CN112367120A - 一种微波本振源二倍频光纤稳相传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微波本振源二倍频光纤稳相传输系统，激光源输出的光信号在DPMZM中微波本振源调制后，通过光滤波器和DCF后，通过光纤传输到远端，在远端通过光分路器分为两路，分别得到两路微波本振，将微波本振通过一个微波混频器进行混频，得到稳相传输后的微波本振。本发明将单次传输的三倍频微波本振与三次传输的一倍频微波本振进行混频，从而直接消除了链路中引入的由环境变化引起的延时抖动，实现了微波本振的稳相，进行不同频率信号的稳相传输，并且具有无限大的延时补偿范围，通过在本地端直接传输只包含光载波、一阶上边带及三阶上边带的光信号，减少了本地端微波本振源的使用个数及电光调制的次数，简化了系统结构。

Description

一种微波本振源二倍频光纤稳相传输系统

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，尤其是一种光纤稳相传输系统。

背景技术

射频信号的传输方式主要分为基于电缆、架空明线、光纤等方式的有线传输以及无线传输两种。其中基于电缆等有线传输方式体积笨重、造价昂贵且传输衰减严重，不利于信号的长距离传输；无线传输方式损耗大、极易受到外界电磁和环境的干扰。而光纤有着损耗低、质量轻及抗电磁干扰能力强等特点，用光纤传输射频信号具有其它传输方式所达不到的长距离、高稳定、低损耗等优点。但是由于光纤对外界环境敏感(如温度变化及机械振动等)，导致其折射率和有效长度随温度或机械振动发生变化，从而引起光纤链路中的传输延时的改变，进而造成其中传输的信号相位发生抖动，导致本地端和远端的射频信号相位难以同步。因此研究射频信号的光纤稳相传输技术十分必要。

传统的光纤稳相传输技术主要可分为以下三类：(1)光补偿法。此类方法通过直接补偿光纤链路的延时来稳定射频信号的相位，因此其相位补偿与待传信号频率无关，但其响应速率慢且链路可调节范围有限。(2)电补偿法。此类方法主要通过稳定待传信号的频率及相位实现稳相传输，具有较快的响应速度和无限大的补偿范围，但此类系统多为窄带，且传输高频信号的电路较为复杂。(3)混频消除法。此类方法通过将两路带有相同传输延时的信号混频从而抵消外界引入的延时抖动；或者通过将带有传输延时的信号与待传信号混频使得待传信号的相位被预偏置，通过合理设计系统使得该预偏置的信号通过光纤传输后的相位得到稳定。其理论上具有无限大的调节范围，不需要复杂的鉴相电路以及相应的补偿电路，且对链路中突然出现的延时抖动具有一定的快速补偿能力，但系统对电子器件要求较高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种微波本振源二倍频光纤稳相传输系统。该系统基于混频消除原理来实现微波本振的光纤稳相传输，结合了微波光子二倍频技术简化了系统的结构，并降低了微波本振频率的需求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种微波本振源二倍频光纤稳相传输系统，包括三个单元：本地端、传输介质、远端。其中，本地端包含单载波激光源、双平行马曾调制器(Dual-parallel Mach-ZehnderModulator,DPMZM)、光滤波器、两个色散补偿光纤(Dispersion Compensation Fiber，DCF)和法拉第旋转镜；传输介质包含两根长度均为L的同型号光纤，两根光纤被包裹在同一束光纤套管中；远端包含光分路器、光环形器、两个光电探测器，两个电滤波器、两个微波放大器和一个微波混频器；

