CN113285761A - 一种宽捕获范围频率可调谐光生毫米波信号产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽捕获范围、频率范围可调谐、低相噪、高稳定的毫米波信号产生装置，包括毫米波信号产生结构、毫米波信号调制结构、光延迟鉴相结构以及反馈控制环路。毫米波信号产生结构利用主、从激光器拍频产生毫米波信号，通过毫米波信号调制结构调制到光上，由光延迟鉴相结构进行鉴相输出误差信号，最终反馈控制环路实现系统的稳频与稳相。设定该结构中可调光纤延迟线的延时，可以获得毫米波信号的宽捕获范围，由鉴相与反馈控制电路自适应改变从激光器的温度和驱动电流实现毫米波信号频率的宽范围调谐。本发明装置可适用于为ROF链路、光纤通信、毫米波雷达等系统提供稳定的微波信号源。

Description

一种宽捕获范围频率可调谐光生毫米波信号产生装置
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体涉及一种宽捕获范围频率可调谐光生毫米波信号产生装置。
背景技术
随着现代经济不断发展，通信设备的不断革新，基频可使用的频段范围越来越少，所以通信频段频率的提高成为了不可避免的趋势，其中毫米波为光通信提供了更加大范围的通信带宽(大约60GHz)。并且，毫米波以其独特的优势，在ROF链路，相控阵，5G，雷达系统中具有广泛的应用前景。与此同时，随着微波光子学的不断发展与完善，所能应用的范围越加广泛，于是光生毫米波应运而生，它克服了在电域上产生毫米波信号的困难，能产生非常高频率和高质量的毫米波信号，得益于此，毫米波信号的研究能顺利的开展与进行。
光毫米波是未来光通信系统中最为核心的部分之一，如何产生高频率、高质量的光毫米波是重中之重。其中，最主要的方法有以下几种：电光调制法、光外差法、谐波频率产生法以及其他一些新型技术。电光调制法的主要结构是将射频信号调制(强度/相位调制)到光载波上，利用调制器的非线性，产生上下边带，再经过特定光滤波器滤波和光电探测器(PD)拍频后，就能得到数倍频的光毫米波信号。但该方法需要高质量的射频信号作为支撑，并且电光调制器本身的工艺也限制了毫米波信号的频谱纯度。谐波频率产生法是指利用光学器件的高非线性现象，如高非线性光纤(HNLF)的四波混频(FWM)现象产生的高次谐波分量，再通过光滤波器选取其中两根谱线进行拍频，从而得到相应的毫米波信号；该方案的难点在于谐波的产生与提取，对器件的要求比较高。光外差法是指利用两个频率固定的激光器发出的光信号，通过PD拍频，得到频率为两束光的频率差的毫米波信号。理论上光外差法所产生的毫米波频率可以非常高，并且仅由PD的带宽所限制，所以在Ka波段及以上频段毫米波信号的产生具有显著优势。但由于系统结构采用了两个激光光源，他们之间的非相干性会导致拍频出的毫米波信号相位噪声比较大，因此，如何提高毫米波信号的频率稳定性以及相噪特性，对于微波光子领域有着非常重要的意义。
在微波光子领域，信号的延迟测量是一种重要的测量及信息处理手段，在传统微波领域，研究者往往使用同轴电缆等器件实现射频信号的延迟，但同轴电缆线可传递的信号带宽窄、损耗大，等缺点一直困扰着研究者们。随着微波光子学的迅猛发展，光延迟技术被提出，它是将微波信号通过电光调制到光载波上，利用一定方法使光信号在传输过程中产生延时，光纤凭借其大带宽、抗电磁干扰强、损耗低等优点，成为光信号传输的主要途径。在早期光通信领域也有使用长度可调的光纤来实现光信号的延迟，但精度不高。而后，随着光延迟技术的发展，出现了基于光纤光程变化的光纤延迟结构，利用步进电机调整内部反射镜的位置，从而改变光传播的空间光程，达到调节延时的目的，这种方法精度高，一般可以达到飞秒级别并且具有很大的延迟量调节范围。光路延迟鉴相结构的实现也便得益于光延迟技术的发展，由于混频器与低通滤波器的组成的鉴相器结构，当且仅当输入两路信号同频率且正交时，输出误差信号为0，利用这一点，可以将两路射频信号相位差锁定在90°，即可以利用可调光线延迟线实现毫米波信号宽范围调谐的功能，并且相较于传统的光外差结构，在毫米波信号的锁定范围、相噪特性、频率稳定性、可调谐性等方面有较大的提升。
发明内容
