CN111752064A - 一种相位可调的虚部抑制下变频装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种相位可调的虚部抑制下变频装置及方法，装置包括激光器(1)、光耦合器(2)、第一微波源(3)、第二微波源(4)、双驱动马赫曾德调制器(5)、电频梳产生器(6)、相位调制器(7)、第一光滤波器(8)、光放大器(9)、偏振控制器(10)、高非线性光纤(11)、第二光滤波器(12)、光电探测器(13)、光环形器(14)和光隔离器(15)；将电频梳产生器(6)产生的电频梳信号作为泵浦光以生成受激布里渊衰减谱，与第二光滤波器(12)产生的梯形滤波共同作用形成斜坡陡峭的光滤波谱形，以对镜频光信号进行抑制，从而实现虚部抑制下变频，并利用双驱动马赫曾德调制器(5)控制输出信号的相位。

Description

一种相位可调的虚部抑制下变频装置及方法

技术领域

本公开涉及微波光子学领域，具体地，涉及一种相位可调的虚部抑制下变频装置及方法。

背景技术

虚部抑制下变频能够将高频的微波信号转换到低频，有利于提取信号信息，降低对信号接收器件的要求，同时避免镜像频率信号的干扰，在射频接收机、信号测量分析等应用中具有重要意义。基于传统电学技术的虚部抑制下变频技术在带宽、抑制比、电磁辐射干扰等方面存在着技术瓶颈。

为克服传统电学技术中虚部抑制下变频技术的瓶颈，通过微博光子学技术实现虚部抑制下变频成为研究者们关注的焦点。目前，主要通过偏振控制、电光调制器偏置电压控制等手段产生两路电信号，这两路电信号相位差为90度或-90度，相位差的符号取决于射频信号与本振信号的频率高低，通过90度电桥连接这两路电信号，使得频率高于本振信号的射频信号能够输出，而对频率低于本振信号的镜频信号进行抑制。由于这一方法需要产生的两路电信号的相位满足特定关系，因此光域上的宽带移相技术不适用，使得对输出信号进行宽带相位控制较为困难。而在相干探测、相位提取、相控阵波束控制等应用场景下，需要对输出信号进行相位控制及下变频，现有方法很难满足这些需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种相位可调的虚部抑制下变频装置及方法，以至少解决以上技术问题。

(二)技术方案

本公开提供了一种相位可调的虚部抑制下变频装置，包括：激光器，用于产生光信号；光耦合器，用于将所述光信号等分为两路，分别作为第一光载波和第二光载波；第一微波源，用于产生射频信号；第二微波源，用于产生本振信号；双驱动马赫曾德调制器，利用所述射频信号和本振信号分别调制所述第一光载波，使得在所述第一光载波左右两侧分别产生两个边带；电频梳产生器，用于产生电频梳信号；相位调制器，利用所述电频梳信号调制所述第二光载波，使得在所述第二光载波两侧产生边带；第一光滤波器，用于滤除所述第二光载波和所述第二光载波一侧边带；光放大器，用于对所述第二光载波另一侧边带进行功率放大；偏振控制器，用于控制放大后的所述第二光载波另一侧边带的偏振方向，使得所述偏振方向满足第一预设条件；高非线性光纤，利用所述第二光载波另一侧边带产生受激布里渊衰减谱，以对所述第一光载波及其两侧边带进行衰减；第二光滤波器，用于滤除衰减后的所述第一光载波和第一光载波左侧边带；光电探测器，用于将所述第一光载波右侧边带转换为电信号。

可选地，所述装置还包括：光环形器，用于将所述偏振控制器输出的第二光载波另一侧边带传输至所述高非线性光纤，并将所述高非线性光纤输出的衰减后的所述第一光载波和第一光载波两侧边带传输至所述第二光滤波器。

可选地，所述装置还包括：光隔离器，用于对所述双驱动马赫曾德调制器和高非线性光纤进行隔离，以防止所述第二光载波另一侧边带通过所述高非线性光纤进入所述双驱动马赫曾德调制器。

