CN116760478A - 基于光电振荡器的高线性度微波光子下变频接收系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微波光子技术领域，尤其涉及一种基于光电振荡器的高线性度微波光子下变频接收系统。该系统包括激光器，第一相位调制器，第一光放大器，相移布拉格光栅，第一光电探测器，第二相位调制器，光滤波器，第二光放大器，第二光电探测器。本发明通过改变激光器频率可调谐第一光电探测器产生的本振信号频率，从而有效实现第二光电探测器输出的下变频信号的调谐。通过调节第一光放大器的增益值使第一相位调制器输出光信号中本振光谱谐波的幅度为特定值，从而实现输出信号中的三阶交调失真抑制，进而提升整个下变频接收系统的无杂散动态范围，系统具备可重构性和高线性度，在面向雷达和通讯应用领域时可发挥技术价值。
Description
技术领域
本发明涉及微波光子技术领域，尤其涉及一种基于光电振荡器的高线性度微波光子下变频接收系统。
背景技术
微波光子学是光子技术和微波技术结合的一种新型交叉学科，一方面将成熟的电子技术应用到光学系统中来采集和处理信号，另一方面利用光学器件和系统来对微波信号进行处理，结合光学技术低损耗、大带宽和长距离等巨大优势，大大增加了高频无线电的传输距离，实现了光子技术和微波技术优缺点互补。
微波光子变频是微波光子学的重要应用之一，现有技术结合光电振荡器(OEO)可产生低相噪、高频谱纯度微波信号的优点，提出了利用OEO产生高频本振信号与射频输入信号进行光混频，从而实现无外部本振输入下的微波光子频率变换的方案，但是，这类方案无杂散动态范围的提升仍受限于调制器的非线性。因此，对于微波光子下变频，如何利用OEO产生高频可调谐本振信号并且同时实现无杂散动态范围提升是亟需解决的一个难题。
发明内容
为此，本发明提出了一种基于光电振荡器的高线性度微波光子下变频接收系统。用以克服现有技术中无法有效提升链路中的无杂散动态范围的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于光电振荡器的高线性度微波光子下变频接收系统，包括：
激光器，用于输出光载波；
第一相位调制器，其设置在所述激光器的输出端，用以对光载波进行调制以产生相位调制信号；
第一光放大器，其设置在所述第一相位调制器的输出端，用以接收第一相位调制器输出的相位调制信号并对相位调制信号进行放大处理；所述第一光放大器输出端设有光分束器，用以对第一光放大器输出的相位调制信号进行分束处理；
相移布拉格光栅，其设置在所述光分束器的一个输出端并与光分束器通过环形器相连，用以对光分束器输出的相位调制信号进行过滤以保留预设波长的光信号；
第一光电探测器，其分别与所述第一相位调制器和所述环形器相连且第一光电探测器与环形器连接的端口位于所述相移布拉格光栅与环形器连接的端口的下游，用以接收相移布拉格光栅输出的预设波长的光信号并对其进行拍频以生成本振信号，以及，将生成的本振信号输送至第一相位调制器以使本振信号对所述光载波进行调制；所述第一光电探测器与所述环形器之间设有可调光延时线；所述第一光电探测器与所述第一相位调制器之间设有低噪声放大器，用以放大第一光电探测器输出的本振信号；
第二相位调制器，其设置在所述光分束器远离所述环形器的一端，用以接收光分束器分束的调制后相位调制信号并将其与输送至第二相位调制器的射频信号进行混频；
光滤波器，其设置在所述第二相位调制器的输出端，用以对第二相位调制器输出的信号进行过滤以滤出0阶边带；
第二光放大器，其设置在所述光滤波器输出端，用以放大所述光滤波器输出的0阶边带；
第二光电探测器，其设置在所述第二光放大器的输出端，用以对所述放大后的0阶边带进行拍频以改变下变频输出频率。
进一步地，所述第一相位调制器在接收到所述本振信号时对本振信号和所述光载波进行混频处理以生成双边带的相位调制光谱。
进一步地，所述激光器能够输出不同频率的光载波，用以使所述第一光电探测器生成对应频率的本振信号。
进一步地，所述激光器、第一相位调制器、第一光放大器、光分束器、第二相位调制器、光滤波器、第二光放大器、第二光电探测器输入端、光环形器、相移布拉格光栅、可调光延时线和第一光电探测器输入端之间采用单模光纤相连。
进一步地，所述第一光电探测器与所述低噪声放大器通过射频电缆相连，所述低噪声放大器与所述第一相位调制器通过射频电缆相连。
进一步地，所述激光器输出的光场通过下式表示：
其中TM为整个系统传输产生的衰减系数，PIN为所述激光器输出的光功率，fC为光载波频率，e为指数，j为虚数，t为系统运行的时间，
设定所述本振信号VLO＝V0sin2πfLOt，其中fLO为本振信号频率，V0为本振信号的峰值电压。
