CN113438030A - 一种偏振不敏感的光子辅助毫米波相干接收装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种偏振不敏感的光子辅助毫米波相干接收装置，光载波中心频率为fc，相位调制器将中心频率为fs毫米波射频信号调制到相位调制器输出的1阶和‑1阶边带，利用隔离器和布拉格光纤光栅滤波获取‑1阶边带；偏振不敏感零差相干探测单元的一端与布拉格光纤光栅输出端连接，为信号光；偏振不敏感零差相干探测单元的另一端和可调激光器连接，信号光和本振光均经过一个偏振控制装置调整为X偏振态，再对信号进行零差相干探测。本发明方案采用偏振分束、旋转加耦合，解决了传统相干探测方法的缺陷，基于相位调制器的微波光子下变频，进而实现超宽带、高灵敏度毫米波射频信号接收和解调，支撑毫米波无线通信大容量、远距离传输。

Description

一种偏振不敏感的光子辅助毫米波相干接收装置
技术领域
本发明属于微波光子学技术领域，尤其涉及一种偏振不敏感的光子辅助毫米波相干接收装置。
背景技术
为了实现更高速率更大带宽的无线通信，通信频率向更高频段演进，毫米波段由于其数个GHz的可用频谱资源，是未来无线通信的发展方向。受到基带信号处理速率和模数/数模转换器件瓶颈制约，直接对数GHz带宽的毫米波射频信号进行直接检测，涉及电域混频、滤波，器件成本高，难度大。基于微波光子下变频技术可利用相干探测技术将毫米波射频信号直接变换到基带，并且相干探测对微弱光信号的检测有巨大的性能优势，这可以充分利用光学器件带宽大、损耗低等特点，能降低高频射频信号混频、滤波的代价。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种偏振不敏感的光子辅助毫米波相干接收装置，采用偏振分束、旋转加耦合，解决了传统相干探测方法的缺陷，基于相位调制器的微波光子下变频，进而实现超宽带、高灵敏度毫米波射频信号接收和解调，支撑毫米波无线通信大容量、远距离传输。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种偏振不敏感的光子辅助毫米波相干接收装置，包括依次连接的相位调制器、隔离器、布拉格光纤光栅、偏振不敏感零差相干探测单元，光载波中心频率为fc，利用相位调制器将中心频率为fs毫米波射频信号调制到相位调制器输出的1阶和-1阶边带，利用隔离器和布拉格光纤光栅滤波获取-1阶边带；偏振不敏感零差相干探测单元的一端与布拉格光纤光栅输出端连接，为信号光fc-fs；偏振不敏感零差相干探测单元的另一端和可调激光器连接，为本振光，信号光和本振光均经过一个偏振控制装置调整为同一偏振态，再进入90°Hybird和平衡探测器，对fc-fs信号进行零差相干探测。
按上述技术方案，偏振控制装置包括偏振分束、偏振旋转器和保偏耦合器。
按上述技术方案，1阶和-1阶边带分别为：fc+fs和fc-fs。
按上述技术方案，本振光中心频率也调整为fc-fs。
按上述技术方案，信号光经过偏振分束器后分解为偏振态能量相同的不同偏振态的两束，其中一束经过一个偏振旋转器调整为相反偏振方向，再经过一个保偏耦合器将其与偏振分束器输出的另一束偏振光进行耦合。信号光和本振光经过偏振控制装置均调整为X偏振态。
本发明产生的有益效果是：利用偏振控制装置调整信号光载波和本振光的偏振状态，提高了微波光子下变频的灵敏度和转换效率，实现对任意毫米波射频信号下变频，支撑毫米波无线通信大容量、远距离传输。本发明可应用于超宽带毫米波无线通信系统中，解决了光子辅助毫米波无线通信中光信号对于偏振敏感的问题。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例偏振不敏感的光子辅助毫米波相干接收装置的技术原理图；
图2为现有方法的接收技术原理图；
图3为本发明实施例偏振不敏感的光子辅助毫米波相干接收和现有方法相干接收得到的基带信号幅度性能对比示意图；
图4是本发明实施例偏振不敏感的光子辅助毫米波相干接收对不同偏振态信号光输出幅度示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例偏振不敏感的光子辅助毫米波相干接收装置包括依次连接的固定波长激光器、相位调制器、隔离器、布拉格光纤光栅。光载波中心频率为fc，利用相位调制器将中心频率为fs毫米波射频信号调制到相位调制器输出的1阶和-1阶边带，fc+fs和fc-fs，利用隔离器和布拉格光纤光栅滤波获取-1阶边带fc-fs。基于相位调制器(PM)的微波光子下变频技术比基于推挽马赫曾德尔调制器(MZM)的微波光子下变频技术更具优势，PM具有的较大的调制带宽避免对接收到的位于较高载波频率上的无线毫米波信号的模拟下变频，从而简化接收端的结构。同时，电光转换得到的光信号具有一个较大的光信噪比(OSNR)，从而有助于实现更高质量的信号传输。
偏振不敏感零差相干探测单元的一端与基于相位调制器的下变频结构中的布拉格光纤光栅输出端连接，为信号光fc-fs；偏振不敏感零差相干探测单元的另一端和可调激光器连接，为本振光，其中心频率也调整为fc-fs。信号光和本振光均要经过一个由偏振分束、偏振旋转和保偏耦合器构成的偏振控制装置调整为同一偏振态，再进入90°Hybird和平衡探测，实现对fc-fs信号的零差相干探测，完成毫米波射频信号到基带信号的解调。信号光经过偏振分束器后分解为偏振态能量相同的不同偏振态的两束，其中一束经过一个偏振旋转器调整为相反偏振方向，再经过一个保偏耦合器将其与偏振分束器输出的另一束偏振光进行耦合。
