CN116527151A - 一种本振信号自产生的宽带可调谐微波光子变频系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种本振信号自产生的宽带可调谐微波光子变频系统，包括一个可调谐激光器，一个移相器、一个电功分器、一个双平行马赫增德尔调制器、一个相位调制器、两个光耦合器、两个光电探测器、一个光环形器、一个可调光延时线、一个低噪声放大器、一个相移布拉格光栅；相位调制器、光环形器、低噪声放大器、第二光电探测器以及光纤构成一个光电振荡环路；激光器、第一光耦合器、双平行马赫增德尔调制器、第二光耦合器、第一光电探测器构成一个射频光信号产生光支路；光本振信号和射频光信号在第一光电探测器中混频输出，得到所需的变频信号，解决常规变频技术需要外部本振源的问题。

Description

一种本振信号自产生的宽带可调谐微波光子变频系统
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种本振信号自产生的宽带可调谐微波光子变频系统。
背景技术
微波光子技术(MWP:Microwave Photon ics)是一种将微波技术和光子技术有机交叉融合的新兴技术。它结合了微波技术精细和光子技术宽带的特点，在军用和民用领域受到了广泛的研究和应用。
微波光子变频作为微波光子技术的核心应用之一，是目前微波光子领域的热门研究方向。传统的变频处理多基于电子技术，主要通过二极管、三极管或者场效应管等电子器件的非线性来实现，随着频率的升高，电域方法的变频效率低，噪声大大增加，需要以增加系统的复杂度和成本为代价才可能有效处理高频率的微波信号。微波光子变频技术将微波信号转移到光域上进行传输和处理，极大地提高了高频、宽带微波信号的应对能力。微波光子变频链路通常基于超外差结构将外部输入的本振信号(LO)和射频信号(RF)调制到光载波上实现光混频，再通过光电转换得到射频信号与本振信号的差频或和频，从而实现变频输出。但是，外部输入本振信号的频率决定了混频输出的频率。为了直接实现射频信号的多频段频率变换，如何结合本振信号产生问题并实现本振信号频率的可调谐是一个挑战。
基于微波光子技术的频率变换一般采用超外差式的结构，通过将射频信号(RF)和本振信号(LO)调制到光载波上，再通过光电转换得到射频信号与本振信号的差频或和频(周建伟,李建强等.基于微波光子技术的一体化射频前端.无线电工程,46(9):6-9(2016).)。然而，此类方案需要外部输入本振信号才能实现频率变换，其变频可调谐性受限。近来，研究人员提出了基于光电振荡器的微波光子变频技术，结合光电振荡器的产生低相噪本振信号的优势来实现信号的直接变频处理为实现无本振输入的微波光子变频提供了一种新的技术途径。但是，这类方案的可调谐性受限于OEO的性能，通常只能实现频率上变换或者频率下变换，并且变频输出中可能包含其他杂散分量。因此，结合OEO本振产生技术，实现一种宽带可调谐的低杂散变频技术具有十分重要的意义。
中国专利公开号CN 108809437 B公开了一种基于双向循环移频的微波光子下变频装置及方法，该技术方案的装置由激光器、循环移频模块和光电探测器组成。所述循环移频模块包括2×2光耦合器、偏振控制器、双驱电光强度调制器、电本振源、光放大器、光带通滤波器和光可调延迟线；在循环移频模块中，光载待变频射频信号与电本振信号的1阶光边带同时以相同的移频步进进行相向光边带移动，最终光电探测两个频率最近邻的相向移频光边带，实现射频信号的下变频；利用循环移频模块的相向移频特点，通过改变电本振源的频率，实现在低频电本振下的宽频范围和可调谐微波信号的下变频；由此可见，上述技术方案也存在变频技术需要外部本振源的问题。
发明内容
为此，本发明提供一种本振信号自产生的宽带可调谐微波光子变频系统，用以通过光电振荡环路产生本振光信号进行混频输出，克服现有技术中常规变频技术需要外部本振源的问题，并且结合可调谐OEO混频实现射频信号的可调谐变频，并利用特殊调制模式实现低杂散的输出。
