CN114978332A - 频率和相位均可调谐的毫米波信号产生装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种频率和相位均可调谐的毫米波信号产生装置及方法，属于微波光子学领域。其包括可调谐激光器通过第一耦合器分别连接双平行马赫‑曾德尔调制器和第三耦合器，双平行马赫‑曾德尔调制器通过第二耦合器分别连接有第一可调谐带通滤波器和隔离器，第一可调谐带通滤波器顺序连接第二光电探测器和功分器，功分器分别连接示波器和频谱分析仪，第三耦合器通过衰减器与第四耦合器连接，并通过马赫‑曾德尔调制器顺序连接有第二可调谐光滤波器、第四耦合器、环行器、第一光电探测器、微波放大器，隔离器通过高非线性光纤与环行器连接，马赫‑曾德尔调制器上连接有任意波形发生器。其结构简单，使用方便，能够输出可调高频率微波/毫米波信号。

Description

频率和相位均可调谐的毫米波信号产生装置及方法
技术领域
本发明涉及一种频率和相位均可调谐的毫米波信号产生装置及方法，属于微波光子学技术领域。
背景技术
微波信号源在通信、雷达、光载射频传输、医疗、检测等领域发挥着非常重要的作用并逐渐成为领域研究热点。传统的微波/毫米波信号通过电学手段产生，但电学器件的带宽限制和电子瓶颈效应等问题限制了产生的微波信号性能。而光子学技术由于具有在光纤中传输损耗低、带宽大、处理速率高等优点，因此，近年来光子技术逐渐用于产生可调频率范围大、相位噪声低的高频微波/毫米波信号。
在无线通信、雷达、信号处理、测量技术等应用领域中，不仅要求微波信号的质量高，往往还要求其频率可以调谐，因此对微波信号的频率和相位可调谐性进行分析与研究具有重要的实用价值。
发明内容
针对现有技术的不足之处，提供一种频率和相位均可调谐的毫米波信号产生装置及方法，其结构更简单，使用方便，通过任意波形发生器和马赫-曾德尔调制器可以产生多个频率间隔相等、功率相等的光作为多泵浦光，通过多泵浦光和增益补偿技术输出高频率的微波/毫米波信号。
为实现上述技术目的，本发明的一种频率和相位均可调谐的毫米波信号产生装置，包括可调谐激光器，可调谐激光器通过第一耦合器分别连接双平行马赫-曾德尔调制器和第三耦合器，双平行马赫-曾德尔调制器连接有第二耦合器，第二耦合器分别连接有第一可调谐带通滤波器和隔离器，第一可调谐带通滤波器顺序连接有第二光电探测器和功分器，功分器分别连接有示波器和频谱分析仪，第三耦合器分别连接有衰减器和马赫-曾德尔调制器，马赫-曾德尔调制器顺序连接有第二可调谐光滤波器、第四耦合器、环行器、第一光电探测器、微波放大器，其中衰减器同样与第四耦合器连接，微波放大器与双平行马赫-曾德尔调制器连接，隔离器通过高非线性光纤与环行器连接，马赫-曾德尔调制器上连接有任意波形发生器，并通过第四直流稳压电源供电，双平行马赫-曾德尔调制器分别连接有第一直流稳压电源、第二直流稳压电源和第三直流稳压电源用以供电。
进一步，作为载波光源的可调谐激光器，输出光信号的波长为1510nm～1620nm。
进一步，第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器的分光比均为1：0.5～2。
进一步，双平行马赫-曾德尔调制器工作的光波长为1525nm～1605nm，带宽为40GHz～60GHz；双平行马赫-曾德尔调制器结构内含的三个调制器半波电压分别为5.5V、5.5V、15V；第一直流稳压电源、第二直流稳压电源、第三直流稳压电源、第四直流稳压电源的输出电压值的可调范围为1V～20V。
进一步，第一可调谐光滤波器、第二可调谐光滤波器波长调谐范围在1480nm～1620nm，调谐精度为5pm；衰减器的中心波长为1550nm，工作带宽为60nm，最大衰减量为60dB。
