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CN111224717B - 一种微波信号倍频装置和方法 - Google Patents

一种微波信号倍频装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种微波信号倍频装置和方法，基于双平行马赫曾德尔电光强度调制器实现。该装置包括光端设备和电端设备，光信号经过光端设备后分为三路，第一路经过电端设备与光端设备组成的主环路反馈回光端设备的一个射频输入端；第二路经过电端设备与光端设备组成的从环路反馈回光端设备的另一个射频输入端，在光端设备的射频输出口得到基频信号的二倍频信号与四倍频信号。该方法采用微波光子技术，突破常规电子学方案的带宽限制，实现装置结构简单、成本较低、性能稳定。

Description

一种微波信号倍频装置和方法
技术领域
本发明涉及微波光子技术领域，特别涉及一种微波信号倍频装置和方法。
背景技术
近年来，随着通信网络的不断拓展，光载射频通信(RoF)作为一种光纤和微波相结合的技术，因其具有低损耗、超宽带以及抗电磁干扰等优良特性，为解决下一代超宽带无线接入提供了可靠的解决方案，而高质量的高频微波信号生成是实现光载射频通信的关键技术之一，因其具有低损耗、高带宽、成本低等特性引起了广泛的关注。高性能高频信号源是RoF系统的一个重要的组成部分，传统电子学方法受到材料和工艺的限制，较难实现高频微波信号的产生。微波光子方法带宽透明，损耗低，同时可以与RoF系统完美接入，无需二次电光转换过程，降低了系统成本，提高了使用效率。
微波光子方法实现高频微波信号包括光注入锁定法、调制器倍频法及光电振荡器等方案，其中调制器倍频与光电振荡器技术因其分别具有高稳定性和低相位噪声特性而受到广泛的关注，但调制器倍频技术会明显恶化输出信号的相位噪声，光电振荡器产生的微波信号的频率稳定度较差，两种方案很难满足RoF技术对信号源高性能高稳定度的需求。为了产生高稳定度、低相位噪声的射频信号，需要提出新的原理与方法。
发明内容
有鉴于此，为了解决现有技术的问题，本发明的目的是提供一种基于双平行马赫曾德尔调制器的微波信号倍频装置和方法，该方法依托半导体激光器、双平行马赫曾德尔电光强度调制器、射频滤波器以及光电检测器等光子学器件构成的双环结构光电振荡器，通过控制双平行马赫曾德尔调制器的工作状态，无需外加射频信号源即可有效同时产生二倍频和四倍频微波信号。
第一方面，本发明提供一种微波信号倍频装置，包括光端设备和电端设备，光信号经过光端设备后分为三路，第一路经过电端设备与光端设备组成的主环路反馈回光端设备的一个射频输入端；第二路经过电端设备与光端设备组成的从环路反馈回光端设备的另一个射频输入端，在光端设备的射频输出口得到基频信号的二倍频信号与四倍频信号。
进一步的，所述的光端设备包括：半导体激光器(1)、偏振控制器(2)、双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)、单模光纤(4)、光分束器(5)、第一光电检测器(6)和第二光电检测器(11)，其中半导体激光器(1)、偏振控制器(2)、双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)、单模光纤(4)、光分束器(5)顺序相连，光分束器(5)的第一输出端和第二输出端分别与第一光电检测器(6)的输入端和第二光电检测器(11)的输入端相连；光分束器(5)的第三输出端输出光信号。
所述的双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)包括上子调制器、下子调制器和主调制器，上子调制器的输入端作为光端设备的一个射频输入端，下子调制器的输入端作为光端设备的另一个射频输入端，所述的上子调制器和下子调制器工作在最小偏置点上，使主调制器在上子调制器和下子调制器之间产生一个90°的相位差。
进一步的，所述的光分束器(5)的第一输出端和第二输出端是通过光纤分别与第一光电检测器(6)的输入端和第二光电检测器(11)的输入端相连的。
进一步的，所述的电端设备包括射频功分器(7)、第一射频放大器(8)、射频滤波器(9)、低噪声放大器(10)和第二射频放大器(12)；其中射频功分器(7)的输入端与第一光电检测器(6)的输出端相连，射频功分器(7)的输出端、第一射频放大器(8)、射频滤波器(9)、低噪声放大器(10)与双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的第二输入端顺序连接，形成主环路；
第二射频放大器(12)的输入端与第二光电检测器(11)的输出端相连，第二射频放大器(12)的输出端与双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的第三输入端连接，形成从环路。
进一步的，所述的光分束器(5)采用1:1:1的三路光分束器。
进一步的，所述的射频功分器(7)采用50:50的射频功率分路器。
第二方面，本发明提供一种微波信号倍频方法，通过上述微波信号倍频装置实现，包括：