可选地，通过控制所述双驱动马赫曾德调制器的直流偏置电压，以调节所述射频信号和本振信号之间的相位差。

可选地，所述电频梳信号的频率间隔与所述受激布里渊衰减谱的带宽相匹配，以使得所述受激布里渊衰减谱为展宽的连续谱。

可选地，所述第二光滤波器的滤波谱形为梯形。

可选地，所述电频梳产生器的频率差满足第二预设条件，使得所述受激布里渊衰减谱与所述梯形的下降沿重合。

可选地，放大后的所述第二光载波另一侧边带的功率不小于受激布里渊散射的阈值功率。

可选地，所述第二光滤波器为光带通滤波器或波分复用器。

本公开还提供了一种相位可调的虚部抑制下变频方法，包括：S1，将光信号等分为两路，分别作为第一光载波和第二光载波；S2，利用射频信号和本振信号分别调制所述第一光载波，使得在所述第一光载波左右两侧分别产生两个边带；S3，利用电频梳信号调制所述第二光载波，使得在所述第二光载波两侧产生边带；S4，滤除所述第二光载波及其一侧边带，并将所述第二光载波另一侧边带的功率放大至受激布里渊散射阈值功率；S5，利用所述放大后的第二光载波另一侧边带产生受激布里渊衰减谱，以对所述第一光载波及其两侧边带进行衰减；S6，控制所述放大后的第二光载波另一侧边带的偏振方向，使得所述步骤S5中的衰减最大；S7，滤除所述第一光载波、第一光载波左侧边带和第一光载波右侧边带中频率低于所述本振信号的部分，得到所述第一光载波右侧的本振边带和射频边带，并将所述第一光载波右侧的本振边带和射频边带转换为电信号。

(三)有益效果

本公开提供的相位可调的虚部抑制下变频装置及方法，具有以下有益效果：

(1)通过产生展宽的受激布里渊衰减谱，与光滤波器共同作用对调制后的信号光进行滤波，使得频率低于本振信号的光信号被抑制，从而实现虚部抑制下变频；

(2)通过双驱动马赫曾德调制器控制光域上本振信号与射频信号的相位差，从而实现输出信号的相位控制。

附图说明

图1示意性示出了本公开实施例提供的相位可调的虚部抑制下变频装置的结构示意图。

图2示意性示出了本公开实施例提供的双驱动马赫曾德调制器的结构示意图。

图3示意性示出了本公开实施例提供的相位可调的虚部抑制下变频装置的光谱示意图。

图4示意性示出了本公开实施例提供的装置输出的中频信号和虚部信号的是与波形图。

图5示意性示出了本公开实施例提供的装置输出的中频信号进行相位调节的时域波形示意图。

图6示意性示出了本公开实施例提供的相位可调的虚部抑制下变频方法的流程图。

附图标记说明：

1-激光器；2-光耦合器；3-第一微波源；4-第二微波源；5-双驱动马赫曾德调制器；6-电频梳产生器；7-相位调制器；8-第一光滤波器；9-光放大器；10-偏振控制器；11-高非线性光纤；12-第二光滤波器；13-光电探测器；14-光环形器；15-光隔离器。

具体实施方式

为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。

本公开的第一实施例提供了一种相位可调的虚部抑制下变频装置，参阅图1，结合图2至图5，对图1所示装置结构及其工作原理进行详细说明。

装置包括激光器1、光耦合器2、第一微波源3、第二微波源4、双驱动马赫曾德调制器5、电频梳产生器6、相位调制器7、第一光滤波器8、光放大器9、偏振控制器10、高非线性光纤11、第二光滤波器12、光电探测器13、光环形器14和光隔离器15。

激光器1为窄线宽激光器，用于产生连续的光信号，并将光信号传输至光耦合器2。

光耦合器2的分光比为50/50，用于将窄线宽激光器产生的光信号等分为两路，即等分为第一光载波与第二光载波，并将第一光载波传输至双驱动马赫曾德调制器5，将第二光载波传输至相位调制器7。

