CN111965917A - 一种基于非线性光学传输线的微波上变频器及其实现方法 - Google Patents

一种基于非线性光学传输线的微波上变频器及其实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于非线性光学传输线的微波上变频器及其实现方法。本发明通过非线性传输线结构，获得重频可调谐的宽带超短光脉冲序列，再利用超短光脉冲序列对中频信号进行光采样，最后经过光电转换和电域滤波，实现频率可调谐的、宽带、多频段微波信号上变频，具有远端设备结构简单、本地振荡信号与中频信号隔离度好的优点。

Description

一种基于非线性光学传输线的微波上变频器及其实现方法
技术领域
本发明属于光电技术领域和光纤通信技术领域，具体涉及一种基于非线性光学传输线的微波上变频器及其实现方法。
背景技术
随着移动互联网和物联网的快速发展，宽带无线通信系统的通信容量和传输速率需求不断提升。为了满足无线通信网络大容量、高速率、多业务的发展需求，第五代移动通信(5G)利用上变频技术将工作频段向毫米波频段拓展。上变频技术将信号频谱搬移至毫米波频段，再通过天线发射，可以解决传统通信网络低频段拥挤的问题，从而实现通信容量与传输速率的提升。同时，为了克服高频无线信号衰落导致的基站辐射范围减小的问题，小型化与密集化的分布式基站是基站形态发展的必然趋势。
传统电子变频技术主要利用基于CMOS技术的二极管以及有源晶体管等器件的电学混频实现微波上变频。但电子变频技术在产生高频信号时存在相位噪声大、稳定性差、带宽受限、电磁干扰以及变频方式不灵活等问题。可见，传统电子上变频技术无法满足未来通信系统对高速率、大容量的需求。此外，随着分布式基站数量的大幅度增长，基站电域上变频将导致总功耗和成本的急剧上升。
微波光子上变频技术的应用可以有效解决上述问题。与传统电子上变频技术相比，微波光子上变频技术具有低损耗、高宽带和抗电磁干扰等优点。微波光子上变频技术以光载无线通信技术为基础，将信号调制在光载波上，利用光纤链路中光电器件的非线性效应以及光学拍频实现微波信号频率的上变换。该技术将复杂的光学预处理部分置于中心站，基站仅通过简单的光电转化过程实现高频微波信号产生，可以实现分布式小型化基站的结构简化，从而降低成本和功耗。
微波光子上变频技术中的电光调制变频方法可分为直接调制和外调制两大类。基于直接调制的上变频方案可以获得较大的变频增益，转换效率高，但是工作带宽受限，上变频范围小，而且本振信号与中频信号无法进行隔离，上变频信号质量将受电混频器隔离度的限制(G.Maury,et al."Microwave-frequency conversion methods by opticalinterferometer and photodiode."IEEE Transactions on Microwave Theory&Techniques,45(8),2002:1481-1485.)。基于外调制的上变频方案利用电光调制器的非线性效应实现信号的上变频，能够克服混频器隔离度的影响，并且通过调制器级联结构以及合理的偏置电压设置，可以获得16倍的倍频因子，实现宽带的微波上变频(G.Shanmugapriya,et al."Frequency16-tupled Optical Millimeter Wave GenerationUsing Dual Cascaded MZM and 2.5Gbps RoF Transmission."Optik,140,2017:338-346.)。然而，通过电光强度调制器级联方式难以产生平坦而宽带的光谱，且电光强度调制器偏置点易随时间和环境温度漂移，导致输出不稳定。此外，由于电光调制器的高阶调制边带强度较低，系统变频增益会随着倍频因子的增加而下降。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有电光调制微波上变频方法中，无法兼具宽带和高变频效率的问题，提出一种基于非线性光学传输线的微波上变频器的实现方法，包括以下步骤：
a.直流光载波经过非线性光学传输线产生重频可调的超短光脉冲序列；
b.通过电光强度调制器将待处理的中频信号调制在超短光脉冲序列的包络上，实现光脉冲对中频信号的光采样；
c.光调制信号由光纤传输到基站后，通过光电探测器获得一系列微波上变频信号，再利用电带通滤波器对目标变频信号进行滤波选取。
