CN114204997A - 一种32倍频毫米波信号的光学产生方法与装置 - Google Patents

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CN114204997A CN202111405700.5A CN202111405700A CN114204997A CN 114204997 A CN114204997 A CN 114204997A CN 202111405700 A CN202111405700 A CN 202111405700A CN 114204997 A CN114204997 A CN 114204997A
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Abstract

本发明涉及射频通信技术领域，具体地说，涉及一种32倍频毫米波信号的光学产生方法与装置。包括通过将光波分成两个正交偏振方向、上路光分成两路光分别进行偏振调制，射频信号分成两路分别驱动对应偏振调制器，其输出汇聚、光波再次被分为两路并分别注入到对应的偏振调制器中，其输出再次汇聚、下路光复用，抑制光学载波后通过光放大器最终得到32倍频的毫米波信号等步骤。本发明设计的方法具有倍频因子高、无需滤波器、结构简单等优点，所生成信号的质量更高，可以有效弥补现有毫米波产生方法倍频因子低的不足，适用于当前及未来的无线和光纤通信系统；其装置可以降低对设备的要求，从而实现以较低成本、简单结构实现高倍频毫米波信号的产生。

Description

一种32倍频毫米波信号的光学产生方法与装置
技术领域
本发明涉及射频通信技术领域，具体地说，涉及一种32倍频毫米波信号的光学产生方法与装置。
背景技术
移动互联网、云计算、大数据、云计算、区块链、5G等信息化浪潮的兴起带来了极大的网络容量需求，急剧增长的业务流量给接入网带来极为严峻的挑战，6GHz以下等低频段频谱资源日益匮乏和对超高速大宽带接入的迫切需求使得研究者们将目光转向了频谱资源更加充裕的高频毫米波频段。然而，受电子瓶颈的制约，传统电的方式生成毫米波信号难度较大且成本较高；同时，高频信号的大气信道衰减特性也极大地限制了毫米波信号的无线传输距离。基于光载射频的毫米波产生和传输技术不仅可以更加简单灵活地产生高频载波，还可以无缝接入光纤链路，降低电光转换的损耗，实现毫米波信号传输距离的拉远，在未来的无线接入网中拥有极为广泛的应用前景。
近年来，人们基于光学的方法提出了不少方案来实现毫米波信号的产生。其中主要的方案是借助外调制器并结合光学滤波器进行选频的方式来产生毫米波信号，光学滤波器的选用使系统的可调谐大大降低，同时还增加了系统成本。还有一些方案直接采用外调制中的马赫-曾德尔光调制器(MZM)，并利用MZM调制器本身的非线性特性，直接产生毫米波信号，虽然避免了光学滤波器的使用，然而MZM的偏置点会随着环境温度、震动等情况发生漂移，严重影响着所生成毫米波信号的质量，这就需要额外复杂的偏置控制电路，进而增加了系统的成本和复杂度。目前国内外也有一些课题组采用偏振调制器可产生毫米波信号，但是都停留在低倍频因子的毫米信号产生阶段，很难适应频谱资源紧缺的未来。
专利号为CN202010838087.5中国发明公开了一种16倍毫米波信号的光学产生方法与装置，其装置包括：连续激光器、第一偏振控制器、偏振分束器、第一光分路器、第一马赫-曾德尔光调制器、第二马赫-曾德尔光调制器、合路器、偏振光束合路器、光学耦合器、第二偏振控制器、第一偏振器、第三偏振控制器、第二偏振器、发光二极管、光电二极管。该发明不需要高功率放大器和电的放大器，可以降低系统成本、简化系统结构，但仍然无法满足更高倍频毫米波信号的产生需求。鉴于此，我们提出了一种32倍频毫米波信号的光学产生方法与装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种32倍频毫米波信号的光学产生方法与装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述技术问题的解决，本发明的目的之一在于，提供了一种32倍频毫米波信号的光学产生方法，包括如下步骤：
S1、从连续激光器发出的角频率为ω0的光波经过偏振控制器，再经过第一偏振分束器将光分成两个正交偏振方向分别送入到系统的上下支路，其中上路光为x方向，下路光为y方向；
S2、上路光经过第二偏振分束器分成两路光，两路光分别注入到对应的第一偏振调制器和第二偏振调制器中，同时射频信号源发出的射频信号经第一电分路器分成两路，一路射频信号经过第一移相器移相π/4后注入第二光分路器后分为两支路，上支路射频信号直接驱动第三偏振调制器，下支路射频信号经过第二移相器移相π/2后再驱动第四偏振调制器，同时另一路射频信号经过第三分路器后分为两支路射频信号，上支路射频信号直接驱动第一偏振调制器，下支路射频信号经过第三移相器π/2后再驱动第二偏振调制器；然后，第一偏振调制器和第二偏振调制器的输出经第一偏振光束合路器汇聚到一起，经过第一偏振片后，保留4n阶光边带，再注入第三偏振分束器；
S3、经过第三偏振分束器后，光被分为两路，两路光分别注入到对应的第三偏振调制器和第四偏振调制器中；第三偏振调制器和第四偏振调制器的输出经第二偏振光束合路器汇聚到一起，经过第二偏振器后，保留8n阶光边带；