为实现上述目的，本发明提供一种本振信号自产生的宽带可调谐微波光子变频系统，包括一个可调谐激光器，一个移相器、一个电功分器、一个双平行马赫增德尔调制器、一个相位调制器、两个光耦合器、两个光电探测器、一个光环形器、一个可调光延时线、一个低噪声放大器、一个相移布拉格光栅；
所述光耦合器包括第一光耦合器和第二光耦合器；
所述光电探测器包括第一光电探测器、第二光电探测器；
所述相位调制器、所述光环形器、所述低噪声放大器、所述第二光电探测器以及光纤构成一个光电振荡环路，用以产生光本振信号；
所述激光器、所述第一光耦合器、所述双平行马赫增德尔调制器、所述第二光耦合器、所述第一光电探测器构成一个射频光信号产生光支路，用以输出射频光信号；
所述光本振信号和所述射频光信号在所述第一光电探测器中混频输出，得到所需的变频信号。
进一步地，所述可调谐激光器的输出端与所述第一光耦合器相连，用以将光载波均分到两个光支路进行传输；
所述第一光耦合器的输出端包括第一输出端口和第二输出端口；
其中，所述第一输出端口与所述双平行马赫曾德尔调制器的光输入端口相连。
射频输入端口与所述电功分器的输入端口相连，电功分器的第一输出端口与所述双平行马赫增德尔调制器的输入端口相连，用以基于电光调制实现载波抑制的单边带强度调制；
其中，所述双平行马赫曾德尔调制器输出+1阶光边带。
进一步地，所述第一光耦合器的第二输出端口与所述相位调制器的光输入端口相连，相位调制器的光输出端口与所述光环形器的第一端口相连；
所述光环形器的第二端口与所述相移布拉格光栅的入射端口相连，相移布拉格光栅的透射端口与所述第二光耦合器的第二输入端口相连，用以将相位调制器输出的光信号经相移布拉格光栅反射后由相位调制转化为强度调制；
所述光环形器的第三端口与所述可调谐光延时线的输入端相连，可调谐光延时线的输出端与所述第二光电探测器的输入端相连，用以产生所需要的光真延时。
进一步地，所述第二光电探测器的输出端与所述低噪声放大器相连，低噪声放大器的输出端与所述相位调制器的射频输入端相连形成光电振荡器环路，用以实现稳定的振荡输出并在相移布拉格光栅的输入端口产生所需的光本振信号。
进一步地，所述调谐激光器通过输出频率调整以调谐最终输出的变频频率，所述相移布拉格光栅根据可调谐激光器的输出频率设置有如下策略：
当所述可调谐激光器的输出频率小于所述相移布拉格光栅的凹口频率时，相移布拉格光栅的透射口输出本振光谱的+1边带与射频+1阶边带耦合传输至所述第一光电探测器进行解调，所述第一光电探测器输出下变频解调信号；
当所述可调谐激光器的输出频率大于相移布拉格光栅的凹口频率时，相移布拉格光栅的透射口输出本振光谱的-1边带与射频+1阶边带耦合传输至第一光电探测器进行解调，所述第一光电探测器输出上变频解调信号。
进一步地，所述可调谐激光器包括输出频率可调谐的分布式反馈激光器。
进一步地，所述光耦合器包括1：1光功分器。
进一步地，所述电功分器包括1：1功分器。
进一步地，第一光电探测器与第二光电探测器的参数相同。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明提出了一种本振信号自产生的宽带可调谐微波光子变频技术，一方面，通过光电振荡环路产生本振光信号进行混频输出，解决常规变频技术需要外部本振源的问题；另一方面，结合可调谐OEO混频实现射频信号的可调谐变频，并利用特殊调制模式实现低杂散的输出。该技术方案可应用于雷达系统、无线通信等应用领域中。
进一步地，本发明在无需外部本振信号源情况下可实现宽带信号的可调谐变频输出，具备高频宽带信号处理能力和灵活可重构的特性，在面向高频的雷达和通讯应用领域可发挥一定的技术价值。
附图说明
图1为本发明本振信号自产生的宽带可调谐微波光子变频技术的原理框图；
图2为本发明实施例A点光谱示意图；
图3为本发明实施例B点光谱示意图；
图4为本发明实施例C点光谱示意图；