激光源输出的光信号在DPMZM中微波本振源调制，DPMZM输出的光信号通过光滤波器和第一DCF后，通过第一光纤传输到远端，在远端通过光分路器分为两路，其中一路通过输出端口1依次连接第一光电探测器、第一电滤波器以及第一微波放大器，得到微波本振1；光分路器输出端口2连接光环形器的端口1，光环形器端口2依次连接第二光纤、第二DCF和法拉第旋转镜；利用光纤和DCF的双向传输特性以及法拉第旋转镜的反射原理，光分路器端口2输出的光信号正反两次通过第二光纤和第二DCF后，从光环形器的端口3输出，然后依次经过第二光电探测器、第二电滤波器以及第二微波放大器，得到微波本振2；将微波本振1和微波本振2通过一个微波混频器进行混频，得到稳相传输后的微波本振。

所述DPMZM由两个子调制器MZMa、MZMb以及主调制器MZMc构成，MZMa和MZMb分别有一个射频端口；主调制器MZMc的两条臂上分别嵌入MZMa和MZMb，激光信号输入DPMZM以后被第一个Y型分支器等分成两路，MZMa和MZMb分别有一个射频端口，用来调制射频信号；主调制器MZMc的一个臂上存在调制电极，用来加载直流信号，调整该臂输出信号的相位，最终，两条臂上的输出信号在第二个Y型分支器处耦合输出。

所述MZMa的直流偏压口加载一定的直流电压，使MZMa工作在最小点，射频端口连接角频率为ω的微波本振源，进而MZMa输出具有正负1阶、正负3阶的光谱；MZMb的直流偏压口加载一定的直流电压，使MZMb工作在最大点，射频端口空载，进而MZMb只输出一个光载波；MZMa和MZMb输出的光信号经过MZMc进行耦合，DPMZM最终输出具有载波、正负1阶边带和正负3阶边带的光信号，该光信号的载波、正1阶和正3阶光边带通过光滤波器，而负1阶和负3阶被光滤波器抑制；光滤波器输出的光信号经过两个光电探测器后，两个光电探测器均输出具有频率ω和3ω的微波信号；第一电滤波器滤除频率为ω的分量，得到频率为3ω的微波本振1；第二电滤波器滤除频率为3ω的分量，得到频率为ω的微波本振2，微波本振1和微波本振2混频后，得到频率为2ω的二倍频微波本振信号。

所述第一光纤和第二光纤的长度、色散参数相同，第一DCF和第二DCF的色散补偿值相同，第一光纤和第二光纤被包裹在同一束光纤保护套中，进而受到温度变化和振动等环境影响导致的传输延迟变化相同。远端的微波本振1的角频率为3ω，由于其经过了长度为L的第一光纤，所以微波本振1的时间延迟表示为

其中c为光在光纤中传输速度；微波本振2的角频率为ω，其不仅经过长度为L的第一光纤，而且两次经过长度L的第二光纤，因此相位延迟表示为

微波本振1和微波本振2经历的相位延迟相同

混频后取差频项，得到角频率为2ω、相位与光纤长度L无关的二倍频微波本振信号，因此实现了微波本振信号的稳相传输。

利用多芯光纤代替第一光纤和第二光纤，以降低环境对第一光纤和第二光纤造成的延迟差异，本地端的第一DCF和第二DCF的输出端通过多芯光纤扇入器耦合到多芯光纤的两个纤芯中，此多芯光纤的两个纤芯作为传输介质，代替第一光纤和第二光纤的传输信号，在远端通过多芯光纤扇出器分离纤芯1和纤芯2的信号，纤芯1输出的信号连接光分路器的公共端，纤芯2输出的信号连接光环形器的端口2。

本发明的有益效果在于：

1、本发明基于光纤稳相传输的混频消除原理，通过将单次传输的三倍频微波本振与三次传输的一倍频微波本振进行混频，从而直接消除了链路中引入的由环境变化引起的延时抖动，实现了微波本振的稳相。该发明可以进行不同频率信号的稳相传输，并且具有无限大的延时补偿范围。

2、本发明结合了微波光子的三倍频方法，通过在本地端直接传输只包含光载波、一阶上边带及三阶上边带的光信号，减少了本地端微波本振源的使用个数及电光调制的次数，因此较大简化了系统结构。

