TWI590605B - 光電式微波混頻裝置及方法 - Google Patents
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Description
本發明是關於一種光電式微波混頻裝置及其方法，特別是一種利用雷射的週期一非線性動態以進行微波混頻的裝置及其方法。
根據國際電信設備商思科(Cisco)的統計，全球無線行動通訊的單月平均使用量在2015年已達近3,700,000 Tera-Bytes，並預測未來將以每年53%的速度複合成長。為滿足如此巨量的無線行動通訊需求，國際電信設備商與營運商一方面將採用較目前頻率更高的微波訊號(例如，韓國三星預計採用28 GHz、芬蘭諾基亞則計畫採用70 GHz)，作為下一世代無線行動通訊(5G或5G以上)的無線載波，以提供較現行無線行動通訊多達1000倍的頻寬；另一方面將採用一種名為無線光纖整合通訊網路或光載微波通訊網路(radio-over-fiber communication network)，作為下一世代無線通訊網路的接取架構，希冀結合無線通訊與光纖通訊兩者的優點，不但提供大量通訊頻寬，也大幅延伸通訊觸角。
相較現行架構，下一世代無線通訊接取網路架構中的無線基地台，將把80%以上的訊號處理功能，轉移集中至中央處理機房(或基頻處理機房)進行，這其中的關鍵功能包含(1)在下載的傳輸(downlink transmission)中，如何將低頻率微波訊號轉換成高頻率微波訊號(在此簡稱升頻，frequency upconversion)，並利用光纖將該高頻率微波訊號傳遞至無線基地台後，經天線傳送出去；(2)在上傳的傳輸(uplink transmission)中，如何將天線所收到的高頻率微波訊號，經光纖傳送至中央處理機房後，轉換成低頻率微波訊號(在此簡稱降頻，frequency downconversion)，以利用小頻寬、低成本、高輸出功率的光檢測器來擷取與分析所傳輸的數據。這兩個關鍵功能可經由所謂的光電式微波混頻裝置來進行所需的升頻或降頻。相較於電子式的微波混頻裝置，光電式的微波混頻裝置可在非常大的範圍區間中選擇升頻或降頻後的微波頻率，可阻斷待轉換之微波訊號與本地振盪器之微波訊號間的相互作用，可避免電磁波干擾，不但因此減少所需的昂貴高頻電子元件與設備，還可以避免因為電子元件的頻寬限制而導致無法進行高微波頻率的升頻或降頻。
目前常見用以進行微波升頻或降頻的光電式微波混頻裝置與方法有下列三種： (1) 串連式光調制器 此法乃利用一電子式微波本地振盪器(electronic microwave local oscillator，即一電子式微波訊號產生器)產生一頻率為
f 0的微波訊號，接著利用一光調制器(optical modulator)將該微波訊號調制於已載有一微波訊號且其頻率為
f m的光訊號上，致使該光調制器輸出一混頻光訊號。接著利用光學濾波器，將不要的光頻成份(例如，混頻光訊號之光載波)自該混頻光訊號中剔除(或抑制)，以篩選出頻率差為|
f m-
f 0|的光頻成份，該過濾後的光訊號因此載有一頻率為|
f m-
f 0|的微波訊號，遂達成微波頻率由
f m轉換成|
f m-
f 0|的目的。此法的優點在於轉換後的微波訊號穩定且線寬窄小。然而，此法的缺點在於需要一電子式微波本地振盪器，因此會受該電子式微波本地振盪器的頻寬限制而無法進行高頻率的微波混頻；此外，該電子式微波本地振盪器需輸出極大的功率來進行前述的光調制以提高轉換效率，再加上此法需要一光放大器來補償濾波過程中的大幅能量損耗，這些都形成可觀的能源需求。 (2) 並聯式光調制器 此法乃利用一電子式微波本地振盪器產生一頻率為
f 0的微波訊號，接著利用一光調制器將該微波訊號調制於一連續波光訊號 (continuous-wave optical signal)上，之後利用光耦合器將該載有微波(頻率為
f 0)的光訊號與另一載有微波(頻率為
f m)的光訊號加以耦合，使兩者進行破壞性干涉，以分別剔除(或抑制)兩者的光載波，即可產生一載有頻率為|
f m-
f 0|的微波之光訊號輸出，遂達成微波頻率的轉換。此法的優點在於轉換後的微波訊號穩定且線寬窄小，不需使用光學濾波器來篩選，輸出光訊號的調制深度(optical modulation depth)可彈性調整以提升轉換後的微波訊號功率。然而，此法的缺點在於對進行破壞性干涉的兩個光訊號間的相對相位差有非常高的準確度要求，因此系統在面對環境變化或操作條件調整時必須有非常高的穩定性；另外，此法需要一電子式微波本地振盪器輸出極大的功率來進行前述的光調制，不但受該電子式微波本地振盪器的頻寬限制而無法進行高頻率的微波混頻，同時也形成可觀的能源需求。 (3) 交叉式增益調制 此法將兩個分別載上微波(一頻率為
f m，另一頻率為
f 0)的光訊號同時送入一半導體光放大器(semiconductor optical amplifier)，利用該半導體光放大器的交叉式增益調制(cross-gain modulation)特性，使兩光訊號進行混頻後輸出。接著利用光學濾波器，將不要的光頻成份自該混頻光訊號中剔除(或抑制)，以篩選出頻率差為|
f m-
f 0|的光頻成份，遂達成微波頻率的轉換。此方法的優點在於轉換後的微波訊號穩定且線寬窄小。然而，此法的缺點在於需要一電子式微波本地振盪器，因此會受該電子式微波本地振盪器的頻寬限制而無法進行高頻率的微波混頻；此外，該電子式微波本地振盪器需輸出極大的功率來進行前述的光調制以提高轉換效率，再加上此法需要一光放大器來補償濾波過程中的大幅能量損耗，這些都形成可觀的能源需求。