进一步地，所述激光器为分布式反馈激光器。
进一步地，所述第一光放大器和第二光放大器均为掺铒光纤放大器。
进一步地，所述光分束器为1：1功分器。
进一步地，所述第一相位调制器和第二相位调制器运行参数均相同。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明在射频信号频率不变时，通过改变激光器频率可调谐本振信号频率，从而有效实现下变频信号的调谐。通过调节光放大器的增益值使相位调制器输出光信号中本振光谱谐波的幅度为特定值，实现输出信号中的三阶交调失真抑制，从而提升整个下变频接收系统的无杂散动态范围，本系统具备可重构性和高线性度，在面向雷达和通讯应用领域可发挥技术价值。
进一步地，本发明通过使用第一相位调制器对本振信号和光载波进行混频处理，能够生成双边带的相位调制光谱，同时，通过调节第一光放大器的增益值使第一相位调制器输出的光谱谐波幅度维持在特定值，从而实现输出信号中的三阶交调失真抑制，并提升整个下变频接收系统的无杂散动态范围。
进一步地，所述激光器能够输出不同频率的光载波，通过输出不同频率的光载波，能够使所述第一光电探测器生成对应频率的本振信号，通过改变激光器频率可调谐本振信号频率，从而有效实现下变频信号的调谐。
进一步地，所述激光器、第一相位调制器、第一光放大器、光分束器、第二相位调制器、光滤波器、第二光放大器、第二光电探测器输入端、光环形器、相移布拉格光栅、可调光延时线和第一光电探测器输入端之间采用单模光纤相连，单模光纤衰减低，支持远距离传输，并能提供比多模光纤更高的带宽，从而进一步提高光信号传输效率。
进一步地，所述第一光电探测器输出端、低噪声放大器、第一相位调制器电输入端之间采用射频电缆连接，射频电缆传输频带宽，辐射损耗小，从而提高电信号传输效率。
进一步地，所述激光器为分布式反馈激光器，其具有良好的单色性，能够有效提升光谱纯度。
进一步地，所述第一光放大器和第二光放大器均为掺铒光纤放大器，通过在放大器中掺杂一定比例的铒，能够补偿通讯系统中光信号的损耗，从而有效降低光信号在传输过程中的信号衰减。
进一步地，所述光分束器为1：1功分器，从而实现所述光场的等比例分束。
进一步地，所述第一相位调制器和第二相位调制器参数均相同，从而有效提高系统调制的一致性和可靠性。
附图说明
图1为本发明所述基于光电振荡器的高线性度微波光子下变频接收系统的结构框图。
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，本发明所述基于光电振荡器的高线性度微波光子下变频接收系统的结构框图。本发明所述基于光电振荡器的高线性度微波光子下变频接收系统包括激光器、第一相位调制器、第一光放大器、光分束器、相移布拉格光栅、第一光电探测器、第二相位调制器、光滤波器以及第二光电探测器。其中，所述激光器，用于输出光载波；所述第一相位调制器设置在所述激光器的输出端，用以对光载波进行调制以产生相位调制信号；所述第一光放大器设置在所述第一相位调制器的输出端，用以接收第一相位调制器输出的相位调制信号并对相位调制信号进行放大处理；所述光分束器设置在所述第一光放大器输出端，用以对第一光放大器输出的相位调制信号进行分束处理；所述相移布拉格光栅设置在所述光分束器的一个输出端并与光分束器通过环形器相连，用以对光分束器输出的相位调制信号进行过滤以保留预设波长的光信号；所述第一光电探测器分别与所述第一相位调制器和所述环形器相连且第一光电探测器与环形器连接的端口位于所述相移布拉格光栅与环形器连接的端口的下游，用以接收相移布拉格光栅输出的预设波长的光信号并对其进行拍频以生成本振信号，以及，将生成的本振信号输送至第一相位调制器以使本振信号对所述光载波进行调制；所述第一光电探测器与所述环形器之间设有可调光延时线；所述第一光电探测器与所述第一相位调制器之间设有低噪声放大器，用以放大第一光电探测器输出的本振信号；所述第二相位调制器设置在所述光分束器远离所述环形器的一端，用以接收光分束器分束的调制后相位调制信号并将其与输送至第二相位调制器的射频信号进行混频；所述光滤波器设置在所述第二相位调制器的输出端，用以对第二相位调制器输出的信号进行过滤以滤出0阶边带；所述第二光放大器设置在所述光滤波器输出端，用以放大所述光滤波器输出的0阶边带；所述第二光电探测器设置在所述第二光放大器的输出端，用以对所述放大后的0阶边带进行拍频以改变下变频输出频率。