一种宽捕获范围可调谐光生毫米波信号产生装置，其特征在于：包括毫米波信号产生结构、毫米波信号调制结构、光延迟鉴相结构以及反馈控制环路；其中，所述毫米波信号产生结构通过主、从两激光器产生的光信号拍频得到毫米波信号，所述毫米波信号通过电光调制结构调制到主激光器的光载波上，再通过光延迟鉴相结构产生一个与毫米波信号频率有关的误差信号，所述误差信号由反馈控制环路自适应改变从激光器的温度与驱动电流，协同调节激光器的输出波长，最终保持毫米波信号频率与相位的稳定；并且改变所述光延迟鉴相结构中可调光纤延迟线，可以实现毫米波信号频率的宽范围捕获与调谐。
根据权利要求1所述的产生装置，其特征在于：所述毫米波信号产生结构包括：两个激光器，一个1×2光耦合器，一个2×2光耦合器，一个高速光电探测器；
所述第一激光器(主激光器)和第二激光器(从激光器)，分别产生特定波长的两路光信号L1和L2，为保证产生毫米波信号质量，主激光器一般选用窄线宽激光器，光信号L1输入1×2光耦合器，光信号L2输入2×2光耦合器；所述1×2光耦合器，用于将主激光器输出的光信号L1分为两路光信号L11和 L12，光信号L11进入光耦合器，光信号L12输入毫米波信号调制结构；所述 2×2光耦合器，用于将光信号L11和光信号L2进行耦合，输入高速光电探测器；所述高速光电探测器，用于对耦合输入的光信号进行拍频，产生毫米波信号频率为fRF，并输入毫米波信号调制结构。
根据权利要求2所述的产生装置，其特征在于：所述毫米波信号调制结构包括：一个马赫曾德尔电光调制器(MZM)，一个电功分器；
所述电功分器将毫米波信号分为两路E1和E2，E1进行信号的输出， E2输入MZM的射频输入端，调节MZM的直流偏置电压，使其工作在正交点，用于将光信号调制上射频信号E2，从而输出光信号L3至光路延迟鉴相结构。
根据权利要求3所述的产生装置，其特征在于：所述光路延迟鉴相结构包括：一个1×2光耦合器，一个可调光纤延迟线，两个高速光电探测器，一个混频器，一个低通滤波器；
所述1×2光耦合器，用于将光信号L3分为两路光信号L31和光信号 L32；所述可调光纤延迟线，用于配平两路信号的延时一致的同时产生延时τ，从而使两路信号产生相应的相位差2πfRFτ，输出光信号L31’；所述第一高速光电探测器，用于将光信号L31转换成电信号E3；所述第二高速光电探测器，用于将光信号L32转换成电信号E4；所述混频器，用于将射频信号E3与射频信号E3进行混频，得到相差信号；所述低通滤波器，用于对相差信号进行低通滤波，滤除高频分量，得到直流的误差信号输入反馈控制环路；
对于由混频器和低通滤波器组成的鉴相器结构，仅当输入的信号同频且正交时，输出误差信号为0，即锁定点。理想情况下锁定点可以有无穷多个，但受到实际器件带宽的限制，相位一般锁定在
Figure BDA0003073497710000031
处，由此可以得到毫米波信号最终锁定的频率
Figure BDA0003073497710000041
因此，当调节光纤延迟线的延时τ，可以实现毫米波信号频率的宽范围调谐；同时可以得到捕获范围为
Figure BDA0003073497710000042
到
Figure BDA0003073497710000043
Figure BDA0003073497710000044
即理论上光外差拍频产生的毫米波信号的频率fRF落在0到
Figure BDA0003073497710000045
的捕获范围内均可以被系统捕获，最终稳定至
Figure BDA0003073497710000046
根据权利要求4所述的产生装置，其特征在于：所述反馈控制环路包括：可控泵浦电流源，单片机控制电路；
所述可控电流源：根据输入的误差信号，自适应改变从激光器驱动电流的大小，进而窄范围高精度地改变从激光器输出波长；所述单片机控制电路：由单片机对输出的误差信号进行采样并进行处理，根据误差电压大小相应调节激光器的工作温度，从而宽范围低精度地改变从激光器输出波长；利用温度和驱动电流对激光器输出波长调节的互补特性，共同完成调谐与稳频的作用。
附图说明
图1为本发明装置的具体结构示意图。
图中：1—(主)激光器，2—(从)激光器，3—1×2光耦合器，4—2×2光耦合器，5—高速光电探测器，6—电功分器，7—电光调制器，8—1×2光耦合器，9 —可调光纤延迟线，10—高速光电探测器，11—高速光电探测器，12—混频器， 13—低通滤波器，14—可控电流源，15—单片机控制电路。