有鑑於上述習知技術之問題，本發明之目的在提供一種利用半導體雷射的週期一非線性動態以進行微波混頻的裝置與方法。本發明之微波混頻裝置，只需使用一典型、市面上可購得的半導體雷射作為主要元件，無需任何特殊或高速的半導體雷射，即可利用半導體雷射的週期一非線性動態來進行微波混頻。本發明之微波混頻方法，乃將微波調制光訊號產生模組所產生之調制頻率為
f m的微波調制光訊號注入至半導體雷射，在適當調整微波調制光訊號之光功率及載波頻率下，可誘發出半導體雷射的週期一非線性動態。週期一非線性動態呈現出光功率隨時間作週期性振盪的物理特徵，而這個週期性振盪的頻率剛好落在微波頻段內(在此簡稱該振盪頻率為
f 0)，因此該處於週期一非線性動態下的半導體雷射本身即是一個光電式的微波本地振盪器，乃以全光學(all-optical)機制來產生微波混頻過程中所需頻率為
f 0≠
f m之微波訊號。在微波調制光訊號的調制邊帶(modulation sidebands)與週期一非線性動態的振盪邊帶(oscillation sidebands)兩者間沒有形成頻率鎖住的條件下，半導體雷射輸出非線性混頻光訊號。利用光學濾波器將不要的光頻成份自非線性混頻光訊號中剔除或抑制，以篩選出頻率差為|
f m-
f 0|的光頻成份，該過濾後的光訊號因此載有頻率為|
f m-
f 0|的微波訊號，遂達成微波頻率由
f m轉換成|
f m-
f 0|的目的。這個裝置與方法中所使用的半導體雷射，同時提供微波本地振盪器與微波混頻的兩種功能，因其全光學的特性，不但可減少所需的昂貴高頻電子元件，還可避免受限於電子元件的頻寬，所以可在非常大的範圍區間(數個GHz至數百個GHz)中選擇升頻或降頻後的微波頻率，使這個裝置與方法可因應不同無線通訊網路所需的不同微波頻率規格而彈性調整。此外，頻率轉換後的微波訊號，其線寬窄小、相位雜訊低，因此有利於採用高階調制格式編碼的微波訊號之頻率轉換，以達通訊頻寬更進一步提升的需求。再者，該微波調制光訊號的光學調制深度(optical modulation depth)一般低於10%，而該過濾後的光訊號的光調制深度則可接近100%，因此在光檢測器接收相同的整體光功率條件下，轉換後的微波訊號之功率遠大於轉換前的微波訊號之功率，使這個裝置與方法具有極高的轉換效率，有利於提升通訊網路的訊號檢測靈敏度、光纖傳輸距離及網路傳輸效能。
基於上述目的，本發明係提供一種光電式微波混頻裝置，該裝置包含光電式微波混頻模組，光電式微波混頻模組之輸入信號為微波調制光訊號，光電式微波混頻模組包含微波混頻雷射，其中微波調制光訊號之光功率及載波頻率係被調整至使得微波混頻雷射工作於週期一非線性動態下，且微波調制光訊號之調制邊帶與週期一非線性動態之振盪邊帶兩者間沒有形成頻率鎖住，使得該波混頻雷射輸出非線性混頻光波之第一光訊號。
較佳地，光電式微波混頻裝置更包含微波調制光訊號產生模組，微波調制光訊號產生模組係用以產生微波調制光訊號，微波調制光訊號產生模組包含：光注入雷射，用以產生連續波雷射光；光偏振控制器，用以接收雷射光並調整偏振後輸出；微波訊號產生器，用以產生微波訊號；以及光調制器，用以將微波訊號調制於連續波雷射光，以產生微波調制光訊號。
較佳地，光電式微波混頻模組更包含：光功率調整器，用以調整微波調制光訊號的光功率大小；以及光偏振控制器，接收光功率調整器之輸出光訊號，再調整偏振後輸出至微波混頻雷射。
較佳地，光功率調整器更包含主動光學元件或是被動光學元件，主動光學元件係為光功率放大器，被動光學元件係為光功率衰減器。
較佳地，光電式微波混頻模組更包含光路徑控制器，設置於微波混頻雷射之輸入端前，用以單向引導微波調制光訊號進入微波混頻雷射，以及由微波混頻雷射將第一光訊號單向引導至輸出;以及光頻成份篩選器，接收第一光訊號，再篩選第一光訊號之光頻成份後輸出。
較佳地，光路徑控制器係光循環器，光頻成份篩選器係光學濾波器，且微波混頻雷射係半導體雷射。
基於上述目的，本發明再提供一種光電式微波混頻方法，包含下列步驟：利用微波調制光訊號產生模組產生微波調制光訊號；以及輸入微波調制光訊號至具有微波混頻雷射之光電式微波混頻模組，其中微波調制光訊號之光功率及載波頻率係被調整至使得微波混頻雷射工作於週期一非線性動態下，且微波調制光訊號之調制邊帶與週期一非線性動態之振盪邊帶兩者間沒有形成頻率鎖住，使得微波混頻雷射輸出非線性混頻光波之第一光訊號。
較佳地，利用微波調制光訊號產生模組產生微波調制光訊號的步驟包含下列步驟：利用光注入雷射，產生連續波雷射光；利用光偏振控制器接收連續波雷射光並調整偏振後輸出；利用微波訊號產生器產生微波訊號；以及利用光調制器將微波訊號調制於連續波雷射光，以產生微波調制光訊號。
較佳地，於輸入微波調制光訊號至光電式微波混頻模組中，更包含下列步驟: 輸入微波調制光訊號至光功率調整器以調整微波調制光訊號之光功率；以及輸入光功率調整器輸出之微波調制光訊號至光偏振控制器，使光偏振控制器調整微波調制光訊號之偏振後輸出至微波混頻雷射。
較佳地，於輸入微波調制光訊號至光電式微波混頻模組中，更包含利用光路徑控制器單向引導微波調制光訊號進入微波混頻雷射，以及由微波混頻雷射將第一光訊號單向引導至光頻成份篩選器，接著利用光頻成份篩選器篩選第一光訊號之光頻成份後輸出。
因此，依據本發明之光電式微波混頻裝置及其方法，其可具有一或多個下述優點：
(1) 本發明之光電式微波混頻裝置，只需使用一典型、市面上可購得的半導體雷射作為主要元件，即可利用半導體雷射的週期一非線性動態來進行微波混頻，無需任何特殊或高速的半導體雷射。
