°移相混合，并输出I支路信号和Q支路信号，其中I支路信号为两路光学频率梳直接混合的结果，Q支路信号为抑制载波单边带调制模块输出的光学频率梳与移相90°的第二光学频率梳产生模块输出的光学频率梳的混合结果，所述I支路信号和Q支路信号对应输入所述两个并行光滤波器模块，两个并行光滤波器模块分别将I支路信号和Q支路信号分成m个通道输出，同一通道的I支路信号和Q支路信号一同被输入对应的所述I/Q电耦合模块中，所述I/Q电耦合模块将输入的两路信号转换为电信号后进行耦合，输出的耦合信号即为该通道初步信道化的结果。

在本实施例中，所述激光产生模块可以采用如图2所示的结构，包括单频激光二极管111和分光器121。单频激光二极管111的线宽应当较窄，因为较窄的线宽可以提高光学频率梳的信噪比，从而能提高输出信号的信噪比，建议在10MHz以内。若单频激光二极管111输出功率过小，由于后面光路存在损耗，可能使得输出信号过小，输出后的接收部分信噪比难以提高；若单频激光二极管111输出功率过大，会激发芯片内器件的非线性效应，使得杂波干扰增加，同时过高的功率还会带来其他的一些问题，比如散热条件无法满足，器件因为功率过高而损坏等，建议在-10dBm～10dBm内，同时要求为线偏振光。分光器121所输出的上下支路两束激光，由于上支路在调制信号的过程中本底损耗较大，所以上支路激光功率应当大于下支路激光功率。

在本实施例中，所述光学频率梳产生模块可以采用如图3所示的结构，包括两个级联的电吸收调制器211和212和若干个级联的相位调制器221～22n。相位调制器的数量宜为n＝2～6，数量过多将会大大增加体积，数量过小会影响光频梳的平坦带宽，为了减小尺寸，可以使用折叠式的布局。单个相位调制器的调制深度不宜过大，单个相偏在2π内为宜。例如，为获得20根左右的平坦光频梳，总相偏至少1000°以上，具体所需数量应该由信道化条件来决定。一个光学频率梳产生模块中各个器件均由同一射频源驱动，输入的两个射频源的频率决定了上下支路的光学频率梳的频梳间隔，上下支路的频梳间隔频率应当有所不同，上支路的频梳间隔频率≥输入信号上截止频率，所需要的频梳数量≈上支路光学频率梳梳齿的频率间隔/子信道所能达到的最大带宽。上下支路射频源可以选择片上集成，以在实际使用的时候能够减少外围电路，从而便于商用。

在本实施例中，所述抑制载波单边带调制模块可以采用如图4所示，包括第一～第三分光器311～313、第一～第三功率分配器321～323、第一～第二电90°移相器332和333、电180°移相器331、第一～第四相位调制器341～344、第一～第二2×2多模干涉型光耦合器351和352以及3×3多模干涉型光耦合器361。

多模干涉型光耦合器从一侧的某一个端口输入一束信号光，在另一侧能够得到多路功率相等、但是相位存在一定差异的光，在这里，如图4所示，理想的2×2多模干涉型光耦合器从左侧上端口和下端口分别输入两路信号光，在右侧的上端口得到的输出光，是左侧上端口移相0°的光和左侧下端口移相90°的光混合而成的；理想的3×3多模干涉型光耦合器从左侧上端口和中间端口分别输入两路信号光，在右侧的上端口得到的输出光，是左侧上端口移相-60°的光和左侧中间端口移相120°的光混合而成的，也就是两路光可以认为是相减后共同进行了一定角度的移相，前面的4个相位调制器按照接入的2×2多模干涉型光耦合器的不同，可以分为上下两组，每一组都能完成单边带调制，之后通过3×3多模干涉型光耦合器完成相减，可以消除载波分量，达到抑制载波单边带调制的目的。

对于使用的多模干涉型光耦合器，其自身的尺寸决定了在工作频率内对输入光信号进行移相的角度，为了在工作频率内指标达到设计要求，其尺寸应当配合单频激光二极管111的中心波长进行设计；对于多模干涉型光耦合器中未使用的端口，应该设置合适的材料以吸收干扰光。