图2为本发明装置在理想情况下低通滤波器输出误差信号归一化幅值与毫米波信号频率关系的示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明基于光锁相环的可调谐光生毫米波信号产生装置，整个系统包括毫米波信号产生结构、毫米波信号调制结构、光路延迟鉴相结构以及反馈控制环路。如图1所示，其中毫米波信号产生结构由主激光器1、从激光器2、1×2 光耦合器3、2×2光耦合器4、高速光电探测器5组成；毫米波信号调制结构由主激光器1、1×2光耦合器3、电功分器6、电光调制器7组成；光路延迟鉴相结构由1×2光耦合器8、可调光纤延迟线9、高速光电探测器10、高速光电探测器11、混频器12、低通滤波器13组成；反馈控制环路由可控电流源14、单片机控制电路15组成，系统最终产生的毫米波信号由电功分器6的其中一路输出。
主激光器1输出的光L1通过保偏光纤耦合进入1×2光耦合器2，经1 ×2光耦合器2分路为L11与L12，其中L11与搭载从激光器输出光L2的保偏光纤耦合进入2×2光耦合器4，2×2光耦合器4的输出光经过光纤连接到高速光电探测器5拍频后，即可得到毫米波信号；经过电功分器6分路，其中E1为信号输出端，可以连接频谱仪观测，也可以连接其他特定系统的毫米波输入口， E2通过射频线耦合进入电光调制器7的射频输入口，1×2光耦合器2输出的另外一光路L12耦合进入电光调制器7的光输入口，构成了毫米波信号调制结构；毫米波信号调制到光载波上后，由电光调制器7的输出口通过光纤L3连接到1×2 光耦合器8，1×2光耦合器8输出与可调光纤延迟线9、高速光电探测器10分别通过光纤L31、L32连接，可调光纤延迟线9对光信号延迟时间τ后输出，通过光纤L31’连接到高速光电探测器11，光路L31’和L32上的光信号分别经过高速光电探测器10与高速光电探测器11拍频后，输出的射频信号通过射频线E3和 E4连接到混频器12的两个射频输入口，混频器12输出连接低通滤波器13，这构成了光路延迟鉴相结构；低通滤波器13输出误差信号，输入可控电流源14，控制输入从激光器2的驱动电流，同时单片机也对输出的误差信号进行采样，反馈控制激光器的温度，两者共同完成从激光器2波长的调谐，构成反馈控制环路。
本实施方式中，主激光器选用窄线宽的激光器且保持驱动电流及温度的恒定，仅调节从激光器的驱动电流及温度，从而实现毫米波信号的频率调谐以及高稳定性。温度对于毫米波信号频率的改变范围较大，可用于粗略调节；驱动电流对于毫米波信号频率的调节的范围较小但是快速且近似线性，因此可用于精细调节。据此，在本方案中利用可调光纤延迟线对毫米波信号进行调谐时，可以先使用温度进行粗调，在误差信号电压小于某个阈值之后，控制电流进行细调，由此既可以保证毫米波信号宽范围调谐的同时，又能够保证毫米波信号频率的稳定性。
本实施方式中，光路延迟鉴相结构由高精度可调光纤延迟线、两个性能相同的高速光电探测器、混频器和低通滤波器组成，最后由低通滤波器输出误差信号供后续电路处理。
本实施方式中，高精度可调光纤延迟线的作用在于：其一产生一定的延时(记为τ)，当调制有射频的光信号经过延时τ后，相位能够发生2πfRFτ的改变，然后经过由混频器和低通滤波器组成的鉴相器鉴相后，输出直流误差信号。由于该种鉴相器的物理特性，当且仅当输入的相位差为
Figure RE-GDA0003156570510000061
时，输出误差信号为0，所以可以得到误差信号的电压与射频信号频率的曲线，如图 2所示。但由于器件的物理限制，一般设置锁定点相位为
Figure RE-GDA0003156570510000062
此时毫米波信号最终锁定的频率
Figure RE-GDA0003156570510000063
改变可调光纤延迟线的延时τ，即可实现毫米波信号的调谐输出。例如，当设定可调光纤延迟线延时τ＝10ps时，对应只有上述毫米波信号产生结构产生的射频信号频率fRF＝25GHz时，低通滤波器输出的误差信号才会为0，即频率锁定，如图2所示；同时理想的捕获范围为0-50GHz，即当毫米波信号频率fRF≠25GHz且落在捕获范围内时，都能够根据输出误差信号的值，调节从激光器的驱动电流和温度，最终使毫米波信号的频率稳定在 25GHz；当设定可调光纤延迟线延时τ＝12.5ps时，能够产生频率fRF＝20GHz的毫米波信号，即实现了毫米波信号5GHz范围的调谐。其二用于配平参考路的延时，在实际系统中，除了可调光纤延迟线能使两路信号产生延时以外，两路光纤和射频线长度的不同、光电探测器等都会使两路信号产生延时偏差，所以需要可调光纤延迟线对这个延时进行配平，从而保证产生毫米波信号的精确性。