S4、下路光未进行任何调制，与第二偏振器的输出一起经过第三偏振光束合路器偏振复用，注入到第三偏振器中；第三偏振器的主轴由偏振控制器与第三偏振光束合路器的一个主轴成α角度对齐，以抑制光学载波，只留下两个十六阶边带；信号再经由单模光纤传输到基站端；在基站端，通过光放大器后，两个十六阶边带被光电二极管进行光电探测，通过光电探测器进行拍频得到三十二倍频的毫米波信号。
作为本技术方案的进一步改进，所述S1中，通过第一偏振分束器控制光载波的光场分配比的计算方式如下：
设从连续激光器输出的光载波的场强为Ec(t)＝Ecexp(jωct)，其中Ec和ωc分别为光载波幅度和角频率；在第一偏振分束器之前的偏振控制器用于控制x轴和y轴方向上的光功率分配比；设偏振控制器方位角为θ，则经过第一偏振分束器的光场为
Figure BDA0003372148860000031
式(1)中，Ecx和Ecy分别为上支路(x轴方向)和下支路(y轴方向)方向上输出的光载波的场强；由式(1)可见，通过控制θ角，可控制光载波在上下支路中的场强大小的分配比。
作为本技术方案的进一步改进，所述S2中，上路光经过的各偏振调制流程的计算方式如下：
上支路光载波信号先后进入两个级联的第一偏振调制器和第二偏振调制器中；其中，第一组偏振调制器中的第二偏振分束器使输入到其上臂的光载波的偏振方向与第一偏振调制器主轴呈-45°角，此时第一偏振调制器的输出可以表示为
Figure BDA0003372148860000032
式(2)中，m＝πVm/Vx为偏振调制器的调制指数，其中Vm为加载在偏振调制器上射频信号源驱动信号的幅度，Vx为偏振调制器的半波电压；ωm为射频信号源驱动信号的角频率；
进而，输入到第一组偏振调制器下臂的光载波的偏振方向与第二偏振调制器主轴呈45°角，则第二偏振调制器的输出可以表示为
Figure BDA0003372148860000033
第一组偏振调制器中的第一偏振调制器和第二偏振调制器输出的光场在第一偏振光束合路器合为一路；则第一组偏振调制器的输出可以表示为
Figure BDA0003372148860000041
从第一组偏振调制器输出的光信号进入第一偏振器；设置第一偏振器的检偏角为0°，则第一偏振器的输出光信号场强可以表示为
Figure BDA0003372148860000042
应用Jacobi-Anger公式，将φ＝π/2代入(5)式得到：
Figure BDA0003372148860000043
式(6)中Jn()为第一类n阶Bessel函数；由式(6)知，从第一偏振器输出的光场中主要保留±4n阶光边带。
作为本技术方案的进一步改进，所述S3中，经过第三偏振分束器后光受到偏振调制的计算方式如下：
从第一偏振器输出的光进入与第一组偏振调制器结构相同的第二组偏振调制器，加载在两个偏振调制器上的射频信号源驱动电压之间有45°相移；第二偏振器的检偏角设为0°时，第二偏振器的输出可以近似表示为
Figure BDA0003372148860000051
式(7)中Cn表示cos(nωmt)项系数；
从式(7)可知，第二偏振器的输出信号中除了有中心载波分量外，还有±8n(n≥1)阶边带信号，其幅值由Jn()决定；由Jn()性质可知，±24阶以上光边带由于幅值很小，可忽略；各阶光边带幅值与式7中各项系数Cn成正比，Cn的大小与贝塞尔函数的阶数n及调制指数m有关；要产生32倍频毫米波，需要保留±16阶光边带，即保留式(7)中的cos(16ωmt)项；为了获得高光边带抑制比(OSSR)，需要尽可能抑制cos(8ωmt)项。
作为本技术方案的进一步改进，所述S4中，上下两路光合并偏振后，最后经光电转换后产生32倍频毫米波信号的计算方法如下：
通过第三偏振光束合路器，将由系统上支路第二组偏振器输出的光场EPol2与系统下支路的传输信号Ecy复合为一路信号，送入第三偏振器；调整第三偏振器的检偏角为45°，则第三偏振器的输出光场表示为
Figure BDA0003372148860000052
由式(8)知，当满足cosθC0＝-sinθ时，中心载波幅值为0，该表达式中的C0由式(7)得到，有
Figure BDA0003372148860000061
从而可求出偏振控制器的方位角为
Figure BDA0003372148860000062
式(8)中抵消中心载波后就只剩下16阶和24阶边带，式中的Cn可从式(7)得到；16阶光边带幅值最大，为所需边带，24阶边带幅值很小，为杂散边带，它们平方的比值为OSSR，则有：
Figure BDA0003372148860000063
从第三偏振器输出的光信号，经光电二极管的光电转化后，产生的光电流为
Figure BDA0003372148860000064
其中R为光电二极管的响应度；
式(11)中cos(32ωnt)项前面的系数与所产生32倍频毫米波信号的幅度正相关；由式(11)可知，最大杂波项为cos(40ωnt)的系数项最大，则40倍频处为最大射频信号源杂波信号；它们平方的比值为射频信号源SSR，则有：
Figure BDA0003372148860000065
作为本技术方案的进一步改进，所述S1～S4中，第一偏振调制器、第二偏振调制器、第三偏振调制器和第四偏振调制器都被偏置在最大传输点，来抑制奇数阶边带的产生，且第一偏振调制器、第二偏振调制器、第三偏振调制器和第四偏振调制器的调制指数均设置为β保留正负十六阶边带的产生。