(2) 本發明所使用處於週期一非線性動態下的半導體雷射，可同時提供微波本地振盪器與微波混頻兩種功能，因其全光學的特性，不但可減少所需的昂貴高頻電子元件，還可避免受限於電子元件的頻寬，所以可在非常大的範圍區間(數個GHz至數百個GHz)中選擇升頻或降頻後的微波頻率，使本發明可因應不同無線通訊網路所需的不同微波頻率規格而彈性調整。
(3) 經本發明頻率轉換後的微波訊號，其線寬窄小、相位雜訊低，因此有利於採用高階調制格式編碼的微波訊號之頻率轉換，或是有利於高雜訊敏感度的其他系統與科技應用。
(4) 由於微波調制光訊號的光學調制深度一般低於10%，經本發明微波頻率轉換後之光訊號的光調制深度則可接近100%，因此在光檢測器接收相同的整體光功率條件下，轉換後的微波訊號之功率遠大於轉換前的微波訊號之功率，使本發明具有極高的轉換效率，有利於提升通訊網路的訊號檢測靈敏度、光纖傳輸距離及網路傳輸效能，或是有利於需要大微波功率的其他科技應用。
請參閱第1圖，第1圖係為根據本發明之光電式微波混頻裝置之功能方塊圖。如第1圖所示，本發明之光電式微波混頻裝置1包含微波調制光訊號產生模組10及光電式微波混頻模組20。其中，微波調制光訊號產生模組10產生微波調制光訊號，而光電式微波混頻模組20輸入由微波調制光訊號產生模組10所產生之微波調制光訊號。其中，光電式微波混頻模組20至少具有微波混頻雷射203，且輸入至光電式微波混頻模組20之微波調制光訊號之光功率及載波頻率被調整至使得微波混頻雷射203工作於週期一非線性動態(period-one nonlinear dynamics)下，且該微波調制光訊號之調制邊帶與該週期一非線性動態之振盪邊帶兩者間沒有形成頻率鎖住，使得微波混頻雷射203輸出一非線性混頻光波(nonlinear wave-mixing optical signal)之第一光訊號。
其中，請一併參閱第1圖、第4圖至第8圖，第4圖係為根據本發明之光電式微波混頻裝置之第一實施例之週期一非線性動態之光波頻譜圖，第5圖係為根據本發明之光電式微波混頻裝置之第一實施例之微波調制光訊號之光波頻譜圖，第6圖係為根據本發明之光電式微波混頻裝置之第一實施例之第一光訊號之光波頻譜圖，第7圖係為根據本發明之光電式微波混頻裝置之第一實施例之第一光訊號之微波頻譜圖，第8圖係為根據本發明之光電式微波混頻裝置之第一實施例之第一光訊號之微波訊號，其基階訊號功率及其三階互調訊號功率隨輸入微波訊號功率之變化關係圖。為使方便起見，以下之說明中，將採用
ξ i來表示注入光訊號相對於微波混頻雷射203的強度(injection strength)，以及
f i來表示注入光訊號相對於微波混頻雷射203的差頻(detuning frequency)。其中，微波混頻雷射203可例如為半導體雷射。
在沒有任何微波調制下，且在適當的注入光訊號強度與頻率條件下，將第1圖中光注入雷射101所產生的連續光波(continuous wave)注入至微波混頻雷射203，可誘發出微波混頻雷射203的週期一非線性動態。此時，在光波頻譜上，微波混頻雷射203的輸出除了出現一個與注入的連續光波頻率相同的光頻成份(optical frequency component)外，更於該注入連續光波頻率相距
f 0的兩旁處各出現一個光頻成份(中文稱之為振盪邊帶，英文稱之為oscillation sideband)，
f 0在此稱為該週期一非線性動態的振盪頻率(oscillation frequency)；此外，因為雷射共振頻率紅移效應(cavity resonance frequency red-shift)，低頻之振盪邊帶的光功率一般會遠大於高頻之振盪邊帶的光功率。由於振盪頻率
f
0 的數值落於電磁頻譜中的微波頻段(0.3 GHz 到 300 GHz)內，若將工作於週期一非線性動態下的微波混頻雷射203之輸出光訊號送入光檢測器(photodetector)，即可產生一頻率等於振盪頻率
f
0 的微波訊號；因此，處於週期一非線性動態下的微波混頻雷射203，其本身即是一個以全光學(all-optical)機制來產生微波訊號的光電式微波訊號產生器(photonic microwave signal generator)，可作為本發明欲進行微波混頻(microwave mixing)時所需之微波本地振盪器(microwave local oscillator)。本發明之光電式微波混頻裝置及方法乃利用上述光學特性以進行微波頻率的轉換。舉例而言，如第4圖所示，在
ξ i=1.00與
f i=21GHz的光注入條件下，週期一非線性動態之光波頻譜圖除了在光波差頻(offset frequency)為21GHz處出現一個光頻成份外，更於光波差頻為-9GHz及51GHz各出現一個光頻成份；於此情形下，
f
0 =30GHz，亦即目前處於週期一非線性動態下的微波混頻雷射203，可作為一個提供微波頻率為30 GHz的微波本地振盪器。由於週期一非線性動態之振盪頻率(即
f
0 值)及其各光頻成份之功率，可經由改變注入光訊號強度
ξ
i 與注入光波差頻
f
i 的方式分別加以調整，因此本發明之光電式微波混頻裝置及方法，可依據實際應用的需求，選擇不同的注入光訊號強度
ξ
i 與注入光波差頻
f
i 組合，以產生不同特徵(即
f
0 與各光頻成份之功率)的週期一非線性動態，可使微波混頻雷射203作為產生不同微波頻率的微波本地振盪器。據此，本發明之光電式微波混頻裝置及方法可在非常大的範圍區間(數個GHz至數百個GHz)中選擇升頻或降頻後的微波頻率，因此可因應不同無線通訊網路所需的不同微波頻率規格而彈性調整。
