CN1378095A - 可调光振荡器 - Google Patents
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Abstract
一种可调光振荡器,其中包括:一个在预定频带上产生电信号的电信号发生器;一个受电信号调制的主激光器,上述主激光器产生具有第一频率的光学信号;和一个受电信号调制并且产生具有第二频率的光学信号的从激光器,它被注入主激光器产生的光学信号,上述从激光器将接收的光学信号与具有第二频率的光学信号混合并且输出光学信号。
Description
技术领域
本发明涉及可调光振荡器，更具体地是涉及在微到毫米波段上产生信号的可调光振荡器。
技术背景
对包含视频和交互服务的移动互联网服务日益增加的需要导致无线通信的可用频段被耗尽，因而促使开发第四代无线通信系统。作为IMT-2000(国际移动电信)的下一代通信系统，使用3GHz到300GHz频带上的信号的微/毫米波通信正得到宽带无线通信的关注。
然而由于其对传输距离的限制并且需要高频源，微/毫米波通信系统需要与现有有线系统混合。低衰减无EMI的光纤传输被认为是长距离传送高频段无线信号的最有希望的候选方案，而产生微/毫米光波的技术是宽带通信系统的关键技术。
在混合光学无线系统的系统设计可选方案中，产生和发送毫米光波信号具有许多优点。虽然基带传输具有这样的缺点，即具有SDH/SONET全兼容设备的户外基站非常复杂，但毫米光波传输系统具有相对简单的户外基站，并且户外基站具有紧凑的远程天线单元。因而可以降低超微小区通信网络中许多天线的负载。此外，由于在一个中心站上产生高频光学信号，可以建立一个集中式系统。利用中心站上的控制功能，可以方便地控制信道分配，切换和天线，并且增加了系统可以支持的用户数量。除便于系统维护的优点之外，对调制类型是透明的。由于通过电气基带信号调制产生的光学信号，可以灵活适应任何类型的调制格式。根据这些优点，允许实现经济有效的通信并且为诸如移动LAN或宽带无线本地环路(B-WLL)系统的用户环路中的无线接入提供灵活性。
在混合光纤无线系统中，根据调制方法或光源数量可以对产生微/毫米光波信号的方法进行分类。
产生微/毫米波信号的常规方法包含一个直接调制方法(P.A.Morton，Electron.Lett.，Vol.30，No.24，p.2044，1994)，和一个外部调制方法(U.Gliese，IEEE Trans.Microwave Theory Tech.，Vol.44，No.10，p.1716，1996)。然而由于电子电路的复杂度和费用，这些方法比较昂贵并且对可达到的频率有限制。使用一个光源的方法包含一种边带技术(G.H.Smith，IEEE微波理论技术论文集，Vol.45，No.8，p.1410，1997)，一个模式锁定激光器(T.Kuri，IEEE Trans.Microwave TheoryTech.，Vol.47，No.5，p.570，1999)和一种双模式激光方法(D.Wake，IEEE Trans.Microwave Theory Tech.，Vol.43，No.9，p.2270，1995)。由于这些光学设备的制造和开发比较困难并且昂贵，这些方法是不实际的。
考虑到费用，频率可调性和可升级到多信道系统这些因素，期望采用一种多源方法，即使用不同信源的信号之间的差拍产生具有期望频率的信号的外差方法。
L.Noel(IEEE Trans.Microwave Theory Tech.，Vol.45，No.8，p.1416，1997)介绍了一个使用注入锁定的外差方法。在这个方法中，来自一个主激光器的连续光波射线被注入一个RF调制从激光器并且锁定从激光器的一个边带模式。接着，通过两个信号之间的差拍产生对应于从激光器的激光发射和注入频率之间的差值的数十GHz光学信号。然而由于边带模式的功率相对较低并且可用边带模式范围受到限制，这个方案可达到的最大频率受到限制。它取决于主和从激光器的调制响应。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的一个目标是提供一个装置，该装置通过对四波混合(FWM)共轭模式进行注入锁定来产生具有可调性的微/毫米光波信号。