S1、半导体激光器(1)发出的光信号经过偏振控制器(2)被送入双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的光信号输入端口；
S2、双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)调制两个射频输入口输入的电信号，在调制的两个电信号之间加一个可调的相位差，调制后的信号通过单模光纤(4)和光分束器(5)后被分为三路；
S3、第一路经过由第一光电检测器(6)、射频功分器(7)、第一射频放大器(8)、射频滤波器(9)、低噪声放大器(10)与双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的第二输入端顺序连接构成的主环路后反馈回双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的一个射频输入口；第二路经过由第二光电检测器(11)、第二射频放大器(12)与双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的第三输入端顺序连接构成的从环路反馈回双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的另一个射频输入口；第三路输出光信号；
S4、调节偏置电压，使双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的上下两个子调制器都工作在最小偏置点上，载波得到抑制，使主调制器在上下两个调制器之间产生一个90°的相位差；
S5、在射频输出口可以同时得到基频信号的二倍频与四倍频信号。
进一步的，双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的下子调制器中调制后的光信号的正负一阶边带与载波之间的频率差等于射频的基频频率。
进一步的，双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的上子调制器中光信号的正负一阶边带与载波之间的频率差等于基频的二倍频，且与主环路之间有90°的相位差。
本发明与传统的调制器倍频技术相比，传统调制器倍频技术受限于射频信号源的相位特性，当信号源的相位改变时，系统的倍频特性将随之改变。本发明通过控制串联电光强度调制器的工作状态，降低了微波光子倍频系统对射频信号相位的依赖性，主环中通过射频滤波器选择基频频率，无需外加信号源即可有效产生二倍频与四倍频信号。该方法采用微波光子技术，突破常规电子学方案的带宽限制，实现装置结构简单、成本较低、性能稳定。
附图说明
图1是本发明的微波信号倍频装置的原理框图。
具体实施例
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
实施例一
高性能高频信号源是光载无线通信系统的一个重要的组成部分，传统电子学方法受到材料和工艺的限制，较难实现高频微波信号的产生。微波光子方法带宽透明，损耗低，同时可以与RoF系统完美接入，无需二次电光转换过程，降低了系统成本，提高了使用效率。基于电光调制器倍频方案与光电振荡器技术均可产生高频微波信号，但电光调制器倍频方案会明显恶化输出信号的相位噪声，光电振荡器产生的微波信号的频率稳定度较差，目前很难满足光载无线通信系统对于信号源高性能高稳定度的诉求。
本实施例提供一种微波信号倍频装置，基于光电振荡双环结构同时产生低相位噪声二倍频和四倍频信号。如图1所示，该装置包括半导体激光器(1)、偏振控制器(2)、双平行马赫-增德尔电光强度调制器(3)、单模光纤(4)、光分束器(5)、第一光电检测器(6)、射频功分器(7)、第一射频放大器(8)、射频滤波器(9)、低噪声放大器(10)、第二光电检测器(11)、第二射频放大器(12)。
本实施例中，器件的选型如下，但选型不应局限于此，不能作为限制本发明保护范围的条件。
半导体激光器(1)采用波长为1550nm的半导体激光器，偏振控制器(2)采用三轴机械可调偏振控制器，双平行马赫-增德尔电光强度调制器(3)的工作带宽为40GHz，单模光纤(4)采用G.652标准单模光纤，光分束器(5)采用1:1:1的三路光分束器，第一光电检测器(6)、第二光电检测器(11)采用工作带宽大于40GHz的光电检测器，射频功分器(7)采用50:50的射频功率分路器，第一射频放大器(8)、第二射频放大器(12)采用最大输出功率大于1W的功率放大器，射频滤波器(9)为可调窄带滤波器，低噪声放大器(10)采用增益20dB，噪声系数小于4dB。
本发明一种微波信号倍频装置，可以分为光端设备和电端设备，其中：
光端设备中，半导体激光器(1)、偏振控制器(2)、双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)、单模光纤(4)、光分束器(5)顺序相连，光分束器(5)的第一输出端和第二输出端通过光纤分别与第一光电检测器(6)的输入端和第二光电检测器(11)的输入端相连；