图中：1，第一光耦合器；2，第二光耦合器；3，第一光电探测器；4，第二光电探测器。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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，或一体地连接；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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1所示，其为本发明本振信号自产生的宽带可调谐微波光子变频技术的原理框图，本发明提供一种本振信号自产生的宽带可调谐微波光子变频系统，包括一个可调谐激光器，一个移相器、一个电功分器、一个双平行马赫增德尔调制器、一个相位调制器、两个光耦合器、两个光电探测器、一个光环形器、一个可调光延时线、一个低噪声放大器、一个相移布拉格光栅；
光耦合器包括第一光耦合器和第二光耦合器；光电探测器包括第一光电探测器、第二光电探测器；
相位调制器、光环形器、低噪声放大器、第二光电探测器以及光纤构成一个光电振荡环路，用以产生光本振信号；
激光器、第一光耦合器、双平行马赫增德尔调制器、第二光耦合器、第一光电探测器构成一个射频光信号产生光支路，用以输出射频光信号；
光本振信号和射频光信号在第一光电探测器中混频输出，得到所需的变频信号。
具体而言，可调谐激光器的输出端与第一光耦合器相连，用以将光载波均分到两个光支路进行传输；
第一光耦合器的输出端包括第一输出端口和第二输出端口；
其中，第一输出端口与双平行马赫曾德尔调制器的光输入端口相连。
射频输入端口与电功分器的输入端口相连，电功分器的第一输出端口与双平行马赫增德尔调制器的输入端口相连，用以基于电光调制实现载波抑制的单边带强度调制；
其中，双平行马赫曾德尔调制器输出+1阶光边带。
具体而言，第一光耦合器的第二输出端口与相位调制器的光输入端口相连，相位调制器的光输出端口与光环形器的第一端口相连；
光环形器的第二端口与相移布拉格光栅的入射端口相连，相移布拉格光栅的透射端口与第二光耦合器的第二输入端口相连，用以将相位调制器输出的光信号经相移布拉格光栅反射后由相位调制转化为强度调制；
光环形器的第三端口与可调谐光延时线的输入端相连，可调谐光延时线的输出端与第二光电探测器的输入端相连，用以产生所需要的光真延时。
具体而言，第二光电探测器的输出端与低噪声放大器相连，低噪声放大器的输出端与相位调制器的射频输入端相连形成光电振荡器环路，用以实现稳定的振荡输出并在相移布拉格光栅的输入端口产生所需的光本振信号。
具体而言，调谐激光器通过输出频率调整以调谐最终输出的变频频率，相移布拉格光栅根据可调谐激光器的输出频率设置有如下策略：
当可调谐激光器的输出频率小于相移布拉格光栅的凹口频率时，相移布拉格光栅的透射口输出本振光谱的+1边带与射频+1阶边带耦合传输至第一光电探测器进行解调，第一光电探测器输出下变频解调信号；
当可调谐激光器的输出频率大于相移布拉格光栅的凹口频率时，相移布拉格光栅的透射口输出本振光谱的-1边带与射频+1阶边带耦合传输至第一光电探测器进行解调，第一光电探测器输出上变频解调信号。
具体而言，可调谐激光器包括输出频率可调谐的分布式反馈激光器。
具体而言，光耦合器包括1：1光功分器。
具体而言，电功分器包括1：1功分器。
具体而言，第一光电探测器与第二光电探测器的参数相同。
具体的实施步骤为：
步骤1：可调谐激光器的输出光载波的角频率表示为ωLD，输入宽带信号的中心角频率表示为ωRF，由于射频输入90°电桥的作用，双平行马赫曾德尔调制器工作在载波抑制的单边带调制模式，此时双平行马赫曾德尔调制器的输出如图2的A点光谱示意图所示，只包含载波被抑制后的+1阶光边带。
步骤2：当设置可调谐激光器的输出频率处于相移布拉格光栅凹口位置左边时，光电振荡环路输入第二光耦合器的光谱如图3的B点光谱示意图所示，此时相移布拉格光栅透射出+1阶的本振光谱，该本振光信号的角频率表示为ωLO。
步骤3：所产生的本振光信号与射频的+1阶光边带经过第二光耦合器后输入至第一光电探测器中，则最终输出信号的角频率ωOUT＝ωRF-ωLO，此时可以实现输入射频信号的下变频；
当设置激光器的输出频率处于相移布拉格光栅凹口位置右边时，相移布拉格光栅透射出+1阶的本振光谱，角频率ωLO的值为负，可以实现输入射频信号的上变频，即上下变频功能的切换以及最终输出的变频频率可以通过改变可调谐激光器输出的频率进行调谐。
