CN113241573A - 基于光子技术的微波三分之一分频装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于光子技术的微波三分之一分频装置及方法，装置包括顺序连接的光源、DPMZM、光带通滤波器、MZM、光电探测器、低噪声放大器、微波带通滤波器以及微波功分器，其中MZM、光电探测器、低噪声放大器、微波带通滤波器以及微波功分器组成光电振荡环；光源、DPMZM、光带通滤波器、MZM以及光电探测器通过光纤连接；光电探测器至微波功分器通过射频电缆连接；DPMZM的微波信号输入和MZM的微波信号输入通过射频电缆连接。本发明实现大宽带无杂散频率分量输出的光子微波三分之一分频器。

Description

基于光子技术的微波三分之一分频装置及方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及基于光子技术的微波三分之一分频装置及方法。

背景技术

微波光子信号处理是微波光子学的重要组成部分，在通信和国防等领域有着广泛的应用。微波光子信号处理功能之一是微波光子信号分频，在雷达和移动通信中有着广泛的应用。传统的微波信号分频通常是在电域进行的。由于电域存在众所周知的瓶颈，直接在电域实现模拟信号处理将受到操作带宽有限、调谐速度慢和调谐性差的影响。

由于光子技术的固有优势特性，如带宽大、损耗低、重量轻、可调谐范围广、不受电磁干扰等，因此在光域中处理微波信号具有明显的优势。许多光子微波分频器技术都是基于光电振荡器环路，在建立振荡的同时，得到分频分量。然而，光子微波分频器的输出包含不被抑制的杂散频率分量，例如谐波信号。目前已有少数光子微波分频器技术可以抑制杂散频率分量，但其只能实现三分之二和三分之四的分频系数。然而在频率合成器等许多应用中，需要各种分频系数，因此，需要实现不同分频系数的大宽带无杂散频率分量输出的光子微波分频器。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出基于光子技术的微波三分之一分频装置及方法，在获得大宽带无杂散频率分量输出的光子微波分频器的同时填补分频间隙，实现三分之一分频。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于光子技术的微波三分之一分频装置，包括光源、DPMZM、光带通滤波器、MZM、光电探测器、低噪声放大器、微波带通滤波器以及微波功分器，其中MZM、光电探测器、低噪声放大器、微波带通滤波器以及微波功分器组成光电振荡环；

所述光源、DPMZM、光带通滤波器、MZM以及光电探测器通过光纤顺序连接，所述光电探测器、噪声放大器、微波带通滤波器以及微波功分器通过射频电缆顺序连接，所述微波功分器与MZM通过射频电缆连接；

所述光源用于产生并输出光载波；

所述DPMZM用于接收光载波和外界输入的待处理的微波信号，形成第一光信号、第二光信号以及第三光信号，第三光信号即DPMZM的输出光信号；

所述光带通滤波器用于接收第三光信号，并对其的波长范围进行限制，输出为第四光信号；

所述MZM用于接收第四光信号和第四微波信号并将第四微波信号调制到第四光信号上形成并输出第五光信号，所述第四微波信号为光电振荡环的反馈信号；

所述光电探测器用于将第五光信号转换为第一微波信号；

所述低噪声放大器用于接收第一微波信号，并将其放大输出为第二微波信号；

所述微波带通滤波器用于接收第二微波信号，并限制微波频率范围，并输出为第三微波信号；

所述微波功分器用于接收第三微波信号，将其分为两路相同功率的微波信号，其输出分别为第四微波信号和第五微波信号，第五微波信号即所需的三分之一分频的信号。

进一步的，所述DPMZM即双平行马赫曾德尔调制器，包括上下两路平行的MZM和移相器；

所述上路MZM用于接收光源发出的光载波和外界输入的待处理的微波信号，且在被施加第一组偏置电压的情况下而工作于载波抑制双边带状态下将微波信号调制到光载波上，以形成第一光信号；