作为本技术方案的进一步改进，所述S1～S4中，第一偏振调制器和第二偏振调制器间存在π/2的相位差；经过第一偏振调制器和第二偏振调制，其正负二、六、十阶边带相位相反，正负四、八阶边带同相，两路光信号叠加后，第一偏振器的输出中，正负二、六、十阶边带抵消，正负四、八阶边带增强，其光成分主要为两个四阶边带、两个八阶边带和中心载波。
作为本技术方案的进一步改进，所述S1～S4中，第一偏振调制器和第三偏振调制器间存在π/2的相位差，第三偏振调制器和第四偏振调制器间存在π/2的相位差；经过第三偏振调制器和第四偏振调制后的两路光波相干叠加，经过第三偏振器后，其光成分主要为两个八阶边带、两个十六阶边带和中心载波；调节调制指数β，使正负八阶边带抵消，使其光成分主要为两个十六阶边带和中心载波。
本发明的目的之二在于，提供了一种32倍频毫米波信号的光学产生装置，该装置用于支撑实现权利要求8所述的32倍频毫米波信号的光学产生方法的步骤流程，其特征在于：包括连续激光器、偏振控制器、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一偏振调制器、第二偏振调制器、第一偏振光束合路器、第一偏振器、第三偏振分束器、第三偏振调制器、第四偏振调制器、第二偏振光束合路器、第二偏振器、第三偏振光束合路器、第三偏振器、光放大器、光电二极管；其中：
所述连续激光器的输出端与所述偏振控制器输入端相连，所述偏振控制器输出端与所述第一偏振分束器的输入端相连，所述第一偏振分束器的上路输出端与所述第二偏振分束器的输入端口相连；所述第二偏振分束器的第一输出端与所述第一偏振调制器输入端口相连，所述第二偏振分束器的第二输出端与所述第二偏振调制器输入端口相连；所述第一偏振调制器和所述第二偏振调制器的输出端与所述第一偏振光束合路器的输入端相连；所述第一偏振光束合路器的输出端与所述第一偏振器的输入端相连；所述第一偏振器的输出端与所述第三偏振分束器的输入端口相连；所述第三偏振分束器的第一输出端与所述第三偏振调制器的输入端口相连；所述第三偏振分束器的第二输出端与所述第四偏振调制器的输入端口相连；所述第三偏振调制器和所述第四偏振调制器的输出端与所述第二偏振光束合路器的输入端相连；所述第二偏振光束合路器的输出端与所述第二偏振器的输入端相连；所述第一偏振分束器的下路输出端和所述第二偏振器的输出端与所述第三偏振光束合路器的输入端相连；所述第三偏振光束合路器的输出端与所述第三偏振器的输入端相连；所述第三偏振器的输出端与所述光放大器的输入端相连；所述光放大器的输出端与所述光电二极管的输入端相连。
作为本技术方案的进一步改进，该装置还包括：射频信号源、第一电分路器、第一移相器、第二电分路器、第二移相器、第三电分路器、第三移相器；其中：
所述射频信号源的输出端与所述第一电分路器的输入端相连，所述第一电分路器的第一输出端与所述第一移相器的输入端相连；所述第一移相器的输出端与所述第二电分路器的输入端相连；所述第二电分路器的第一输出端与所述第三偏振调制器的射频输入端口相连；所述第二电分路器的第二输出端与所述第二移相器的输入端相连；所述第二移相器的输出端与所述第四偏振调制器的射频输入端口相连；所述第一电分路器的第二输出端与所述第三电分路器的输入端相连；所述第三电分路器的第一输出端与所述第一偏振调制器的射频输入端口相连；所述第三电分路器的第二输出端与所述第三移相器的输入端相连；所述第三移相器的输出端与所述第二偏振调制器的射频输入端口相连。
本发明的目的之三在于，提供了一种32倍频毫米波信号的光学产生系统，用于通过计算机技术自动实现上述产生方法的运行过程。
本发明的目的之四在于，提供了一种32倍频毫米波信号的光学产生系统的运行装置，包括处理器、存储器以及存储在存储器中并在处理器上运行的计算机程序，处理器用于执行计算机程序时实现上述的32倍频毫米波信号的光学产生方法的步骤。
本发明的目的之四在于，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的32倍频毫米波信号的光学产生方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.该32倍频毫米波信号的光学产生方法基于两个双平行偏振调制器级联来实现32倍频毫米波信号的生成方案，利用射频信号驱动双平行偏振调制器产生±8n阶光边带信号，然后再通过调节偏振调制器的调制指数来抑制±8阶光边带信号，进一步采用偏振复用的结构抵消中心载波，获得±16阶光边带信号，最后经光电转换后产生32倍频毫米波信号；该方法仅采用两个双平行的偏振调制器级联的结构来实现32倍频毫米波信号的生成新方法，其具有倍频因子高、无需滤波器、结构简单等优点，所产生信号的光边带抑制比可达到53.7dB，射频杂散抑制比可达到47.7dB，所生成信号的质量更高，可以有效弥补现有毫米波产生方法倍频因子低的不足，适用于当前及未来的无线和光纤通信系统；
2.该32倍频毫米波信号的光学产生装置通过两个双平行偏振调制器级联，可以降低产生高倍频毫米波信号对设备频率的指标要求，不需高功率的光及电的放大器，简化系统结构并降低系统成本，降低了对器件匹配性的要求，从而实现以较低的成本、简单的结构实现高倍频毫米波信号的产生。
附图说明
图1为本发明的示例性工作原理图；
图2为本发明中整体方法的流程示意图；
图3为本发明中装置的整体架构及连接方式示意图。
图中：