為確保微波頻率轉換後的傳輸數據不失真，頻率轉換後的微波訊號必須保有與頻率轉換前的微波訊號相類似的線寬大小與相位雜訊水準。在本發明中，這需要光注入雷射101與微波混頻雷射203彼此間維持極佳的相位相干性(phase coherence)；若無此相位相干性，則需要利用微波穩頻技術(microwave stabilization technique)使其建立之。在本發明之實施例中，由於所使用的光注入雷射101與微波混頻雷射203彼此間並無所需的相位相干性，因此採用所謂的雙鎖住(double locking)之微波穩頻技術來建立兩者間的相位相干性；亦即，利用一微波訊號產生器(未繪示)產生一個頻率等同於
f
0 (週期一非線性動態之振盪頻率)的微波訊號，並將該微波訊號直接調制(direct modulation)於微波混頻雷射203，致使該微波訊號相位鎖住(phase lock)週期一非線性動態。舉例而言，在第4圖所示的情形下，可採用一個頻率為30 GHz的微波訊號來直接調制微波混頻雷射203，以建立前述所需的相位相干性。
如第5圖所示，於本發明之實施例中，微波調制光訊號產生模組10所產生之微波調制光訊號可例如為雙邊帶調制光訊號(optical double-sideband signal)。雙邊帶調制光訊號之中心頻率成份稱為光載波(optical carrier)，於該光載波頻率相距
f m的兩旁處出現兩個功率大小相同的光頻成份(中文稱之為調制邊帶，英文稱之為modulation sideband)，
f m在此稱為該雙邊帶調制光訊號的調制頻率(modulation frequency)。針對本發明所欲進行的微波混頻，微波調制光訊號之調制頻率
f m不可等於週期一非線性動態之振盪頻率
f
0 。
舉例而言，微波調制光訊號產生模組10可包含光注入雷射101、微波訊號產生器103及光調制器104，以及可更包含光偏振控制器102。其中，光注入雷射101產生一連續波雷射光，且此光注入雷射101可例如為可調式雷射以因應實際需求而產生預定光頻率及光功率之連續波雷射光。此外，光注入雷射101亦可例如更連接於光功率調整元件或內建有光功率調整元件(未繪示)，使得當光注入雷射101產生一連續波雷射光後，可例如藉由此光功率調整元件調整連續波雷射光之光功率後輸出。而光偏振控制器102接收此連續波雷射光並調整偏振後輸出。
此外，微波訊號產生器103產生一頻率為
f m之微波訊號，且此微波訊號之頻率不等於微波混頻雷射203之週期一非線性動態之振盪頻率
f
0 。例如，當振盪頻率假設為30 GHz時，則此微波訊號頻率可設定為5 GHz，但本發明並不侷限於此，此頻率亦可設定為10、20、35、40 GHz或其他可用於本發明之光電式微波混頻裝置1中之頻率。
另外，於產生連續波雷射光及微波訊號後，光調制器104接收此連續波雷射光(或經光偏振控制器102調整偏振後輸出之連續波雷射光)以及微波訊號，且光調制器104將此微波訊號調制於連續波雷射光，以產生前述之微波調制光訊號，如第5圖所示。
除此之外，光電式微波混頻模組20除了包含有微波混頻雷射203以外，更可包含光功率調整器201及光偏振控制器202。其中，微波調制光訊號產生模組10所產生之微波調制光訊號係注入光功率調整器201，而光功率調整器201調整微波調制光訊號之功率，進而改變注入光訊號強度
ξ
i 。此外，調整光注入雷射101產生之連續波雷射光的頻率，或調整微波混頻雷射203產生之輸出光的頻率，皆可改變注入光訊號差頻
f
i 。不論是改變注入光訊號強度
ξ
i 或注入光訊號差頻
f
i ，均可改變週期一非線性動態之光譜上各頻率成份的頻率間距(即可改變各振盪邊帶之所在頻率，亦即可改變振盪頻率
f
0 )以及光功率大小，使得微波混頻雷射203產生具有不同特徵之週期一非線性動態。其中，光功率調整器201可例如包含主動光學元件及/或被動光學元件，來調整注入之微波調制光訊號之光功率。其中，主動光學元件可例如為光功率放大器，而被動光學元件可例如為光功率衰減器。而若微波調制光訊號本身之整體功率夠大時，則光功率調整器201即僅需一光功率衰減器即可達成調整光強度之目的。
另外，光偏振控制器202連接於光功率調整器201，並接收光功率調整器201所輸出之微波調制光訊號，在調整偏振後輸出至微波混頻雷射203，藉以使得注入於微波混頻雷射203之微波調制光訊號之光波偏振可與微波混頻雷射203之光波偏振一致，以能更為有效地使得微波混頻雷射203工作於週期一非線性動態下。
此外，光電式微波混頻模組20亦可包含光路徑控制器204，其中光路徑控制器204設置於微波混頻雷射203之輸入端前，除了單向引導微波調制光訊號進入微波混頻雷射203之外，還自微波混頻雷射203將第一光訊號單向引導至光頻成份篩選器205，並經篩選該第一光訊號之光頻成份後輸出。由於經光頻成份篩選器篩選後之光訊號，其載有的微波頻率相較於進入微波混頻雷射203之微波調制光訊號所載有的微波頻率低頻(或高頻)，遂完成微波頻率的降頻(或升頻)。其中，光路徑控制器204可例如為光循環器。從光電式微波混頻模組20所輸出之光訊號可利用光耦合器一分為二，其中之一可輸入至光學頻譜分析儀301，另一則可透過光檢測器302而輸入至微波頻譜分析儀303，藉以利用光學頻譜分析儀301分析該光訊號之光波頻譜以及利用微波頻譜分析儀303分析該光訊號之微波頻譜。由分析可知，本發明之光電式微波混頻裝置1所輸出之光訊號，在微波頻譜上呈現的微波訊號之線寬可小於1 Hz。此外，在相同的檢測光功率下，此微波訊號之功率相較於進入微波混頻雷射203之微波調制光訊號的微波功率高。