第二分光器312和第三分光器313输出的4路光信号之间的功率误差越小，达到的载波抑制效果越好。输入第一～第四相位调制器341～344驱动端的4路信号的功率应该精确相等，同时，第一～第四相位调制器341～344之间的工作参数(半波电压、损耗等)和寄生参数的误差越小越优。

第一～第三功率分配器321～323，第一电90°移相器332，第三电90°移相器333，电180°移相器331，可以选择单独集成为配套芯片或者使用多芯片封装技术。

在本实施例中，所述I/Q光混合模块可以如图5所示结构，包括分光器411、2×2多模干涉型光耦合器421、第一合光器431和第二合光器432。

在本实施例中，所述并行光滤波器模块可以采用如图6所示结构，包括光放大器511、分光器521和m个光学带通滤波器531～53m。通道数m视所需要的信道数量而定，但至少为2个。滤波器的通带范围由激光器的波长、输入射频源的频率、所要进行的信道化条件等一系列因素所决定，其中通带带宽不大于输入的上支路射频源频率。下截止频率的下界和上截止频率的上界需要分别与上支路光学频率梳的相邻的梳齿频率相等，下截止频率上界应当小于落入对应的上支路光学频率梳的相邻的两个梳齿频率之间的下支路光学频率梳的梳齿频率，上截止频率的下界应该能使子信道达到所能达到的最大带宽，并且并行滤波器的各个带通滤波器的通带不应该重叠。同时，并行滤波器的并行输出数量决定了可以进行信道化的极限数量。

当输入光学频率梳产生模块的射频信号的频率为单一值时，所述光学带通滤波器采用通带固定的光学带通滤波器；当输入光学频率梳产生模块的射频信号的频率为多个离散的值时，所述光学带通滤波器采用带通道选择开关的多个通带固定的光学带通滤波器；当输入光学频率梳产生模块的射频信号的频率为一定范围内的连续值时，所述光学带通滤波器采用可编程的光学带通滤波器。

在本实施例中，所述I/Q电耦合模块可以采用如图7所示结构，包括第一光电探测器611、第二光电探测器612、第一跨阻放大器621、第二跨阻放大器622、电90°移相器631、功率合成器641。其中跨阻放大器的有效带宽应该大于子信道所能达到的最大带宽。

在本实施例中，如图8所示，设计的集成结构的输出信号存在直流分量，可以在输出引脚接一个隔直电容。为了减小电信号损耗、提高电信号幅度，可以在隔直电容后接入低噪声放大器(LNA)，其有效宽应该大于子信道所能达到的最大带宽。然后各通道信号再通过外接的带通滤波器，便可获得各个子信道的信号，各个子信道的信号可以通过高速模数转换器，转化成数字信号进行储存分析。

在本发明设计的集成结构中应当适当设置测试光路/电路来测试器件性能。应当适当设置辅助器件来提高性能或提高稳定性，例如在I/Q电耦合模块的光电转化前，可以接入光放大器以提高光电探测器的输出电流，在靠近光源的地方设置散热器以减少热量堆积，对需要进行供电的部位集成低噪声的线性稳压器进行供电等。应当设置冗余器件来提高可靠性。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种相干信道化接收机的集成结构，其特征在于：包括激光产生模块、第一光学频率梳产生模块、第二光学频率梳产生模块、抑制载波单边带调制模块、I/Q光混合模块、两个并行光滤波器模块以及m个I/Q电耦合模块，其中m≥2；所述激光产生模块产生两路激光，这两路激光对应输入所述第一光学频率梳产生模块和第二光学频率梳产生模块，这两个光学频率梳产生模块分别由两路射频信号驱动，这两个光学频率梳产生模块输出两路光学频率梳，第一光学频率梳产生模块输出的光学频率梳经所述抑制载波单边带调制模块处理后输入所述I/Q光混合模块，第二光学频率梳产生模块输出的光学频率梳直接输入所述I/Q光混合模块，所述抑制载波单边带调制模块利用输入的光学频率梳将电信号上变频到光域，并产生多个信号副本，所述I/Q光混合模块将输入的两路光学频率梳进行90°移相混合，并输出I支路信号和Q支路信号，其中I支路信号为两路光学频率梳直接混合的结果，Q支路信号为抑制载波单边带调制模块输出的光学频率梳与移相90°的第二光学频率梳产生模块输出的光学频率梳的混合结果，所述I支路信号和Q支路信号对应输入所述两个并行光滤波器模块，两个并行光滤波器模块分别将I支路信号和Q支路信号分成m个通道输出，同一通道的I支路信号和Q支路信号一同被输入对应的所述I/Q电耦合模块中，所述I/Q电耦合模块将输入的两路信号转换为电信号后进行耦合，输出的耦合信号即为该通道初步信道化的结果；