1、连续激光器；2、偏振控制器；3、第一偏振分束器；4、第二偏振分束器；5、第一偏振调制器；6、第二偏振调制器；7、第一偏振光束合路器；8、第一偏振器；9、第三偏振分束器；10、第三偏振调制器；11、第四偏振调制器；12、第二偏振光束合路器；13、第二偏振器；14、第三偏振光束合路器；15、第三偏振器；16、光放大器；17、光电二极管；18、射频信号源；19、第一电分路器；20、第一移相器；21、第二电分路器；22、第二移相器；23、第三电分路器；24、第三移相器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
实施例1
如图1-图2所示，本实施例提供了一种32倍频毫米波信号的光学产生方法与装置，包括如下步骤：
S1、从连续激光器发出的角频率为ω0的光波经过偏振控制器，再经过第一偏振分束器将光分成两个正交偏振方向分别送入到系统的上下支路，其中上路光为x方向，下路光为y方向；
S2、上路光经过第二偏振分束器分成两路光，两路光分别注入到对应的第一偏振调制器和第二偏振调制器中，同时射频信号源发出的射频信号经第一电分路器分成两路，一路射频信号经过第一移相器移相π/4后注入第二光分路器后分为两支路，上支路射频信号直接驱动第三偏振调制器，下支路射频信号经过第二移相器移相π/2后再驱动第四偏振调制器，同时另一路射频信号经过第三分路器后分为两支路射频信号，上支路射频信号直接驱动第一偏振调制器，下支路射频信号经过第三移相器π/2后再驱动第二偏振调制器；然后，第一偏振调制器和第二偏振调制器的输出经第一偏振光束合路器汇聚到一起，经过第一偏振片后，保留4n阶光边带，再注入第三偏振分束器；
S3、经过第三偏振分束器后，光被分为两路，两路光分别注入到对应的第三偏振调制器和第四偏振调制器中；第三偏振调制器和第四偏振调制器的输出经第二偏振光束合路器汇聚到一起，经过第二偏振器后，保留8n阶光边带；
S4、下路光未进行任何调制，与第二偏振器的输出一起经过第三偏振光束合路器偏振复用，注入到第三偏振器中；第三偏振器的主轴由偏振控制器与第三偏振光束合路器的一个主轴成α角度对齐，以抑制光学载波，只留下两个十六阶边带；信号再经由单模光纤传输到基站端；在基站端，通过光放大器后，两个十六阶边带被光电二极管进行光电探测，通过光电探测器进行拍频得到三十二倍频的毫米波信号。
本实施例中，S1中，通过第一偏振分束器控制光载波的光场分配比的计算方式如下：
设从连续激光器输出的光载波的场强为Ec(t)＝Ecexp(jωct)，其中Ec和ωc分别为光载波幅度和角频率；在第一偏振分束器之前的偏振控制器用于控制x轴和y轴方向上的光功率分配比；设偏振控制器方位角为θ，则经过第一偏振分束器的光场为
Figure BDA0003372148860000111
式(1)中，Ecx和Ecy分别为上支路(x轴方向)和下支路(y轴方向)方向上输出的光载波的场强；由式(1)可见，通过控制θ角，可控制光载波在上下支路中的场强大小的分配比。
本实施例中，S2中，上路光经过的各偏振调制流程的计算方式如下：
上支路光载波信号先后进入两个级联的第一偏振调制器和第二偏振调制器中；其中，第一组偏振调制器中的第二偏振分束器使输入到其上臂的光载波的偏振方向与第一偏振调制器主轴呈-45°角，此时第一偏振调制器的输出可以表示为
Figure BDA0003372148860000112
式(2)中，m＝πVm/Vx为偏振调制器的调制指数，其中Vm为加载在偏振调制器上射频信号源驱动信号的幅度，Vx为偏振调制器的半波电压；ωm为射频信号源驱动信号的角频率；
进而，输入到第一组偏振调制器下臂的光载波的偏振方向与第二偏振调制器主轴呈45°角，则第二偏振调制器的输出可以表示为
Figure BDA0003372148860000113
第一组偏振调制器中的第一偏振调制器和第二偏振调制器输出的光场在第一偏振光束合路器合为一路；则第一组偏振调制器的输出可以表示为
Figure BDA0003372148860000114
从第一组偏振调制器输出的光信号进入第一偏振器；设置第一偏振器的检偏角为0°，则第一偏振器的输出光信号场强可以表示为
Figure BDA0003372148860000121
应用Jacobi-Anger公式，将φ＝π/2代入(5)式得到：
Figure BDA0003372148860000122
式(6)中Jn()为第一类n阶Bessel函数；由式(6)知，从第一偏振器输出的光场中主要保留±4n阶光边带。
本实施例中，S3中，经过第三偏振分束器后光受到偏振调制的计算方式如下：
从第一偏振器输出的光进入与第一组偏振调制器结构相同的第二组偏振调制器，加载在两个偏振调制器上的射频信号源驱动电压之间有45°相移；第二偏振器的检偏角设为0°时，第二偏振器的输出可以近似表示为
Figure BDA0003372148860000131
式(7)中Cn表示cos(nωmt)项系数；
从式(7)可知，第二偏振器的输出信号中除了有中心载波分量外，还有±8n(n≥1)阶边带信号，其幅值由Jn()决定；由Jn()性质可知，±24阶以上光边带由于幅值很小，可忽略；各阶光边带幅值与式7中各项系数Cn成正比，Cn的大小与贝塞尔函数的阶数n及调制指数m有关；要产生32倍频毫米波，需要保留±16阶光边带，即保留式(7)中的cos(16ωmt)项；为了获得高光边带抑制比(OSSR)，需要尽可能抑制cos(8ωmt)项。