舉例而言，若在無線光纖整合通訊網路的上傳傳輸中，欲將一頻率為35 GHz的微波訊號轉換成為一頻率為5 GHz的微波訊號，可自微波訊號產生器103產生一個
f m= 35 GHz的微波訊號，並經前述過程產生一微波頻率待轉換之微波調制光訊號，如第5圖所示；一般而言，該微波調制光訊號之調制邊帶功率比光載波功率低很多，在此實施例中兩者功率差約30 dB，即表示該微波調制光訊號的光調制深度(optical modulation depth)約為6%。如第6圖所示，在與第4圖相同之
ξ i= 1.00與
f i= 21 GHz注入條件下，將該微波調制光訊號注入至微波混頻雷射203後，因為受到該微波調制光訊號之光載波的誘發，致使微波混頻雷射203工作於週期一非線性動態下，而產生與第4圖所示的光載波(出現在光波差頻為21 GHz處)及兩個振盪邊帶(分別出現在光波差頻為-9 GHz及51 GHz處)相似性極高之光頻成份；同時，在該微波調制光訊號目前的光調制深度大小之下，該微波調制光訊號之調制邊帶與該週期一非線性動態之振盪邊帶兩者間無法形成頻率鎖住的物理效應，因此不但在光波差頻分別為-14 GHz及56 GHz處出現該兩個調制邊帶的再生光訊號(optical regeneration)，還因為微波混頻雷射203內部的非線性混頻機制而出現其他的光頻成份，形成一非線性混頻光訊號，即第一光訊號。因此，處於週期一非線性動態的微波混頻雷射203，不但作為本發明欲進行微波混頻時所需之微波本地振盪器，也作為本發明欲進行微波混頻時所需之微波混頻功能。接著利用光頻成份篩選器205將不要的光頻成份自該非線性混頻光訊號中剔除或抑制，並輸出以誘發的週期一非線性動態之低頻振盪邊帶(在光波差頻為-9 GHz處)及再生的微波調制光訊號之低頻調制邊帶(在光波差頻為-14 GHz處)為主要的兩個光頻成份之光訊號，因此該過濾後的光訊號即載有一頻率為 |
f m-
f 0| = 5 GHz的微波訊號。如第7圖所示，將該過濾後的光訊號送入光檢測器 302後，即可得一頻率為5 GHz且線寬小於1 Hz的微波訊號，遂達成頻率由
f m轉換成|
f m-
f 0|的微波降頻。此外，在該過濾後的光訊號中，因為兩個主要光頻成份(誘發的週期一非線性動態之低頻振盪邊帶及再生的微波調制光訊號之低頻調制邊帶)間的功率差僅為7 dB，表示該過濾後的光訊號之光調制深度將近90%。因此，在光檢測器302接收相同光功率條件下，如第7圖所示，降頻後的微波訊號之功率比降頻前的微波訊號之功率高18 dB，代表此實施例的轉換效率(conversion efficiency)為18 dB。第7圖的橫軸座標(即微波差頻)，乃針對微波調制光訊號之微波訊號204及過濾後的光訊號之微波訊號203，分別以35 GHz與5 GHz為參考原點(即微波差頻為0 Hz處)來呈現。
為了說明本發明之光電式微波混頻裝置具有極高的線性度(linearity)，發明人提供無突波雜訊動態範圍(spur-free dynamic range)的分析以茲參考。為進行無突波雜訊動態範圍的分析，微波調制光訊號產生器10需產生同時承載著功率相同但頻率分別為
f m1= 35 GHz 與
f m2= 35.02 GHz的兩個微波訊號之微波調制光訊號，並在
ξ i= 1.00與
f i= 21 GHz的注入條件下，將該微波調制光訊號注入至微波混頻雷射203。如同前述過程，將微波混頻雷射203輸出之第一光訊號，經光頻成份篩選器205篩選出所需之光頻成份，再經光檢測器302接收後，不但出現頻率分別為
f m1–
f 0= 5 GHz 與
f m2–
f 0= 5.02 GHz但功率相同的兩個微波基階訊號(fundamental signal)，也同時出現頻率分別為2
f m1–
f m2–
f 0= 4.98 GHz 與 2
f m2–
f m1–
f 0= 5.04 GHz但功率相同的兩個微波三階互調訊號(third-order intermodulation signal)。第8圖乃頻率為
f m1–
f 0= 5 GHz的基階訊號之功率以及頻率為2
f m1–
f m2–
f 0= 4.98 GHz的三階互調訊號之功率，兩者分別隨微波訊號輸入之功率的變化。由於本實施例所採用的微波頻譜分析儀 303，其雜訊基準(noise floor)約為-130 dBm，分析第8圖的基階訊號與三階互調訊號在此雜訊基準條件下之功率差，本發明之光電式微波混頻裝置的無突波雜訊動態範圍約為120 dB，比無線光纖整合通訊網路在實際應用上的要求範圍還要好40至50 dB。
利用本發明之光電式微波混頻裝置與方法，除了可進行微波訊號的降頻之外，也可進行微波訊號的升頻。請一併參閱第1圖、第9圖至第13圖，其中第9圖係為根據本發明之光電式微波混頻裝置之第一實施例之週期一非線性動態之光波頻譜圖，第10圖係為根據本發明之光電式微波混頻裝置之第一實施例之微波調制光訊號之光波頻譜圖，第11圖係為根據本發明之光電式微波混頻裝置之第一實施例之第一光訊號之光波頻譜圖，第12圖係為根據本發明之光電式微波混頻裝置之第一實施例之第一光訊號之微波頻譜圖，第13圖係為根據本發明之光電式微波混頻裝置之第一實施例之第一光訊號之微波訊號，其基階訊號功率及其三階互調訊號功率隨輸入微波訊號功率之變化關係圖。
舉例而言，如第9圖所示，在連續光波為
ξ i= 1.19與
f i= 18 GHz的光注入條件下，將誘發微波混頻雷射203的週期一非線性動態，除了在光波差頻為18 GHz處出現一個光頻成份外，更於光波差頻為 -12 GHz及48 GHz各出現一個光頻成份，致使
f
