TWI628925B - 光電式微波時間延遲裝置與方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係揭露一種光電式微波時間延遲的裝置與方法。光電式微波時間延遲裝置中的微波調制光訊號產生模組產生微波調制光訊號，並將微波調制光訊號注入至光電式微波時間延遲裝置中的光電式微波時間延遲模組，其中光電式微波時間延遲模組包含微波時間延遲雷射。調整微波調制光訊號之光功率及載波頻率，導致微波時間延遲雷射產生雷射腔體共振紅移效應，以使得微波時間延遲雷射的輸出光訊號上載有微波時間延遲的微波訊號。

Description

光電式微波時間延遲裝置與方法
本發明是關於一種光電式微波時間延遲裝置及其方法，特別是一種利用半導體雷射受外部光注入(external optical injection)所誘發的雷射腔體共振紅移效應(laser cavity resonance red-shift)，以進行微波時間延遲的裝置及其方法。
近年來，行動網路與裝置的普及，大幅改變人類的生活習慣，其所帶來的便利性使得網路串流資料量成爆發性的成長。根據國際知名通訊大廠Ericsson調查報告指出，截至2016年第三季，行動資料串流量相較於2015年第三季已達50%的成長；隨著未來物聯網的興起與發展，以及高畫質影音需求量的增加，該調查報告預測行動資料串流量將在2022年達到10倍的成長，這些數據顯示如何提升未來行動通訊網路的傳輸效益與頻寬為一大課題與挑戰。
目前行動通訊網路(3G、4G、WiFi…)所使用的載波皆落於6 GHz以下的頻段，其可提供的通訊頻寬無法滿足前述的未來需求。為此，各家國際通訊大廠預計採用高頻率的微波頻段(24 GHz~100 GHz)作為下一世代通訊系統的載波，除了可提供更大的通訊頻寬(例如，IEEE 802.11 ad 採用60 GHz 以提供多達 5 GHz 的頻寬)之外，亦適合無線裝置朝微型化發展的趨勢需求。然而，受限於電子元件本質上可供操作的最高微波頻率，若以電子元件來發展前述高頻微波通訊系統所需的關鍵功能將面臨很大的挑戰，同時也將大幅提升整體系統的建置與維護成本。基於光電的本質特性，近年來許多研究團隊相繼發展不同的光電技術與元件，以針對高頻微波訊號進行不同功能的訊號處理；這些研究證明光電元件可供操作的最高微波頻率相較於電子元件高出許多，不但可有效地進行高頻微波的訊號處理，亦可大幅降低高頻微波通訊系統的建置與維護成本。
除了採用高頻率的微波訊號為載波之外，利用多輸入輸出技術(multi-input multi-output)來改善頻譜效益，亦可解決頻寬壅塞的問題。此多輸入輸出技術利用相位天線陣列(phased array antenna)達到波束成形(beamforming)，不僅可增加訊號傳輸的靈敏度，亦可避免通訊頻道的相互干擾，因此可提供多個使用者同時進行資料的傳輸，進而提升整體的頻譜效益。相位天線陣列乃由多個天線組合而成，並藉由調整個別天線的電磁輻射之間的相位差，使所有天線的電磁輻射相互進行干涉，以形成一個高指向性的電磁波束；藉由調整天線電磁輻射之間的相位差值，即可調整該電磁波束的方向，遂可進行空間上的分工多工，以改善頻譜效益。若要將此多輸入輸出技術應用於前述所提的高頻微波通訊系統，必須發展微波時間延遲(microwave time delay)技術，以避免因波束偏移(beam squint)的效應而降低通訊的品質。
目前常見用以進行光電式微波時間延遲的裝置與方法有下列二種： (1) 同調居量反轉振盪(coherent population oscillation)方法 將一道載有低頻( f cpo)微波訊號的光波注入至半導體光放大器(semiconductor optical amplifier)，使其內部形成一個以頻率為 f cpo的增益調制，遂產生同調居量反轉振盪，並造成慢光效應(slow light effect)。若將另一道載有高頻( f op)微波訊號的光波同時注入至該半導體光放大器，該高頻微波訊號將因為交叉增益調制(cross-gain modulation)的效應而被調制，不但產生頻率為 f op± f cpo的兩個微波訊號，而且這兩個微波訊號的相位將受前述慢光效應的影響。藉由改變半導體光放大器的偏壓電流，可改變慢光效應的作用程度，即可調整這兩個微波訊號的相位，進而改變這兩個微波訊號的時間延遲。然而，受限半導體光放大器中電子電洞對的生命週期，這個方法可供操作的微波頻率範圍僅在數百兆赫以內，不適合前述的高頻微波通訊系統。另外，這個方法除了一道載有高頻( f op)微波訊號的光波外，還需要額外一道載有低頻( f cpo)微波訊號的光波，將大幅增加通訊系統的架構複雜度與建置成本。 (2) 受激布里淵色散(stimulated Brillouin scattering)方法 將一道光功率10至20毫瓦、光頻率 f pump的泵浦光送進一段長10至20公里的光纖，以激發該光纖的一種非線性效應-受激布里淵色散，遂在光頻率 f pump+ f B與 f pump- f B上分別形成增益共振與吸收共振。