为了实现上述目标，提供一个包括产生RF频带电信号的电信号发生器的可调光振荡器；一个被电信号驱动并且产生第一频率光学信号的主激光器；和一个被电信号驱动并且产生第二频率光学信号的从激光器；从主激光器向从激光器馈送信号以便完成四光波混合和注入锁定，和从从激光器输出结果信号的装置。
通过下面结合附图对一个详细最优实施例进行的描述可以更加清晰地理解本发明的上述目标和优点，其中：
附图说明
图1是一个基于本发明的可调光振荡器的模块图；
图2(a)是图1的主激光器和从激光器在不连接电信号发生器时产生的连续光波的峰值频谱，和当连续光波彼此相互影响时出现FWM共轭模式；
图2(b)和(c)是当主激光器和从激光器被RF频带上的电信号驱动时发出的光学信号的频谱；
图2(d)是由于注入锁定造成的从激光器激光发射频率fSL的红移(red shift)的视图；
图3(a)-(f)是基于本发明当光线从主激光器注入从激光器时由光谱分析仪检测出的从激光器输出频谱；
图4(a)-(f)是基于本发明当光线从主激RF器注入从激光器时由RF谱分析仪测量出的从激光器输出频谱；和
图5是光电检测器检测的差拍信号频率与被连接到主和从激光器的电RF信号的功率的对比图表。
具体实施方式
图1是一个基于本发明的可调光振荡器的模块图。索引编号10表示一个光学信号振荡单元。索引编号20表示检查光学信号振荡单元10产生的光的频谱特征的测量单元。光学信号振荡单元10包含一个电信号发生器11，一个主激光器(ML)12和一个从激光器(SL)13。并且一个光学信号路由设备15位于ML 12和SL 13之间以便从ML 12向SL 13馈送信号并且从SL 13输出信号。可以在ML 12和光学信号路由设备15之间安装一个极化控制器14。
电信号发生器11提供一个驱动ML 12和SL 13的RF频带电信号。最好使用射频(RF)调制信号作为通信系统的电信号。电信号驱动的ML 12产生一个光学信号。在其被调制电信号驱动的情况下ML12会产生调制光学信号。ML 12最好是一个内部隔离的分布式反馈激光二极管(DFB-LD)。ML 12产生的光学信号通过诸如光环行器或具有光隔离器的光耦合器的光学信号路由设备15被注入SL 13。ML 12产生的光学信号可以穿过控制光学信号极化以减少衰减的极化控制器14；并且接着被输入光学信号路由设备15。SL 13是一个没有内部隔离器的DFB-LD或Fabri-Parot LD(FD-LD)。为了产生非退化四波混合(FWM)，ML 12的激光发射频率fML必须不在SL 13的锁定范围内。fML最好高于SL 13的激光发射频率fSL，并且被足够离调以导致发生基于SL 13的频率fSL的下变转换。当通过调整ML 12的偏压电流和工作温度来产生连续光波并且将其注入SL 13时，因半导体激光器的非线性特征也可以产生具有频率相当于fML和fSL之间的各种差值频率及其频率和的非退化FWM共轭。按照ML 12的激光发射频率和SL13的激光发射频率之间的一个差值频率振荡出SL 13的一个腔穴内的光子密度。在一个平方律直接检测器上检测出非退化FWM共轭信号之间的差拍信号以及ML 12和SL 13的峰值信号。测量单元20包含一个光隔离器21，一个光放大器22，一个耦合器23，一个光电检测器24，一个RF频谱分析仪25和一个光学信号测量设备26。