进一步，马赫-曾德尔调制器工作的光波长为1525nm～1605nm，带宽为40GHz；任意波形发生器的模拟带宽为20GHz；第一光电探测器、第一光电探测器的带宽为60GHz；功分器的带宽为40GHz～67GHz；微波放大器的增益为20dB～40dB；高非线性光纤的长度为500m～2000m，受激布里渊频移量fb为9GHz～11GHz；隔离器的隔离度大于40dB；频谱分析仪的带宽为100GHz；示波器的带宽大于60GHz。
一种频率和相位均可调谐的毫米波信号产生装置的信号产生方法，其步骤如下：
可调谐激光器输出频率为fc的光信号输入第一耦合器后被等分，等分的光信号被分成第一支路和第二个支路两个光信号输出给双平行马赫-曾德尔调制器和第三耦合器；
第一支路光信号作为光载波信号输入到双平行马赫-曾德尔调制器中，通过调节第一直流稳压电源、第二直流稳压电源、第三直流稳压电源的电压使双平行马赫-曾德尔调制器工作在载波相移双边带调制偏置点，双平行马赫-曾德尔调制器输出的载波相移双边带信号输入到第二耦合器中，第二耦合器将载波相移双边带信号等分，一部分载波相移双边带信号经过第三支路发送给第一可调谐光滤波器中，另一部分载波相移双边带信号通过第四支路发送给隔离器中；
第三支路输出的载波相移双边带信号经过第一可调谐光滤波器滤波后，滤出光载波和下边带得到载波相移单边带信号，载波相移单边带信号发送到第二光电探测器拍频后发送到功分器，并被功分器分别通过第九支路发送给频谱分析仪、通过第十支路发送给示波器，其中频谱分析仪显示观测最终输出毫米波信号的频率，利用示波器观测最终输出微波信号的相位；
第三耦合器将接收到第一耦合器输出的光信号通过第六支路发送给马赫-曾德尔调制器，利用任意波形发生器输出的微波信号对马赫-曾德尔调制器接收到的光信号调制，任意波形发生器输出微波/电信号的频率从左到右依次为2fb和4fb，fb为受激布里渊散射效应中布里渊频移的值；任意波形发生器输出的微波信号进入到马赫-曾德尔调制器中，通过调节第四直流稳压电源的电压使马赫-曾德尔调制器的工作在最小传输点上，使其输出载波抑制双边带信号，经第二可调谐光滤波器滤除杂波后输出四种频率的光信号：其频率分别为fc-4fb，fc-2fb，fc+2fb，fc+4fb，通过第七支路输送给第四耦合器；
第三耦合器的输出光信号经第五支路通过衰减器调节频率为fc的光信号功率后通过第八支路同样发送给第四耦合器，利用衰减器保证通过第五支路发送的光信号功率和载波抑制双边带信号的功率相等；第七支路的载波抑制双边带信号与第八支路的调节频率后的光信号在第四耦合器内耦合后发送到环行器，形成受激布里渊散射效应的五个频率的泵浦光，五个频率的泵浦光频率分别为fc-4fb，fc-2fb，fc，fc+2fb，fc+4fb；
环行器包括端口Ⅰ、端口Ⅱ和端口Ⅲ，当环行器通过端口Ⅰ输入时则通过端口Ⅱ输出，当通过端口Ⅱ输入时则通过端口Ⅲ输出；具体的，泵浦光从环行器的端口Ⅰ进入，从端口Ⅱ输出至高非线性光纤中，与隔离器输出的光信号在高非线性光纤中相互作用发生受激布里渊散射效应产生反向的斯托克斯波，进入环行器端口Ⅱ，发生受激布里渊散射效应，此时，每个泵浦光会在其左侧即频率下移fb处产生一个洛伦兹形状的增益谱，在其右侧即频率上移fb处产生一个洛伦兹形状的损耗谱，由于相邻频率的两个泵浦光之间的频率等于二倍布里渊频移的值2fb，因此经过受激布里渊散射效应处理后的五个频率的泵浦光会显著放大频率为fc-5fb的光信号而衰减频率在fc+5fb处的光信号；
只剩下频率在fc和fc-5fb的光信号耦合并通过环行器的端口Ⅲ进入第一光电探测器后通过微波放大器拍频产生频率为5fb的毫米波信号，然后利用产生的毫米波信号反过来去调制双平行马赫-曾德尔调制器，通过正反馈，频率为5fb的毫米波信号将越来越强，直到整个频率和相位均可调谐的毫米波信号产生装置形成的环路维持稳定振荡，当频率和相位均可调谐的毫米波信号产生装置整个环路的增益大于1时环路开始起振，直至整个环路增益等于1时整个环路稳定振荡，稳定振荡的输出频率为5fb的毫米波信号。