將一道載有微波訊號之單邊帶調制(single-sideband modulation)光波同時送進這段光纖，若該光波的調制邊帶(modulation sideband)落在前述的增益共振光頻率 f pump+ f B附近，則不但該調制邊帶的光功率會受增益共振影響而增加之外，其光相位也會受增益共振所導致的色散變化而改變。藉由改變泵浦光的光功率或光頻率，可改變前述伴隨著增益共振的色散變化，即可調整該調制邊帶的相位，進而改變該微波訊號的時間延遲。然而，因為受激布里淵色散的物理特性限制，這個方法可供使用的頻寬僅在一百兆赫以下，將無法滿足下一世代行動通訊的頻寬需求。此外，這個方法需要一道功率不小的泵浦光以及一段長度不短的光纖，將大幅增加通訊系統的架構複雜度、功率需求與建置成本，同時也不利於未來予以微型化的可能。
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受外部光注入(external optical injection)所誘發的雷射腔體共振紅移效應(laser cavity resonance red-shift)以進行微波時間延遲的裝置及其方法。本發明之微波時間延遲裝置，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受外來光注入所誘發的雷射腔體共振紅移效應來進行微波時間延遲。本發明之時間延遲方法，乃將微波調制光訊號(microwave-modulated optical signal)導引注入至半導體雷射，在適當的微波調制光訊號之光功率及載波頻率條件下，半導體雷射所需之光學增益(optical gain)因此減少，經由反導引效應(antiguidance effect)的作用，進而降低半導體雷射的雷射腔體共振頻率(laser cavity resonance frequency)，遂形成所謂的雷射腔體共振紅移效應。這樣的雷射腔體共振紅移效應，除了針對微波調制光訊號的低頻調制邊帶(lower-frequency modulation sideband)進行光功率的放大之外，還針對低頻調制邊帶進行光相位的改變，這意味著微波調制光訊號所承載之微波訊號的相位也跟隨改變。由於這樣的微波相位改變隨微波頻率的不同呈現高度線性的變化，遂可達成微波時間延遲之目的。藉由改變微波調制光訊號之光功率或載波頻率，可改變前述雷射腔體共振紅移效應在低頻調制邊帶的大小，即可連續調整低頻調制邊帶的光相位變化量，進而連續改變微波調制光訊號所承載的微波訊號之時間延遲量。因為本發明之微波時間延遲裝置與方法的全光學特性，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，因此可針對數個GHz至數百個GHz微波頻率範圍內的任一微波訊號進行微波時間延遲，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，微波訊號在微波時間延遲前後的線寬及相位雜訊皆相同，因此有利於針對採用高階調制格式編碼的微波訊號進行微波時間延遲，以滿足通訊頻寬更進一步提升的需求。再者，因為低頻調制邊帶的光功率在進行微波時間延遲的過程當中也同時被放大，致使微波調制光訊號之光學調制深度在微波時間延遲後可大幅增加達近100%，因此在光檢測器接收相同的光功率條件下，微波訊號在微波時間延遲後的功率大幅增加，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。另外，因為低頻調制邊帶的光功率在進行微波時間延遲的過程當中被放大，亦使得微波時間延遲後的微波調制光訊號形成單邊帶調制的特徵，因此若需要將微波時間延遲後的微波調制光訊號進行長距離的光纖傳輸，可避免因光纖色散效應導致微波能量隨不同光纖傳送距離而產生的劇烈變化與消逝(microwave power fading)。再者，僅需藉由調整微波調制光訊號之光功率或載波頻率，即可連續調整微波時間延遲的大小，不但有利於降低系統操作上的複雜度，同時也有利於相位陣列天線在波束指向角度(beam pointing angle)上進行連續性的轉動。
基於上述目的，本發明係提供一種光電式微波時間延遲裝置，該裝置包含光電式微波時間延遲模組，光電式微波時間延遲模組之輸入訊號為微波調制光訊號，光電式微波時間延遲模組包含微波時間延遲雷射，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時間延遲雷射產生雷射腔體共振紅移效應，以使得微波時間延遲雷射輸出載有時間延遲之微波訊號的第一光訊號。