0 = 30GHz。若在無線光纖整合通訊網路的下載傳輸中，欲將一頻率為10 GHz的微波訊號轉換成為一頻率為20 GHz的微波訊號，可自微波訊號產生器103產生一個
f m= 10 GHz的微波訊號，並經前述過程產生一微波頻率待轉換之微波調制光訊號，如第10圖所示；在此實施例中，該微波調制光訊號之調制邊帶與光載波兩者功率差約30 dB，表示該微波調制光訊號的光調制深度約為6%。如第11圖所示，在與第9圖相同之
ξ i= 1.19與
f i= 18 GHz注入條件下，將該微波調制光訊號注入至微波混頻雷射203後，因為受到該微波調制光訊號之光載波的誘發，致使微波混頻雷射203工作於週期一非線性動態下，而產生與第9圖所示的光載波(出現在光波差頻為18 GHz處)及兩個振盪邊帶(分別出現在光波差頻為 -12 GHz及48 GHz處)相似性極高之光頻成份；同時，在該微波調制光訊號目前的光調制深度大小之下，該微波調制光訊號之調制邊帶與該週期一非線性動態之振盪邊帶兩者間無法形成頻率鎖住的物理效應，因此不但在光波差頻分別為8 GHz及28 GHz處出現該兩個調制邊帶的再生光訊號，還因為微波混頻雷射203內部的非線性混頻機制而出現其他的光頻成份，形成一非線性混頻光訊號，即第一光訊號。接著利用光頻成份篩選器205將不要的光頻成份自該非線性混頻光訊號中剔除或抑制，並輸出以誘發的週期一非線性動態之低頻振盪邊帶(在光波差頻為 -12 GHz處)及再生的微波調制光訊號之低頻調制邊帶(在光波差頻為8 GHz處)為主要的兩個光頻成份之光訊號，因此該過濾後的光訊號即載有一頻率為 |
f m-
f 0| = 20 GHz的微波訊號。如第12圖所示，將該過濾後的光訊號送入光檢測器 302後，即可得一頻率為20 GHz且線寬小於1 Hz的微波訊號，遂達成頻率由
f m轉換成|
f m-
f 0|的微波升頻。此外，在該過濾後的光訊號中，因為兩個主要光頻成份(誘發的週期一非線性動態之低頻振盪邊帶及再生的微波調制光訊號之低頻調制邊帶)間的功率差僅為14 dB，表示該過濾後的光訊號之光調制深度將近40%。因此，在光檢測器302接收相同光功率條件下，如第12圖所示，升頻後的微波訊號之功率比升頻前的微波訊號之功率高6 dB，代表此實施例的轉換效率為6 dB。第12圖的橫軸座標(即微波差頻)，乃針對微波調制光訊號之微波訊號304及過濾後的光訊號之微波訊號203，分別以10 GHz與20 GHz為參考原點(即微波差頻為0 Hz處)來呈現。
為針對此微波升頻進行無突波雜訊動態範圍的分析，微波調制光訊號產生器10需產生同時承載著功率相同但頻率分別為
f m1= 10 GHz 與
f m2= 10.02 GHz的兩個微波訊號之微波調制光訊號，並在
ξ i= 1.19與
f i= 18 GHz的注入條件下，將該微波調制光訊號注入至微波混頻雷射203。如同前述過程，將微波混頻雷射203輸出之第一光訊號，經光頻成份篩選器205篩選出所需之光頻成份，再經光檢測器302接收後，不但出現頻率分別為
f 0–
f m1= 20.00 GHz 與
f 0–
f m2= 19.98 GHz但功率相同的兩個微波基階訊號，也同時出現頻率分別為
f 0– 2
f m1+
f m2= 20.02 GHz 與
f 0– 2
f m2+
f m1= 19.96 GHz但功率相同的兩個微波三階互調訊號。第13圖乃頻率為
f 0–
f m1= 20.00 GHz的基階訊號之功率以及頻率為
f 0– 2
f m1+
f m2= 20.02 GHz的三階互調訊號之功率，兩者分別隨微波訊號輸入之功率的變化。由於本實施例所採用的微波頻譜分析儀 303，其雜訊基準(noise floor)約為-130 dBm，分析第13圖的基階訊號與三階互調訊號在此雜訊基準條件下之功率差，本發明之光電式微波混頻裝置的無突波雜訊動態範圍約為124 dB，比無線光纖整合通訊網路在實際應用上的要求範圍還要好40至50 dB。
在本發明之光電式微波混頻裝置中，週期一非線性動態之振盪頻率(即
f
0 值)以及各光頻成份之功率可經由改變注入光訊號強度
ξ
i 與注入光訊號差頻
f
i 的方式分別加以調整，所以本發明之光電式微波混頻裝置及方法，可依據實際應用的需求，選擇不同的注入光訊號強度
ξ
i 與注入光訊號差頻
f
i 組合，以產生不同特徵(即
f
0 與各光頻成份之功率)的週期一非線性動態。因此，經本發明轉換後之微波訊號，其轉換頻率與轉換效率可針對不同的通訊網路需求做彈性調整。以微波降頻為例，前述範例利用在
ξ i= 1.00與
f i= 21 GHz的條件下，產生一個
f 0= 30 GHz的週期一非線性動態，並利用處於該週期一非線性動態下的微波混頻雷射203，將一頻率為
f m= 35 GHz的微波訊號轉換成一頻率為|
f m–
f 0| = 5 GHz的微波訊號，並達成18 dB的轉換效率，如第14圖所示。同樣地，藉由選擇不同
ξ
i 與
f
i 的組合，可分別產生
f 0= 20、25、35、40 GHz的週期一非線性動態，並利用處於這些不同週期一非線性動態下的微波混頻雷射203，分別將頻率為
f m= 25、30、40、45 GHz的微波訊號轉換成頻率為|
f m–
f 0| = 5 GHz的微波訊號，並達成約20 dB的轉換效率，如第14圖所示。再以微波升頻為例，前述範例利用在
ξ i= 1.19與
f i= 18 GHz的條件下，產生一個
f 0= 30 GHz的週期一非線性動態，並利用處於該週期一非線性動態下的微波混頻雷射203，將一頻率為
f m= 10 GHz的微波訊號轉換成一頻率為|
f m–
f 0| = 20 GHz的微波訊號，並達成6 dB的轉換效率，如第15圖所示。同樣地，藉由選擇不同
