CN112803956A

CN112803956A - 一种高效率的光载微波信号发射方法及装置

Info

Publication number: CN112803956A
Application number: CN202011599637.9A
Authority: CN
Inventors: 肖永川; 瞿鹏飞; 周小芬; 孙力军
Original assignee: CETC 44 Research Institute
Current assignee: CETC 44 Research Institute
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2021-05-14
Anticipated expiration: 2040-12-29
Also published as: CN112803956B

Abstract

本发明属于微波光子学领域，具体涉及一种高效率的光载微波信号发射方法及装置，该装置包括：激光源、自动温度控制电路、自动功率控制电路、调制器、偏置控制电路以及光放大器；自动温度控制电路和自动功率控制电路控制激光源发送不同功率和波长的光信号；光信号输入到调制器中进行调制，在调制过程中，射频信号通过电光效应调制到光信号上，采用偏置控制电路寻找信号的最优偏置点，得到光载微波信号；将光载微波信号输入到光放大器中进行信号放大，得到放大后的光载微波信号；本发明采用调制器低偏与光放大器后置的方式提高调制效率的同时降低光纤非线性效应的影响，避免了对高耐受光功率电光调制器及高功率保偏光放大器的要求。

Description

一种高效率的光载微波信号发射方法及装置

技术领域

本发明属于微波光子学领域，具体涉及一种高效率的光载微波信号发射方法及装置。

背景技术

微波光子技术是一门结合了光子技术与微波技术各自优势并进行深度融合的新技术，该技术在国内外得到了广泛研究。微波光子技术具有工作频段宽、瞬时带宽大、相位线性度好、重量轻等优点，因此微波光子技术在传感、雷达、电子对抗及测控等领域具有广泛的应用潜力。虽然微波光子技术有诸多优势，但是在电光互转换过程由于受到器件的限制，存在转换效率低的不足。常规微波光传输链路中主要有直接调制与外调制两种形式来完成微波到光的调制，其中直接调制方式采用单个激光器实现电光转换，而外调制方式采用分立的激光器与电光调制器共同完成，因此外调制方式在提高微波信号传输性能优化方面具有更高的灵活性。文献报导了诸如大功率光源与高阈值功率调制器相结合以及采用相位调制相干解调等方案来改善效率、降低噪声系数以及提高动态范围，但是这些方案不仅系统架构复杂，甚至对器件性能参数也提出了非常严苛的要求，因此会极大的增加光收发部分的体积、重量、功耗及成本，同样也会限制该方案的实用性。

发明内容

为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种高效率的光载微波信号发射装置，该装置包括：自动温度控制电路ATC、自动功率控制电路APC、激光源LD、无线射频器、调制器、偏置控制电路以及光放大器OA；所述自动温度控制电路ATC和所述自动功率控制电路APC控制激光源LD发送不同功率和波长的光信号；光信号输入到调制器中进行调制，在调制过程中，射频信号利用电光效应调制到光信号上，采用偏置控制电路寻找信号的最优偏置点，得到光载微波信号；将光载微波信号输入到光放大器OA中进行信号放大，得到放大后的光载微波信号。

优选的，调制器为马赫增德尔电光调制器MZM。

优选的，激光源LD采用大功率低噪声连续光激光器。

优选的，调制器低偏控制电路包括第一运算放大器、模数转换器、单片机、第一数模转化器、第二数模转化器以及第二运算放大器；采用第一运算放大器对电光调制器向调制器低偏控制电路的输入信号进行放大；将放大后的信号输入到模数转换器中进行模数转换，并将数字电平信号输入到单片机中；单片机对数字电平信号进行处理，将处理后的信号分别输入到第一数模转化器和第二数模转化器中，得到直流偏压输出信号和导频输出信号；将到直流偏压输出信号和导频输出信号进行相加，并输入第二运算法大器中，得到最优偏置点。

一种高效率的光载微波信号发射方法，该方法包括：

S1：光载微波信号发射装置接通电源；

S2：自动温度控制电路ATC和自动功率控制电路APC接通电源后控制激光源LD发出一定功率和波长的光信号；

S3：采用外调制方式对光源LD发出一定功率和波长的光信号进行电光转换，得到光载微波信号；

S4：采用导频控制法和功率控制法相结合的方式将调制器的工作状态调整到深度低偏状态；

S5：采用光放大器对调制器输出光载微波信号进行后补偿放大；得到放大后的光载微波信号。

优选的，经过调制后的输出光场的表达式为：

优选的，射频信号的发射效率为：

本发明的优点：

第一，本发明采用调制器低偏与光放大器后置的方式，使得在较低链路光功率水平条件下实现较高的传输效率，可以有效降低光纤非线性效应的影响；本发明将光放大器后置，避免了对高耐受光功率电光调制器及高功率保偏光放大器的要求，降低了成本；

