CN114124235B - 模拟光子链路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤通信技术领域，提供一种模拟光子链路，包括：发射单元和接收单元；发射单元包括连续波激光器和直调激光器；直调激光器，包括光信号输入端、光信号输出端和电信号输入端；光信号输入端与连续波激光器的输出端连接；光信号输出端与接收单元的输入端连接；电信号输入端用于接收微波调制信号；连续波激光器用于生成注入光；直调激光器用于在注入锁定状态下基于微波调制信号，对光载波进行调制后生成光载模拟信号；接收单元，用于对光载模拟信号进行光电转化，生成电信号。本发明提供的模拟光子链路，提高了直调激光器的调制带宽，抑制了因强度调制下载流子波动导致的频率啁啾，降低了模拟光子链路的成本。

Description

模拟光子链路

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种模拟光子链路。

背景技术

模拟光子技术具有大带宽、低传输损耗、易复用等特点，可以实现对宽带模拟信号的远距离传输，可应用在机载拽曳诱饵系统、光延时雷达测试、射电望远镜阵列的信号传输、分布式雷达组网、光载无线通信等场景。基于马赫增德尔调制器的强度调制直接探测（Intensity Modulation Direct Detection，IMDD）模拟光子链路是当前最为流行的链路结构，但存在控制复杂、成本高等问题。马赫增德尔调制器需要采用偏置点控制电路克服调制器偏置点漂移的问题，工作条件要求较高，光子器件的成本较高。

随着射电望远镜阵列、分布式雷达基站等设备采用模拟光子链路时，随着单元数量的增加，系统所需的模拟光子链路成本剧增，需要开发一种低成本高性能的模拟光子链路。

相比于外调制策略，直调激光器的方案具有更低的成本，但在带宽、非线性等方面存在一定问题。激光器的带宽受张弛振荡频率的限制，通常只有~10GHz量级，可承载信号的频率与带宽较低；此外，受载流子调制等效应的影响，直调激光器输出光存在啁啾，经过一定距离传输后会呈现功率衰落问题。

因此，如何提升直调激光器的调制带宽，降低输出光啁啾，获得低成本高性能的模拟光子链路成为业界亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种模拟光子链路，用于解决如何提升直调激光器的调制带宽，降低输出光啁啾，获得低成本高性能的模拟光子链路的技术问题。

本发明提供一种模拟光子链路，包括发射单元和接收单元；所述发射单元包括连续波激光器和直调激光器；

所述直调激光器，包括光信号输入端、光信号输出端和电信号输入端；所述光信号输入端与所述连续波激光器的输出端连接；所述光信号输出端与所述接收单元的输入端连接；所述电信号输入端用于接收微波调制信号；

所述连续波激光器用于生成注入光；

所述直调激光器用于基于所述注入光工作于注入锁定状态，并在所述注入锁定状态下基于所述微波调制信号，对光载波进行调制后生成光载模拟信号；

所述接收单元，用于对所述光载模拟信号进行光电转化，生成电信号。

根据本发明提供的模拟光子链路，还包括隔离器；

所述隔离器的输入端与所述连续波激光器的输出端连接，所述隔离器的输出端与所述直调激光器的光信号输入端连接。

根据本发明提供的模拟光子链路，所述直调激光器为宽带单模DFB激光器。

根据本发明提供的模拟光子链路，还包括传输单元；

所述传输单元的输入端与所述发射单元的输出端连接，所述传输单元的输出端与所述接收单元的输入端连接。

根据本发明提供的模拟光子链路，所述传输单元为光纤。

根据本发明提供的模拟光子链路，所述接收单元包括光电探测器和电滤波器；

所述光电探测器的输入端与所述发射单元的输出端连接，所述光电探测器的输出端与所述电滤波器的输入端连接。

根据本发明提供的模拟光子链路，所述光电探测器为单行载流子探测器。

根据本发明提供的模拟光子链路，所述发射单元还包括光分束器和光合束器；所述直调激光器包括第一直调激光器和第二直调激光器；

所述光分束器的输入端与所述隔离器的输出端连接，所述光分束器的第一输出端与所述第一直调激光器的光信号输入端连接，所述光分束器的第二输出端与所述第二直调激光器的光信号输入端连接；