附图说明

图1为本发明微波本振源二倍频光纤稳相传输系统的原理图。

图2为本发明的输出光谱，其中(a)为MZMa输出光谱，(b)为MZMb输出光谱，(c)为DPMZM输出的光谱，(d)为光滤波器输出的光谱。

图3为本发明的输出电谱，其中(a)为光电探测器输出的信号频谱，(b)为微波本振1的频谱；(c)为微波本振3的频谱(d)为微波混频器输出的28GHz微波本振频谱。

图4为本发明稳相传输和自由传输的微波本振相位随时间的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明的基本思路是：利用DPMZM调制和光滤波，实现微波本振源的一倍频和三倍频，单次传输的三倍频微波本振与三次传输的一倍频微波本振引入了相同的相位抖动，将两者在远端混频后即可得到稳相的二倍频微波本振。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种微波本振源二倍频光纤稳相传输系统，包括三个单元：本地端、传输介质、远端。其中，本地端包含单载波激光源、双平行马曾调制器(Dual-parallel Mach-ZehnderModulator,DPMZM)、光滤波器、两个色散补偿光纤(Dispersion Compensation Fiber，DCF)和法拉第旋转镜；传输介质包含两根长度均为L的同型号光纤，两根光纤被包裹在同一束光纤套管中；远端包含光分路器、光环形器、两个光电探测器，两个电滤波器、两个微波放大器和一个微波混频器。

激光源输出的光信号在DPMZM中微波本振源调制，DPMZM输出的光信号通过光滤波器和第一DCF后，通过第一光纤传输到远端，在远端通过光分路器分为两路，其中一路通过输出端口1依次连接第一光电探测器、第一电滤波器以及第一微波放大器，得到微波本振1；光分路器输出端口2连接光环形器的端口1，光环形器端口2依次连接第二光纤、第二DCF和法拉第旋转镜；利用光纤和DCF的双向传输特性以及法拉第旋转镜的反射原理，光分路器端口2输出的光信号正反两次通过第二光纤和第二DCF后，从光环形器的端口3输出，然后依次经过第二光电探测器、第二电滤波器以及第二微波放大器，得到微波本振2；将微波本振1和微波本振2通过一个微波混频器进行混频，得到稳相传输后的微波本振。

所述DPMZM由两个子调制器MZMa、MZMb以及主调制器MZMc构成，MZMa和MZMb分别有一个射频端口；主调制器MZMc的两条臂上分别嵌入MZMa和MZMb，激光信号输入DPMZM以后被第一个Y型分支器等分成两路，MZMa和MZMb分别有一个射频端口，用来调制射频信号；主调制器MZMc的一个臂上存在调制电极，用来加载直流信号，调整该臂输出信号的相位，最终，两条臂上的输出信号在第二个Y型分支器处耦合输出。

该系统的特征(保护点)还包括：

MZMa的直流偏压口加载一定的直流电压，使MZMa工作在最小点，射频端口连接角频率为ω的微波本振源，进而MZMa输出具有正负1阶、正负3阶的光谱；MZMb的直流偏压口加载一定的直流电压，使MZMb工作在最大点，射频端口空载，进而MZMb只输出一个光载波；MZMa和MZMb输出的光信号经过MZMc进行耦合，DPMZM最终输出具有载波、正负1阶边带和正负3阶边带的光信号，该光信号的载波、正1阶和正3阶光边带通过光滤波器，而负1阶和负3阶被光滤波器抑制；光滤波器输出的光信号经过两个光电探测器后，两个光电探测器均输出具有频率ω和3ω的微波信号；第一电滤波器滤除频率为ω的分量，得到频率为3ω的微波本振1；第二电滤波器滤除频率为3ω的分量，得到频率为ω的微波本振2，微波本振1和微波本振2混频后，得到频率为2ω的二倍频微波本振信号。