第二，发射模块采用基于功率法与导频法的联合调控方法，不仅可以提高模块宽温条件下调制器低偏点的工作稳定性，还可以提高输出信号的杂散抑制能力；

第三，本发明的装置可作为通用模块广泛的应用于宽带光纤稳相传输、微波光子变频器、射频信号拉远等系统中。

附图说明

图1为本发明的光载微波信号发射装置的系统结构图；

图2为本发明的功能框图及信号谱变化过程；

图3为本发明的调制器控制电路基本原理及导频法与功率法联合控制流程图；

图4为本发明的电光转换效率随偏置点位置之间的变化关系图；

图5为本发明的附加射频增益与光放大器增益随偏置点位置的关系；

图6为本发明的在无/有光放大器时实测光载微波信号发射效率随偏置点之间的变化关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明针对外调制链路中激光器输出功率不足与探测器饱和光功率受限对链路传输效率的影响，采用调制器低偏与光放大器后补偿相结合的方式来提高光发射机的传输效率。在本发明中，利用低偏条件下射频传输效率与光功率变化呈近似线性的关系以及射频传输效率与光放大器增益呈平方的关系，通过调制器低偏有效提高调制深度，再利用后级光放大器实现光载波与边带信号功率的整体提升，通过提高调制深度的方式达到提高微波信号的发射效率的目的。

一种高效率的光载微波信号发射装置，如图1所示，该装置包括：自动温度控制电路ATC、自动功率控制电路APC、激光源LD、调制器、偏置控制电路以及光放大器OA；所述自动温度控制电路ATC和所述自动功率控制电路APC控制激光源LD发送不同功率和波长的光信号；光信号输入到调制器中进行调制，在调制过程中，射频信号利用电光效应调制到光信号上，采用偏置控制电路寻找信号的最优偏置点，得到光载微波信号；将光载微波信号输入到光放大器OA中进行信号放大，得到放大后的光载微波信号。在对输入信号进处理过程中，信号的变化过程如图2所示。

优选的，调制器为马赫增德尔电光调制器MZM。

优选的，激光源LD采用大功率低噪声连续光激光器。

为了实现低偏控制，本专利提出采用功率法与导频法相结合的调制器控制方法，其中，通过导频法寻找预设的低偏置点，找到该点后切换到功率法，通过闭环反馈实现偏置点的稳定控制，具体电路如图3a所示，调制器低偏控制电路包括第一运算放大器、模数转换器、单片机、第一数模转化器、第二数模转化器以及第二运算放大器；采用第一运算放大器对光电调制器向调制器低偏控制电路的输入信号进行放大；将放大后的信号输入到模数转换器中进行模数转换，并将数字电信号输入到单片机中；单片机对数字电平信号进行处理，将处理后的信号分别输入到第一数模转化器和第二数模转化器中，得到直流偏压输出信号和导频输出信号；将到直流偏压输出信号和导频输出信号进行相加，并输入第二运算法大器中，得到最优偏置点。本发明采用导频法与功率法相结合的调控方式，一方面可以利用导频法在宽温范围内偏置点的高稳控制能力，另一方面可以充分发挥功率法实现无杂散调控的优势。采用本方法只需要对调制器输出端进行监测，保证了模块的小型化与易实现性。

采用功率法与导频法相结合的调制器控制方法的具体工作流程如图3b所示，首先给装置上电，使得装置的各个部件处于工作状态；对电路的偏置电压进行扫描；采用导频控制法和功率控制法分别对偏置电压点进行控制。导频控制法对偏置点进行处理的过程包括：采集调制器的输出信号，并对调制器的输出信号进行谐波抑制分析，得到直流偏置电压。采用功率控制法对导频控制法后产生的直流偏置电压进行处理的过程包括：设置参考功率值，对导频控制法产生的直流偏置电压进行采集；根据采集的直流偏置电压计算该信号的功率，将求出的功率与设置的参考功率值进行比较分析，判断经过功率法调制的信号是否存在触发信号，若存在触发信号，重新采用导频控制法和功率控制法对偏置点进行调控；若不存在触发信号，则输出直流偏压。