所述下路MZM用于接收光载波，且在被施加第二组偏置电压的情况下调整载波的幅值，并将光载波输出为第二光信号；

所述移相器在施加偏置电压的情况下，调整第一光信号和第二光信号之间的相位差，并将调整之后的光信号输出为第三光信号。

进一步的，所述上路MZM输出的第一光信号中包含两个光信号边带；所述下路MZM输出的第二光信号幅值与第一光信号的幅值相同。

进一步的，所述光带通滤波器用于将第一光信号中的其中一个光信号边带滤除，在其输出的第四光信号中包含第一光信号的其中一个边带和第二光信号。

进一步的，所述MZM在施加偏置电压的情况下工作于零点状态。

进一步的，所述光源的输出信号用E(t)表示：

其中，E_in是进入DPMZM的电场的振幅，ω_c是光源角频率。

进一步的，当上路MZM有角频率为ω_RF的外界输入的待处理的微波信号驱动并且偏置在零点处时，DPMZM的输出电场表示为E_DPMZM(t)：

其中，J_n(x)是第n阶贝塞尔函数，β_RF＝πV_RF/V_π是调制指数，V_RF和θ₁分别是外界输入的待处理的微波信号进入上路MZM的电压和初始相位，V_π，RF是DPMZM的RF端口开关电压，β_bn＝πV_bn/V_π，DC是由偏置电压V_bn引入的偏置角，V_π，DC是DPMZM的DC端口开关电压；

当经过光带通滤波器滤波滤除一个边带时，光学滤波后的输出电场表示为：

进一步的，当光滤波后的输出信号发射到被偏置在零点的光电振荡环内的MZM中时，MZM的输出电场表示为：

其中，β_osc＝πV_osc/V_π，RF是调制指数，V_osc和θ₂分别是进入光电振荡环内MZM的振荡信号的电压和相位；当公式(4)在光电探测器上拍频，光电探测器信号为：

其中，

是光电探测器的响应度，t_ff是光源到光电探测器之间光纤链路的损耗，P_in是光源的输出功率。

进一步的，经过低噪声放大器、微波带通滤波器和微波功分器后，反馈信号被注入到光电振荡器环内的MZM，为了保持稳定的振荡，需要满足以下公式：

V_feedback(t)＝V_osc(t) (6)

其中，V_feedback(t)＝√2√G_LNAi_PD(t)R₀/2，G_LNA是低噪声放大器的增益，R₀是光电探测器的电阻，V_osc(t)＝V_oscsin(ω_osct+θ₂)；组合公式(5)和公式(6)，获得稳定振荡的条件，并且由下式给出：

其中，k是任意整数。

本发明还提供基于提供的微波三分之一分频装置的微波三分之一分频方法，包括以下步骤：

光源产生并输出光载波；

DPMZM接收光载波和外界输入的待处理的微波信号，形成第一光信号、第二光信号以及第三光信号，第三光信号即DPMZM的输出光信号；

光带通滤波器接收第三光信号，并对其的波长范围进行限制，输出第四光信号；

MZM接收第四光信号和第四微波信号并将第四微波信号调制到第四光信号上形成并输出第五光信号，所述第四微波信号为光电振荡环的反馈信号；

光电探测器将第五光信号转换为第一微波信号；

低噪声放大器接收第一微波信号，并将其放大输出为第二微波信号；

微波带通滤波器接收第二微波信号，并限制微波频率范围，并输出为第三微波信号；

微波功分器接收第三微波信号，将其分为两路相同功率的微波信号，其输出分别为第四微波信号和第五微波信号，第五微波信号即所需的三分之一分频的信号。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、与传统基于光电振荡环的光子微波分频器技术相比，本发明具有大宽带无杂散频率分量，能够实现单一纯净的分频信号。

2、与其他具有大宽带无杂散频率分量的光子微波分频器技术相比，本发明能够实现三分之一的分频系数，该分频系数在频率合成器和低相噪微波源等应用中有着更广泛的需求。

3、与大多数光子微波分频器技术相比，本发明中的相位匹配是在光域上完成的，具体是通过调谐DPMZM的V_b3电压实现的，该方案的相位匹配具有微波频率不相关特性，且调谐速度快、精度高以及更容易实现芯片集成。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的实验结果；