进一步，毫米波信号产生装置的输出信号频率在45GHz～55GHz的范围内，具体根据所选用不同规格的高非线性光纤以及不同波长信息决定，毫米波产生装置的输出信号频率根据高非线性光纤的规格确定，其值为5fb；由于布里渊频移受波长的改变而变化，因此通过可调谐激光器的波长可以实现毫米波信号产生装置输出信号频率可调谐，当调节可调谐激光器的波长从1530nm到1570nm范围变化时，布里渊fb的数值从9.32GHz到9.08GHz之间变化，因此毫米波波信号产生装置输出的微波信号的频率从45.4GHz到46.6GHz变化。
进一步，通过调节双平行马赫-曾德尔调制器的第三直流稳压电源从而改变进入第二光电探测器的光载波信号相移，进而影响经过第二光电探测器拍频后微波信号的相移，通过调节第三直流稳压电源来得到0°～360°的相移，增加毫米波波信号产生装置的灵活性。
有益技术效果：
(1)利用受激布里渊散射效应产生增益谱和损耗谱，通过任意波形发生器可以产生多个频率间隔相等、功率相等的光作为多泵浦光，通过多泵浦光和增益补偿技术使装置输出高频率的微波/毫米波信号；
(2)利用受激布里渊散射效应的窄带增益特性代替传统电滤波器，毫米波信号产生装置输出信号的谱线宽度和布里渊增益的窄线宽相等，因此本装置能输出线宽窄且频谱纯度高的微波/毫米波信号；
(3)利用受激布里渊散射的布里渊频移和波长的关系，通过改变泵浦波的波长和任意波形发生器的频率可以实现毫米波信号产生装置的输出信号频率在一定范围内可调谐；
(4)通过双平行马赫-曾德尔调制器的工作原理以及调节对应的偏置电压，可以改变输出毫米波信号的相位可调谐，提高输出信号的灵活性。
附图说明
图1为本发明的频率和相位均可调谐的毫米波信号产生装置的结构示意图；
图2为本发明频率和相位均可调谐的毫米波信号产生装置的频谱处理示意图；
图3为本发明频率和相位均可调谐的毫米波信号产生装置的输出信号频谱图；
图4为本发明频率和相位均可调谐的毫米波信号产生装置的输出信号频率可调谐图；
图5为本发明频率和相位均可调谐的毫米波信号产生装置的输出信号相位可调谐图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：
如图1所示，本发明的频率和相位均可调谐的毫米波信号产生装置，包括可调谐激光器，可调谐激光器通过第一耦合器分别连接双平行马赫-曾德尔调制器和第三耦合器，双平行马赫-曾德尔调制器连接有第二耦合器，第二耦合器分别连接有第一可调谐带通滤波器和隔离器，第一可调谐带通滤波器顺序连接有第二光电探测器和功分器，功分器分别连接有示波器和频谱分析仪，第三耦合器分别连接有衰减器和马赫-曾德尔调制器，马赫-曾德尔调制器顺序连接有第二可调谐光滤波器、第四耦合器、环行器、第一光电探测器、微波放大器，其中衰减器同样与第四耦合器连接，微波放大器与双平行马赫-曾德尔调制器连接，隔离器通过高非线性光纤与环行器连接，马赫-曾德尔调制器上连接有任意波形发生器，并通过第四直流稳压电源供电，双平行马赫-曾德尔调制器分别连接有第一直流稳压电源、第二直流稳压电源和第三直流稳压电源用以供电。
本发明所提出的基于布里渊增益损耗补偿技术和载波相移单边带调制技术产生毫米波信号的装置结构如图1，由可调谐激光器、第一耦合器、双平行马赫-曾德尔调制器、第一直流稳压电源、第二直流稳压电源、第三直流稳压电源、第二耦合器、第一可调谐带通滤波器、第三耦合器、衰减器、马赫-曾德尔调制器、第四直流稳压电源、任意波形发生器、第二可调谐带通滤波器、第四耦合器、环行器、第一光电探测器、微波放大器、高非线性光纤、隔离器、第二光电探测器、功分器、示波器、频谱分析仪组成。