第一微波源3和第二微波源4为矢量网络分析仪或微波信号源。第一微波源3用于产生射频信号，并将射频信号传输至双驱动马赫曾德调制器5的射频输入1端口；第二微波源4用于产生本振信号，并将本振信号传输至双驱动马赫曾德调制器5的射频输入2端口。对于第一光载波，其进入双驱动马赫曾德调制器5后，参阅图2，射频信号和本振信号分别对第一光载波进行相位调制，使得在第一光载波的左右两侧分别产生两个边带。第一光载波一侧的两个边带称为射频边带和本振边带，其分别对应射频信号和本振信号。其中，通过双驱动马赫曾德调制器5的直流偏置电压V₁或V₂控制该射频信号与本振信号之间的相位差。

电频梳产生器6为任意波形产生器或数模转换器，电频梳产生器6用于产生电频梳信号，并将电频梳信号传输至相位调制器7。对于第二光载波，其进入相位调制器7后，电频梳信号对第二光载波进行相位调制，使得在第二光载波两侧产生光频梳(即边带)，然后被传输至第一光滤波器8。电频梳信号的频率间隔与受激布里渊衰减谱的带宽相匹配，使得光频梳作为泵浦光产生的受激布里渊衰减谱是展宽的连续谱，而非离散谱。电频梳产生器6的频率差应满足第二预设条件，在该第二预设条件下，受激布里渊衰减谱与第二光滤波器12的梯形滤波谱形的下降沿在光谱上重合。

第一光滤波器8滤除其接收到的第二光载波和第二光载波一侧边带，例如，滤除第二光载波和第二光载波右侧边带，仅保留第二光载波左侧边带，该第二光载波左侧边带作为泵浦光，并将泵浦光传输至光放大器9。在本实施例中，第二光载波左侧边带与泵浦光为同一概念。

光放大器9为光纤放大器或半导体光放大器。光放大器9对泵浦光进行功率放大，使得泵浦光的功率达到受激布里渊散射的阈值功率以上，并将放大后的泵浦光传输至偏振控制器10。偏振控制器10对放大后的泵浦光的偏振方向进行控制，使得其偏振方向满足第一预设条件，其中，第一预设条件下泵浦光对调制后的第一光信号的受激布里渊衰减效应达到最大，并将泵浦光传输至光环形器14的1端口。在本实施例中，第一光载波及其两侧边带与调制后的第一光信号为同一概念。

光环形器14将其接收到的泵浦光传输至高非线性光纤11。在高非线性光纤11与双驱动马赫曾德调制器5之间设置有光隔离器15，以对该高非线性光纤11和双驱动马赫曾德调制器5进行隔离，使得激光器1发射的光信号可以通过进入高非线性光纤11，而通过光环形器14反向传输的泵浦光被隔离，避免泵浦光进入双驱动马赫曾德调制器5的输出端。

调制后的第一光信号与泵浦光在高非线性光纤11中相向传输并产生受激布里渊散射，并产生与该泵浦光相对应的受激布里渊衰减谱，该衰减谱用于对调制后的第一光信号进行衰减。调制后的第一光信号在高非线性光纤11中发生受激布里渊散射后进入光环形器14的2端口，并从光环形器14的3端口传输至第二光滤波器12。

第二光滤波器12为光带通滤波器或波分复用器，其滤波谱形为梯形，其滤波过程参阅图3，将滤波谱形左侧下降沿的顶端置于本振信号对应的光信号处，设置电频梳信号的频率，使得受激布里渊衰减谱位于第二光滤波器12的左侧下降沿区域，在第二光滤波器12和受激布里渊衰减谱的共同作用下，形成一个左侧下降沿较为陡峭的光滤波谱形，将第一光载波及其左侧边带滤除，仅保留第一光载波右侧的两个边带，从而对频率低于本振信号的光信号进行抑制。第二光滤波器12将滤波后的第一光载波右侧边带传输至光电探测器13。