图3a是得到的三分之一分频的微波信号的频谱图；

图3b是输入的18GHz微波信号；

图4是本发明实施例得到的三分之一分频后微波信号从5.8GHz到6.4GHz的实验结果图；

图5a是输入18GHz射频信号和分频后的6GHz射频信号的相位噪声频谱；

图5b是不同频率的待分频微波信号输入时输出分频信号的幅度变化和在10kHz频率偏移的相位噪声变化图；

图6是本发明方法的流程图；

附图标号说明：1-光源；2-DPMZM；3-光滤波器；4-MZM；5-光电探测器；6-低噪声放大器；7-微波带通滤波器；8-微波功分器；9-输出信号。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明，基于光子技术的微波三分之一分频装置，包括顺序连接的光源1、DPMZM2、光带通滤波器3、MZM4、光电探测器5、低噪声放大器6、微波带通滤波器7以及微波功分器8，其中MZM、光电探测器、低噪声放大器、微波带通滤波器以及微波功分器组成光电振荡环；

所述光源、DPMZM、光带通滤波器、MZM以及光电探测器通过光纤连接；所述光电探测器、低噪声放大器、微波带通滤波器以及微波功分器通过射频电缆连接；DPMZM的微波信号输入和MZM的微波信号输入通过射频电缆连接；

所述光源用于产生并输出光载波，是激光光源，其产生1550nm波长，输出功率为15dBm；所述光载波是线偏振光。

所述DPMZM，即双平行马赫曾德尔调制器，用于接收光载波和外界输入的待处理的微波信号，形成第一光信号、第二光信号以及第三光信号，第三光信号即DPMZM的输出光信号；如图3b所示，为本实施例输入的18GHz微波信号。

所述光带通滤波器用于接收第三光信号，并对其的波长范围进行限制，输出为第四光信号；

所述MZM用于接收第四光信号和第四微波信号并将第四微波信号调制到第四光信号上形成第五光信号，第五光信号即MZM的输出光信号，所述第四微波信号为光电震荡环的反馈信号；

所述光电探测器用于将第五光信号转换为第一微波信号；

所述低噪声放大器用于接收第一微波信号，并将其放大输出为第二微波信号；

所述微波功分器用于接收第三微波信号，将其分为两路相同功率的微波信号，其输出分别为第四光信号和第五光信号，其中第五光信号即所需的三分之一分频的输出信号9；如图3a所示，为本实施例得到的三分之一分频的微波信号的频谱图。

在本实施例中，所述DPMZM(双平行马赫曾德尔调制器)包括上下两路平行的MZM和移相器；

所述上路MZM用于接收光源发出的光载波和微波信号，且在被施加第一组偏置电压的情况下而工作于载波抑制双边带状态下将微波信号调制到光载波上，以形成第一光信号；

所述下路MZM用于接收光载波，且在被施加第二组偏置电压的情况下可以调整载波的幅值，并将光载波输出为第二光信号；

所述移相器在施加偏置电压的情况下，可以调整第一光信号和第二光信号之间的相位差，并将调整之后的光信号输出为第三光信号。

所述上路MZM输出的第一光信号中包含两个光信号边带；所述下路MZM输出的第二光信号幅值与第一光信号的幅值相同。

在本实施例中，所述光滤波器用于将第一光信号中的其中一个光信号边带滤除，在其输出的第四光信号中只包含第一光信号的其中一个边带和第二光信号。

在本实施例中，所述MZM在施加偏置电压的情况下工作于零点状态。

在本实施例中，所述微波带通滤波器用于限制微波频率范围。

在本实施例中，所述光源的输出信号用E(t)表示：

其中，E_in是进入DPMZM的电场的振幅，ω_c是光源角频率；

当上路MZM有角频率为ω_RF的外界输入的待处理的微波信号驱动并且偏置在零点处时，DPMZM的输出电场表示为E_DPMZM(t)：

其中，J_n(x)是第n阶贝塞尔函数，β_RF＝πV_RF/V_π是调制指数，V_RF和θ₁分别是外界输入的待处理的微波信号进入上路MZM的电压和初始相位，V_π，RF是DPMZM的RF端口开关电压，β_bn＝πV_bn/V_π，DC是由偏置电压V_bn引入的偏置角，V_π，DC是DPMZM的DC端口开关电压；

当经过光带通滤波器滤波滤除一个边带时，光学滤波后的输出电场表示为：

当光过滤后的输出信号发射到被偏置在零点的光电振荡环内的MZM中时，MZM的输出电场表示为：

其中，β_osc＝πV_osc/V_π，RF是调制指数，V_osc和θ₂分别是进入光电振荡环内MZM的振荡信号的电压和相位；当公式(4)在光电探测器上拍频，光电探测器信号为：