可调谐激光器输出的频率为fc的光信号被第一耦合器一分为二，第一耦合器把光信号分成第一支路和第二个支路两个光信号；第一耦合器输出的第一支路光信号作为光载波信号进入到双平行马赫-曾德尔调制器中，通过调节第一直流稳压电源、第二直流稳压电源、第三直流稳压电源使得双平行马赫-曾德尔调制器工作在载波相移双边带调制偏置点，使其输出载波相移双边带信号进入到第二耦合器中，第二耦合器将载波相移双边带信号一分为二，一部分经过第三支路进入到第一可调谐光滤波器中，另一部分通过第四支路进入到隔离器中。
第一耦合器输出的第二支路光信号经过第三耦合器的第六支路进入到马赫-曾德尔调制器中，被任意波形发生器输出的微波信号调制，如图2的(a)所示，任意波形发生器输出电谱的频率从左到右依次为2fb和4fb；通过调节第四直流稳压电源的电压改变马赫-曾德尔调制器的工作在最小传输点上，使其输出载波抑制双边带信号，经第二可调谐光滤波器滤除杂波后输出光信号频率分别为fc-4fb，fc-2fb，fc+2fb，fc+4fb，进入第七支路；第三耦合器的输出光信号经第五支路后通过衰减器调节频率为fc的光信号进入到第八支路中，与第七支路的载波抑制双边带信号通过第四耦合器耦合后进入到环行器中，作为受激布里渊散射效应的泵浦光，光信号频率分别为fc-4fb，fc-2fb，fc，fc+2fb，fc+4fb，分别记为P1、P2、P3、P4、P5，具体如图2的(b)所示；衰减器用来保证频率为fc的光信号和载波抑制双边带信号功率相等；泵浦光从环行器的Ⅰ端口进入、Ⅱ端口输出后进入到高非线性光纤中，与隔离器输出的光信号在高非线性光纤中相互作用发生受激布里渊散射效应。
发生受激布里渊散射效应时，每个泵浦光会在其左侧(频率下移)fb处产生一个洛伦兹形状的增益谱，对应右侧(频率上移)fb处产生一个洛伦兹形状的损耗谱。由于相邻两个泵浦光之间的频率等于二倍布里渊频移的值(即2fb)，如光信号频率P2产生的增益谱和P1产生的损耗谱会完全抵消，如图2的(c)所示，同样，光信号频率P2和P3，光信号频率P3和P4，光信号频率P4和P5的增益损耗补偿原理相同。因此，经过受激布里渊散射效应处理后的五个泵浦光会显著放大频率为fc-5fb的光信号而衰减频率在fc+5fb处的光信号，如图2的(d)所示。综上，只剩下频率在fc和fc-5fb的光信号耦合从环行器的端口Ⅲ输出并通过第一光电探测器后拍频产生频率为5fb的毫米波信号，毫米波信号通过微波放大器放大后发送至双平行马赫-曾德尔调制器，并用以调制双平行马赫-曾德尔调制器，通过正反馈，频率为5fb的毫米波信号将越来越强，直到整个光电振荡器环路维持稳定振荡。
第三支路输出的载波相移双边带信号经过第一可调谐光滤波器滤波后，滤出光载波和下边带得到载波相移单边带信号，如图2的(e)所示；载波相移单边带信号经过第二光电探测器拍频后通过功分器一分为二，一部分通过第九支路连接频谱分析仪，用来观测最终输出信号频率为5fb的毫米波信号；另一部分通过第十支路连接示波器，用来观测最终输出的微波信号的相位。
选用可调谐激光器作为载波光源，波长为1510nm～1620nm；第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器的分光比为1：0.5～2；双平行马赫-曾德尔调制器工作的光波长为1525nm～1605nm，带宽为40GHz～60GHz；双平行马赫-曾德尔调制器结构内含的三个调制器半波电压分别为5.5V、5.5V、15V；第一直流稳压电源、第二直流稳压电源、第三直流稳压电源、第四直流稳压电源的输出电压值的可调范围为1V～20V；第一可调谐光滤波器、第二可调谐光滤波器波长调谐范围在1480nm～1620nm，调谐精度为5pm；衰减器的中心波长为1550nm，工作带宽为60nm，最大衰减量为60dB；马赫-曾德尔调制器工作的光波长为1525nm～1605nm，带宽为40GHz；任意波形发生器的模拟带宽为20GHz；第一光电探测器、第一光电探测器的带宽为60GHz；功分器的带宽为40GHz～67GHz；微波放大器的增益为20dB～40dB；高非线性光纤的长度为500m～2000m，受激布里渊频移量fb为9GHz～11GHz；隔离器的隔离度大于40dB；频谱分析仪的带宽为100GHz；示波器的带宽大于60GHz。