所述光合束器的第一输入端与所述第一直调激光器的光信号输出端连接，所述光合束器的第二输入端与所述第二直调激光器的光信号输出端连接，所述光合束器的输出端与所述接收单元的输入端连接。

根据本发明提供的模拟光子链路，所述第一直调激光器用于基于微波调制信号，对第一光载波进行调制后生成光载模拟信号；

所述第二直调激光器用于基于本振信号，对第二光载波进行调制后生成光载模拟参考信号。

根据本发明提供的模拟光子链路，所述发射单元还包括光滤波器；

所述光滤波器的输入端与所述光合束器的输出端连接，所述光滤波器的输出端与所述接收单元的输入端连接。

本发明提供的模拟光子链路，包括发射单元和接收单元；发射单元包括连续波激光器和直调激光器；连续波激光器用于生成注入光，使得直调激光器工作于注入锁定状态，直调激光器在注入锁定状态下根据微波调制信号，对光载波进行调制后生成光载模拟信号；接收单元用于对光载模拟信号进行光电转化，生成电信号，由于连续波激光器和直调激光器形成了主从式锁定，使得发射单元工作于强注入、正失谐的工作条件，提高了直调激光器的调制带宽，抑制了张弛震荡峰，减弱了直调激光器非线性导致的杂散，抑制了因强度调制下载流子波动导致的频率啁啾，提升整个模拟光子链路的工作带宽、射频增益和动态范围。同时，相比于现有的外调制结构，发射单元只包含半导体激光器，降低了模拟光子链路的成本，无需偏置点控制，控制方式简单，更适用于规模性的模拟光子链路系统以及相对恶劣的工作环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的模拟光子链路的结构示意图之一；

图2为本发明提供的模拟光子链路的结构示意图之二；

图3为本发明提供的模拟光子链路的结构示意图之三。

附图标记：

100：发射单元；110：连续波激光器；120：直调激光器；

121：第一直调激光器；122：第二直调激光器；130：隔离器；

140：光分束器；150：光合束器；160：光滤波器；

200：接收单元；210：光电探测器；220：电滤波器；

300：传输单元；310光纤。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

图1为本发明提供的模拟光子链路的结构示意图之一，如图1所示，该链路包括发射单元100和接收单元200；

发射单元100包括连续波激光器110和直调激光器120；

直调激光器120，包括光信号输入端、光信号输出端和电信号输入端；光信号输入端与连续波激光器110的输出端连接；光信号输出端与接收单元200的输入端连接；电信号输入端用于接收微波调制信号；连续波激光器110用于生成注入光；直调激光器120用于基于注入光工作于注入锁定状态，并在注入锁定状态下基于微波调制信号，对光载波进行调制后生成光载模拟信号；接收单元200，用于对光载模拟信号进行光电转化，生成电信号。

具体地，本发明实施例提供的模拟光子链路至少包括发射单元100和接收单元200。其中，发射单元100用于根据调制信号和光载波信号生成光载模拟信号，并将该光载模拟信号发送至接收单元。接收单元200用于对接收到的光载模拟信号进行光电转化，得到传输的电信号。

直调激光器120包括光信号输入端、光信号输出端和电信号输入端。其中，光信号输入端与连续波激光器110的输出端连接，光信号输出端与接收单元200的输入端连接。电信号输入端与外部信号源连接，用于接收微波调制信号。微波调制信号是指用于调制的模拟微波信号。

连续波激光器110有稳定的工作状态，即是稳态。连续波激光器110中各能级的粒子数及腔内辐射场均具有稳定分布，其工作特点是工作物质的激励和相应的激光输出可以在一段较长的时间范围内以连续方式持续进行。

直调激光器120是指直接调制激光器。直接调制是用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。

主从式锁定指的是光从一个激光器（主激光器）输出经过隔离器注入到另一个激光器中，从而改变从激光器的一些运行特征。

在本发明实施例中，连续波激光器110生成注入光，该注入光可以通过隔离器，单向地注入直调激光器，形成主从式锁定，此时发射单元100工作于正失谐注入锁定状态。当注入光注入到从激光器实现注入锁定后，在锁定状态下，改变从激光器的频率而锁定状态不变，从激光器都能与主激光器实现同步运转，这时从激光器的频率变化范围就是注入锁定的频率锁定范围，也称为同步带宽。注入光的功率越高，锁频范围越大。