该方案在无需外部本振信号源情况下可实现宽带信号的可调谐变频输出，具备高频宽带信号处理能力和灵活可重构的特性，在面向高频的雷达和通讯应用领域可发挥一定的技术价值。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种本振信号自产生的宽带可调谐微波光子变频系统，其特征在于，包括一个可调谐激光器，一个移相器、一个电功分器、一个双平行马赫增德尔调制器、一个相位调制器、两个光耦合器、两个光电探测器、一个光环形器、一个可调光延时线、一个低噪声放大器、一个相移布拉格光栅；
所述光耦合器包括第一光耦合器和第二光耦合器；
所述光电探测器包括第一光电探测器、第二光电探测器；
所述相位调制器、所述光环形器、所述低噪声放大器、所述第二光电探测器以及光纤构成一个光电振荡环路，用以产生光本振信号；
所述激光器、所述第一光耦合器、所述双平行马赫增德尔调制器、所述第二光耦合器、所述第一光电探测器构成一个射频光信号产生光支路，用以输出射频光信号；
所述光本振信号和所述射频光信号在所述第一光电探测器中混频输出，得到所需的变频信号。
2.根据权利要求1所述的本振信号自产生的宽带可调谐微波光子变频系统，其特征在于，所述可调谐激光器的输出端与所述第一光耦合器相连，用以将光载波均分到两个光支路进行传输；
所述第一光耦合器的输出端包括第一输出端口和第二输出端口；
其中，所述第一输出端口与所述双平行马赫曾德尔调制器的光输入端口相连。
3.根据权利要求2所述的本振信号自产生的宽带可调谐微波光子变频系统，其特征在于，射频输入端口与所述电功分器的输入端口相连，电功分器的第一输出端口与所述双平行马赫增德尔调制器的输入端口相连，用以基于电光调制实现载波抑制的单边带强度调制；
其中，所述双平行马赫曾德尔调制器输出+1阶光边带。
4.根据权利要求3所述的本振信号自产生的宽带可调谐微波光子变频系统，其特征在于，所述第一光耦合器的第二输出端口与所述相位调制器的光输入端口相连，相位调制器的光输出端口与所述光环形器的第一端口相连；
所述光环形器的第二端口与所述相移布拉格光栅的入射端口相连，相移布拉格光栅的透射端口与所述第二光耦合器的第二输入端口相连，用以将相位调制器输出的光信号经相移布拉格光栅反射后由相位调制转化为强度调制；
所述光环形器的第三端口与所述可调谐光延时线的输入端相连，可调谐光延时线的输出端与所述第二光电探测器的输入端相连，用以产生所需要的光真延时。
5.根据权利要求4所述的本振信号自产生的宽带可调谐微波光子变频系统，其特征在于，所述第二光电探测器的输出端与所述低噪声放大器相连，低噪声放大器的输出端与所述相位调制器的射频输入端相连形成光电振荡器环路，用以实现稳定的振荡输出并在相移布拉格光栅的输入端口产生所需的光本振信号。
6.根据权利要求5所述的本振信号自产生的宽带可调谐微波光子变频系统，其特征在于，所述调谐激光器通过输出频率调整以调谐最终输出的变频频率，所述相移布拉格光栅根据可调谐激光器的输出频率设置有如下策略：
当所述可调谐激光器的输出频率小于所述相移布拉格光栅的凹口频率时，相移布拉格光栅的透射口输出本振光谱的+1边带与射频+1阶边带耦合传输至所述第一光电探测器进行解调，所述第一光电探测器输出下变频解调信号；
当所述可调谐激光器的输出频率大于相移布拉格光栅的凹口频率时，相移布拉格光栅的透射口输出本振光谱的-1边带与射频+1阶边带耦合传输至所述第一光电探测器进行解调，所述第一光电探测器输出上变频解调信号。
7.根据权利要求6所述的本振信号自产生的宽带可调谐微波光子变频系统，其特征在于，所述可调谐激光器包括输出频率可调谐的分布式反馈激光器。
8.根据权利要求6所述的本振信号自产生的宽带可调谐微波光子变频系统，其特征在于，所述光耦合器包括1：1光功分器。
9.根据权利要求8所述的本振信号自产生的宽带可调谐微波光子变频系统，其特征在于，所述电功分器包括1：1功分器。
10.根据权利要求9所述的本振信号自产生的宽带可调谐微波光子变频系统，其特征在于，所述第一光电探测器与所述第二光电探测器的参数相同。
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