电端设备中，射频功分器(7)、第一射频放大器(8)、射频滤波器(9)、低噪声放大器(10)与双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的第二输入端顺序连接，第一光电检测器(6)的输出端与射频功分器(7)的输入端相连，构成光电振荡器的主环路。第二射频放大器(12)的输出端与双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的第三输入端连接，第二光电检测器(11)的输出端与第二射频放大器(12)的输入端相连构成光电振荡器的从环路。
该倍频装置基于光端和电端两部分，通过控制双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的工作状态，实现二倍频和四倍频信号的同时稳定输出，利用光电振荡环路有效降低输出信号的相位噪声。将光电振荡环腔与电光强度调制器工作状态控制相结合，可输出低相位噪声二倍频与四倍频信号。工作原理具体为：
半导体激光器(1)发出的光信号经过偏振控制器(2)被送入双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的第一输入端，第一输入端为光信号输入端口，第二输入端和第三输入端为射频输入端口。双平行马赫曾德尔电光强度调制器可以同时调制两个射频输入口输入的电信号，然后在调制信号之间加一个可调的相位差，调制后的信号通过单模光纤(4)和光分束器(5)后被分为三路。主环经过第一光电检测器(6)拍频得到基频信号以及其多次谐波信号，再经过第一射频放大器(8)的放大和射频滤波器(9)滤波，在射频滤波器(9)的输出口处得到较为纯净的基频信号，基频信号经过低噪声放大器(10)放大后反馈回双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的一个射频输入口(即第二输入端)。从环中，第二光电检测器(11)检测到的信号经过第二射频放大器(12)的放大后，反馈输入到双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的另一个射频输入口(即第三输入端)，使用第二射频放大器(12)，经过模式竞争后，基频信号的二倍频信号在从环中占据主要功率分布。调节偏置电压，使双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的上下两个子调制器都工作在最小偏置点上，载波得到抑制，使主调制器在上下两个调制器之间产生一个90°的相位差。因此，双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的下调制器中调制后的光信号的正负一阶边带与载波之间的频率差等于射频的基频频率，双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的上调制器中光信号的正负一阶边带与载波之间的频率差等于基频的二倍频，且与主环之间有着90°的相位差，因此在射频输出口可以同时得到基频信号的二倍频与四倍频信号。
实施例二
本实施例提供一种微波信号倍频方法，通过实施例一所述的装置实现，实现过程为：
S1、半导体激光器(1)发出的光信号经过偏振控制器(2)被送入双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的光信号输入端口；
S2、双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)调制两个射频输入口输入的电信号，在调制的两个电信号之间加一个可调的相位差，调制后的信号通过单模光纤(4)和光分束器(5)后被分为三路；
S3、第一路经过主环路后反馈回双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的一个射频输入口；第二路经过从环路反馈回双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的另一个射频输入口；第三路输出光信号；
S4、调节偏置电压，使双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的上下两个子调制器都工作在最小偏置点上，载波得到抑制，使主调制器在上下两个调制器之间产生一个90°的相位差；
S5、在射频输出口可以同时得到基频信号的二倍频与四倍频信号。
进一步的，双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的下调制器中调制后的光信号的正负一阶边带与载波之间的频率差等于射频的基频频率。
进一步的，双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的上调制器中光信号的正负一阶边带与载波之间的频率差等于基频的二倍频，且与主环路之间有着90°的相位差。
以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种微波信号倍频装置，其特征在于：包括光端设备和电端设备，光信号经过光端设备后分为三路，第一路经过电端设备与光端设备组成的主环路反馈回光端设备的一个射频输入端；第二路经过电端设备与光端设备组成的从环路反馈回光端设备的另一个射频输入端，在光端设备的射频输出口得到基频信号的二倍频信号与四倍频信号；第三路输出光信号；