也就是说，可以利用半导体激光器在外部光注入下的光-光谐振效应，可以提升直调激光器120的调制带宽。当直调激光器120处于注入锁定状态时，直调激光器作为从激光器，其激射频率与主激光器（连续波激光器110）保持一致，进而抑制直调激光器在强度调制下的啁啾效应，当系统进行光载模拟信号的长程传输时，可以减弱因光纤色散导致的功率衰落问题，提升链路增益。

本发明实施例提供的模拟光子链路，包括发射单元和接收单元；发射单元包括连续波激光器和直调激光器；连续波激光器用于生成注入光，使得直调激光器工作于注入锁定状态，直调激光器在注入锁定状态下根据微波调制信号，对光载波进行调制后生成光载模拟信号；接收单元用于对光载模拟信号进行光电转化，生成电信号，由于连续波激光器和直调激光器形成了主从式锁定，使得发射单元工作于强注入、正失谐的工作条件，提高了直调激光器的调制带宽，抑制了张弛震荡峰，减弱了直调激光器非线性导致的杂散，抑制了因强度调制下载流子波动导致的频率啁啾，提升整个模拟光子链路的工作带宽、射频增益和动态范围。同时，相比于现有的外调制结构，发射单元只包含半导体激光器，降低了模拟光子链路的成本，无需偏置点控制，控制方式简单，更适用于规模性的模拟光子链路系统以及相对恶劣的工作环境。

基于上述实施例，还包括隔离器；

隔离器的输入端与连续波激光器的输出端连接，隔离器的输出端与直调激光器的光信号输入端连接。

具体地，可以在模拟光子链路中设置隔离器，将隔离器设置在连续波激光器和直调激光器之间。

隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件，其工作原理是基于法拉第旋转的非互易性。通过光纤回波反射的光能够被隔离器很好的隔离。隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。隔离器的特性是：正向插入损耗低，反向隔离度高，回波损耗高。隔离器是允许光向一个方向通过而阻止向相反方向通过的无源器件，作用是对光的方向进行限制，使光只能单方向传输，通过光纤回波反射的光能够被隔离器很好的隔离，提高光波传输效率。

通过隔离器，可以抑制直调激光器输出光反向进入到连续波激光器，对连续波激光器的工作状态造成干扰。

基于上述任一实施例，直调激光器为宽带单模DFB激光器。

具体地，DFB激光器（Distributed Feedback Laser，分布式反馈激光器），其不同之处是内置了布拉格光栅，属于侧面发射的半导体激光器。DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓、砷化镓、磷化铟、硫化锌等。DFB激光器最大特点是具有非常好的光谱纯度，它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边模抑制比，可高达40-50dB以上。

当直调激光器采用宽带单模DFB激光器，具有能量集中、光束质量高和功率低的优点。

基于上述任一实施例，还包括传输单元；

传输单元的输入端与发射单元的输出端连接，传输单元的输出端与接收单元的输入端连接。

具体地，可以在发射单元和接收单元之间设置传输单元，用于将光载模拟信号从发射单元传输至接收单元。

基于上述任一实施例，传输单元为光纤。

具体地，传输单元可以采用光纤。光纤，即光导纤维，由玻璃或者塑料制成，可以用作光传导工具。

传输单元还可以采用自由空间光通信技术。自由空间光通信系统是指以激光光波作为载波，大气作为传输介质的光通信系统。自由空间激光通信结合了光纤通信与微波通信的优点，既具有大通信容量、高速传输的优点，又不需要铺设光纤。

基于上述任一实施例，接收单元包括光电探测器和电滤波器；

光电探测器的输入端与发射单元的输出端连接，光电探测器的输出端与电滤波器的输入端连接。

具体地，光电探测器能检测出入射到其面上的光功率，并把这个光功率的变化转化为相应的电流。

电滤波器可以抑制传输后电信号的带外噪声与杂散。电滤波器可以是由电容、电感和电阻组成的滤波电路。

基于上述任一实施例，光电探测器为单行载流子探测器。

具体地，单行载流子探测器（Uni-Traveling-Carrier Photodiode, UTC-PD）只依靠电子作为有源载流子，具有快速响应，高饱和输出的特点。