其中，

是光电探测器的响应度，t_ff是光源到光电探测器之间光纤链路的损耗，P_in是光源的输出功率；

经过低噪声放大器、微波带通滤波器和微波功分器后，反馈信号被注入到光电振荡环内的MZM，为了保持稳定的振荡，需要满足以下公式：

V_feedback(t)＝V_osc(t) (6)

其中，V_feedback(t)＝√2√G_LNAi_PD(t)R₀/2，G_LNA是低噪声放大器的增益，R₀是光电探测器的电阻，V_osc(t)＝V_oscsin(ω_osct+θ₂)；组合公式(5)和公式(6)，获得稳定振荡的条件，并且由下式给出：

其中，k是任意整数。

如图2所示，为本实施例的实验结果，实线为通过光滤波器选择载波和正一阶边带通过时的光谱图，虚线是光电振荡环闭环时，通过适当调整环内增益和MZM的偏置电压，得到的距离双波长正负6G频率的边带时的光谱图；如图4所示，是本实施例的实验结果，展示了其可调谐性，得到的三分之一分频后微波信号从5.8GHz到6.4GHz；如图5a所示，是输入18GHz射频信号(虚线)和分频后的6GHz射频信号(实线)的相位噪声频谱；如图5b所示，是不同频率的待分频微波信号输入时输出分频信号的幅度变化和在10kHz频率偏移的相位噪声变化。

基于上述实施例，本发明还提供基于光子技术的微波三分之一分频方法，如图6所示，包括以下步骤：

光源产生并输出光载波；

DPMZM接收光载波和外界输入的待处理的微波信号，形成第一光信号、第二光信号以及第三光信号，第三光信号即DPMZM的输出光信号；

光带通滤波器接收第三光信号，并对其的波长范围进行限制，输出第四光信号；

MZM接收第四光信号和第四微波信号并将第四微波信号调制到第四光信号上形成并输出第五光信号，所述第四微波信号为光电振荡环的反馈信号；

光电探测器将第五光信号转换为第一微波信号；

低噪声放大器接收第一微波信号，并将其放大输出为第二微波信号；

微波带通滤波器接收第二微波信号，并限制微波频率范围，并输出为第三微波信号；

微波功分器接收第三微波信号，将其分为两路相同功率的微波信号，其输出分别为第四微波信号和第五微波信号，第五微波信号即所需的三分之一分频的信号。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.基于光子技术的微波三分之一分频装置，其特征在于，包括光源、DPMZM、光带通滤波器、MZM、光电探测器、低噪声放大器、微波带通滤波器以及微波功分器，其中MZM、光电探测器、低噪声放大器、微波带通滤波器以及微波功分器组成光电振荡环；

所述光源、DPMZM、光带通滤波器、MZM以及光电探测器通过光纤顺序连接，所述光电探测器、噪声放大器、微波带通滤波器以及微波功分器通过射频电缆顺序连接，所述微波功分器与MZM通过射频电缆连接；

所述光源用于产生并输出光载波；

所述DPMZM用于接收光载波和外界输入的待处理的微波信号，形成第一光信号、第二光信号以及第三光信号，第三光信号即DPMZM的输出光信号；

所述光带通滤波器用于接收第三光信号，并对其的波长范围进行限制，输出为第四光信号；

所述MZM用于接收第四光信号和第四微波信号并将第四微波信号调制到第四光信号上形成并输出第五光信号，所述第四微波信号为光电振荡环的反馈信号；

所述光电探测器用于将第五光信号转换为第一微波信号；

所述低噪声放大器用于接收第一微波信号，并将其放大输出为第二微波信号；

所述微波带通滤波器用于接收第二微波信号，并限制微波频率范围，并输出为第三微波信号；

所述微波功分器用于接收第三微波信号，将其分为两路相同功率的微波信号，其输出分别为第四微波信号和第五微波信号，第五微波信号即所需的三分之一分频的信号。

2.根据权利要求1所述的基于光子技术的微波三分之一分频装置，其特征在于，所述DPMZM即双平行马赫曾德尔调制器，包括上下两路平行的MZM和移相器；

所述上路MZM用于接收光源发出的光载波和外界输入的待处理的微波信号，且在被施加第一组偏置电压的情况下而工作于载波抑制双边带状态下将微波信号调制到光载波上，以形成第一光信号；