較佳地，光電式微波時間延遲裝置更可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，用以產生連續波光訊號；光偏振控制器，用以接收連續波光訊號並調整其偏振後輸出；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光訊號，以產生微波調制光訊號。
較佳地，光電式微波時間延遲模組更可包含：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時間延遲雷射。
較佳地，光功率調整器更可包含主動光學元件或是被動光學元件，主動光學元件係可為光功率放大器，被動光學元件係可為光功率衰減器。
較佳地，光電式微波時間延遲模組更可包含光路徑控制器，設置於微波時間延遲雷射之輸入端前，用以單向導引微波調制光訊號進入微波時間延遲雷射，以及由微波時間延遲雷射將第一光訊號單向引導至輸出。
較佳地，光路徑控制器可為光循環器；微波時間延遲雷射可為半導體雷射。
基於上述目的，本發明再提供一種光電式微波時間延遲方法，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時間延遲雷射之光電式微波時間延遲模組，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時間延遲雷射產生雷射腔體共振紅移效應，以使得微波時間延遲雷射輸出載有時間延遲之微波訊號之第一光訊號。
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可包含下列步驟：利用光注入雷射產生連續波光訊號；利用光偏振控制器接收連續波光訊號並調整偏振後輸出；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光訊號，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時間延遲模組中，更可包含下列步驟: 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，以利用光偏振控制器調整微波調制光訊號之偏振後輸出至微波時間延遲雷射。
較佳地，於輸入微波調制光訊號至光電式微波時間延遲模組中，更可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時間延遲雷射，以及由微波時間延遲雷射將第一光訊號單向引導至輸出。
因此，依據本發明之光電式微波時間延遲裝置及其方法，其可具有一或多個下述優點：
(1)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受外來光注入所誘發的雷射腔體共振紅移效應來進行微波時間延遲，無需任何特殊或高速的半導體雷射。
(2)由於其全光學的特性，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，因此可針對數個GHz至數百個GHz微波頻率範圍內的任一微波訊號進行微波時間延遲，以因應不同的無線通訊網路採用不同的微波頻率規格而進行彈性調整。
(3) 微波訊號在微波時間延遲前後的線寬及相位雜訊皆相同，因此有利於針對採用高階調制格式編碼的微波訊號進行微波時間延遲，或是有利於高雜訊敏感度的其他系統與科技應用。
(4) 微波訊號在微波時間延遲後的功率大幅增加，因此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。
(5)微波時間延遲後的微波調制光訊號形成單邊帶調制特徵，因此若需要將微波時間延遲後的微波調制光訊號進行長距離的光纖傳輸，可避免因光纖色散效應導致微波能量隨不同光纖傳送距離而產生的劇烈變化與消逝。
(6)僅需藉由調整微波調制光訊號之光功率或載波頻率，即可連續調整微波時間延遲的大小，不但有利於降低系統操作上的複雜度，同時也有利於相位陣列天線在波束指向角度上進行連續性的轉動。
請一併參閱第1圖、第4圖至第8圖，第1圖係為根據本發明之光電式微波時間遲裝置之功能方塊圖，第4圖係為根據本發明之光電式微波時間延遲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時間延遲裝置之第一實施例之微波調制光訊號在微波時間延遲前之光波頻譜圖，第6圖係為根據本發明之光電式微波時間延遲裝置之第一實施例之微波調制光訊號在微波時間延遲後(即第一光訊號)之光波頻譜圖，第7圖係為根據本發明之光電式微波時間延遲裝置之第一實施例之微波訊號在微波時間延遲前後之微波頻譜圖，第8圖係為根據本發明之光電式微波時間延遲裝置之第一實施例之微波訊號在微波時間延遲前後之相位雜訊圖。