传统的PIN型PD（Photodiode，光电二极管）由于光生空穴在本征耗尽区的移速较慢，导致空穴积累效应严重，从而形成内建电场，降低了载流子漂移速度；尤其在高光强辐照下，PD处于大注入状态，PIN型PD的响应度显著降低，3dB带宽明显变窄。而相较于PIN型PD，单行载流子探测器的能带是由P型光吸收层和N型宽带隙集结层构成，并且只有电子作为有源载流子。由于电子迁移率远大于空穴迁移率，所以电子的漂移速度具备明显优势。

基于上述任一实施例，图2为本发明提供的模拟光子链路的结构示意图之二，如图2所示，该模拟光子链路包括发射单元100、接收单元200和传输单元300。

其中，发射单元100包括连续波激光器110、隔离器130、直调激光器120；传输单元300包括光纤310；接收单元200包括光电探测器210、电滤波器220。

连续波激光器110，用于产生注入光载波。隔离器130，抑制直调激光器输出光反向进入到连续波激光器，避免对连续波激光器的工作状态造成干扰。直调激光器120，将模拟信号调制于光载波，在外部光的注入下，通过调节与连续波激光器110之间的功率比例、频率差异，实现对直调激光器频率响应的控制。通常发射单元100工作于强注入、正失谐的工作条件，提高直调激光器调制带宽、抑制张弛震荡峰，抑制因强度调制下载流子波动导致的频率啁啾，提升链路的工作带宽、射频增益、动态范围。光纤310，用于传输光载模拟信号至远端的接收端，实现模拟信号的低损耗传输。光电探测器210，将传输后的光载信号转换为模拟电信号。电滤波器220，抑制传输后电信号的带外噪声与杂散，输出电信号。

基于上述任一实施例，发射单元还包括光分束器和光合束器；直调激光器包括第一直调激光器和第二直调激光器；

光分束器的输入端与隔离器的输出端连接，光分束器的第一输出端与第一直调激光器的光信号输入端连接，光分束器的第二输出端与第二直调激光器的光信号输入端连接；

光合束器的第一输入端与第一直调激光器的光信号输出端连接，光合束器的第二输入端与第二直调激光器的光信号输出端连接，光合束器的输出端与接收单元的输入端连接。

具体地，本发明实施例提供的模拟光子链路还可以用于混频链路。相应地，发射单元还可以包括光分束器和光合束器。直调激光器可以包括第一直调激光器和第二直调激光器。

在模拟光子混频链路中，光分束器设置于隔离器之后，直调激光器之前。光分束器的输入端与隔离器的输出端连接，光分束器的第一输出端与第一直调激光器的光信号输入端连接，光分束器的第二输出端与第二直调激光器的光信号输入端连接。

在模拟光子混频链路中，光合束器设置于直调激光器之后，接收单元之前。光合束器的第一输入端与第一直调激光器的光信号输出端连接，光合束器的第二输入端与第二直调激光器的光信号输出端连接，光合束器的输出端与接收单元的输入端连接。

基于上述任一实施例，第一直调激光器用于基于微波调制信号，对第一光载波进行调制后生成光载模拟信号；

第二直调激光器用于基于本振信号，对第二光载波进行调制后生成光载模拟参考信号。

具体地，由于第一直调激光器和第二直调激光器均是作为同一连续波激光器的从激光器，在同一连续波激光器的光注入下，两个直调激光器的输出光为相干光。

经过光合束器后，能够得到更高功率的激光光束。

基于上述任一实施例，发射单元还包括光滤波器；

光滤波器的输入端与光合束器的输出端连接，光滤波器的输出端与接收单元的输入端连接。

具体地，光滤波器是用来进行波长选择的仪器，它可以从众多的波长中挑选出所需的波长，而除此波长以外的光将会被拒绝通过。它可以用于波长选择、光放大器的噪声滤除、增益均衡、光复用/解复用。