进一步的，所述的直流光载波经过非线性光学传输线产生重频可调的超短光脉冲序列包括如下步骤：
a1.频率为fLO的本振信号通过一个工作在线性偏置点的电光强度调制器加载在直流光载波上，产生重复频率为fLO的光脉冲序列；
a2.步骤a1获得的光脉冲序列输入一个电光相位调制器，该相位调制器由频率为fLO或fLO整数倍的本振信号经过电移相器后驱动，通过调节移相器令光脉冲与调制信号的波峰或者波谷对准，为光脉冲引入线性啁啾；
a3.步骤a2获得的线性啁啾光脉冲通过一段色散介质，对啁啾量进行补偿，实现光脉冲的时域压缩，产生重复频率为fLO的超短光脉冲。
一种基于非线性光学传输线的微波上变频器，包括直流光源、本地振荡源、功分器、电移相器、第一电光强度调制器、电光相位调制器、色散介质、第二电光强度调制器、传输光纤、光电探测器、带通滤波器。
所述直流光源输出依次与第一电光强度调制器、电光相位调制器、色散介质、第二电光强度调制器、传输光纤、光电探测器和带通滤波器连接。
所述本地振荡源输出通过功分器一分为二，一路输出连接第一电光强度调制器射频驱动端，另一路输出通过电移相器和射频放大器后连接电光相位调制器的射频驱动端。
所述直流光源输出的光载波通过偏置在线性工作点的第一电光强度调制器后，产生重复频率为本振信号频率的光脉冲序列；光脉冲通过电光相位调制器为光脉冲引入啁啾量，实现光谱展宽，再通过色散量匹配的色散介质实现光脉冲的时域压缩，得到超短光脉冲输出；利用第二电光强度调制器将待处理的中频信号调制在超短光脉冲的包络上，通过传输光纤远传至基站；经过光电探测器转换为一系列上变频微波信号，再用带通滤波器进行目标频率的选取。
本发明的有益效果为：
(1)本发明通过宽带光谱与中频信号的调制边带相互拍频产生一系列微波上变频信号，仅利用低频率的本振信号源，就可以同时实现高频、宽带、多频段的微波信号上变频，以满足宽带、多应用场景的需求；
(2)本发明中的宽带光谱间距由本振信号频率控制，通过调节本振信号频率和带通滤波器中心频率，可以对上变频信号频率进行自由调谐，且可调谐范围大、灵活度高。
(3)本发明采用电光强度调制器和相位调制器的级联结构，通过设置高调制系数，产生超宽带且较平坦的光谱，克服了电光强度调制高阶边带较低导致的变频效率低的问题。
(3)本发明采用独立的电光调制器分别加载中频信号和本振信号，保证了中频信号和本振信号的高隔离度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为实施例第一电光强度调制器的输出时域波形图；
图3为实施例第一电光强度调制器的输出光谱图；
图4为实施例电光相位调制器的输出时域波形图；
图5为实施例电光相位调制器的输出光谱图；
图6为实施例色散介质的输出时域波形图；
图7为实施例色散介质的输出光谱图；
图8为实施例第二电光强度调制器的输出时域波形图；
图9为实施例第二电光强度调制器的输出光谱图；
图10为实施例光电探测器的输出频域谱线图；
图11为实施例带通滤波器的输出频域谱线图。
具体实施方式
下面结合本发明的附图1～11，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例：
如图1所示，一种基于非线性光学传输线的微波上变频器及其实现方法，包括直流光源1、本地振荡源2、功分器3、电移相器4、射频放大器5、第一电光强度调制器6、电光相位调制器7、色散介质8、第二电光强度调制器9、传输光纤10、光电探测器11、带通滤波器12。
直流光源1采用中心波长为1550nm的分布式反馈激光器，本地振荡源2输出频率为8GHz的本振信号，本振信号通过功分器3一分为二，一路驱动第一电光强度调制器6，另一路通过电移相器4和射频放大器5驱动电光相位调制器7。第一电光强度调制器6采用工作在线性偏置点
Figure BDA0002636633240000041
的推挽式马赫-曾德尔调制器(MZM)，驱动电压设置为
Figure BDA0002636633240000042