光隔离器21防止光学信号输出回流进光路由设备15。光放大器22放大经过光隔离器21的光学信号，而光耦合器23将放大的光学信号分成两个光学信号。光电检测器24将一个分割出的光学信号转换成电信号。光电检测器24的带宽必须大于产生的微/毫米波频率。RF频谱分析仪25显示出光电检测器的输出信号的RF频谱。光学信号测量设备26可以光学测量另一个分割出的光学信号。一个光谱分析仪或一个具有较小空闲频谱范围的Fabri-Perot干涉仪最好可以被用作光学信号测量设备26。这里提供对本发明不必要的测量单元20以便解释实验结果。
电信号发生器11使用在各个激光发射频率周围产生边带信号的频率调制来调制ML 12和SL 13，并且将光学差拍信号稳定在这些边带模式之间。详细解释如下所述。平方律直接检测器不仅检测ML 12和SL 13的峰值信号与FWM共轭模式信号，而且检测这些信号的差拍信号。然而由于差拍信号信源彼此不同并且缺乏相干性，产生的差拍信号不稳定并且不纯。
为了减少相位噪声并且稳定差拍信号，ML 12和SL 13通过一个3dB耦合器(未示出)被连接到电信号发生器11，电信号发生器11最好是一个RF信号源。RF信号源向ML 12和SL 13提供电直接调制或未调制信号。在ML 12中，由使用频率调制的RF信号源在激光发射频率周围产生边带模式。边带模式被注入SL 13的一个腔穴并且产生SL 13输出信号的锁定。结果，通过锁定效应偏移SL 13的非退化共轭模式和基础模式以便与ML 12的一个边带模式重叠，并且输出信号具有较少的波动和相位噪声。
图2(a)显示了ML 12和SL 13产生的连续光波的峰值频谱，和当连续光波彼此相互影响时出现FWM共轭模式。ML 12和SL 13的激光发射频率的隔离不允许最初的注入锁定。fI和fJ是FWM共轭频率。
fI和fML之间的间隔fb与fJ和fSL之间的间隔和ML 12有SL 13的激光发射频率之间的间隔相同。当ML 12产生的激光被注入SL 13的腔穴时，SL 13的载波密度导致SL 13产生的光学信号的频率fSL偏移到一个较低的频率上，这种效应被称作′红移′。由于注入SL 13的激光充当FWM的泵送信号而不是用于锁定的主激光，ML 12和SL 13产生的差拍信号因缺乏相干性而具有严重的波动和相位噪声。在试验中，数十GHz的差拍信号的波动在数十MHz的级别上。
图2(b)和(c)分别是ML 12和SL 13在被RF频带电信号驱动时产生的光学信号的频谱。在RF信号的直接调制中，频率调制以及强度调制仅导致边带模式以RF调制频率fm的间隔在ML 12和SL 13的激光发射频率周围出现。
图2(d)示出了因注入锁定在SL 13产生的频率fSL中出现的红移。当ML 12的信号被注入SL 13时，SL 13的一个边带模式与ML的一个边带模式耦合并且被锁定到该ML的边带模式上。相应地，fSL被偏移到与fML之间的距离为RF调制频率fm的倍数的fSL′上，并且接着锁定从SL 13输出的信号。当ML 12被注入SL 13的边带模式在锁定范围内被叠加并且与SL 13的某些边带模式耦合时实现了注入锁定。通过注入锁定fML的边带模式，fSL被偏移到fSL′，fSL′与主激光频率fML之间的差值是RF调制频率fm的倍数。RF调制信号的功率PM增加越多，fSL及其边带模式就被红移得越多，并且SL 13的边带模式与ML 12的边带模式之间的耦合和锁定就越强。
当fSL被偏移到fSL′时，FWM共轭模式频率fI和fJ分别被偏移到fI′和fJ′，并且接着彼此锁定。相应地，ML 12/SL 13的模式和其相邻FWM共轭模式之间的差值被从fb调整到fb′，fb′是RF调制频率fm的倍数。所有FWM共轭模式均锁定彼此并且可以产生具有较低相位噪声的稳定差拍信号。
图3(a)-(f)和图4(a)-(f)是当基于本发明的ML 12发出的激光被注入基于本发明的SL 13时分别用光谱分析仪(未示出)和RF频谱分析仪(未示出)测量的SL 13输出的频谱。具体地，图3(a)和图4(a)是SL13的输出频谱，其中没有RF调制信号被提供给SL 13。图3(b)-(f)和图4(b)-(f)是当分别以(b)5dBm，(c)8dBm，(d)10dBm，(e)12dBm和(f)16dBm的功率Pm向SL 13提供RF调制信号时SL 13的输出频谱。