所述下路MZM用于接收光载波，且在被施加第二组偏置电压的情况下调整载波的幅值，并将光载波输出为第二光信号；

所述移相器在施加偏置电压的情况下，调整第一光信号和第二光信号之间的相位差，并将调整之后的光信号输出为第三光信号。

3.根据权利要求2所述的基于光子技术的微波三分之一分频装置，其特征在于，所述上路MZM输出的第一光信号中包含两个光信号边带；所述下路MZM输出的第二光信号幅值与第一光信号的幅值相同。

4.根据权利要求3所述的基于光子技术的微波三分之一分频装置，其特征在于，所述光带通滤波器用于将第一光信号中的其中一个光信号边带滤除，在其输出的第四光信号中包含第一光信号的其中一个边带和第二光信号。

5.根据权利要求1所述的基于光子技术的微波三分之一分频装置，其特征在于，所述MZM在施加偏置电压的情况下工作于零点状态。

6.根据权利要求1所述的基于光子技术的微波三分之一分频装置，其特征在于，所述光源的输出信号用E(t)表示：

其中，E_in是进入DPMZM的电场的振幅，ω_c是光源角频率。

7.根据权利要求4或6所述的基于光子技术的微波三分之一分频装置，其特征在于，当上路MZM有角频率为ω_RF的外界输入的待处理的微波信号驱动并且偏置在零点处时，DPMZM的输出电场表示为E_DPMZM(t)：

其中，J_n(x)是第n阶贝塞尔函数，β_RF＝πV_RF/V_π是调制指数，V_RF和θ₁分别是外界输入的待处理的微波信号进入上路MZM的电压和初始相位，V_π，RF是DPMZM的RF端口开关电压，β_bn＝πV_bn/V_π，DC是由偏置电压V_bn引入的偏置角，V_π，DC是DPMZM的DC端口开关电压；

当经过光带通滤波器滤波滤除一个边带时，光学滤波后的输出电场表示为：

8.根据权利要求7所述的基于光子技术的微波三分之一分频装置，其特征在于，当光滤波后的输出信号发射到被偏置在零点的光电振荡环内的MZM中时，MZM的输出电场表示为：

其中，β_osc＝πV_osc/V_π，RF是调制指数，V_osc和θ₂分别是进入光电振荡环内MZM的振荡信号的电压和相位；当公式(4)在光电探测器上拍频，光电探测器信号为：

其中，

是光电探测器的响应度，t_ff是光源到光电探测器之间光纤链路的损耗，P_in是光源的输出功率。

9.根据权利要求8所述的基于光子技术的微波三分之一分频装置，其特征在于，经过低噪声放大器、微波带通滤波器和微波功分器后，反馈信号被注入到光电振荡器环内的MZM，为了保持稳定的振荡，需要满足以下公式：

V_feedback(t)＝V_osc(t) (6)

其中，

G_LNA是低噪声放大器的增益，R₀是光电探测器的电阻，V_osc(t)＝V_oscsin(ω_osct+θ₂)；组合公式(5)和公式(6)，获得稳定振荡的条件，并且由下式给出：

其中，k是任意整数。

10.基于权利要求1-9任一项所述微波三分之一分频装置的微波三分之一分频方法，其特征在于，包括以下步骤：

光源产生并输出光载波；

DPMZM接收光载波和外界输入的待处理的微波信号，形成第一光信号、第二光信号以及第三光信号，第三光信号即DPMZM的输出光信号；

光带通滤波器接收第三光信号，并对其的波长范围进行限制，输出第四光信号；

MZM接收第四光信号和第四微波信号并将第四微波信号调制到第四光信号上形成并输出第五光信号，所述第四微波信号为光电振荡环的反馈信号；

光电探测器将第五光信号转换为第一微波信号；

低噪声放大器接收第一微波信号，并将其放大输出为第二微波信号；

微波带通滤波器接收第二微波信号，并限制微波频率范围，并输出为第三微波信号；

微波功分器接收第三微波信号，将其分为两路相同功率的微波信号，其输出分别为第四微波信号和第五微波信号，第五微波信号即所需的三分之一分频的信号。

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