其中，当m为6.674时或者8.43时Cn为0，此时±8阶光边带被很好的抑制；通过后续实验对系统稳定性的分析发现，选择m＝8.43时，系统稳定性最佳。
本实施例中，S4中，上下两路光合并偏振后，最后经光电转换后产生32倍频毫米波信号的计算方法如下：
通过第三偏振光束合路器，将由系统上支路第二组偏振器输出的光场EPol2与系统下支路的传输信号Ecy复合为一路信号，送入第三偏振器；调整第三偏振器的检偏角为45°，则第三偏振器的输出光场表示为
Figure BDA0003372148860000141
由式(8)知，当满足cosθC0＝-sinθ时，中心载波幅值为0，该表达式中的C0由式(7)得到，有
Figure BDA0003372148860000142
从而可求出偏振控制器的方位角为
Figure BDA0003372148860000143
式(8)中抵消中心载波后就只剩下16阶和24阶边带，式中的Cn可从式(7)得到；16阶光边带幅值最大，为所需边带，24阶边带幅值很小，为杂散边带，它们平方的比值为OSSR，则有：
Figure BDA0003372148860000144
从第三偏振器输出的光信号，经光电二极管的光电转化后，产生的光电流为
Figure BDA0003372148860000145
其中R为光电二极管的响应度；
式(11)中cos(32ωnt)项前面的系数与所产生32倍频毫米波信号的幅度正相关；由式(11)可知，最大杂波项为cos(40ωnt)的系数项最大，则40倍频处为最大射频信号源杂波信号；它们平方的比值为射频信号源SSR，则有：
Figure BDA0003372148860000146
本实施例中，S1～S4中，第一偏振调制器、第二偏振调制器、第三偏振调制器和第四偏振调制器都被偏置在最大传输点，来抑制奇数阶边带的产生，且第一偏振调制器、第二偏振调制器、第三偏振调制器和第四偏振调制器的调制指数均设置为β保留正负十六阶边带的产生。
本实施例中，S1～S4中，第一偏振调制器和第二偏振调制器间存在π/2的相位差；经过第一偏振调制器和第二偏振调制，其正负二、六、十阶边带相位相反，正负四、八阶边带同相，两路光信号叠加后，第一偏振器的输出中，正负二、六、十阶边带抵消，正负四、八阶边带增强，其光成分主要为两个四阶边带、两个八阶边带和中心载波。
本实施例中，S1～S4中，第一偏振调制器和第三偏振调制器间存在π/2的相位差，第三偏振调制器和第四偏振调制器间存在π/2的相位差；经过第三偏振调制器和第四偏振调制后的两路光波相干叠加，经过第三偏振器后，其光成分主要为两个八阶边带、两个十六阶边带和中心载波；调节调制指数β，使正负八阶边带抵消，使其光成分主要为两个十六阶边带和中心载波。
本实施例还提供了上述方法的有效性验证流程，包括：
本发明采用OptiSystem光子模拟软件搭建了一个基于偏振调制器级联产生32倍频毫米波信号的仿真链路。系统中主要器件参数设置如下：连续激光器的中心频率为193.1THz，线宽为10MHz，输出功率为10dBm；RF驱动信号频率为5GHz；OA的增益为25dB，噪声为4dB；PD的响应度为0.8A/W，暗电流为10nA。
系统中偏振调制器的调制指数设置为8.43时，通过监测观察图1中A、B、C和D处的输出光谱图；可见，奇数阶光边带得到很好的抑制；同时光信号中主要保留了±8n阶光边带，其中±12阶以上的光边带功率很小，可以忽略；另外光信号中的主要成分为0阶(中心载波)、±16阶和±24阶光边带。
通过观察偏振器的输出光谱图，可以得出：±16阶光边带为主要光边带，分别位于193.02THz和193.18THz两处，它们之间间隔160GHz，是5GHz的RF驱动信号频率的32倍；当最大杂波边带为±24阶光边带，其功率比±16阶边带低52dB，与式(10)理论计算值53.7dB相符；当±16阶光边带功率比中心载波分量功率高66dB，说明中心载波得到很好的抵消。
观察从光放大器输出的光信号经过光电二极管拍频后得到的电信号频谱图，可以观察到在160GHz处产生的射频信号功率最大，为所需的32倍频RF信号；在200GHz频点上的频谱分量为40倍频RF信号，为最大杂散倍频信号；160GHz频谱分量与200GHz频谱分量功率比值的dB值为RFSSR，测量值为47dB，与式(12)理论计算值47.7dB相符。
在前面的理论分析中，得到了偏振调制器的调制指数m理论上取值应为6.674或者8.43。进而为了分析m偏离这两个值时对所产生的32倍频毫米波质量的影响，分别对m值在6.674和8.43处偏离±0.3进行了仿真扫参，得到的OSSR随调制指数变化的关系曲线并进行观察。为了与理论分析对比，可以在图中同时标出由式(7)计算的相关20lg(Cn/Cm)理论曲线。从而可见，16阶光边带与0阶、8阶、24阶光边带功率比曲线中，仿真得到的两条OSSR曲线与20lg(C16/C8)拟合的最好，这说明对实际OSSR影响最大的是16阶光边带与8阶光边带功率比的关系；当m＝6.674±0.3的仿真曲线与20lg(C16/C8)理论曲线没有完全贴合，这是因为在m＝6.674附近时，C0在急剧变化，中心载波分量不能被很好的抵消；对于m＝8.43±0.3的仿真曲线，在m＝8.43左右的极小范围内，24阶光边带对于仿真结果的影响大于8阶光边带。同时，对比m＝6.674±0.3和m＝8.43±0.3两条仿真曲线，观察到m＝8.43±0.3曲线较为平缓，说明m＝8.43时系统更为稳定，因此系统的最终m选择8.43。进一步对m值在8.43处偏离±0.15进行扫参仿真实验，可以得到的OSSR和RFSSR随m变化的关系曲线并进行观察，当m的偏离值在±0.03以内，系统产生的毫米波信号的RFSSR在15dB以上，能满足一般传输链路的性能要求。