如图1所示，其中，ECL表示外腔激光器，PM表示光相位调制器，ISO表示光隔离器，FBG表示布拉格光纤光栅，TL表示可调激光器，PBS表示光偏振分束器，PBR表示光偏振旋转器，PM-OC表示保偏耦合器。利用偏振控制装置调整信号光载波和本振光的偏振状态，提高了微波光子下变频的灵敏度和转换效率，可实现对任意毫米波射频信号下变频，支撑毫米波无线通信大容量、远距离传输。本发明实施例中的偏振不敏感指：系统中的光源可以是任意偏振态的，且其偏振态不影响接收端的输出。本发明实施例中的光子辅助指：毫米波射频载波承载的信号会先转换到光域上，再从光域直接转换到基带。
首先，由外腔激光器(External Cavity Laser，ECL)产生的连续光波fc注入光相位调制器PM，相位调制器将毫米波信号fs调制后生成上下两个边带fc±fs，注入到光隔离器(Isolator，ISO)，ISO再和布拉格光纤光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)连接，则FBG输出的光信号由公式(1)表示：
Esig＝Ec{J1(βPM)cos[2π(fc-fs)t] (1)
其中，Ec为光源的输出电场强度，fc为光载波频率，fs为毫米波信号中心频率，这里AM1＝π(Vs/Vπ)(Vπ是PM的半波电压，Vs是单音信号的平均电压)，用来表征第一个PM的调制指数；J1表征阶数为1的第一类贝塞尔函数。可以看出第一个PM的输出经过ISO和FBG滤波后理论上仅为一束频率为fc-fs的含有信号的偏振光。
FBG端口输出是带有调制信号的信号光，假设信号X和Y偏振态能量相同，则信号经过偏振分束器(Polarization Beam Splitter，PBS)后输出X和Y两束偏振光，表示如下：
Esig-x＝0.5Ec{J1(βPM)cos[2π(fc-fs)t] (2)
Esig-y＝0.5Ec{J1(βPM)cos[2π(fc-fs)t] (3)
之后Y偏振方向的光再经过一个偏振旋转器(Polarization Beam Rotator，PBR)调整为X偏振方向，再经过一个保偏耦合器将其与PBS输出的X偏振光进行耦合，则可以得到纯X偏振的信号光。对于本振光原理与信号光相同，因此可以得到纯X偏振的本振光。信号光和本证可以直接接入90°Hybird和平衡探测器进行零差探测，即可实现信号的解调。基带信号调制方式为8PSK或者16QAM调制。
图2中，AM表示强度调制器，TOF表示可调激光器。传统的光学相干探测方法需要对信号光进行一次偏振分束成两个X和Y偏振方向的信号光，这两个信号光再分别本振光进入90°Hybird后输出到平衡探测器得到基带信号，该方法会分别利用信号光X和Y两个偏振方向上的能量，进而分别输出X偏振下的信号和Y偏振下的信号。如果信号光和本振光的偏振方向完全垂直，则该方法无任何输出，即无法检测出信号。此外，利用该方法无法完全利用信号光的能量，可能造成信噪比的损耗，使得接收机对毫米波信号的解调门限存在差异，不利于毫米波实现超宽带传输。
图3所示为本发明实施的典型案例结果与传统方法的性能对比，搭建了毫米波无线通信系统，毫米波射频频率为35GHz，调制格式采用正交相移键控(QPSK)，系统波特率为5Gbaud，接收机探测方式为零差相干探测。
采用图1所示的偏振不敏感的光子辅助毫米波相干接收技术方案，并与采取图2所示的微波光子下变频结构的毫米波接收方案进行性能比较，图3所示为两种光子下变频后输出信号的强度对比，可以看到采用本发明提出的偏振不敏感的光子辅助毫米波相干接收技术后，信号的输出响应得到明显增强，系统整体插入损耗较小，图4所示为系统的对不同偏振态信号的输出强度性能，可以看出，系统对不同偏振态输入可以保持稳定的输出。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种偏振不敏感的光子辅助毫米波相干接收装置，其特征在于，包括依次连接的相位调制器、隔离器、布拉格光纤光栅、偏振不敏感零差相干探测单元，光载波中心频率为fc，利用相位调制器将中心频率为fs毫米波射频信号调制到相位调制器输出的1阶和-1阶边带，利用隔离器和布拉格光纤光栅滤波获取-1阶边带；偏振不敏感零差相干探测单元的一端与布拉格光纤光栅输出端连接，为信号光fc-fs；偏振不敏感零差相干探测单元的另一端和可调激光器连接，为本振光，信号光和本振光均经过一个偏振控制装置调整为同一偏振态，再进入90°Hybird和平衡探测器，对fc-fs信号进行零差相干探测。
2.根据权利要求1所述的偏振不敏感的光子辅助毫米波相干接收装置，其特征在于，偏振控制装置包括偏振分束、偏振旋转器和保偏耦合器。
3.根据权利要求1或2所述的偏振不敏感的光子辅助毫米波相干接收装置，其特征在于，1阶和-1阶边带分别为：fc+fs和fc-fs。
4.根据权利要求1或2所述的偏振不敏感的光子辅助毫米波相干接收装置，其特征在于，本振光中心频率也调整为fc-fs。
5.根据权利要求1或2所述的偏振不敏感的光子辅助毫米波相干接收装置，其特征在于，信号光经过偏振分束器后分解为偏振态能量相同的不同偏振态的两束，其中一束经过一个偏振旋转器调整为相反偏振方向，再经过一个保偏耦合器将其与偏振分束器输出的另一束偏振光进行耦合。
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