由于不同光纤的折射率等参数不同，且高非线性光纤中的布里渊频移的值fb受波长影响会改变，通常高非线性光纤中的布里渊频移fb的数值在9GHz～11GHz，因此本发明的毫米波信号产生装置的输出信号频率根据所选用的高非线性光纤不同以及波长不同可在45GHz～55GHz的范围内。当高非线性光线确定后，毫米波产生装置的输出信号频率可以确定，其值为5fb。由于布里渊频移受波长的改变而变化，因此通过可调谐激光器的波长可以实现毫米波信号产生装置输出信号频率可调谐。当调节可调谐激光器的波长从1530nm～1570nm范围变化时，布里渊fb的数值从9.32GHz到9.08GHz之间变化，因此毫米波波信号产生装置输出的微波信号的频率从45.4GHz到46.6GHz变化。
通过调节双平行马赫-曾德尔调制器的第三直流稳压电源可以改变进入第二光电探测器的光载波信号相移，进而影响经过第二光电探测器拍频后微波信号的相移。通过调节第三直流稳压电源来得到0°～360°的相移，增加毫米波波信号产生装置的灵活性。
实施例1：
可调谐激光器作为Santec公司的TSL-510可调激光器，激光器的波长范围为1510nm～1630nm；；第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器为Snow-Sea公司的FBT Fiber Optic Splitter/FBT Fiber，分光比为1：1；双平行马赫-曾德尔调制器为Photline公司的MXIQ-LN-30-P-P，带宽为40GHz，工作的光波长为1525nm～1605nm，带宽为60GHz；双平行马赫-曾德尔调制器结构内含的三个调制器半波电压分别为5.5V、5.5V、15V；第一直流稳压电源、第二直流稳压电源、第三直流稳压电源、第四直流稳压电源为固纬公司的GPS-4303C，输出电压幅度在1V～20V可调；第一可调谐光滤波器、第二可调谐光滤波器为XTM-50U，波长调谐范围在1480nm～1620nm，调谐精度为5pm，带宽调谐精度为1pm，插入损耗为5dB；衰减器为铭创光电的MCVOA-1550-00-S2-10-L-FA，中心波长为1550nm，工作带宽为60nm，最大衰减量为60dB；马赫-曾德尔调制器为Oclaro公司的AM-40，带宽可达到40GHz，半波电压Vπ为4.9V；任意波形发生器的安捷伦公司的M8195A；第一光电探测器、第一光电探测器为Finisar公司生产的XPDV2120RA，带宽为60GHz，速率40Gbps；功分器的带宽为40～67GHz；环行器为深圳市智源光通讯技术公司的CIR-3-1550-900um-1m-FC/APC；微波放大器为Photline公司的DR-DG-20-HO，增益大于20dB；高非线性光纤为长飞科技有限公司的1km的高非线性光纤；光隔离器为飞博特光电科技(深圳)有限公司的光隔离器，隔离度大于40dB；功分器为RF ONE公司的PDR-67-V2，频率范围为0～67GHz；频谱分析仪是安捷伦公司的E5052B连同安捷伦公司的上变频器E5053，测量信号范围带宽为10MHz～110GHz；示波器为Agilent公司的86100C Infiniium DCA-J。