此外，值得说明的是，本发明中的核心思想是基于两个双平行的偏振调制器串联的结构，来实现32倍频毫米波信号的产生，而采用两个双平行的马赫增德尔调制器(DPMZM)应该也可以实现相似的结果，只是需要的条件比较苛刻，需要同时对两个DPMZM进行精确控制。
如图3所示，本实施例提供了一种32倍频毫米波信号的光学产生装置，该装置用于支撑实现上述的32倍频毫米波信号的光学产生方法的步骤流程，包括连续激光器1、偏振控制器2、第一偏振分束器3、第二偏振分束器4、第一偏振调制器5、第二偏振调制器6、第一偏振光束合路器7、第一偏振器8、第三偏振分束器9、第三偏振调制器10、第四偏振调制器11、第二偏振光束合路器12、第二偏振器13、第三偏振光束合路器14、第三偏振器15、光放大器16、光电二极管17；其中：
连续激光器1的输出端与偏振控制器2输入端相连，偏振控制器2输出端与第一偏振分束器3的输入端相连，第一偏振分束器3的上路输出端与第二偏振分束器4的输入端口相连；第二偏振分束器4的第一输出端与第一偏振调制器5输入端口相连，第二偏振分束器4的第二输出端与第二偏振调制器6输入端口相连；第一偏振调制器5和第二偏振调制器6的输出端与第一偏振光束合路器7的输入端相连；第一偏振光束合路器7的输出端与第一偏振器8的输入端相连；第一偏振器8的输出端与第三偏振分束器9的输入端口相连；第三偏振分束器9的第一输出端与第三偏振调制器10的输入端口相连；第三偏振分束器9的第二输出端与第四偏振调制器11的输入端口相连；第三偏振调制器10和第四偏振调制器11的输出端与第二偏振光束合路器12的输入端相连；第二偏振光束合路器12的输出端与第二偏振器13的输入端相连；第一偏振分束器3的下路输出端和第二偏振器13的输出端与第三偏振光束合路器14的输入端相连；第三偏振光束合路器14的输出端与第三偏振器15的输入端相连；第三偏振器15的输出端与光放大器16的输入端相连；光放大器16的输出端与光电二极管17的输入端相连。
本实施例中，该装置还包括：射频信号源18、第一电分路器19、第一移相器20、第二电分路器21、第二移相器22、第三电分路器23、第三移相器24；其中：
射频信号源18的输出端与第一电分路器19的输入端相连，第一电分路器19的第一输出端与第一移相器20的输入端相连；第一移相器20的输出端与第二电分路器21的输入端相连；第二电分路器21的第一输出端与第三偏振调制器10的射频输入端口相连；第二电分路器21的第二输出端与第二移相器22的输入端相连；第二移相器22的输出端与第四偏振调制器11的射频输入端口相连；第一电分路器19的第二输出端与第三电分路器23的输入端相连；第三电分路器23的第一输出端与第一偏振调制器5的射频输入端口相连；第三电分路器23的第二输出端与第三移相器24的输入端相连；第三移相器24的输出端与第二偏振调制器6的射频输入端口相连。
进一步地，第三移相器24对射频源的射频信号产生π/2相移差。
进一步地，第一移相器20对射频源的射频信号产生π/4相移差。
进一步地，第二移相器22对第二分路器21输出的射频信号产生π/2相移差。
进一步地，第一偏振器8的主轴与第一偏振光束合路器7的一个主轴成0°对齐。
进一步地，第二偏振器13的主轴与第二偏振光束合路器12的一个主轴成0°对齐。
本实施例还提供了一种32倍频毫米波信号的光学产生系统，用于通过计算机技术自动实现上述产生方法的运行过程。
本实施例还提供了一种32倍频毫米波信号的光学产生系统的运行装置，该装置包括处理器、存储器以及存储在存储器中并在处理器上运行的计算机程序。
处理器包括一个或一个以上处理核心，处理器通过总线与存储器相连，存储器用于存储程序指令，处理器执行存储器中的程序指令时实现上述的32倍频毫米波信号的光学产生方法与装置。
可选的，存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随时存取存储器(SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，可编程只读存储器(PROM)，只读存储器(ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的32倍频毫米波信号的光学产生方法与装置的步骤。
可选的，本发明还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述各方面32倍频毫米波信号的光学产生方法与装置的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，程序可以存储与计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种32倍频毫米波信号的光学产生方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、从连续激光器发出的角频率为ω0的光波经过偏振控制器，再经过第一偏振分束器将光分成两个正交偏振方向分别送入到系统的上下支路，其中上路光为x方向，下路光为y方向；