如图3(a)和图4(a)所示，当RF调制信源不被连接到SL 13时，输出是具有频率fSL，fML的ML 12/SL 13信号，其FWM共轭模式信号和具有13.8GHz频率的差拍信号。
如果均以具有3GHz频率fm的RF信源直接调制ML 12和SL13，则如图3(b)和(c)所示频率fSL被偏移到一个较低的频率上。当RF调制信号的功率Pm增加时，fSL被进一步偏移到较低的频率上。SL 13的这种激光发射频率红移也可以是图4(b)和(c)所示，其中当功率Pm增加时差拍信号的频率地增加。
如图4所示，由于进行电RF调制，根据主差拍信号(频率是ML 12和SL 13频率之间的差值频率)和调制频率的一个倍数以间隔fm产生和测量由调制信号的高阶谐波造成的附加模式。图4(b)，(c)和(f)中示出的附加模式不在主差拍信号模式上叠加，这意味着主差拍信号不与调制信号锁定并且其它模式只是高阶谐波，即fm的一个倍数。
图4(c)和(f)中示出了不具有内部隔离器的SL 13的光纤抽头表面反射在主差拍信号周围产生的外部模式。
当功率Pm增加时，SL 13的边带模式被红移并且锁定到ML 12的边带模式上。如图3(d)和(e)所示，一旦实现了锁定，fSL被固定在比fML偏离15GHz(fM的倍数)的频谱位置上。
在图4(d)和(e)中，在锁定范围内部产生的差拍信号具有少得多的相位噪声并且在其周围没有外部模式。在Pm＝12dBm(图(e))的情况下，在从15GHz偏移100kHz的频率上RF信号的相位噪声是-96dBc/Hz。另外，虽然图4(a)中未锁定信号的带宽大约为4MHz，但锁定信号的带宽主要受RF频谱分析仪25分辨率的限制。相应应当注意，本发明也可以降低微/毫米波段信号的带宽。如图4(d)和(e)所示，差拍信号的功率显著增加，这意味着锁定产生了输出信号。只要SL 13的边带模式被锁定，频率fSL就不会随PM增加进一步偏移。在试验中，SL 13中的锁定行为被保持在10dBm＜Pm＜13.5dBm的范围上。但是如图3(f)和图4(f)所示，当功率Pm大于13.5dBm时锁定条件被破坏并且SL被进一步红移。
图5示出了输出差拍信号的频率与电信号功率Pm之间的关系。正方形表示产生的差拍信号频率，实线对应于在考虑锁定效应的情况下两个模式之间的差频的线性拟合。当在锁定区域上锁定SL 13的边带模式时，可以产生一个无频率波动的15GHz稳定差拍信号。并且当SL 13的边带信号不被锁定时差拍信号的频率按照150MHz/dB的斜率随着功率Pm的增加而单调增加。结果可以在Pm为10～13.5dBm的锁定区域上产生具有较少相位噪声的稳定微/毫米波段信号。并且FWM共轭之间的差拍信号可以产生30，45和60GHz的信号。因而根据本发明可以进一步加大产生的信号可达到的频率范围。
基于本发明的振荡器的一个优点是产生的信号的频率可调性。通过改变FWM共轭模式的频率可以改变输出差拍信号的频率。通过改变ML 12或SL 13的激光发射频率可以实现这个优点，其中通过调整激光器的偏压电流或工作温度来控制激光发射频率。由于这个方法的调谐范围较宽，所以适用于粗调谐。
在其它方法中，通过调整电RF信号的调制频率也可以调谐产生信号的频率。如果改变电信号的调制频率，则通过电信号直接调制的ML13边带模式频率发生改变。这些边带模式锁定SL 13的基础模式和边带模式以及FWM共轭模式的基础模式和边带模式，因而改变了它们的频率。因此通过调整调制频率可以调谐产生的差拍信号。由于锁定相对比较容易，这个方法可用于分辨率为数十MHz的精细调谐。
因此通过综合运用上述方法可以在数十GHz到数十MHz的范围上调整产生信号的频率。