调制后的光载波，在中心载频的上下两侧各产生一个频带，称作边带。通过光滤波器可以实现选取两个直调激光器产生的同一阶调制边带。

基于上述任一实施例，图3为本发明提供的模拟光子链路的结构示意图之三，如图3所示，该模拟光子链路为混频链路，包括发射单元100和接收单元200。

其中，发射单元100包括连续波激光器110、隔离器130、光分束器140、第一直调激光器121、第二直调激光器122、光合束器150和光滤波器160。接收单元200包括光电探测器210、电滤波器220。

连续波激光器110，用于产生注入光载波。隔离器130，抑制直调激光器输出光反向进入到连续波激光器，避免对连续波激光器的工作状态造成干扰。光分束器140，将连续激波光器110输出的光分为两束，分别注入到两个直调激光器121和122。第一直调激光器121调制模拟信号，第二直调激光器122调制参考信号。

在外部光的注入下，通过调节与连续波激光器110之间的功率比例和频率差异，实现对直调激光器频率响应的控制，提高直调激光器调制带宽、抑制张弛振荡频率峰和频率啁啾。在同一个连续激光器的光注入下，两个直调激光器输出光为相干光。光合束器150，将来自于两个直调激光器的调制后光信号进行合束。光滤波器160，选取两个直调激光器产生的同一阶调制边带。光电探测器210，将两激光器的调制边带进行拍频，得到混频后的电信号。电滤波器220，用于从光电探测器输出的电信号中选取出混频后对应的电信号，滤除带外杂散与噪声。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干命令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (7)

1.一种模拟光子链路，其特征在于，包括发射单元和接收单元；所述发射单元包括连续波激光器和直调激光器；

所述直调激光器，包括光信号输入端、光信号输出端和电信号输入端；所述光信号输入端与所述连续波激光器的输出端连接；所述光信号输出端与所述接收单元的输入端连接；所述电信号输入端用于接收微波调制信号；

所述连续波激光器用于生成注入光；

所述直调激光器用于基于所述注入光工作于注入锁定状态，并在所述注入锁定状态下基于所述微波调制信号，对光载波进行调制后生成光载模拟信号；

所述接收单元，用于对所述光载模拟信号进行光电转化，生成电信号；

还包括隔离器；

所述隔离器的输入端与所述连续波激光器的输出端连接，所述隔离器的输出端与所述直调激光器的光信号输入端连接；

所述发射单元还包括光分束器和光合束器；所述直调激光器包括第一直调激光器和第二直调激光器；

所述光分束器的输入端与所述隔离器的输出端连接，所述光分束器的第一输出端与所述第一直调激光器的光信号输入端连接，所述光分束器的第二输出端与所述第二直调激光器的光信号输入端连接；

所述光合束器的第一输入端与所述第一直调激光器的光信号输出端连接，所述光合束器的第二输入端与所述第二直调激光器的光信号输出端连接，所述光合束器的输出端与所述接收单元的输入端连接；

所述第一直调激光器用于基于微波调制信号，对第一光载波进行调制后生成光载模拟信号；

所述第二直调激光器用于基于本振信号，对第二光载波进行调制后生成光载模拟参考信号。

2.根据权利要求1所述的模拟光子链路，其特征在于，所述直调激光器为宽带单模DFB激光器。

3.根据权利要求1所述的模拟光子链路，其特征在于，还包括传输单元；

所述传输单元的输入端与所述发射单元的输出端连接，所述传输单元的输出端与所述接收单元的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的模拟光子链路，其特征在于，所述传输单元为光纤。

5.根据权利要求1所述的模拟光子链路，其特征在于，所述接收单元包括光电探测器和电滤波器；

所述光电探测器的输入端与所述发射单元的输出端连接，所述光电探测器的输出端与所述电滤波器的输入端连接。

6.根据权利要求5所述的模拟光子链路，其特征在于，所述光电探测器为单行载流子探测器。

7.根据权利要求1所述的模拟光子链路，其特征在于，所述发射单元还包括光滤波器；

所述光滤波器的输入端与所述光合束器的输出端连接，所述光滤波器的输出端与所述接收单元的输入端连接。

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