如第1圖所示，本發明之光電式微波時間延遲裝置1包含微波調制光訊號產生模組10以及光電式微波時間延遲模組20。其中，微波調制光訊號產生模組10產生微波調制光訊號，光電式微波時間延遲模組20則接收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，光電式微波時間延遲模組20至少具有微波時間延遲雷射204，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時間延遲雷射204產生雷射腔體共振紅移效應，使得微波時間延遲雷射204輸出一載有時間延遲之微波訊號之第一光訊號。其中，微波時間延遲雷射204可例如為半導體雷射。
在不受任何外來干擾下，微波時間延遲雷射204的輸出動態行為是一典型的單一頻率(single frequency)、連續波(continuous wave)光訊號。然而，若將連續波光訊號由外部導引注入至微波時間延遲雷射204，一方面，因為注入拉引效應(injection pulling effect)的作用，注入光訊號將強迫微波時間延遲雷射204在注入光訊號的光頻率上振盪；另一方面，由於注入光訊號的引進，微波時間延遲雷射204所需的光學增益(optical gain)因此減少，經由反導引效應(antiguidance effect)的作用，進而降低微波時間延遲雷射204的雷射腔體共振頻率(laser cavity resonance frequency)，遂形成雷射腔體共振紅移效應(laser cavity resonance red-shift)，這將強迫微波時間延遲雷射204在雷射腔體共振紅移後的光頻率上振盪；由於前述兩種不同的物理效應分別強迫微波時間延遲雷射204在不同的光頻率上振盪，因此在微波時間延遲雷射204內部形成兩者間的相互作用與競爭，進而大幅改變微波時間延遲雷射204的輸出動態行為。取決於前述兩種物理效應間的相對強弱(可藉由調整注入光訊號的功率大小或頻率高低來改變之)，這些輸出動態行為包含「週期一非線性動態(period-one nonlinear dynamics)」、「穩定注入鎖住動態(sable injection locking dynamics)」、「混沌動態(chaotic dynamics)」等。本發明之光電式微波時間延遲裝置及方法，乃利用處於週期一非線性動態或穩定注入鎖住動態下的微波時間延遲雷射204，透過其內部所形成的雷射腔體共振紅移效應，針對微波調制光訊號上所承載的微波訊號進行相位的改變，進而造成微波訊號的時間延遲。由於造成微波時間延遲的物理機制相似，僅以處於週期一非線性動態下的微波時間延遲雷射204作為下面實施例的說明。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時間延遲雷射204的強度(injection strength)，以及採用 f i來表示注入光訊號相對於微波時間延遲雷射204的差頻(detuning frequency)。
舉例而言，如第4圖所示，在 ξ i=0.68與 f i=39.1 GHz的連續波光訊號注入下，微波時間延遲雷射204的輸出動態行為是週期一非線性動態。此時，不但因為注入拉引效應而出現一個與注入光訊號頻率相同(亦即在光波差頻(offset frequency)為39.1GHz處)的光頻成份(optical frequency component)，同時也因為雷射腔體共振紅移效應而於注入光訊號頻率相距 f 0=40GHz的兩旁處(亦即在光波差頻為-0.9GHz及79.1GHz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在此稱為週期一非線性動態的振盪頻率(oscillation frequency)。因為雷射腔體共振紅移效應會針對相較於注入光訊號頻率低的光頻成份進行共振作用，這不但導致低頻振盪邊帶(lower-frequency oscillation sideband)的光功率遠大於高頻振盪邊帶(upper-frequency oscillation sideband)的光功率，也導致低頻振盪邊帶周遭的光相位有非常劇烈的變化。本發明之光電式微波時間延遲裝置及方法，主要乃利用低頻振盪邊帶周遭的光相位變化，使得微波調制光訊號上所承載的微波訊號改變相位，進而造成微波訊號的時間延遲。
不論是調整注入光訊號強度 ξ i或注入光訊號差頻 f i，均可改變雷射腔體共振紅移效應的大小，進而改變第4圖中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，使得微波時間延遲雷射204產生具有不同特徵之週期一非線性動態。這不但表示低頻振盪邊帶的光功率大小會跟隨注入光訊號強度 ξ i或注入光訊號差頻 f i的調整而改變，也意味低頻振盪邊帶周遭的光相位變化量會跟隨注入光訊號強度 ξ i或注入光訊號差頻 f i的調整而改變。本發明之光電式微波時間延遲裝置及方法，乃利用此一物理特性與操作方式，調整微波調制光訊號上所承載的微波訊號之相位變化量，進而調整微波訊號的時間延遲量。此外，由於振盪頻率 f 0可隨注入光訊號強度 ξ i或注入光訊號差頻 f i的調整而於數個GHz至數百個GHz的微波頻率範圍內改變，本發明之光電式微波時間延遲裝置及方法可針對前述微波頻率範圍內的任一微波訊號進行微波時間延遲，因此可彈性因應不同的無線通訊網路採用不同的微波頻率規格而進行彈性調整。