所述抑制载波单边带调制模块包括第一～第三分光器、第一～第三功率分配器、第一～第二电90°移相器、电180°移相器、第一～第四相位调制器、第一～第二2×2多模干涉型光耦合器以及3×3多模干涉型光耦合器；所述第一分光器的输入端接入第一光学频率梳产生模块输出的光学频率梳，第一分光器的两个输出端分别连接所述第二分光器和第三分光器的输入端，第二分光器的两个输出端分别连接所述第一相位调制器和第二相位调制器的输入端，第三分光器的两个输出端分别连接第三相位调制器和第四相位调制器的输入端，所述第一功率分配器的输入端连接电信号源，第一功率分配器的两个输出端分别连接所述第二功率分配器和电180°移相器的输入端，第二功率分配器的两个输出端分别连接所述第一电90°移相器的输入端和第二相位调制器的驱动端，第一电90°移相器的输出端连接第一相位调制器的驱动端，电180°移相器的输出端连接所述第三功率分配器的输入端，第三功率分配器的两个输出端分别连接所述第二电90°移相器的输入端和第四相位调制器的驱动端，第二电90°移相器的输出端连接第三相位调制器的驱动端，第一相位调制器和第二相位调制器的输出端分别连接所述第一2×2多模干涉型光耦合器的两个输入端，第三相位调制器和第四相位调制器的输出端分别连接所述第二2×2多模干涉型光耦合器的两个输入端，第一2×2多模干涉型光耦合器和第二2×2多模干涉型光耦合器的其中一个输出端分别连接所述3×3多模干涉型光耦合器的其中两个输入端，3×3多模干涉型光耦合器的其中一个输出端作为整个抑制载波单边带调制模块的输出端。

2.根据权利要求1所述相干信道化接收机的集成结构，其特征在于：根据所述激光产生模块的中心波长确定所述第一2×2多模干涉型光耦合器、第二2×2多模干涉型光耦合器和3×3多模干涉型光耦合器的尺寸；对于第一2×2多模干涉型光耦合器、第二2×2多模干涉型光耦合器和3×3多模干涉型光耦合器中未使用的端口，通过设置吸光材料吸收干扰光。

3.根据权利要求1所述相干信道化接收机的集成结构，其特征在于：所述第二分光器和第三分光器输出的4路光信号之间的功率误差越小越优。

4.根据权利要求1所述相干信道化接收机的集成结构，其特征在于：输入第一～第四相位调制器驱动端的4路信号的功率精确相等。

5.根据权利要求1所述相干信道化接收机的集成结构，其特征在于：所述第一～第四相位调制器的工作参数和寄生参数之间的误差越小越优。

6.根据权利要求1所述相干信道化接收机的集成结构，其特征在于：对于激光产生模块输出的两路激光，其中输入第一光学频率梳产生模块的激光的功率大于输入第二光学频率梳产生模块的激光的功率。

7.根据权利要求1所述相干信道化接收机的集成结构，其特征在于：所述并行光滤波器模块包括光放大器、分光器以及m个光学带通滤波器；所述光放大器的输入端接入所述I/Q光混合模块的输出信号，光放大器的输出端连接所述分光器的输入端，分光器具有m个输出端，分别对应连接所述m个光学带通滤波器的输入端。

8.根据权利要求7所述相干信道化接收机的集成结构，其特征在于：当输入光学频率梳产生模块的射频信号的频率为单一值时，所述光学带通滤波器采用通带固定的光学带通滤波器；当输入光学频率梳产生模块的射频信号的频率为多个离散的值时，所述光学带通滤波器采用带通道选择开关的多个通带固定的光学带通滤波器；当输入光学频率梳产生模块的射频信号的频率为一定范围内的连续值时，所述光学带通滤波器采用可编程的光学带通滤波器。

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