当所述系统运行时，激光器输出频率为fC的光载波，输入至第一相位调制器中进行调制，产生相位调制信号，通过调节第一光放大器增益控制本振信号调制指数，通过调节激光器频率与相移布拉格光栅凹口频率之间的距离得到系统所需本振信号的频率，利用相移布拉格光栅滤波，完成相位到强度调制的转换后在第一光电探测器中进行拍频产生频率为fLO的本振信号，再经低噪声放大器放大后输入第一相位调制器与光载波进行调制形成闭环。之后，将第一相位调制器输出的调制信号放大后作为载波输入第二相位调制器，与频率为fRF的射频信号进行调制，混频后通过光滤波器滤出0阶边带，输出信号频率分别为fC，fC-fRF+fLO和fC+fRF-fLO，最终所述0阶边带进入第二光电探测器中拍频实现下变频信号输出，其输出的下变频信号频率为本振信号与射频信号的频率差，即fRF-fLO。当输出射频信号频率不变时，通过改变激光器频率可调谐本振信号频率，从而实现下变频信号的调谐。
本发明设置有第一相位调制器，所述第一相位调制器在接收到所述本振信号时对本振信号和所述光载波进行混频处理以生成双边带的相位调制光谱。通过调节第一光放大器的增益值使第一相位调制器输出光信号中本振光谱谐波的幅度为特定值，实现输出信号中的三阶交调失真抑制，从而提升整个下变频接收系统的无杂散动态范围。
本发明设置有激光器输出光载波，在射频信号频率不变时，通过改变激光器频率可调谐本振信号频率，从而有效实现下变频信号的调谐。
具体而言，激光器输出频率为fC的光载波，输入至第一相位调制器中进行调制，产生调制信号，依次经过第一光放大器、光分束器后，在环形器和相移布拉格光栅作用下完成相位到强度调制的转换，经光栅反射回来的光信号传输至第一光电探测器中实现光电解调，进行拍频产生频率为fLO的本振信号，本振信号再经低噪声放大器放大后传输至第一相位调制器中形成光电振荡循环回路，光电振荡器自激振荡后，第一相位调制器输出双边带的相位调制光谱，进一步通过调节第一光放大器的增益值使第一相位调制器输出的光谱谐波幅度为特定值，从而实现输出信号中的三阶交调失真抑制，并提升整个下变频接收系统的无杂散动态范围。
请继续参阅图1，所述激光器输出端与所述第一相位调制器的光输入端相连，第一相位调制器的输出端与第一光放大器的输入端相连，第一光放大器的输出端与光分束器的输入端相连，光分束器的输出端1与光环形器的1端口相连，光环形器的2端口与相移布拉格光栅相连，光环形器的3端口与可调光延时线的输入端相连，可调光延时线的输出端与第一光电探测器的输入端相连，第一光电探测器的输出端与低噪声放大器的输入端相连，低噪声放大器的输出端与第一相位调制器的电输入端相连形成闭环；光分束器的输出端2与第二相位调制器的光输入端相连，第二相位调制器的输出端与光滤波器的输入端相连，光滤波器的输出端与第二光放大器的输入端相连，第二光放大器的输出端与第二光电探测器的输入端相连。其中各相邻部件以单模光纤相连或以射频电缆连接。
具体而言，激光器、第一相位调制器、第一光放大器、光分束器、第二相位调制器、光滤波器、第二光放大器、第二光电探测器输入端、光环形器、相移布拉格光栅、可调光延时线和第一光电探测器输入端之间采用单模光纤相连。
具体而言，第一光电探测器输出端、低噪声放大器、第一相位调制器电输入端之间采用射频电缆连接。
本发明通过设置激光器输出光载波，所述激光器输出的光场通过下式表示：
其中TM为整个系统传输产生的衰减系数，PIN为激光器输出的光功率，fC为光载波频率，e为指数，j为虚数，t为系统运行的时间，
设定所述本振信号VLO＝V0sin2πfLOt，其中fLO为本振信号频率，V0为本振信号的峰值电压。通过本振信号幅度求出光放大器的增益值，从而直接实现射频信号的可调谐下频，并同时提升下变频接收系统的无杂散动态范围。
具体而言，假设输入的双音信号为：V＝V1[sin(2πf1t)+sin(2πf2t)]，其中f1和f2分别为双音信号的频率，V1为双音信号的峰值电压，第一相位调制器和第二相位调制器的半波电压Vπ为一致，则本振信号的调制指数为m0＝πVLO/Vπ，光载波经两个相位调制器被调制后的表达式为：
其中第二相位调制器的调制指m1＝πV0/Vπ，第二光电探测器输出解调得到的电流为：
其中是第二光电探测器的响应度，n、p、r、s均为整数，令所需要的中频频率fIF1＝f1-fLO、fIF2＝f2-fLO，当只考虑频点2fIF1-fIF2处的三阶交调信号，Tff为衰减系数，则该频点处输出的三阶电流项可表示为：
F(t)为电流项函数，当三阶交调失真完全受到抑制时，IIMD3＝0，同时基频电流分量IF≠0，因此可求出第一相位调制器的调制指数m0的条件，因此通过本振信号幅度求出光放大器的增益值，从而直接实现射频信号的可调谐下频，并同时提升下变频接收系统的无杂散动态范围。
优选地，所述激光器为分布式反馈激光器，其具有良好的单色性，能够有效提升光谱纯度。
优选地，所述第一光放大器和第二光放大器均为掺铒光纤放大器，通过在放大器中掺杂一定比例的铒，能够补偿通讯系统中光信号的损耗，从而有效降低光信号在传输过程中的信号衰减。