光电探测器13为光电二极管或光电倍增管。光电探测器13将接收到的第一光载波右侧边带转换为电信号，该电信号即为输入射频信号进行虚部抑制下变频后的中频信号，且可以通过调节双驱动马赫曾德调制器5的直流偏置电压V₁或V₂控制该电信号的相位。

本实施例中的装置对虚部信号的抑制参阅图4，以装置输入15GHz的本振信号与15.5GHz的射频信号为例，射频信号被下变频，装置输出500MHz的中频信号；保持15GHz的本振信号不变，另一输入信号变为14.5GHz的镜频信号，对应的500MHz的虚部信号将被抑制。由于虚部抑制是通过陡峭的光滤波实现的，因此，虚部抑制下变频的工作带宽不受90度电桥的限制。

本实施例中的装置对输出信号相位的调节参阅图5，当装置工作在下变频模式，输出500MHz的中频信号时，改变双驱动马赫曾德调制器5的直流偏置V₁或V₂，可以改变输出信号的相位。由于直流偏置V₁或V₂对输出信号相位的改变量与信号频率无关，因此，本实施例中的装置可以实现对输出信号的宽带移相。

本公开的第二实施例提供了一种相位可调的虚部抑制下变频方法，参阅图6，方法包括以下操作。

S1，将光信号等分为两路，分别作为第一光载波和第二光载波。

S2，利用射频信号和本振信号分别调制第一光载波，使得在第一光载波左右两侧分别产生两个边带。

采用双驱动马赫曾德调制器5对第一光载波进行相位调制，使得在第一光载波的左右两侧分别产生两个边带，对于第一光载波一侧的两个边带，其分别对应射频信号和本振信号。其中，通过双驱动马赫曾德调制器5的直流偏置电压V₁或V₂控制该射频信号与本振信号之间的相位差。

S3，利用电频梳信号调制第二光载波，使得在第二光载波两侧产生边带。

利用电频梳信号对第二光载波进行相位调制，使得在第二光载波两侧产生光频梳(即边带)。其中，电频梳信号的频率间隔与受激布里渊衰减谱的带宽相匹配，使得光频梳作为泵浦光产生的受激布里渊衰减谱是展宽的连续谱，而非离散谱。

S4，滤除第二光载波及其一侧边带，并将第二光载波另一侧边带的功率放大至受激布里渊散射阈值功率。

滤除第二光载波及第二光载波右侧边带，仅保留第二光载波左侧边带，该第二光载波左侧边带作为泵浦光，并将泵浦光的功率放大至受激布里渊散射阈值功率以上。本实施例中，泵浦光与第二光载波左侧边带为同一概念。

S5，利用放大后的泵浦光产生受激布里渊衰减谱，以对第一光载波及其两侧边带进行衰减。

S6，控制放大后的第二光载波另一侧边带的偏振方向，使得操作S5中的受激布里渊衰减效应达到最大。

S7，滤除第一光载波、第一光载波左侧边带和第一光载波右侧边带中频率低于所述本振信号的部分，得到第一光载波右侧的本振边带和射频边带，并将第一光载波右侧的本振边带和射频边带转换为电信号。

首先，采用滤波谱形为梯形的光滤波器，将其滤波谱形左侧下降沿的顶端置于本振信号对应的光信号处，设置电频梳信号的频率，使得受激布里渊衰减谱位于滤波谱形的左侧下降沿区域，在光滤波器和受激布里渊衰减谱的共同作用下，形成一个左侧下降沿较为陡峭的光滤波谱形，将第一光载波、第一光载波左侧边带和第一光载波右侧边带中频率低于本振信号的部分滤除，仅保留第一光载波右侧的本振边带和射频边带。

然后，将第一光载波右侧的本振边带和射频边带转换为电信号，该电信号即为输入射频信号进行虚部抑制下变频后的中频信号，且可以通过调节双驱动马赫曾德调制器5的直流偏置电压V₁或V₂控制该电信号的相位。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种相位可调的虚部抑制下变频装置，包括：