ξ
i 與
f
i 的組合，可分別產生
f 0= 33、35、38、40 GHz的週期一非線性動態，並利用處於這些不同週期一非線性動態下的微波混頻雷射203，分別將頻率為
f m= 13、15、18、20 GHz的微波訊號轉換成頻率為|
f m–
f 0| = 20 GHz的微波訊號，並達成約8 dB的轉換效率，如第15圖所示。
另外，以上之敘述雖應亦已說明本發明之光電式微波混頻方法，然為了更明確之說明，更於以下額外敘述。惟，本發明之光電式微波混頻方法之細節亦可參照上述之說明。
請一併參閱第1圖至第5圖，以及第9圖與第10圖，其中第2圖係為根據本發明之光電式微波混頻方法之第一實施例之第一流程圖，第3圖係為根據本發明之光電式微波混頻方法之第一實施例之第二流程圖。如第1圖至第5圖以及第9圖與第10圖所示，本發明之光電式微波混頻方法首先係利用微波調制光訊號產生模組10產生微波調制光訊號(步驟S10)，接著再將微波調制光訊號產生模組10所產生之微波調制光訊號輸入至具有微波混頻雷射203之光電式微波混頻模組20，其中微波調制光訊號之光功率及載波頻率係被調整至使得微波混頻雷射203工作於週期一非線性動態下，且該微波調制光訊號之調制邊帶與該週期一非線性動態之振盪邊帶兩者間沒有形成頻率鎖住，使得該微波混頻雷射輸出一非線性光波混頻之第一光訊號。(步驟S24)。
其中，步驟S10可更包含：利用光注入雷射101以產生一連續波雷射光(步驟S11)；利用微波訊號產生器103以產生微波訊號(步驟S13)；輸入微波訊號產生器103所輸出之微波訊號以及光注入雷射101所產生之連續波雷射光至光調制器104，並利用光調制器104將微波訊號調制於連續波雷射光，以產生微波調制光訊號(步驟S14)，其中微波調制光訊號之調制頻率不可等於週期一非線性動態之振盪頻率。其中，本發明之光電式微波混頻方法於步驟S11及步驟S14之間，更可將光注入雷射101所產生之連續波雷射光輸入至光偏振控制器102，以利用光偏振控制器102調整連續波雷射光之偏振後輸出至光調制器104 (步驟S12)。
此外，本發明之光電式微波混頻方法於步驟S10及步驟S24之間，更可先將微波調制光訊號產生模組10所產生之微波調制光訊號輸入至光功率調整器201以調整微波調制光訊號之功率(步驟S21)，再將光功率調整器201輸出之微波調制光訊號輸入至光偏振控制器202，以利用光偏振控制器202調整微波調制光訊號之偏振後輸出至微波混頻雷射203 (步驟S22)。
另外，本發明之光電式微波混頻方法於步驟S10及步驟S24之間，亦更可利用光路徑控制器204單向引導微波調制光訊號進入微波混頻雷射203 (步驟S23)；以及於步驟S24之後，再利用同一光路徑控制器204將第一光訊號由微波混頻雷射203單向引導至光頻成份篩選器(步驟S25)，接著利用該光頻成份篩選器篩選該第一光訊號之光頻成份後輸出(步驟S26)。
根據上述，本發明之光電式微波混頻裝置及方法係使用例如半導體雷射為微波混頻雷射203。在不受任何外來干擾下，半導體雷射的輸出呈現出非常典型單一頻率的連續光波。若將光注入雷射101所產生的連續波雷射光，在適當的注入光波強度與注入光波差頻條件下，注入至例如為半導體雷射之微波混頻雷射203，將誘發出微波混頻雷射203的週期一非線性動態，因而呈現出截然不同的物理行為及性質。本發明之光電式微波混頻裝置及方法，可在非常大的範圍區間(數個GHz至數百個GHz)中選擇升頻或降頻後的微波頻率，使這個裝置與方法可因應不同無線通訊網路所需的不同微波頻率規格而彈性調整。此外，頻率轉換後的微波訊號，其線寬窄小、相位雜訊低，因此有利於採用高階調制格式編碼的微波訊號之頻率轉換，以達通訊頻寬更進一步提升的需求。再者，頻率轉換後的微波訊號之功率遠大於頻率轉換前的微波訊號之功率，使這個裝置與方法具有極高的轉換效率，有利於提升通訊網路的訊號檢測靈敏度、光纖傳輸距離及網路傳輸效能。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1‧‧‧光電式微波混頻裝置
10‧‧‧微波調制光訊號產生模組
101‧‧‧光注入雷射
102‧‧‧光偏振控制器
103‧‧‧微波訊號產生器
104‧‧‧光調制器
20‧‧‧光電式微波混頻模組
201‧‧‧光功率調整器
202‧‧‧光偏振控制器
203‧‧‧微波混頻雷射
204‧‧‧光路徑控制器
205‧‧‧光頻成份篩選器
301‧‧‧光學頻譜分析儀
302‧‧‧光檢測器
303‧‧‧微波頻譜分析儀
S10~S26‧‧‧步驟
10‧‧‧微波調制光訊號產生模組
101‧‧‧光注入雷射
102‧‧‧光偏振控制器
103‧‧‧微波訊號產生器
104‧‧‧光調制器
20‧‧‧光電式微波混頻模組
201‧‧‧光功率調整器
202‧‧‧光偏振控制器
203‧‧‧微波混頻雷射
204‧‧‧光路徑控制器
205‧‧‧光頻成份篩選器
301‧‧‧光學頻譜分析儀
302‧‧‧光檢測器
303‧‧‧微波頻譜分析儀
S10~S26‧‧‧步驟
本發明之上述及其他特徵及優勢將藉由參照附圖詳細說明其例示性實施例而變得更顯而易知，其中：
第1圖係為根據本發明之光電式微波混頻裝置之功能方塊圖；
第2圖係為根據本發明之光電式微波混頻方法之第一實施例之第一流程圖；
第3圖係為根據本發明之光電式微波混頻方法之第一實施例之第二流程圖；
第4圖係為根據本發明之光電式微波混頻裝置之第一實施例之週期一非線性動態之光波頻譜圖；
第5圖係為根據本發明之光電式微波混頻裝置之第一實施例之微波調制光訊號之光波頻譜圖；
