CN113037389A - 基于dpmzm与fwm效应的高倍频毫米波信号产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微波光电子技术领域,具体涉及一种基于DPMZM与FWM效应的高倍频毫米波信号产生装置。包括:激光源,射频源,双平行马赫‑曾德尔调制器模块,半导体光放大器,解波分复用器,功率合成器和光电二极管,本发明通过双平行马赫‑曾德尔调制器模块对激光进行调制,产生±6阶光学边带,并通过半导体光放大器进行四波混频,获得±18阶光边带;最后利用光电二极管进行拍频,得到三十六倍频波毫米信号。本发明产生的36倍频毫米波信号传输性能良好,大大了降低对调制器和振荡器的频率要求。同时,通过改变本振射频信号的频率,验证系统具有良好的频率可调谐性。
Description
技术领域
本发明属于微波光电子技术领域,具体涉及一种基于DPMZM与FWM效应的高倍频毫米波信号产生装置。
背景技术
为解决微波信号在电域中碰到的电子瓶颈问题,研究人员提出微波光子方案,微波光子技术具有如下特点:(1)工作频段宽;(2)传输带宽大;(3)传输损耗低;(4)抗电磁干扰;(5)体积质量小,价格低。随着微波光子技术的不断发展,科研工作者提出利用微波光子技术产生毫米波等高频信号的技术方案。毫米波的光子产生在许多领域深受研究者的喜爱,例如在光纤无线链路、卫星通信系统和雷达领域中,特别值得一提的是毫米波的光子产生可以和光载射频(ROF)系统兼容,在ROF系统中,射频信号经过光纤传输进行远距离分配,利用光子技术产生毫米波信号和传统的电子技术相比,优势非常明显。基于光学外差法可以在光域中产生毫米波信号,光外差法是指将两个不同波长的光波在光电探测器(PD)上进行拍频,PD输出端产生的毫米波信号等于两个波长之间的差值,但是由于两个波长的相位并不相关,导致最后的毫米波信号具有高相位噪声。针对这个问题,研究者相继提出众多方案,例如双波长激光源、外调制等方案,但是,其均具有倍频倍数有限的局限性。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足,所要解决的技术问题为:提供一种高倍频毫米波信号产生装置。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:一种高倍频毫米波信号产生装置,包括:
激光源,用于产生激光;
射频源,用于提供射频驱动信号;
双平行马赫-曾德尔调制器模块,用于通过所述射频源提供的射频驱动信号对激光进行调制,产生±6阶光学边带;
半导体光放大器,用于对产生的±6阶光学边带进行四波混频,获得±18阶光边带;
解波分复用器,用于对±18阶光边带信号进行滤波,分别得到+18阶光边带信号和-18阶光边带信号;
功率合成器,用于将+18阶光边带信号和-18阶光边带信号合成在一起;
光电二极管:用于对合成后的信号进行拍频,得到三十六倍频波毫米信号。
所述的一种高倍频毫米波信号产生装置,还包括:
强度调制器,用于对解波分复用器滤波后的其中一个光边带信号进行强度调制;
掺铒光纤放大器,用于通过功率合成器合成后的信号进行放大。
所述双平行马赫-曾德尔调制器模块包括:
分光器,用于将激光源发出的激光信号分为两束;
第一马赫-曾德尔调制器和第二马赫-曾德尔调制器,用于通过所述射频源提供的射频信号分别对其中一束光进行调制;
第一相移器,用于对输入其中一个马赫-曾德尔调制器的射频信号进行π相移;
合光器,用于将两个马赫-曾德尔调制器的输出光束进行合光。
所述双平行马赫-曾德尔调制器模块还包括:
第二相移器,用于对输入第一马赫-曾德尔调制器的其中一个端口的射频信号进行π/2相移;
第三相移器,用于对输入第二马赫-曾德尔调制器的其中一个端口的射频信号进行π/2相移。
所述第一马赫-曾德尔调制器和第二马赫-曾德尔调制器的偏置设置在最小传输点。