连接好系统之后，打开设备的开关，使所有的设备处于工作状态。可调谐激光器输出的频率fc＝193.414489THz(即波长为1550nm)的光信号被第一耦合器一分为二，第一支路光信号作为光载波信号进入到双平行马赫-曾德尔调制器中，通过调节第一直流稳压电源、第二直流稳压电源、第三直流稳压电源使得双平行马赫-曾德尔调制器工作在载波相移双边带调制偏置点，使其输出载波相移双边带信号：第一直流稳压电源设置在5.5V，使其对应的调制器工作在最小传输点即载波抑制的双边带调制状态；第二直流稳压电源设置在0V，使得对应的调制器工作在最大偏置点、其射频端口接地，只允许载波通过；而第三直流稳压电源设置从0～15V可调节，综上，使双平行马赫-曾德尔调制器输出载波相移双边带调制信号进入到第二耦合器中被一分为二，一部分经过第三支路进入到第一可调谐光滤波器中，另一部分通过第四支路进入到隔离器中。设备刚开始工作时，来自可调谐激光器的光载波fc＝193.414489THz在双平行马赫-曾德尔调制器中被整个设备中器件噪声所调制，因此会在双平行马赫-曾德尔调制器的输出产生一系列的调制边带。第一耦合器输出的第二支路光信号经过第三耦合器的第六支路进入到马赫-曾德尔调制器中，被任意波形发生器输出的微波信号所调制，具体如图2所示，调节任意波形发生器输出的电谱的频率从左到右依次为2fb和4fb，当可调谐激光器的波长为1550nm时，fb＝9.2GHz，则将任意波形发生器输出电谱的频率从左到右调节为2fb＝18.4GHz和4fb＝36.8GHz；
通过调节第四直流稳压电源的电压为4.9V使马赫-曾德尔调制器的工作在最小传输点上，输出载波抑制双边带信号，经第二可调谐光滤波器滤除杂波后输出光信号频率分别为(fc-36.8)GHz，(fc-18.4)GHz，(fc+18.4)GHz，(fc+36.8)GHz，进入第七支路；第三耦合器的输出光信号经第五支路后通过衰减器调节频率为fc＝193.414489THz的光信号进入到第八支路中，与第七支路的载波抑制双边带信号通过第四耦合器耦合后进入到环行器中，作为受激布里渊散射效应的泵浦光，光信号频率分别为(fc-36.8)GHz，(fc-18.4)GHz，fc，(fc+18.4)GHz，(fc+36.8)GHz，泵浦光从环行器的Ⅰ端口进入、Ⅱ端口输出后进入到高非线性光纤中，与隔离器输出的光信号在高非线性光纤中相互作用发生受激布里渊散射效应；衰减器使频率为fc＝193.414489THz的光信号和载波抑制双边带信号功率相等。发生受激布里渊散射效应时，每个泵浦光会在其左侧(频率下移)fb处产生一个洛伦兹形状的增益谱，对应右侧(频率上移)fb＝9.2GHz处产生一个洛伦兹形状的损耗谱由于相邻两个泵浦光之间的频率等于二倍布里渊频移的值(即2fb＝18.4GHz)，例如P2产生的增益谱和P1产生的损耗谱可以完全抵消，同样，P2和P3，P3和P4，P4和P5的增益损耗补偿原理相同。因此，经过受激布里渊散射效应处理后的五个泵浦光会显著放大频率为(fc-46)GHz的边带而衰减频率在(fc+46)GHz处的边带。综上，最后只剩下频率在fc＝193.414489THz和(fc-46)GHz的边带耦合并通过第一光电探测器后拍频产生频率为5fb＝46GHz的毫米波信号然后反过来去调制双平行马赫-曾德尔调制器，通过正反馈，频率为5fb＝46GHz的毫米波信号将越来越强，直到整个光电振荡器环路维持稳定振荡。而第三支路输出的载波相移双边带信号经过第一可调谐光滤波器滤波后，滤出光载波和下边带得到载波相移单边带信号；载波相移单边带信号经过第二光电探测器拍频后通过功分器一分为二，一部分通过第九支路连接频谱分析仪，用来观测最终输出信号频率为5fb＝46GHz的毫米波信号，输出结果如附图3；另一部分通过第十支路连接示波器，用来观测最终输出的微波信号的相位。
当调节可调谐激光器的波长为1530nm、1540nm、1550nm、1560nm、1570nm时，布里渊频移量fb的数值为应为1530nm、1540nm、1550nm、1560nm、1570nm，再通过调节对应任意波形发生器的频率输出，得到毫米波产生装置的输出毫米波信号的频率为45.4GHz、45.7GHz、46.0GHz、46.3GHz、46.6GHz，如附图4所示。