激光器(1)，用于产生光信号；

光耦合器(2)，用于将所述光信号等分为两路，分别作为第一光载波和第二光载波；

第一微波源(3)，用于产生射频信号；

第二微波源(4)，用于产生本振信号；

双驱动马赫曾德调制器(5)，利用所述射频信号和本振信号分别调制所述第一光载波，使得在所述第一光载波左右两侧分别产生两个边带；

电频梳产生器(6)，用于产生电频梳信号；

相位调制器(7)，利用所述电频梳信号调制所述第二光载波，使得在所述第二光载波两侧产生边带；

第一光滤波器(8)，用于滤除所述第二光载波和所述第二光载波一侧边带；

光放大器(9)，用于对所述第二光载波另一侧边带进行功率放大；

偏振控制器(10)，用于控制放大后的所述第二光载波另一侧边带的偏振方向，使得所述偏振方向满足第一预设条件；

高非线性光纤(11)，利用所述第二光载波另一侧边带产生受激布里渊衰减谱，以对所述第一光载波及其两侧边带进行衰减；

第二光滤波器(12)，用于滤除衰减后的所述第一光载波和第一光载波左侧边带；

光电探测器(13)，用于将所述第一光载波右侧边带转换为电信号。

2.根据权利要求1所述的相位可调的虚部抑制下变频装置，其中，所述装置还包括：

光环形器(14)，用于将所述偏振控制器(10)输出的第二光载波另一侧边带传输至所述高非线性光纤(11)，并将所述高非线性光纤(11)输出的衰减后的所述第一光载波和第一光载波两侧边带传输至所述第二光滤波器(12)。

3.根据权利要求1所述的相位可调的虚部抑制下变频装置，其中，所述装置还包括：

光隔离器(15)，用于对所述双驱动马赫曾德调制器(5)和高非线性光纤(11)进行隔离，以防止所述第二光载波另一侧边带通过所述高非线性光纤(11)进入所述双驱动马赫曾德调制器(5)。

4.根据权利要求1所述的相位可调的虚部抑制下变频装置，其中，通过控制所述双驱动马赫曾德调制器(5)的直流偏置电压，以调节所述射频信号和本振信号之间的相位差。

5.根据权利要求1所述的相位可调的虚部抑制下变频装置，其中，所述电频梳信号的频率间隔与所述受激布里渊衰减谱的带宽相匹配，以使得所述受激布里渊衰减谱为展宽的连续谱。

6.根据权利要求1所述的相位可调的虚部抑制下变频装置，其中，所述第二光滤波器(12)的滤波谱形为梯形。

7.根据权利要求6所述的相位可调的虚部抑制下变频装置，其中，所述电频梳产生器(6)的频率差满足第二预设条件，使得所述受激布里渊衰减谱与所述梯形的下降沿重合。

8.根据权利要求1所述的相位可调的虚部抑制下变频装置，其中，放大后的所述第二光载波另一侧边带的功率不小于受激布里渊散射的阈值功率。

9.根据权利要求1所述的相位可调的虚部抑制下变频装置，其中，所述第二光滤波器(12)为光带通滤波器或波分复用器。

10.一种相位可调的虚部抑制下变频方法，包括：

S1，将光信号等分为两路，分别作为第一光载波和第二光载波；

S2，利用射频信号和本振信号分别调制所述第一光载波，使得在所述第一光载波左右两侧分别产生两个边带；

S3，利用电频梳信号调制所述第二光载波，使得在所述第二光载波两侧产生边带；

S4，滤除所述第二光载波及其一侧边带，并将所述第二光载波另一侧边带的功率放大至受激布里渊散射阈值功率；

S5，利用所述放大后的第二光载波另一侧边带产生受激布里渊衰减谱，以对所述第一光载波及其两侧边带进行衰减；

S6，控制所述放大后的第二光载波另一侧边带的偏振方向，使得所述步骤S5中的衰减最大；

S7，滤除所述第一光载波、第一光载波左侧边带和第一光载波右侧边带中频率低于所述本振信号的部分，得到所述第一光载波右侧的本振边带和射频边带，并将所述第一光载波右侧的本振边带和射频边带转换为电信号。

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