所述第一马赫-曾德尔调制器和第二马赫-曾德尔调制器的调制指数m=1.635π。
所述的一种高倍频毫米波信号产生装置,还包括传输光纤、带通滤波器,乘法器和眼图分析仪,所述功率合成器的输出信号经传输光纤、掺铒光纤放大器后被光电二极管探测,探测信号经带通滤波器滤波,乘法器相干解调后发送至眼图分析仪进行性能评估。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
(1)本发明可以获得三十六倍频毫米波信号,通过5GHz的射频信号,可以获得180GHz的毫米波信号,同时通过调节相关参数,实现频率可调谐性,大大降低对调制器和振荡器的频率要求;
(2)通过模拟仿真得到了模拟信号的传输信号图,证实本发明得到毫米波传输性能良好。
附图说明
图1是本发明实施例中高倍频毫米波信号产生装置的结构示意图;
图2为图1中各个位置处的光谱示意图;
图3是本发明实施例中射频信号为5GHz时DPMZM输出光信号的光谱图结果图;
图4是本发明实施例中双平行马赫-曾德尔调制器模块输出光信号经过半导体光放大器的四波混频效应后的输出信号的光谱图;
图5是本发明实施例中经过解波分复用器滤波后的光谱图;
图6是本发明实施例中经过光电二极管拍频后的电谱图;
图7是本发明实施例中搭建数据传输后通过眼图分析仪获得的眼图;
图中,1:激光二极管,2:射频源,3:双平行马赫-曾德尔调制器模块;4:半导体光放大器;5:解波分复用器,6:强度调制器,7:功率合成器,8:掺铒光纤放大器,9:光电二极管,10:带通滤波器,11:眼图分析仪,12:第一相移器,13:第二相移器,14:第三相移器,15:传输光纤,16:乘法器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,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。
如图1所示,本发明实施例提供了一种高倍频毫米波信号产生装置,包括:
激光源1,用于产生激光;
射频源2,用于提供射频驱动信号;
双平行马赫-曾德尔调制器模块3,用于通过所述射频源2提供的射频驱动信号对激光进行调制,产生±6阶光学边带;
半导体光放大器4,用于对产生的±6阶光学边带进行四波混频,获得±18阶光边带;
解波分复用器5,用于对±18阶光边带信号进行滤波,分别得到+18阶光边带信号和-18阶光边带信号;
功率合成器6,用于将+18阶光边带信号和-18阶光边带信号合成在一起;
光电二极管9:用于对合成后的信号进行拍频,得到三十六倍频波毫米信号。
进一步地,如图1所示,本实施例的一种高倍频毫米波信号产生装置,还包括:
强度调制器6,用于对滤波后的其中一个光边带信号(+18阶光边带信号或-18阶光边带信号)进行强度调制,加载基带数据信号;
掺铒光纤放大器8,用于对通过功率合成器合成在一起的+18阶光边带信号和-18阶光边带信号进行放大。
所述双平行马赫-曾德尔调制器模块3包括分光器,第一马赫-曾德尔调制器和第二马赫-曾德尔调制器,第一相移器12和合光器,分光器,用于将激光源1发出的激光信号分为两束;第一马赫-曾德尔调制器和第二马赫-曾德尔调制器,用于通过所述射频源2提供的射频驱动信号分别对其中一束光进行调制;第一相移器,用于对输入其中一个马赫-曾德尔调制器的射频信号进行π相移;合光器,用于将两个马赫-曾德尔调制器的输出光束进行合光。
所述的一种高倍频毫米波信号产生装置中,双平行马赫-曾德尔调制器模块(3)还包括第二相移器13和第三相移器14,第二相移器13用于对输入第一马赫-曾德尔调制器的其中一个端口的射频信号进行π/2相移;第三相移器14用于对输入第二马赫-曾德尔调制器的其中一个端口的射频信号进行π/2相移。
所述第一马赫-曾德尔调制器和第二马赫-曾德尔调制器的偏置设置在最小传输点((Minimum Transmission Point,MITP)),可以实现抑制载波双边带调制。