优选地，所述光分束器为1：1功分器，从而实现所述光场的等比例分束。
优选地，所述第一相位调制器和第二相位调制器参数均相同，从而有效提高系统调制的一致性和可靠性。
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)
1.一种基于光电振荡器的高线性度微波光子下变频接收系统，其特征在于，包括：
激光器，用于输出光载波；
第一相位调制器，其设置在所述激光器的输出端，用以对光载波进行调制以产生相位调制信号；
第一光放大器，其设置在所述第一相位调制器的输出端，用以接收第一相位调制器输出的相位调制信号并对相位调制信号进行放大处理；所述第一光放大器输出端设有光分束器，用以对第一光放大器输出的相位调制信号进行分束处理；
相移布拉格光栅，其设置在所述光分束器的一个输出端并与光分束器通过环形器相连，用以对光分束器输出的相位调制信号进行过滤以保留预设波长的光信号；
第一光电探测器，其分别与所述第一相位调制器和所述环形器相连且第一光电探测器与环形器连接的端口位于所述相移布拉格光栅与环形器连接的端口的下游，用以接收相移布拉格光栅输出的预设波长的光信号并对其进行拍频以生成本振信号，以及，将生成的本振信号输送至第一相位调制器以使本振信号对所述光载波进行调制；所述第一光电探测器与所述环形器之间设有可调光延时线；所述第一光电探测器与所述第一相位调制器之间设有低噪声放大器，用以放大第一光电探测器输出的本振信号；
第二相位调制器，其设置在所述光分束器远离所述环形器的一端，用以接收光分束器分束的调制后相位调制信号并将其与输送至第二相位调制器的射频信号进行混频；
光滤波器，其设置在所述第二相位调制器的输出端，用以对第二相位调制器输出的信号进行过滤以滤出0阶边带；
第二光放大器，其设置在所述光滤波器输出端，用以放大所述光滤波器输出的0阶边带；
第二光电探测器，其设置在所述第二光放大器的输出端，用以对所述放大后的0阶边带进行拍频以改变下变频输出频率。
2.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的高线性度微波光子下变频接收系统，其特征在于，所述第一相位调制器在接收到所述本振信号时对本振信号和所述光载波进行混频处理以生成双边带的相位调制光谱。
3.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的高线性度微波光子下变频接收系统，其特征在于，所述激光器能够输出不同频率的光载波，用以使所述第一光电探测器生成对应频率的本振信号。
4.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的高线性度微波光子下变频接收系统，其特征在于，系统中用以传输光信号的相邻两部件之间通过单模光纤相连。
5.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的高线性度微波光子下变频接收系统，其特征在于，所述第一光电探测器与所述低噪声放大器通过射频电缆相连，所述低噪声放大器与所述第一相位调制器通过射频电缆相连。
6.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的高线性度微波光子下变频接收系统，其特征在于，所述激光器输出的光场通过下式表示：
其中TM为整个系统传输产生的衰减系数，PIN为所述激光器输出的光功率，fC为光载波频率，e为指数，j为虚数，t为系统运行的时间，
设定所述本振信号VLO＝V0 sin2πfLOt，其中fLO为本振信号频率，V0为本振信号的峰值电压。
7.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的高线性度微波光子下变频接收系统，其特征在于，所述激光器为分布式反馈激光器。
8.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的高线性度微波光子下变频接收系统，其特征在于，所述第一光放大器和第二光放大器均为掺铒光纤放大器。
9.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的高线性度微波光子下变频接收系统，其特征在于，所述光分束器为1：1功分器。
10.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的高线性度微波光子下变频接收系统，其特征在于，所述第一相位调制器和第二相位调制器运行参数均相同。
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