如上所述，基于本发明的可调光学信号振荡器能够产生微米到毫米波信号并且超出从数十MHz到若干THz的宽带频率范围。即，由于由于FWM共轭模式之间的锁定和差拍被用来拓宽可用谐波模式的范围，在原理上可以实现对可达到的频率没有限制的高频振荡器。基于本发明的方法适于实现极高速光学通信系统或下一代无线系统中诸如半导体激光器和光学调制器的光学设备。利用基于本发明的光振荡器，不仅可达到的频率范围非常地宽，而且频率是可调的。可以实现这样一种光源，即通过调整激光二极管的电流或工作温度以及电调制信号的频率可以进行若干GHz的粗调谐和数十MHz的精细调谐。通过诸如宽带无线本地环路(B-WLL)和室内无线LAN的宽带无线通信系统可以为混合光纤无线系统提供更高的灵活性和可伸缩性，并且其应用领域被拓宽。并且通过显著降低信号的相位噪声和频率波动，可以实现稳定的光源。并且由于改进了产生信号的非线性特性，通信质量和性能得到增强，即通过基于本发明的振荡器减少了第三级调制间畸变(IMD)并且增加了无旋转(spunous-free)动态范围(SFDR)。另外，可以降低光源的啁啾，所以可以降低信号的传输散射，这样会使信号传输中发生较少的退化。
在本发明的光源被用作混合光纤无线系统中一个中心站内的信号发送器的情况下，在远程基站中没有混频器和局部振荡器被要求上变转换到载波频带并且可以减轻天线的负载。因而利于降低远程基站或移动终端设备的规模并且利于建立经济的系统。利用这种集中式系统，控制功能和天线设备可以位于中心站内，并且天线的维护以及信道分配控制和切换变得比较容易。使用基于本发明的方法的系统具有信号格式透明的特性并且可以灵活适应发送信号的调制类型。
虽然前面参照一个最优实施例示出和描述了本发明，但本领域的技术人员会理解，在不偏离本发明如所附权利要求书定义的宗旨和范围的前提下可以在形式和细节上进行各种改变。
Claims (10)
1.一种可调光振荡器，其中包括：
一个在预定频带上产生电信号的电信号发生器；
一个受电信号调制的主激光器，上述主激光器产生具有第一频率的光学信号；和
一个受电信号调制并且产生具有第二频率的光学信号的从激光器，它被注入主激光器产生的光学信号，上述从激光器将接收的光学信号与具有第二频率的光学信号混合并且输出光学信号。
2.如权利要求1所述的可调光振荡器，其中该电信号发生器是一个产生RF调制电信号的RF调制器。
3.如权利要求2所述的可调光振荡器，其中该主激光器产生第一频率光学信号和边带模式光学信号，上述边带模式光学信号被与第一频率光学信号区分开并且位于距离第一频率间隔电信号的调制频率的频谱位置上。
4.如权利要求1或3所述的可调光振荡器，其中主激光器是一个被内部隔离的分布式反馈激光二极管或Fabri-Perot激光二极管。
5.如权利要求2所述的可调光振荡器，其中从激光器产生第二频率光学信号和边带模式光学信号，混合第二频率光学信号与由主激光器产生的接收光学信号，并且输出光学信号，其中上述边带模式光学信号被与第二频率光学信号区分开并且位于距离第二频率间隔电信号的调制频率的频谱位置上。
6.如权利要求1或5所述的可调光振荡器，其中从激光器是一个未被内部隔离的分布式反馈激光二极管或Fabri-Perot激光二极管。
7.如权利要求6所述的可调光振荡器，其中从激光器产生频率在主激光器锁定范围之外的光学信号并且产生四个波混合信号。
8.如权利要求1或77所述的可调光振荡器，其中主激光器产生频率高于由从激光器产生的光学信号的频率的光学信号。
9.如权利要求1所述的可调光振荡器，其中还包括一个位于主激光器和从激光器之间的光学信号路由设备，上述光学信号路由设备向从激光器传送主激光器产生的光学信号并且向外部传送由从激光器产生的光学信号。
10.如权利要求9所述的可调光振荡器，其中还包括一个位于主激光器和光学信号路由设备之间的极化控制器，上述极化控制器控制主激光器产生的光学信号的极化。
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