第一光纤和第二光纤的长度、色散参数相同，第一DCF和第二DCF的色散补偿值相同，第一光纤和第二光纤被包裹在同一束光纤保护套中，进而受到温度变化和振动等环境影响导致的传输延迟变化相同。远端的微波本振1的角频率为3ω，由于其经过了长度为L的第一光纤，所以微波本振1的时间延迟表示为

其中c为光在光纤中传输速度；微波本振2的角频率为ω，其不仅经过长度为L的第一光纤，而且两次经过长度L的第二光纤，因此相位延迟表示为

微波本振1和微波本振2经历的相位延迟相同

混频后取差频项，得到角频率为2ω、相位与光纤长度L无关的二倍频微波本振信号，因此实现了微波本振信号的稳相传输。

利用多芯光纤代替第一光纤和第二光纤，以降低环境对第一光纤和第二光纤造成的延迟差异，替代方法为：本地端的第一DCF和第二DCF的输出端通过多芯光纤扇入器耦合到多芯光纤的两个纤芯中，此多芯光纤的两个纤芯作为传输介质，代替第一光纤和第二光纤的传输信号，在远端通过多芯光纤扇出器分离纤芯1和纤芯2的信号，纤芯1输出的信号连接光分路器的公共端，纤芯2输出的信号连接光环形器的端口2。

实施例中进行了28GHz微波本振10km光纤传输的仿真实验。激光源输出的光载波频率为193.1THz；本地端微波本振源的频率为14GHz；DPMZM调制器的半波电压为7V；两个光电探测器的响应度为0.65A/W；两根光纤的色散为17ps/nm/km，损耗为0.2dB/km；两个DCF的色散为-170ps/nm/km，损耗为0.5dB/km，长度为1km。

MZMa输出具有正负1阶、正负3阶的光谱，如图2(a)所示。MZMb只输出一个光载波，如图2(b)所示。DPMZM最终输出具有载波、正负1阶边带和正负3阶边带的光信号，如图2(c)所示。光滤波器输出具有光载波、正1阶和正3阶光边带的光信号，负1阶和负3阶被光滤波器抑制，如图2(d)所示。

在远端光信号经过两个光电探测器后，两个光电探测器均输出具有频率14GHz和52GHz的微波信号，如图3(a)所示。电滤波器1滤出频率为52GHz的微波本振，如图3(b)所示，电滤波器2滤出频率为14GHz的微波本振2，如图3(c)所示。微波本振1和微波本振2混频后，得到频率为28GHz的二倍频微波本振信号，如图3(d)所示。

如图4所示，28GHz的微波本振经过光纤1自由传输20000秒后，信号相位变化的峰峰值为615.2rad(对应约3.5ns的延时抖动变化量)；利用本发明稳相传输时，信号相位变化和延迟抖动显著低于自由传输。

综上，本发明微波本振源二倍频光纤稳相传输系统系统结构简单，易于实现，无需复杂的鉴相和补偿电路即可实现微波本振的光纤稳相传输，并且能够实现微波本振的二倍频，降低本振源的频率需求。

总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，射频频率、光载波波长、光载波功率、光纤类型等都可改变。这些等同变形和替换以及频率范围的调整也应视为本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种微波本振源二倍频光纤稳相传输系统，包括三个单元：本地端、传输介质、远端，其特征在于：

其中，本地端包含单载波激光源、双平行马曾调制器、光滤波器、两个色散补偿光纤和法拉第旋转镜；传输介质包含两根长度均为L的同型号光纤，两根光纤被包裹在同一束光纤套管中；远端包含光分路器、光环形器、两个光电探测器，两个电滤波器、两个微波放大器和一个微波混频器；