第6圖係為根據本發明之光電式微波混頻裝置之第一實施例之第一光訊號之光波頻譜圖；
第7圖係為根據本發明之光電式微波混頻裝置之第一實施例之第一光訊號，其經光頻成份篩選器篩選後之微波頻譜圖，以及微波調制光訊號之微波頻譜圖；
第8圖係為根據本發明之光電式微波混頻裝置之第一實施例之第一光訊號之微波訊號，其基階訊號功率及其三階互調訊號功率隨輸入微波訊號功率之變化關係圖；
第9圖係為根據本發明之光電式微波混頻裝置之第一實施例之週期一非線性動態之光波頻譜圖；
第10係為根據本發明之光電式微波混頻裝置之第一實施例之微波調制光訊號之光波頻譜圖；
第11圖係為根據本發明之光電式微波混頻裝置之第一實施例之第一光訊號之光波頻譜圖；
第12圖係為根據本發明之光電式微波混頻裝置之第一實施例之第一光訊號，其經光頻成份篩選器篩選後之微波頻譜圖，以及微波調制光訊號之微波頻譜圖；
第13圖係為根據本發明之光電式微波混頻裝置之第一實施例之第一光訊號之微波訊號，其基階訊號功率及其三階互調訊號功率隨輸入微波訊號功率之變化關係圖；
第14圖係為根據本發明之光電式微波混頻裝置之第一實施例之輸入微波訊號頻率與轉換效率的關係圖；以及
第15圖係為根據本發明之光電式微波混頻裝置之第一實施例之輸入微波訊號頻率與轉換效率的關係圖。
1‧‧‧光電式微波混頻裝置
10‧‧‧微波調制光訊號產生模組
101‧‧‧光注入雷射
102‧‧‧光偏振控制器
103‧‧‧微波訊號產生器
104‧‧‧光調制器
20‧‧‧光電式微波混頻模組
201‧‧‧光功率調整器
202‧‧‧光偏振控制器
203‧‧‧微波混頻雷射
204‧‧‧光路徑控制器
205‧‧‧光頻成份篩選器
301‧‧‧光學頻譜分析儀
302‧‧‧光檢測器
303‧‧‧微波頻譜分析儀
Claims (10)
- 一種光電式微波混頻裝置，該光電式微波混頻裝置包含一光電式微波混頻模組，該光電式微波混頻模組之輸入信號為一微波調制光訊號，該光電式微波混頻模組包含： 一微波混頻雷射，其中該微波調制光訊號之光功率及載波頻率係被調整至使得該微波混頻雷射工作於一週期一非線性動態下，且該微波調制光訊號之調制邊帶與該週期一非線性動態之振盪邊帶兩者間沒有形成頻率鎖住，使得該微波混頻雷射輸出一非線性混頻光訊號之一第一光訊號。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電式微波混頻裝置，其中該光電式微波混頻裝置進一步包含一微波調制光訊號產生模組，該微波調制光訊號產生模組係用以產生該微波調制光訊號，該微波調制光訊號產生模組包含： 一光注入雷射，產生一連續波雷射光； 一光偏振控制器，接收該連續波雷射光並調整偏振後輸出； 一微波訊號產生器，產生一微波訊號； 以及 一外部調制器，將該微波訊號調制於該連續波雷射光，以產生該微波調制光訊號。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電式微波混頻裝置，其中該光電式微波混頻模組進一步包含： 一光功率調整器，係調整該微波調制光訊號的光功率大小；以及 一光偏振控制器，接收該光功率調整器之輸出光訊號，再調整偏振後輸出至該微波混頻雷射。
- 如申請專利範圍第3項所述之光電式微波混頻裝置，其中該光功率調整器進一步包含一主動光學元件或是一被動光學元件，該主動光學元件係為一光功率放大器，該被動光學元件係為一光功率衰減器。
- 如申請專利範圍第1項所述之光電式微波混頻裝置，其中該光電式微波混頻模組進一步包含： 一光路徑控制器，設置於該微波混頻雷射之一輸入端前，用以單向引導該微波調制光訊號進入該微波混頻雷射，以及由該微波混頻雷射將該第一光訊號單向引導至輸出；以及 一光頻成份篩選器，接收該第一光訊號，再篩選該第一光訊號之光頻成份後輸出。
- 如申請專利範圍第5項所述之光電式微波混頻裝置，其中該光路徑控制器係一光循環器，該光頻成份篩選器係一光學濾波器，且該微波混頻雷射係一半導體雷射。
- 一種光電式微波混頻方法，包含下列步驟： 利用一微波調制光訊號產生模組產生一微波調制光訊號；以及輸入該微波調制光訊號至具有一微波混頻雷射之一光電式微波混頻模組，其中該微波調制光訊號之光功率及載波頻率係被調整至使得該微波混頻雷射工作於一週期一非線性動態下，且該微波調制光訊號之調制邊帶與該週期一非線性動態之振盪邊帶兩者間沒有形成頻率鎖住，使得該微波混頻雷射輸出一非線性混頻光訊號之一第一光訊號。
- 如申請專利範圍第7項所述之光電式微波混頻方法，其中於微波調制光訊號產生模組產生一微波調制光訊號中，包含下列步驟： 利用一光注入雷射，產生一連續波雷射光； 利用一光偏振控制器接收該連續波雷射光並調整偏振後輸出； 利用一微波訊號產生器產生一微波訊號；以及 利用一外部調制器將該微波訊號調制於該連續波雷射光，以產生一微波調制光訊號。
- 如申請專利範圍第7項所述之光電式微波混頻方法，其中於輸入該微波調制光訊號至該光電式微波混頻模組中，進一步包含下列步驟： 輸入該微波調制光訊號至一光功率調整器以調整該微波調制光訊號之光功率；以及 輸入該光功率調整器輸出之該微波調制光訊號至一光偏振控制器，以利用該光偏振控制器調整該微波調制光訊號之偏振後輸出至該微波混頻雷射。
- 如申請專利範圍第7項所述之光電式微波混頻方法，其中於輸入該微波調制光訊號至該光電式微波混頻模組中，進一步包含利用一光路徑控制器單向引導該微波調制光訊號進入該微波混頻雷射，以及由該微波混頻雷射將該第一光訊號單向引導至一光頻成份篩選器，接著利用該光頻成份篩選器篩選該第一光訊號之光頻成份後輸出。
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