S2、上路光经过第二偏振分束器分成两路光，两路光分别注入到对应的第一偏振调制器和第二偏振调制器中，同时射频信号源发出的射频信号经第一电分路器分成两路，一路射频信号经过第一移相器移相π/4后注入第二光分路器后分为两支路，上支路射频信号直接驱动第三偏振调制器，下支路射频信号经过第二移相器移相π/2后再驱动第四偏振调制器，同时另一路射频信号经过第三分路器后分为两支路射频信号，上支路射频信号直接驱动第一偏振调制器，下支路射频信号经过第三移相器π/2后再驱动第二偏振调制器；然后，第一偏振调制器和第二偏振调制器的输出经第一偏振光束合路器汇聚到一起，经过第一偏振片后，保留4n阶光边带，再注入第三偏振分束器；
S3、经过第三偏振分束器后，光被分为两路，两路光分别注入到对应的第三偏振调制器和第四偏振调制器中；第三偏振调制器和第四偏振调制器的输出经第二偏振光束合路器汇聚到一起，经过第二偏振器后，保留8n阶光边带；
S4、下路光未进行任何调制，与第二偏振器的输出一起经过第三偏振光束合路器偏振复用，注入到第三偏振器中；第三偏振器的主轴由偏振控制器与第三偏振光束合路器的一个主轴成α角度对齐，以抑制光学载波，只留下两个十六阶边带；信号再经由单模光纤传输到基站端；在基站端，通过光放大器后，两个十六阶边带被光电二极管进行光电探测，通过光电探测器进行拍频得到三十二倍频的毫米波信号。
2.根据权利要求1所述的32倍频毫米波信号的光学产生方法，其特征在于：所述S1中，通过第一偏振分束器控制光载波的光场分配比的计算方式如下：
设从连续激光器输出的光载波的场强为Ec(t)＝Ecexp(jωct)，其中Ec和ωc分别为光载波幅度和角频率；在第一偏振分束器之前的偏振控制器用于控制x轴和y轴方向上的光功率分配比；设偏振控制器方位角为θ，则经过第一偏振分束器的光场为
Figure FDA0003372148850000021
式(1)中，Ecx和Ecy分别为上支路(x轴方向)和下支路(y轴方向)方向上输出的光载波的场强；由式(1)可见，通过控制θ角，可控制光载波在上下支路中的场强大小的分配比。
3.根据权利要求2所述的32倍频毫米波信号的光学产生方法，其特征在于：所述S2中，上路光经过的各偏振调制流程的计算方式如下：
上支路光载波信号先后进入两个级联的第一偏振调制器和第二偏振调制器中；其中，第一组偏振调制器中的第二偏振分束器使输入到其上臂的光载波的偏振方向与第一偏振调制器主轴呈-45°角，此时第一偏振调制器的输出可以表示为
Figure FDA0003372148850000022
式(2)中，m＝πVm/Vx为偏振调制器的调制指数，其中Vm为加载在偏振调制器上射频信号源驱动信号的幅度，Vx为偏振调制器的半波电压；ωm为射频信号源驱动信号的角频率；
进而，输入到第一组偏振调制器下臂的光载波的偏振方向与第二偏振调制器主轴呈45°角，则第二偏振调制器的输出可以表示为
Figure FDA0003372148850000023
第一组偏振调制器中的第一偏振调制器和第二偏振调制器输出的光场在第一偏振光束合路器合为一路；则第一组偏振调制器的输出可以表示为
Figure FDA0003372148850000024
从第一组偏振调制器输出的光信号进入第一偏振器；设置第一偏振器的检偏角为0°，则第一偏振器的输出光信号场强可以表示为
Figure FDA0003372148850000031
应用Jacobi-Anger公式，将φ＝π/2代入(5)式得到：
Figure FDA0003372148850000032
式(6)中Jn()为第一类n阶Bessel函数；由式(6)知，从第一偏振器输出的光场中主要保留±4n阶光边带。
4.根据权利要求3所述的32倍频毫米波信号的光学产生方法，其特征在于：所述S3中，经过第三偏振分束器后光受到偏振调制的计算方式如下：
从第一偏振器输出的光进入与第一组偏振调制器结构相同的第二组偏振调制器，加载在两个偏振调制器上的射频信号源驱动电压之间有45°相移；第二偏振器的检偏角设为0°时，第二偏振器的输出可以近似表示为
Figure FDA0003372148850000041
式(7)中Cn表示cos(nωmt)项系数；
从式(7)可知，第二偏振器的输出信号中除了有中心载波分量外，还有±8n(n≥1)阶边带信号，其幅值由Jn()决定；由Jn()性质可知，±24阶以上光边带由于幅值很小，可忽略；各阶光边带幅值与式7中各项系数Cn成正比，Cn的大小与贝塞尔函数的阶数n及调制指数m有关；要产生32倍频毫米波，需要保留±16阶光边带，即保留式(7)中的cos(16ωmt)项；为了获得高光边带抑制比(OSSR)，需要尽可能抑制cos(8ωmt)项。
5.根据权利要求4所述的32倍频毫米波信号的光学产生方法，其特征在于：所述S4中，上下两路光合并偏振后，最后经光电转换后产生32倍频毫米波信号的计算方法如下：
通过第三偏振光束合路器，将由系统上支路第二组偏振器输出的光场EPol2与系统下支路的传输信号Ecy复合为一路信号，送入第三偏振器；调整第三偏振器的检偏角为45°，则第三偏振器的输出光场表示为
Figure FDA0003372148850000042
由式(8)知，当满足cosθC0＝-sinθ时，中心载波幅值为0，该表达式中的C0由式(7)得到，有
Figure FDA0003372148850000051
从而可求出偏振控制器的方位角为
Figure FDA0003372148850000052