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 modulation signal)。雙邊帶調制光訊號之中心頻率成份稱為光載波(optical carrier)，於光載波頻率相距 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時間延遲，微波調制光訊號之調制頻率 f m可以不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104及光調制器103，以及可更包含光偏振控制器102。其中，光注入雷射101產生連續波光訊號。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)，使得光注入雷射101於產生連續波光訊號後，可例如藉由此光功率調整元件調整連續波光訊號之光功率後輸出。其中，光偏振控制器102接收連續波光訊號，並調整其偏振後輸出。其中，微波訊號產生器104產生頻率為 f m之微波訊號。其中，光調制器103接收光注入雷射101所產生的連續波光訊號(或經光偏振控制器102調整偏振後輸出之連續波光訊號)以及微波訊號產生器104所產生的微波訊號，以便將微波訊號調制於連續波光訊號，遂產生如第5圖所示之微波調制光訊號。
光電式微波時間延遲模組20除了包含微波時間延遲雷射204之外，更可包含光功率調整器201及光偏振控制器202。其中，光功率調整器201接收微波調制光訊號產生模組10所產生之微波調制光訊號，以便調整微波調制光訊號之功率，進而改變其注入光訊號強度 ξ i。此外，調整光注入雷射101所產生之連續波光訊號的頻率，或調整微波時間延遲雷射204所產生之輸出光訊號的頻率，皆可改變注入光訊號差頻 f i。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。若微波調制光訊號本身的光功率足以進行本發明的微波時間延遲，則光功率調整器201即僅需光功率衰減器即可達成調整注入光訊號強度 ξ i之目的。其中，光偏振控制器202接收光功率調整器201所輸出之微波調制光訊號以便調整其光波偏振，使得微波調制光訊號的光波偏振可與微波時間延遲雷射204的光波偏振一致。
此外，光電式微波時間延遲模組20亦可包含光路徑控制器203，其中光路徑控制器203設置於微波時間延遲雷射204之輸入端前，除了單向引導微波調制光訊號進入微波時間延遲雷射204之外，還自微波時間延遲雷射204將第一光訊號(即微波時間延遲後的微波調制光訊號)單向引導至輸出。其中，光路徑控制器203可例如為光循環器。從光電式微波時間延遲模組20所輸出之第一光訊號，可利用光耦合器(未繪示)將其分為二道光訊號，其中之一道光訊號可輸入至光學頻譜分析儀301，藉以分析第一光訊號之光波頻譜，另一道光訊號則可由光檢測器302接收後，分別輸入至微波頻譜分析儀303與微波網路分析儀304，藉以分析第一光訊號之微波頻譜(包含微波功率、微波線寬、相位雜訊)與微波相位。
舉例而言，若下一世代的行動通訊系統採用相位陣列天線來進行無線傳輸，並以40 GHz的微波訊號作為無線傳輸的載波，則可自微波訊號產生器103產生一個 f m= 40 GHz的微波訊號，並經前述過程產生微波時間待延遲之微波調制光訊號，如第5圖所示；一般而言，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20 dB，即表示微波調制光訊號的光調制深度(optical modulation depth)約為20%。如第6圖所示，在與第4圖相同之 ξ i=0.68與 f i=39.1 GHz光注入條件下，將微波調制光訊號注入至微波時間延遲雷射204後，因為受到微波調制光訊號之光載波的誘發，致使微波時間延遲雷射204工作在週期一非線性動態下，遂產生與第4圖所示的光載波(出現在光波差頻為39.1 GHz處)及振盪邊帶(分別出現在光波差頻為-0.9 GHz及79.1 GHz處)相似性極高之光頻成份。於此同時，在目前微波調制光訊號的光調制深度與調制頻率條件之下， 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可形成相位鎖住的物理效應，遂使得週期一非線性動態之振盪邊帶所遭受的雷射腔體共振紅移效應(亦即低頻振盪邊帶呈現非常高的光功率以及非常劇烈的光相位變化)，轉移加諸於微波調制光訊號之調制邊帶。因此，這不但大幅增加微波調制光訊號之低頻調制邊帶的光功率，使其遠大於微波調制光訊號之高頻調制邊帶的光功率，遂形成單邊帶調制光訊號(optical single-sideband modulation signal)，同時也改變微波調制光訊號之低頻調制邊帶的光相位，進而改變微波調制光訊號所承載之微波訊號的相位，遂使得微波時間延遲雷射204輸出載有時間延遲之微波訊號的微波調制光訊號，即第一光訊號。若是利用處於穩定注入鎖住動態下的微波時間延遲雷射204來進行本發明之微波時間延遲，則無需形成前述的相位鎖住之物理現象。