激光源输出的光信号在DPMZM中微波本振源调制，DPMZM输出的光信号通过光滤波器和第一DCF后，通过第一光纤传输到远端，在远端通过光分路器分为两路，其中一路通过输出端口1依次连接第一光电探测器、第一电滤波器以及第一微波放大器，得到微波本振1；光分路器输出端口2连接光环形器的端口1，光环形器端口2依次连接第二光纤、第二DCF和法拉第旋转镜；利用光纤和DCF的双向传输特性以及法拉第旋转镜的反射原理，光分路器端口2输出的光信号正反两次通过第二光纤和第二DCF后，从光环形器的端口3输出，然后依次经过第二光电探测器、第二电滤波器以及第二微波放大器，得到微波本振2；将微波本振1和微波本振2通过一个微波混频器进行混频，得到稳相传输后的微波本振。

2.根据权利要求1所述的一种微波本振源二倍频光纤稳相传输系统，其特征在于：

所述DPMZM由两个子调制器MZMa、MZMb以及主调制器MZMc构成，MZMa和MZMb分别有一个射频端口；主调制器MZMc的两条臂上分别嵌入MZMa和MZMb，激光信号输入DPMZM以后被第一个Y型分支器等分成两路，MZMa和MZMb分别有一个射频端口，用来调制射频信号；主调制器MZMc的一个臂上存在调制电极，用来加载直流信号，调整该臂输出信号的相位，最终，两条臂上的输出信号在第二个Y型分支器处耦合输出。

3.根据权利要求2所述的一种微波本振源二倍频光纤稳相传输系统，其特征在于：

所述MZMa的直流偏压口加载一定的直流电压，使MZMa工作在最小点，射频端口连接角频率为ω的微波本振源，进而MZMa输出具有正负1阶、正负3阶的光谱；MZMb的直流偏压口加载一定的直流电压，使MZMb工作在最大点，射频端口空载，进而MZMb只输出一个光载波；MZMa和MZMb输出的光信号经过MZMc进行耦合，DPMZM最终输出具有载波、正负1阶边带和正负3阶边带的光信号，该光信号的载波、正1阶和正3阶光边带通过光滤波器，而负1阶和负3阶被光滤波器抑制；光滤波器输出的光信号经过两个光电探测器后，两个光电探测器均输出具有频率ω和3ω的微波信号；第一电滤波器滤除频率为ω的分量，得到频率为3ω的微波本振1；第二电滤波器滤除频率为3ω的分量，得到频率为ω的微波本振2，微波本振1和微波本振2混频后，得到频率为2ω的二倍频微波本振信号。

4.根据权利要求1所述的一种微波本振源二倍频光纤稳相传输系统，其特征在于：

所述第一光纤和第二光纤的长度、色散参数相同，第一DCF和第二DCF的色散补偿值相同，第一光纤和第二光纤被包裹在同一束光纤保护套中，进而受到温度变化和振动等环境影响导致的传输延迟变化相同。远端的微波本振1的角频率为3ω，由于其经过了长度为L的第一光纤，所以微波本振1的时间延迟表示为

其中c为光在光纤中传输速度；微波本振2的角频率为ω，其不仅经过长度为L的第一光纤，而且两次经过长度L的第二光纤，因此相位延迟表示为

微波本振1和微波本振2经历的相位延迟相同

混频后取差频项，得到角频率为2ω、相位与光纤长度L无关的二倍频微波本振信号，因此实现了微波本振信号的稳相传输。

5.根据权利要求1所述的一种微波本振源二倍频光纤稳相传输系统，其特征在于：

利用多芯光纤代替第一光纤和第二光纤，以降低环境对第一光纤和第二光纤造成的延迟差异，本地端的第一DCF和第二DCF的输出端通过多芯光纤扇入器耦合到多芯光纤的两个纤芯中，此多芯光纤的两个纤芯作为传输介质，代替第一光纤和第二光纤的传输信号，在远端通过多芯光纤扇出器分离纤芯1和纤芯2的信号，纤芯1输出的信号连接光分路器的公共端，纤芯2输出的信号连接光环形器的端口2。

Images