所述第一马赫-曾德尔调制器和第二马赫-曾德尔调制器的调制指数m=1.635π。其中,激光源1为波长为1550 nm激光二极管,射频源提供的射频驱动信号的频率设置为5GHz。
进一步地,如图1所示,本实施例中,一种高倍频毫米波信号产生装置,还包括传输光纤15、带通滤波器10,乘法器16和眼图分析仪11,所述功率合成器6的输出信号经传输光纤15、掺铒光纤放大器8后被光电二极管9探测,探测信号经带通滤波器10滤波,乘法器16相干解调后发送至眼图分析仪14进行性能评估。
本发明的工作原理如下:激光源1发出波长为1550 nm的激光,发出的光信号的频率如图2中(a)所示,经过双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)2后,双平行马赫-曾德尔调制器模块(DPMZM)2对光信号进行调制,产生±6阶光学带,其频率参考图2中(b)所示。双平行马赫-曾德尔调制器模块是两个马赫-曾德尔调制器MZM-a和MZM-b并联组成,在MZM-a和MZM-b的射频驱动信号之间引入相位差为π的相移,MZM-a和MZM-b均设置偏置在最小传输点;±6阶光学带连接到半导体光放大器(SOA)5进行四波混频,获得正负18阶光边带,参考图2中(c)所示;利用解波分复用器(DMUX)5对无用信号进行滤波获得参考图2中(d)所示的信号;然后经功率合成器将+18阶光边带信号和-18阶光边带信号合成在一起后,经光电二极管9对合成后的信号进行拍频,得到三十六倍频波毫米信号。
本发明实施例中,为了对得到的三十六倍频波毫米信号的传输性能进行评估,设置了强度调制器7,传输光纤15,带通滤波器10,乘法器16和眼图分析仪11,强度调制器对其中的-18阶光边带信号进行调制,调制信号为脉冲信号发生器发出的2Gbit/s的NRZ 信号,本实施例中,将基带数据信号调制到其中一个边带上,信号可以进行长距离且性能更稳定的传输,这将有效避免了色散所导致的码元时移效应。然后经25KM光纤的传输到达接收端,经掺铒光纤放大器10放大后入射到光电二极管11中进行拍频,得到36倍频毫米波信号;光电二极管11输出电信号入射到带通滤波器12进行滤波后,连接乘法器13进行相干解调,利用眼图分析仪14对接收到的信号进行性能评估。
参考图3,本发明实施例中,射频信号为5GHz时双平行马赫-曾德尔调制器模块输出光信号的光谱图结果图。在结果图中可以看到经双平行马赫-曾德尔调制器模块调制后输出的主边带是±6阶光边带,其他光学边带的占比非常小,边带抑制比大于30dB。
参考图4,本发明实施例中,双平行马赫-曾德尔调制器模块输出光信号经过半导体光放大器5的四波混频效应后的输出信号的光谱图。半导体光放大器输出的±6阶光边带满足相位匹配条件,经半导体光放大器时发生了部分简并的四波混频效应,产生了±18阶光边带。
参考图5,为本发明实施例中经过解波分复用器5滤波后的光谱图,解波分复用器充当光滤波器的角色,将±6阶光边带进行滤除,留下±18阶光边带,可以看到此时±6阶光边带与±18阶光边带的边带抑制比大于25dB。
参考图6,为本发明实施例中经过光电二级管拍频后的电谱图。在电谱图中可以看出由5GHz的射频信号最终获得了180GHz的毫米波信号,其中射频杂散抑制比大于30dB。
参考图7,为本发明实施例中搭建数据传输后接收端获得的眼图。由眼图可以看出本发明装置可以实现信号的有效传输,达到较为良好的传输性能。
本发明装置的理论原理如下:
其中 E0是光信号的幅度,ω c是光信号的角频率,VRF是射频信号的幅度, ω RF是射频驱动信号的角频率,t表示时间。
经双平行马赫-曾德尔调制器模块调制后的输出光信号表达式如下:
四波混频(FWM)效应是一种与三阶极化率相关的光学非线性克尔效应。当有两个不同频率的光信号入射到非线性介质中,同时两个输入光信号满足相位匹配时,会发生部分简并的四波混频效应,有可能产生另外两个频率的信号。设抽运信号的角频率为ω 0,光的角频率为ω 1,则经过FWM效应后新产生的两个闲频光信号的角频率分别为2ω 0-ω 1和2ω 1-ω 0,DPMZM产生的±6阶光边带信号满足相位匹配条件,故利用半导体光放大器的四波混频效应产生±18边带信号,最后光电探测器拍频后即可得到三十六倍频信号。
综上所述,本发明提供了基于DPMZM与FWM效应的高倍频毫米波信号产生装置,通过对DPMZM的偏置点设置与调制指数的调节,使其产生±6阶光边带信号,由于产生的±6阶光学边带信号满足相位匹配的条件,利用半导体放大器的四波混频效应发生部分简并产生±18阶光学边带信号。最后经过滤波拍频产生36倍频的毫米波信号,基于5GHz的射频信号可以产生频率为180GHz的毫米波信号。通过搭建信号传输,将基带脉冲信号搭载到-18阶光边带信号上进行强度调制,经过一段距离的光纤传输到达接收端,利用相干解调的方法获得基带信号,利用眼图分析仪对传输性能进行评估,证实本发明产生的36倍频毫米波信号传输性能良好,大大了降低对调制器和振荡器的频率要求。同时,通过改变本振射频信号的频率,验证系统具有良好的频率可调谐性。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种高倍频毫米波信号产生装置,其特征在于,包括:
激光源(1),用于产生激光;
射频源(2),用于提供射频驱动信号;
双平行马赫-曾德尔调制器模块(3),用于通过所述射频源(2)提供的射频驱动信号对激光进行调制,产生±6阶光学边带;
半导体光放大器(4),用于对产生的±6阶光学边带进行四波混频,获得±18阶光边带;
解波分复用器(5),用于对±18阶光边带信号进行滤波,分别得到+18阶光边带信号和-18阶光边带信号;
功率合成器(6),用于将+18阶光边带信号和-18阶光边带信号合成在一起;
光电二极管(9):用于对合成后的信号进行拍频,得到三十六倍频波毫米信号。
2.根据权利要求1所述的一种高倍频毫米波信号产生装置,其特征在于,还包括:
强度调制器(6),用于对解波分复用器滤波后的其中一个光边带信号进行强度调制;
掺铒光纤放大器(8),用于通过功率合成器(6)合成后的信号进行放大。
3.根据权利要求1所述的一种高倍频毫米波信号产生装置,其特征在于,所述双平行马赫-曾德尔调制器模块(3)包括:
分光器,用于将激光源(1)发出的激光信号分为两束;
第一马赫-曾德尔调制器和第二马赫-曾德尔调制器,用于通过所述射频源(2)提供的射频信号分别对其中一束光进行调制;
第一相移器,用于对输入其中一个马赫-曾德尔调制器的射频信号进行π相移;
合光器,用于将两个马赫-曾德尔调制器的输出光束进行合光。
4.根据权利要求3所述的一种高倍频毫米波信号产生装置,其特征在于,所述双平行马赫-曾德尔调制器模块(3)还包括:
第二相移器,用于对输入第一马赫-曾德尔调制器的其中一个端口的射频信号进行π/2相移;
第三相移器,用于对输入第二马赫-曾德尔调制器的其中一个端口的射频信号进行π/2相移。
5.根据权利要求3所述的一种高倍频毫米波信号产生装置,其特征在于,所述第一马赫-曾德尔调制器和第二马赫-曾德尔调制器的偏置设置在最小传输点。
6.根据权利要求3所述的一种高倍频毫米波信号产生装置,其特征在于,所述第一马赫-曾德尔调制器和第二马赫-曾德尔调制器的调制指数m=1.635π。
7.根据权利要求1所述的一种高倍频毫米波信号产生装置,其特征在于,还包括传输光纤(15)、带通滤波器(10),乘法器(16)和眼图分析仪(11),所述功率合成器(6)的输出信号经传输光纤(15)、掺铒光纤放大器(8)后被光电二极管(9)探测,探测信号经带通滤波器(10)滤波,乘法器(16)相干解调后发送至眼图分析仪(11)进行性能评估。
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