通过调节双平行马赫-曾德尔调制器的第三直流稳压电源可以改变进入第二光电探测器的光信号相移，进而影响经过第二光电探测器拍频后的微波信号相移。通过调节第三直流稳压电源从0～15V可以得到0°～360°的相移，如附图5所示，加毫米波波信号产生装置的灵活性。

Claims (9)

1.一种频率和相位均可调谐的毫米波信号产生装置，其特征在于：包括可调谐激光器，可调谐激光器通过第一耦合器分别连接双平行马赫-曾德尔调制器和第三耦合器，双平行马赫-曾德尔调制器连接有第二耦合器，第二耦合器分别连接有第一可调谐带通滤波器和隔离器，第一可调谐带通滤波器顺序连接有第二光电探测器和功分器，功分器分别连接有示波器和频谱分析仪，第三耦合器分别连接有衰减器和马赫-曾德尔调制器，马赫-曾德尔调制器顺序连接有第二可调谐光滤波器、第四耦合器、环行器、第一光电探测器、微波放大器，其中衰减器同样与第四耦合器连接，微波放大器与双平行马赫-曾德尔调制器连接，隔离器通过高非线性光纤与环行器连接，马赫-曾德尔调制器上连接有任意波形发生器，并通过第四直流稳压电源供电，双平行马赫-曾德尔调制器分别连接有第一直流稳压电源、第二直流稳压电源和第三直流稳压电源用以供电。
2.根据权利要求1所述的频率和相位均可调谐的毫米波信号产生装置，其特征在于：作为载波光源的可调谐激光器，输出光信号的波长为1510nm～1620nm。
3.根据权利要求1所述的频率和相位均可调谐的毫米波信号产生装置，其特征在于：第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第四耦合器的分光比均为1：0.5～2。
4.根据权利要求1所述的频率和相位均可调谐的毫米波信号产生装置，其特征在于：双平行马赫-曾德尔调制器工作的光波长为1525nm～1605nm，带宽为40GHz～60GHz；双平行马赫-曾德尔调制器结构内含的三个调制器半波电压分别为5.5V、5.5V、15V；第一直流稳压电源、第二直流稳压电源、第三直流稳压电源、第四直流稳压电源的输出电压值的可调范围为1V～20V。
5.根据权利要求1所述的频率和相位均可调谐的毫米波信号产生装置，其特征在于：第一可调谐光滤波器、第二可调谐光滤波器波长调谐范围在1480nm～1620nm，调谐精度为5pm；衰减器的中心波长为1550nm，工作带宽为60nm，最大衰减量为60dB。
6.根据权利要求1所述的频率和相位均可调谐的毫米波信号产生装置，其特征在于：马赫-曾德尔调制器工作的光波长为1525nm～1605nm，带宽为40GHz；任意波形发生器的模拟带宽为20GHz；第一光电探测器、第一光电探测器的带宽为60GHz；功分器的带宽为40GHz～67GHz；微波放大器的增益为20dB～40dB；高非线性光纤的长度为500m～2000m，受激布里渊频移量fb为9GHz～11GHz；隔离器的隔离度大于40dB；频谱分析仪的带宽为100GHz；示波器的带宽大于60GHz。
7.一种使用权利要求1所述的频率和相位均可调谐的毫米波信号产生装置的信号产生方法，其特征在于步骤如下：
可调谐激光器输出频率为fc的光信号输入第一耦合器后被等分，等分的光信号被分成第一支路和第二个支路两个光信号输出给双平行马赫-曾德尔调制器和第三耦合器；
第一支路光信号作为光载波信号输入到双平行马赫-曾德尔调制器中，通过调节第一直流稳压电源、第二直流稳压电源、第三直流稳压电源的电压使双平行马赫-曾德尔调制器工作在载波相移双边带调制偏置点，双平行马赫-曾德尔调制器输出的载波相移双边带信号输入到第二耦合器中，第二耦合器将载波相移双边带信号等分，一部分载波相移双边带信号经过第三支路发送给第一可调谐光滤波器中，另一部分载波相移双边带信号通过第四支路发送给隔离器中；