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种宽捕获范围频率可调谐光生毫米波信号产生装置，其特征在于：包括毫米波信号产生结构、毫米波信号调制结构、光延迟鉴相结构以及反馈控制环路；其中，所述毫米波信号产生结构通过主、从两激光器产生的光信号拍频得到毫米波信号，所述毫米波信号通过电光调制结构调制到主激光器的光载波上，再通过光延迟鉴相结构产生一个与毫米波信号频率有关的误差信号，所述误差信号通过反馈控制环路控制自适应改变从激光器的温度与驱动电流，协同调节激光器的输出波长，最终保持毫米波信号频率与相位的稳定；并且改变所述光延迟鉴相结构中可调光纤延迟线长度，可以实现毫米波信号频率的宽范围捕获与调谐。
2.根据权利要求1所述的产生装置，其特征在于：所述毫米波信号产生结构包括：两个激光器，一个1×2光耦合器，一个2×2光耦合器，一个高速光电探测器；
所述第一激光器(主激光器)和第二激光器(从激光器)，分别产生特定波长的两路光信号L1和L2，为保证产生毫米波信号质量，主激光器一般选用窄线宽激光器，光信号L1输入1×2光耦合器，光信号L2输入2×2光耦合器；所述1×2光耦合器，用于将主激光器输出的光信号L1分为两路光信号L11和L12，光信号L11进入光耦合器，光信号L12输入毫米波信号调制结构；所述2×2光耦合器，用于将光信号L11和光信号L2进行耦合，输入高速光电探测器；所述高速光电探测器，用于对耦合输入的光信号进行拍频，产生毫米波信号频率为fRF，并输入毫米波信号调制结构。
3.根据权利要求2所述的产生装置，其特征在于：所述毫米波信号调制结构包括：一个马赫曾德尔电光调制器(MZM)，一个电功分器；
所述电功分器将毫米波信号分为两路E1和E2，E1进行信号的输出，E2输入MZM的射频输入端，调节MZM的直流偏置电压，使其工作在正交点，用于将光信号调制上射频信号E2，从而输出光信号L3至光延迟鉴相结构。
4.根据权利要求3所述的产生装置，其特征在于：所述光延迟鉴相结构包括：一个1×2光耦合器，一个可调光纤延迟线，两个高速光电探测器，一个混频器，一个低通滤波器；
所述1×2光耦合器，用于将光信号L3分为两路光信号L31和光信号L32；所述可调光纤延迟线，用于配平两路信号的延时一致的同时产生延时τ，从而使两路信号产生相应的相位差2πfRFτ，输出光信号L31’；所述第一高速光电探测器，用于将光信号L31转换成电信号E3；所述第二高速光电探测器，用于将光信号L32转换成电信号E4；所述混频器，用于将射频信号E3与射频信号E3进行混频，得到相差信号；所述低通滤波器，用于对相差信号进行低通滤波，滤除高频分量，得到直流的误差信号输入反馈控制环路；
对于由混频器和低通滤波器组成的鉴相器结构，仅当输入的信号同频且正交时，输出误差信号为0，即锁定点。理想情况下锁定点可以有无穷多个，但受到实际器件带宽的限制，相位一般锁定在
Figure FDA0003073497700000021
处，由此可以得到毫米波信号最终锁定频率
Figure FDA0003073497700000022
因此，当调节光纤延迟线的延时τ，可以实现毫米波信号频率的宽范围调谐；同时可以得到捕获范围为
Figure FDA0003073497700000023
到
Figure FDA0003073497700000024
即理论上系统产生的毫米波信号的频率fRF落在0到
Figure FDA0003073497700000025
的捕获范围内均可以被系统捕获，通过从激光器温度和驱动电流的共同调谐，最终稳定信号频率至
Figure FDA0003073497700000026
5.根据权利要求4所述的产生装置，其特征在于：所述反馈控制环路包括：可控电流源，单片机控制电路；
所述可控电流源：根据输入的误差信号，自适应改变输入至从激光器驱动电流的大小，进而窄范围高精度地改变从激光器输出波长，保持毫米波信号频率的锁定；所述单片机控制电路：由单片机对输出的误差信号进行采样并进行处理，根据误差电压大小相应调节激光器的工作温度，从而宽范围低精度地改变从激光器输出波长，实现对毫米波信号的宽范围调谐作用。
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