其中Vπ-MZM为MZM半波电压，则MZM输出时域波形和光谱分别如图2和图3所示。从图中可以看出，通过高驱动电压的电光强度调制，时域上产生了重复频率8GHz的周期光脉冲序列，而光谱中的光载波两侧产生了频率间距为8GHz的各阶强度调制边带。MZM输出的光脉冲输入电光相位调制器，通过调节电移相器令相位调制器驱动信号的波谷对准光脉冲，且驱动信号设置为VPM＝2.5Vπ-PM，其中Vπ-PM为相位调制器半波电压，则相位调制器输出时域波形和光谱分别如图4和图5所示。从图中可以看出，光脉冲引入啁啾后时域波形不变，而光谱显著展宽，光谱间隔为8GHz。然后，啁啾光脉冲经过色散量匹配的色散介质8进行脉冲时域压缩，色散介质采用群速度色散参量为-23ps2/km，长度为2800m的单模光纤，压缩后的光脉冲时域波形和光谱分别如图6和图7所示。从图中可以看出，色散补偿后的光脉冲光谱不变，而光脉冲宽度被显著压缩，由此获得了重频为8GHz的超短光脉冲。第二电光强度调制器9采用线性偏置的推挽式MZM，超短光脉冲通过此MZM对待处理的1GHz中频信号进行光采样，其输出时域波形和光谱如图8和图9所示。光采样信号经过500m的单模传输光纤10传输到基站后，由光电探测器11转换到电域，输出信号频谱如图10所示。可见，超短光脉冲光谱与中频调制信号边带在光电探测器中相互拍频，产生了3dB带宽为41GHz，6dB带宽为113GHz的微波上变频信号。再利用中心频率为31GHz的带通滤波器12进行上变频信号选取，获得了31GHz的上变频信号，该输出信号频谱如图11所示。
由具体实例可知，本发明提出了一种基于非线性光学传输线的微波上变频器及其实现方法，该方法可以实现多频段微波上变频，且具有上变频带宽大、频率可自由调谐，本地振荡信号与中频信号隔离度好，远端设备结构简单的优点。
另外需要说明的是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，还可以做出若干等同变形和替换，本地振荡信号不限于8GHz，中频信号不限于1GHz，色散介质与传输光纤不限于单模光纤。在本发明的原理方法范围内的多种简化、变型均属于本发明的保护内容。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于非线性光学传输线的微波上变频器的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.直流光载波经过非线性光学传输线产生重频可调的超短光脉冲序列；
b.通过电光强度调制器将待处理的中频信号调制在超短光脉冲序列的包络上，实现光脉冲对中频信号的光采样；
c.光调制信号由光纤传输到基站后，通过光电探测器获得一系列微波上变频信号，再利用电带通滤波器对目标变频信号进行滤波选取。
2.根据权利要求1所述的一种基于非线性光学传输线的微波上变频器的实现方法，其特征在于，所述的直流光载波经过非线性光学传输线产生重频可调的超短光脉冲序列包括如下步骤：
a1.频率为fLO的本振信号通过一个工作在线性偏置点的电光强度调制器加载在直流光载波上，产生重复频率为fLO的光脉冲序列；
a2.步骤a1获得的光脉冲序列输入一个电光相位调制器，该相位调制器由频率为fLO或fLO整数倍的本振信号经过电移相器后驱动，通过调节移相器令光脉冲与调制信号的波峰或者波谷对准，为光脉冲引入线性啁啾；
a3.步骤a2获得的线性啁啾光脉冲通过一段色散介质，对啁啾量进行补偿，实现光脉冲的时域压缩，产生重复频率为fLO的超短光脉冲。
3.一种基于非线性光学传输线的微波上变频器，其特征在于，包括直流光源、本地振荡源、功分器、电移相器、第一电光强度调制器、电光相位调制器、色散介质、第二电光强度调制器、传输光纤、光电探测器、带通滤波器。
所述直流光源输出依次与第一电光强度调制器、电光相位调制器、色散介质、第二电光强度调制器、传输光纤、光电探测器和带通滤波器连接。
所述本地振荡源输出通过功分器一分为二，一路输出连接第一电光强度调制器射频驱动端，另一路输出通过电移相器和射频放大器后连接电光相位调制器的射频驱动端。
所述直流光源输出的光载波通过偏置在线性工作点的第一电光强度调制器后，产生重复频率为本振信号频率的光脉冲序列；光脉冲通过电光相位调制器为光脉冲引入啁啾量，实现光谱展宽，再通过色散量匹配的色散介质实现光脉冲的时域压缩，得到超短光脉冲输出；利用第二电光强度调制器将待处理的中频信号调制在超短光脉冲的包络上，通过传输光纤远传至基站；经过光电探测器转换为一系列上变频微波信号，再用带通滤波器进行目标频率的选取。
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