如第7圖所示，比較微波調制光訊號在微波時間延遲前後的微波頻譜，兩者的微波線寬皆相同(亦即小於1 Hz)，這表示微波調制光訊號所承載之微波訊號，其頻率純度(spectral purity)與頻率穩定度(spectral stability)在微波時間延遲前後皆保持相同。第7圖的橫軸座標(即微波差頻)，乃以微波調制光訊號之調制頻率40 GHz為參考原點(即微波差頻為0 Hz處)來呈現。再者，如第8圖所示，微波調制光訊號在微波時間延遲前後的微波相位雜訊皆相同，更進一步證明微波調制光訊號所承載之微波訊號，其頻率純度與頻率穩定度在微波時間延遲前後確實皆保持相同。
此外，如第6圖所示，由於微波調制光訊號的低頻調制邊帶在微波時間延遲後大幅增加其光功率，使得微波調制光訊號的光調制深度在微波時間延遲後可大幅增加達近100%。 因此，如第7圖所示，在光檢測器302接收相同光功率條件下，微波調制光訊號所承載之微波訊號，在此實施例的條件下，其微波功率在微波時間延遲後增加約10.5 dB。
請參閱第9圖，第9圖係為根據本發明之光電式微波時間延遲裝置之第一實施例之微波相位與微波頻率關係圖。舉例而言，若採用前述的40 GHz微波訊號作為載波來進行數據資料的無線傳輸，由於數據資料佔據以40 GHz為中心的一定頻率範圍(即數據資料的頻寬)，為避免發生波束偏移(beam squint)的現象而降低無線傳輸的品質，任一微波時間延遲裝置與方法必須能針對以40 GHz為中心的一定微波頻率範圍進行相同的微波時間延遲量，微波頻率範圍越大即表示微波時間延遲裝置與方法可處理的數據資料頻寬越大。如第9圖所示，本發明之光電式微波時間延遲裝置與方法，可針對不同的微波頻率進行不同的微波相位改變，兩者間呈現一高度的線性關係。在此實施例的條件下，由線性擬合曲線之斜率可得知其相對的微波延遲時間量為158 ps。若以實驗量測數據與線性擬合曲線之間的平均相位誤差須在2.3 o以內為一標準，則本發明之光電式微波時間延遲裝置與方法可處理的數據資料頻寬約為4 GHz；平均相位誤差的容忍度越高，則可處理的數據資料頻寬越大。
請一併參閱第10圖至第12圖，第10圖係為根據本發明之光電式微波時間延遲裝置之第一實施例之微波時間延遲與注入光強度關係圖，第11圖係為根據本發明之光電式微波時間延遲裝置之第一實施例之平均相位誤差與注入光強度關係圖，第12圖係為根據本發明之光電式微波時間延遲裝置之第一實施例之波束指向角度與微波頻率關係圖。一相位陣列天線系統的波束指向角度(beam pointing angle)解析度與其天線的數量呈正相關，而可供使用的天線數量則與微波延遲時間量可調整的範圍呈正相關。如同前述，調整注入光訊號強度 ξ i或注入光訊號差頻 f i，可改變雷射腔體共振紅移效應的大小，進而改變週期一非線性動態之低頻振盪邊帶周遭的光相位變化量。這代表改變微波調制光訊號之光功率或載波頻率，可改變雷射腔體共振紅移效應在微波調制光訊號之低頻調制邊帶的大小，進而改變微波調制光訊號之低頻調制邊帶的光相位變化量，更進一步改變微波調制光訊號所承載的微波訊號之相位變化量，因此達成微波訊號的時間延遲量之調整。舉例而言，如第10圖所示，在 f i=39.1 GHz之下，由 ξ i=0.2改變至 ξ i=1.35，本發明的微波延遲時間可在90 ps的範圍內連續調整。如第11圖所示，於微波延遲時間可調整範圍內，其實驗量測數據與線性擬合曲線之平均相位誤差均可維持在6 o以下。
為展示本發明之光電式微波時間延遲裝置與方法的優異性，發明人藉由模擬一10×10的相位陣列天線系統，來分析本發明與傳統方法(即中心載波調控技術)在波束偏移量上的差異性，波束偏移量越小表示無線傳輸的品質與效益越高。舉例而言，如第12圖所示，在以40 GHz為中心的4 GHz微波頻率範圍內，傳統的中心載波調控技術所產生的波束偏移量高達8 o，不僅降低無線傳輸的品質與效益，更可能與附近相同頻段的使用者產生電磁波干擾，而且波束偏移量會隨所測試的微波頻率範圍的增加而增加，使這些現象更加惡化。相反地，若以第10圖的實驗量測數據來進行模擬，本發明所產生的波束偏移量約略維持在2 o以內，大幅改善無線傳輸的品質與效益。