所述的光端设备包括：半导体激光器(1)、偏振控制器(2)、双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)、单模光纤(4)、光分束器(5)、第一光电检测器(6)和第二光电检测器(11)，其中半导体激光器(1)、偏振控制器(2)、双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)、单模光纤(4)、光分束器(5)顺序相连，光分束器(5)的第一输出端和第二输出端分别与第一光电检测器(6)的输入端和第二光电检测器(11)的输入端相连；光分束器(5)的第三输出端输出光信号；
所述的双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)包括上子调制器、下子调制器和主调制器，上子调制器的输入端作为光端设备的一个射频输入端，下子调制器的输入端作为光端设备的另一个射频输入端，所述的上子调制器和下子调制器工作在最小偏置点上，使主调制器在上子调制器和下子调制器之间产生一个90°的相位差；
所述的电端设备包括射频功分器(7)、第一射频放大器(8)、射频滤波器(9)、低噪声放大器(10)和第二射频放大器(12)；其中射频功分器(7)的输入端与第一光电检测器(6)的输出端相连，射频功分器(7)的输出端、第一射频放大器(8)、射频滤波器(9)、低噪声放大器(10)与双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的第二输入端顺序连接，形成主环路；双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的第二输入端即为光端设备的一个射频输入端；
第二射频放大器(12)的输入端与第二光电检测器(11)的输出端相连，第二射频放大器(12)的输出端与双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的第三输入端连接，形成从环路；双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的第三输入端即为光端设备的另一个射频输入端。
2.根据权利要求1所述的微波信号倍频装置，其特征在于：所述的光分束器(5)的第一输出端和第二输出端是通过光纤分别与第一光电检测器(6)的输入端和第二光电检测器(11)的输入端相连的。
3.根据权利要求1所述的微波信号倍频装置，其特征在于：所述的光分束器(5)采用1:1:1的三路光分束器。
4.根据权利要求1所述的微波信号倍频装置，其特征在于：所述的射频功分器(7)采用50:50的射频功率分路器。
5.一种微波信号倍频方法，其特征在于：通过权利要求1至4中任意一项所述的微波信号倍频装置实现，包括：
S1、半导体激光器(1)发出的光信号经过偏振控制器(2)被送入双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的光信号输入端口；
S2、双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)调制两个射频输入口输入的电信号，在调制的两个电信号之间加一个可调的相位差，调制后的信号通过单模光纤(4)和光分束器(5)后被分为三路；
S3、第一路经过由第一光电检测器(6)、射频功分器(7)、第一射频放大器(8)、射频滤波器(9)、低噪声放大器(10)与双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的第二输入端顺序连接构成的主环路后反馈回双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的一个射频输入口；第二路经过由第二光电检测器(11)、第二射频放大器(12)与双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的第三输入端顺序连接构成的从环路反馈回双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的另一个射频输入口；第三路输出光信号；
S4、调节偏置电压，使双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的上下两个子调制器都工作在最小偏置点上，载波得到抑制，使主调制器在上下两个调制器之间产生一个90°的相位差；
S5、在射频输出口可以同时得到基频信号的二倍频与四倍频信号。
6.根据权利要求5所述的微波信号倍频方法，其特征在于：双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的下子调制器中调制后的光信号的正负一阶边带与载波之间的频率差等于射频的基频频率。
7.根据权利要求5所述的微波信号倍频方法，其特征在于：双平行马赫曾德尔电光强度调制器(3)的上子调制器中光信号的正负一阶边带与载波之间的频率差等于基频的二倍频，且与主环路之间有90°的相位差。
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