第三支路输出的载波相移双边带信号经过第一可调谐光滤波器滤波后，滤出光载波和下边带得到载波相移单边带信号，载波相移单边带信号发送到第二光电探测器拍频后发送到功分器，并被功分器分别通过第九支路发送给频谱分析仪、通过第十支路发送给示波器，其中频谱分析仪显示观测最终输出毫米波信号的频率，利用示波器观测最终输出微波信号的相位；
第三耦合器将接收到第一耦合器输出的光信号通过第六支路发送给马赫-曾德尔调制器，利用任意波形发生器输出的微波信号对马赫-曾德尔调制器接收到的光信号调制，任意波形发生器输出微波/电信号的频率从左到右依次为2fb和4fb，fb为受激布里渊散射效应中布里渊频移的值；任意波形发生器输出的微波信号进入到马赫-曾德尔调制器中，通过调节第四直流稳压电源的电压使马赫-曾德尔调制器的工作在最小传输点上，使其输出载波抑制双边带信号，经第二可调谐光滤波器滤除杂波后输出四种频率的光信号：其频率分别为fc-4fb，fc-2fb，fc+2fb，fc+4fb，通过第七支路输送给第四耦合器；
第三耦合器的输出光信号经第五支路通过衰减器调节频率为fc的光信号功率后通过第八支路同样发送给第四耦合器，利用衰减器保证通过第五支路发送的光信号功率和载波抑制双边带信号的功率相等；第七支路的载波抑制双边带信号与第八支路调节功率后的光信号在第四耦合器内耦合后发送到环行器，形成受激布里渊散射效应的五个频率的泵浦光，五个频率的泵浦光频率分别为fc-4fb，fc-2fb，fc，fc+2fb，fc+4fb；
环行器包括端口Ⅰ、端口Ⅱ和端口Ⅲ，当环行器通过端口Ⅰ输入时则通过端口Ⅱ输出，当通过端口Ⅱ输入时则通过端口Ⅲ输出；具体的，泵浦光从环行器的端口Ⅰ进入，从端口Ⅱ输出至高非线性光纤中，与隔离器输出的光信号在高非线性光纤中相互作用发生受激布里渊散射效应产生反向的斯托克斯波，进入环行器端口Ⅱ，发生受激布里渊散射效应，此时，每个泵浦光会在其左侧即频率下移fb处产生一个洛伦兹形状的增益谱，在其右侧即频率上移fb处产生一个洛伦兹形状的损耗谱，由于相邻频率的两个泵浦光之间的频率等于二倍布里渊频移的值2fb，因此经过受激布里渊散射效应处理后的五个频率的泵浦光会显著放大频率为fc-5fb的光信号而衰减频率在fc+5fb处的光信号；
只剩下频率在fc和fc-5fb的光信号耦合并通过环行器的端口Ⅲ进入第一光电探测器拍频后通过微波放大器放大产生频率为5fb的毫米波信号，然后利用产生的毫米波信号反过来去调制双平行马赫-曾德尔调制器，通过正反馈，频率为5fb的毫米波信号将越来越强，直到整个频率和相位均可调谐的毫米波信号产生装置形成的环路维持稳定振荡，当频率和相位均可调谐的毫米波信号产生装置整个环路的增益大于1时环路开始起振，直至整个环路增益等于1时整个环路稳定振荡，稳定振荡的输出频率为5fb的毫米波信号。
8.根据权利要求7所述的信号产生方法，其特征在于：毫米波信号产生装置的输出信号频率在45GHz～55GHz的范围内，具体根据所选用不同规格的高非线性光纤以及可调谐激光器的波长决定，毫米波产生装置的输出信号频率根据高非线性光纤的规格确定，其值为5fb；由于布里渊频移受波长的改变而变化，因此通过可调谐激光器的波长可以实现毫米波信号产生装置输出信号频率可调谐，当调节可调谐激光器的波长从1530nm～1570nm范围变化时，布里渊fb的数值从9.32GHz到9.08GHz之间变化，因此毫米波波信号产生装置输出的微波信号的频率从45.4GHz到46.6GHz变化。
9.根据权利要求7所述的信号产生方法，其特征在于：通过调节双平行马赫-曾德尔调制器的第三直流稳压电源从而改变进入第二光电探测器的光载波信号相移，进而影响经过第二光电探测器拍频后微波信号的相移，通过调节第三直流稳压电源来得到0°～360°的相移，增加毫米波信号产生装置的灵活性。
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