另外，以上之敘述雖應亦已說明本發明之光電式微波時間延遲方法，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時間延遲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，其中第2圖係為根據本發明之光電式微波時間延遲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時間延遲方法之第一實施例之第二流程圖。如第1圖至第5圖所示，本發明之光電式微波時間延遲方法，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，輸入至具有微波時間延遲雷射204之光電式微波時間延遲模組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時間延遲雷射204的雷射腔體產生共振紅移效應，以使得微波時間延遲雷射204輸出載有時間延遲之微波訊號之第一光訊號(步驟S24)。
其中，步驟S10可更包含：利用光注入雷射101產生連續波光訊號(步驟S11)；利用微波訊號產生器104產生微波訊號(步驟S13)；將微波訊號產生器104所產生之微波訊號以及光注入雷射101所產生之連續波光訊號輸入至光調制器104，並利用光調制器104將微波訊號調制於連續波光訊號，以產生微波調制光訊號(步驟S14)。其中，本發明之光電式微波時間延遲方法於步驟S11及步驟S14之間，更可將光注入雷射101所產生之連續波光訊號輸入至光偏振控制器102，以利用光偏振控制器102調整連續波光訊號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時間延遲方法於步驟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時間延遲雷射204 (步驟S22)。
另外，本發明之光電式微波時間延遲方法於步驟S10及步驟S24之間，亦更可利用光路徑控制器203單向引導微波調制光訊號進入微波時間延遲雷射204 (步驟S23)；以及於步驟S24之後，再利用同一光路徑控制器203將第一光訊號由微波時間延遲雷射204單向引導至輸出(步驟S25)。
根據上述，本發明之光電式微波時間延遲裝置及方法，係使用例如半導體雷射為微波時間延遲雷射204。在不受任何外來干擾下，半導體雷射的輸出動態行為是一典型單一頻率、連續波光訊號。若將光注入雷射101所產生的連續波光訊號，導引注入至例如為半導體雷射之微波時間延遲雷射204，將誘發微波時間延遲雷射204的雷射腔體共振紅移效應，進而大幅改變微波時間延遲雷射204的輸出動態行為。本發明之光電式微波時間延遲裝置及方法，乃利用處於週期一非線性動態或穩定注入鎖住動態下的微波時間延遲雷射204，透過其內部所形成的雷射腔體共振紅移效應，針對微波調制光訊號上所承載的微波訊號進行相位的改變，進而造成微波訊號的時間延遲。本發明之光電式微波時間延遲裝置及方法，可針對數個GHz至數百個GHz微波頻率範圍內的任一微波訊號進行微波時間延遲，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，微波訊號在微波時間延遲前後的線寬及相位雜訊皆相同，因此有利於針對採用高階調制格式編碼的微波訊號進行微波時間延遲，以達通訊頻寬更進一步提升的需求。再者，微波訊號在微波時間延遲後的功率大幅增加，因此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。另外，微波時間延遲後的微波調制光訊號形成單邊帶調制特徵，因此若需要將微波時間延遲後的微波調制光訊號進行長距離的光纖傳輸，可避免因光纖色散效應導致微波能量隨不同光纖傳送距離而產生的劇烈變化與消逝。再者，僅需藉由調整微波調制光訊號之光功率或載波頻率，即可連續調整微波時間延遲的大小，不但有利於降低系統操作上的複雜度，同時也有利於相位陣列天線在波束指向角度上進行連續性的轉動。
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‧‧‧光電式微波時間延遲裝置
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‧‧‧光調制器
104‧‧‧微波訊號產生器
20‧‧‧光電式微波時間延遲模組
201‧‧‧光功率調整器
202‧‧‧光偏振控制器
203‧‧‧光路徑控制器
204‧‧‧微波時間延遲雷射
301‧‧‧光學頻譜分析儀
302‧‧‧光檢測器
303‧‧‧微波頻譜分析儀
304‧‧‧微波網路分析儀
S10~S25‧‧‧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時間延遲裝置之功能方塊圖；
第2圖係為根據本發明之光電式微波時間延遲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時間延遲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時間延遲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時間延遲裝置之第一實施例之微波調制光訊號在微波時間延遲前之光波頻譜圖；