式(8)中抵消中心载波后就只剩下16阶和24阶边带，式中的Cn可从式(7)得到；16阶光边带幅值最大，为所需边带，24阶边带幅值很小，为杂散边带，它们平方的比值为OSSR，则有：
Figure FDA0003372148850000053
从第三偏振器输出的光信号，经光电二极管的光电转化后，产生的光电流为
Figure FDA0003372148850000054
其中R为光电二极管的响应度；
式(11)中cos(32ωnt)项前面的系数与所产生32倍频毫米波信号的幅度正相关；由式(11)可知，最大杂波项为cos(40ωnt)的系数项最大，则40倍频处为最大射频信号源杂波信号；它们平方的比值为射频信号源SSR，则有：
Figure FDA0003372148850000055
6.根据权利要求5所述的32倍频毫米波信号的光学产生方法，其特征在于：所述S1～S4中，第一偏振调制器、第二偏振调制器、第三偏振调制器和第四偏振调制器都被偏置在最大传输点，来抑制奇数阶边带的产生，且第一偏振调制器、第二偏振调制器、第三偏振调制器和第四偏振调制器的调制指数均设置为β保留正负十六阶边带的产生。
7.根据权利要求6所述的32倍频毫米波信号的光学产生方法，其特征在于：所述S1～S4中，第一偏振调制器和第二偏振调制器间存在π/2的相位差；经过第一偏振调制器和第二偏振调制，其正负二、六、十阶边带相位相反，正负四、八阶边带同相，两路光信号叠加后，第一偏振器的输出中，正负二、六、十阶边带抵消，正负四、八阶边带增强，其光成分主要为两个四阶边带、两个八阶边带和中心载波。
8.根据权利要求7所述的32倍频毫米波信号的光学产生方法，其特征在于：所述S1～S4中，第一偏振调制器和第三偏振调制器间存在π/2的相位差，第三偏振调制器和第四偏振调制器间存在π/2的相位差；经过第三偏振调制器和第四偏振调制后的两路光波相干叠加，经过第三偏振器后，其光成分主要为两个八阶边带、两个十六阶边带和中心载波；调节调制指数β，使正负八阶边带抵消，使其光成分主要为两个十六阶边带和中心载波。
9.一种32倍频毫米波信号的光学产生装置，该装置用于支撑实现权利要求8所述的32倍频毫米波信号的光学产生方法的步骤流程，其特征在于：包括连续激光器(1)、偏振控制器(2)、第一偏振分束器(3)、第二偏振分束器(4)、第一偏振调制器(5)、第二偏振调制器(6)、第一偏振光束合路器(7)、第一偏振器(8)、第三偏振分束器(9)、第三偏振调制器(10)、第四偏振调制器(11)、第二偏振光束合路器(12)、第二偏振器(13)、第三偏振光束合路器(14)、第三偏振器(15)、光放大器(16)、光电二极管(17)；其中：
所述连续激光器(1)的输出端与所述偏振控制器(2)输入端相连，所述偏振控制器(2)输出端与所述第一偏振分束器(3)的输入端相连，所述第一偏振分束器(3)的上路输出端与所述第二偏振分束器(4)的输入端口相连；所述第二偏振分束器(4)的第一输出端与所述第一偏振调制器(5)输入端口相连，所述第二偏振分束器(4)的第二输出端与所述第二偏振调制器(6)输入端口相连；所述第一偏振调制器(5)和所述第二偏振调制器(6)的输出端与所述第一偏振光束合路器(7)的输入端相连；所述第一偏振光束合路器(7)的输出端与所述第一偏振器(8)的输入端相连；所述第一偏振器(8)的输出端与所述第三偏振分束器(9)的输入端口相连；所述第三偏振分束器(9)的第一输出端与所述第三偏振调制器(10)的输入端口相连；所述第三偏振分束器(9)的第二输出端与所述第四偏振调制器(11)的输入端口相连；所述第三偏振调制器(10)和所述第四偏振调制器(11)的输出端与所述第二偏振光束合路器(12)的输入端相连；所述第二偏振光束合路器(12)的输出端与所述第二偏振器(13)的输入端相连；所述第一偏振分束器(3)的下路输出端和所述第二偏振器(13)的输出端与所述第三偏振光束合路器(14)的输入端相连；所述第三偏振光束合路器(14)的输出端与所述第三偏振器(15)的输入端相连；所述第三偏振器(15)的输出端与所述光放大器(16)的输入端相连；所述光放大器(16)的输出端与所述光电二极管(17)的输入端相连。
10.根据权利要求9所述的32倍频毫米波信号的光学产生装置，其特征在于：还包括：射频信号源(18)、第一电分路器(19)、第一移相器(20)、第二电分路器(21)、第二移相器(22)、第三电分路器(23)、第三移相器(24)；其中：
所述射频信号源(18)的输出端与所述第一电分路器(19)的输入端相连，所述第一电分路器(19)的第一输出端与所述第一移相器(20)的输入端相连；所述第一移相器(20)的输出端与所述第二电分路器(21)的输入端相连；所述第二电分路器(21)的第一输出端与所述第三偏振调制器(10)的射频输入端口相连；所述第二电分路器(21)的第二输出端与所述第二移相器(22)的输入端相连；所述第二移相器(22)的输出端与所述第四偏振调制器(11)的射频输入端口相连；所述第一电分路器(19)的第二输出端与所述第三电分路器(23)的输入端相连；所述第三电分路器(23)的第一输出端与所述第一偏振调制器(5)的射频输入端口相连；所述第三电分路器(23)的第二输出端与所述第三移相器(24)的输入端相连；所述第三移相器(24)的输出端与所述第二偏振调制器(6)的射频输入端口相连。
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