一种高效率的光载微波信号发射方法，该方法包括：

S1：光载微波信号发射装置接通电源；

激光器首先产生光信号输出，作为载波输入到电光调制器；射频信号通过电光调制器对光载波信号进行电光调制；调制产生的光载微波信号经过光放大器放大输出。

激光器作为光载波输入到电光调制器调制射频信号，调制后的输出光场可表示为：

其中，θ₀为附加相移(一般取π)，P_LD为激光器输出光功率，f_c为激光器频率，L_MZM为调制器光插损，V_RF为射频信号电压，V_B为调制器直流偏置电压，V_πRF为调制器射频半波电压，V_πDC为调制器直流半波电压，θ_RF表示射频信号调制产生的光域移相，ω_RF表示射频信号角频率，θ_B表示直流偏置角。

已调信号送入光放大器进行功率放大，放大后的输出光场可以表示为：

其中，G_OA为光放大器增益。根据上式，射频信号的发射效率可定义为：

其中，Z_RF为射频阻抗,

为探测器响应度。对于常规器件，激光器功率P_LD＝17dBm，调制器插损L_MZM＝4dB，阻抗Z_RF＝50Ω，射频半波电压V_πRF＝5V，探测器饱和光功率10dBm。

如图4所示，归一化射频光发射效率与调制器出光功率随偏置点位置的变化关系，从图中可知当调制器工作点从正交点向最小点移动的过程中，射频光发射效率逐渐减小的同时调制器出光功率也逐渐减小，且近似线性。因此可以在调制器输出后级增加光放大器来提高发射效率。

如图5所示，分析了附加射频增益(以正交点处增益为参考)与光放大器增益随偏置点位置的关系，从图中可知，调制器低偏程度越深，附加射频增益越高。

从图6中可以看出当调制器低偏到10度时，附加射频光发射效率可以提高约13dB。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储在计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高效率的光载微波信号发射装置，其特征在于，包括自动温度控制电路ATC、自动功率控制电路APC、激光源LD、调制器、偏置控制电路以及光放大器OA；所述自动温度控制电路ATC和所述自动功率控制电路APC控制激光源LD发送不同功率和波长的光信号；光信号输入到调制器中进行调制，在调制过程中，射频信号通过电光效应调制到光信号上，采用偏置控制电路寻找信号的最优偏置点，得到光载微波信号；将光载微波信号输入到光放大器OA中进行信号放大，得到放大后的光载微波信号。

2.根据权利要求1所述的一种高效率的光载微波信号发射装置，其特征在于，所述调制器为马赫增德尔电光调制器MZM。

3.根据权利要求1所述的一种高效率的光载微波信号发射装置，其特征在于，所述激光源LD采用大功率低噪声连续光激光器。

4.根据权利要求1所述的一种高效率的光载微波信号发射装置，其特征在于，所述调制器低偏控制电路包括第一运算放大器、模数转换器、单片机、第一数模转化器、第二数模转化器以及第二运算放大器；采用第一运算放大器对电光调制器向调制器低偏控制电路的输入信号进行放大；将放大后的信号输入到模数转换器中进行模数转换，并将数字电平信号输入到单片机中；单片机对数字电平信号进行处理，将处理后的信号分别输入到第一数模转化器和第二数模转化器中，得到直流偏压输出信号和导频输出信号；将到直流偏压输出信号和导频输出信号进行相加，并输入第二运算法大器中，得到最优偏置点。

5.一种高效率的光载微波信号发射方法，其特征在于，该方法包括：

S1：光载微波信号发射装置接通电源；

S4：采用导频控制法和功率控制法相结合的方式将调制器的工作状态调整到深度低偏状态；；

6.根据权利要求5所述的一种高效率的光载微波信号发射方法，其特征在于，经过调制器调制后的输出光场的表达式为：

其中，P_LD表示激光器输出光功率，f_c表示激光器频率，L_MZM表示调制器光插损，V_RF表示射频信号电压，V_B表示调制器直流偏置电压，V_πRF表示调制器射频半波电压，V_πDC表示调制器直流半波电压，θ_RF表示射频信号调制产生的光域移相，ω_RF表示射频信号角频率，θ_B表示直流偏置角。

7.根据权利要求5所述的一种高效率的光载微波信号发射方法，其特征在于，射频信号的发射效率为：

其中，P_LD为激光器输出光功率，L_MZM为调制器光插损，θ_B表示直流偏置角，Z_RF表示射频特征阻抗，G_OA表示光放大器增益，V_πRF为调制器射频半波电压，

表示探测器响应度。