第6圖係為根據本發明之光電式微波時間延遲裝置之第一實施例之微波調制光訊號在微波時間延遲後(即第一光訊號)之光波頻譜圖；
第7圖係為根據本發明之光電式微波時間延遲裝置之第一實施例之微波訊號在微波時間延遲前後之微波頻譜圖；
第8圖係為根據本發明之光電式微波時間延遲裝置之第一實施例之微波訊號在微波時間延遲前後之相位雜訊圖。
第9圖係為根據本發明之光電式微波時間延遲裝置之第一實施例之微波相位與微波頻率關係圖；
第10圖係為根據本發明之光電式微波時間延遲裝置之第一實施例之微波時間延遲與注入光強度關係圖；
第11圖係為根據本發明之光電式微波時間延遲裝置之第一實施例之平均相位誤差與注入光強度關係圖；
第12圖係為根據本發明之光電式微波時間延遲裝置之第一實施例之波束指向角度與微波頻率關係圖。

Claims (10)

  1. 一種光電式微波時間延遲裝置，該光電式微波時間延遲裝置包含一光電式微波時間延遲模組，該光電式微波時間延遲模組之輸入訊號為一微波調制光訊號，該光電式微波時間延遲模組包含： 一微波時間延遲雷射，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時間延遲雷射產生雷射腔體共振紅移效應，以使得該微波時間延遲雷射輸出一載有時間延遲之一微波訊號之一第一光訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光電式微波時間延遲裝置，其中該光電式微波時間延遲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，產生一連續波光訊號； 一光偏振控制器，接收該連續波光訊號並調整偏振後輸出； 一微波訊號產生器，產生該微波訊號； 以及 一光調制器，將該微波訊號調制於該連續波光訊號，以產生該微波調制光訊號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光電式微波時間延遲裝置，其中，該光電式微波時間延遲模組進一步包含： 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時間延遲雷射。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之光電式微波時間延遲裝置，其中該光功率調整器進一步包含一主動式光學元件或是一被動式光學元件，該主動式光學元件係為一光功率放大器，該被動式光學元件係為一光功率衰減器。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之光電式微波時間延遲裝置，其中該光電式微波時間延遲模組進一步包含一光路徑控制器，設置於該微波時間延遲雷射之一輸入端前，用以單向導引該微波調制光訊號進入該微波時間延遲雷射，以及由該微波時間延遲雷射將該第一光訊號單向引導至輸出。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之光電式微波時間延遲裝置，其中該光路徑控制器係為一光循環器，且該微波時間延遲雷射係為一半導體雷射。
  7. 一種光電式微波時間延遲方法，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時間延遲雷射之一光電式微波時間延遲模組，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時間延遲雷射產生雷射腔體共振紅移效應，以使得該微波時間延遲雷射輸出一載有時間延遲之一微波訊號之一第一光訊號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之光電式微波時間延遲方法，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光訊號； 利用一光偏振控制器接收該連續波光訊號並調整偏振後輸出； 利用一微波訊號產生器產生該微波訊號；以及 利用一光調制器將該微波訊號調制於該連續波光訊號，以產生該微波調制光訊號。
  9. 如申請專利第7項所述之光電式微波時間延遲方法，其中於輸入該微波調制光訊號至該光電式微波時間延遲模組中，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時間延遲雷射。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之光電式微波時間延遲方法，其中於輸入該微波調制光訊號至該光電式微波時間延遲模組中，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時間延遲雷射，以及由該微波時間延遲雷射將該第一光訊號單向引導至輸出。
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