微波光子变频器的制作方法

本发明属于微波光子领域，具体涉及一种微波光子变频器。
背景技术：
：随着宽带无线接入技术、雷达、相控阵天线技术等无线通信系统对带宽需求的不断增加，传输的信号频率进一步向更高频段的微波、毫米波频段延伸，面对如此高频率的信号，电学系统处理能力的不足越加明显，因此研究与开发具有超大带宽、超高信号处理能力的光子系统尤为重要。微波光子变频器作为通信系统重要的功能单元，在国内外也得到了广泛的研究。传统的变频器采用电光强度调制器级联实现光域电信号频率下转换，由于强度调制器由马赫曾德尔干涉结构制作而成，因此插入损耗较大；另外，强度调制器存在光载波偏置点漂移问题，为了消除偏置点漂移的问题，需要对强度调制器进行偏置控制，无论是采用功率法还是导频法控制，都会增加器件的复杂程度、降低器件的工作稳定度。技术实现要素：本发明提供一种微波光子变频器，以解决目前微波光子变频器插入损耗较大、器件复杂程度高以及稳定性较差的问题。根据本发明实施例的第一方面，提供一种微波光子变频器，包括第一相位调制器、第二相位调制器、光滤波环路和光电探测器，其中所述第一相位调制器用于采用第一电信号对光载波进行相位调制；所述第二相位调制器用于采用第二电信号对所述第一相位调制器输出的光信号进行相位调制；所述光滤波环路用于基于光纤的布里渊散射效应和受激布里渊散射效应，对所述第二相位调制器输出的光信号中的光载波进行抑制；所述光电探测器用于将所述光滤波环路输出的对应频率范围内的光信号转换成电信号。在一种可选的实现方式中，所述光滤波环路包括输入装置、光纤和输出装置，其中所述输入装置用于输入所述第二相位调制器输出的光信号，并通过所述光纤将所述光信号传输给所述输出装置；所述光纤在传输所述第二相位调制器输出的光信号时，所述光信号中的光载波作为泵浦光，在所述光纤的布里渊散射效应的作用下产生斯托克斯光，反向传输至所述输入装置；所述输入装置将所述斯托克斯光传输给所述输出装置；所述输出装置将所述斯托克斯光传输给所述光纤，在所述光纤中所述斯托克斯光与所述第二相位调制器输出的光信号中的光载波相向传输，从而发生受激布里渊散射效应，在所述受激布里渊散射效应的作用下所述第二相位调制器输出的光信号中的光载波得到抑制，此后将所述第二相位调制器输出的光信号中的剩余分量输出给所述光电探测器。在另一种可选的实现方式中，所述输入装置为第一光环形器，所述第一光环形器上按顺序设置有第一端口、第二端口和第三端口，其中所述第一光环形器的第一端口作为所述光滤波环路的输入端，与所述第二相位调制器的输出端连接，所述第一光环形器的第二端口通过所述光纤与所述输出装置的第二端口连接，所述第一光环形器的第三端口与所述输出装置的第一端口连接。在另一种可选的实现方式中，所述输出装置为第二光环形器，所述第二光环形器上按顺序设置有第一端口、第二端口和第三端口，其中所述第二关环形器的第一端口作为所述输出装置的第一端口，与所述第一光环形器的第三端口连接，所述第二关环形器的第二端口作为所述输出装置的第二端口，通过所述光纤与所述第一光环形器的第二端口连接，所述第三端口作为所述光滤波环路的输出端，与所述光电探测器的输入端连接。在另一种可选的实现方式中，所述光纤为色散位移光纤。在另一种可选的实现方式中，所述第一相位调制器输出的光信号中包括光载波信号以及经所述第一相位调制器调制后的光载波信号。在另一种可选的实现方式中，所述第二相位调制器输出的光信号包括光载波信号、经所述第一相位调制器调制后的光载波信号、经所述第二相位调制器调制后的光载波信号以及经所述第一相位调制器和所述第二相位调制器调制后的光载波信号。在另一种可选的实现方式中，所述光滤波环路输出的光信号包括经所述第一相位调制器调制后的光载波信号、经所述第二相位调制器调制后的光载波信号以及经所述第一相位调制器和所述第二相位调制器调制后的光载波信号。本发明的有益效果是：1、本发明通过采用级联相位调制器，可以降低插入损耗；通过采用光滤波环路，并使光滤波环路基于光纤的布里渊散射效应和受激布里渊散射效应，对光信号中的光载波进行抑制，可以在消除光载波偏置点漂移问题的同时简化器件，增强器件工作稳定性，并且可以降低光载波对输出光信号的干扰，从而降低输入电信号在输出信号中的泄露；2、本发明通过采用光环形器控制光信号在光滤波环路中的传输，使得整个变频器组件更加简单。附图说明图1是本发明微波光子变频器的一个实施例电路示意图；图2是本发明微波光子变频器频谱处理过程的一个实施例示意图；图3是本发明微波光子变频器的归一化变频增益随光载波抑制系数的变化关系示意图。具体实施方式为了使本
技术领域：
的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。参见图1，为本发明微波光子变频器的一个实施例电路示意图。该微波光子变频器可以包括第一相位调制器110、第二相位调制器120、光滤波环路130和光电探测器140，第一相位调制器110的第一输入端输入光载波，第二输入端输入第一电信号，其可以采用第一电信号对光载波进行相位调制；第二相位调制器120的第一输入端输入第二电信号，第二输入端连接第一相位调制器110的输出端，其可以采用第二电信号对第一相位调制器110输出的光信号进行相位调制，其中第一相位调制器110输出的光信号中可以包括光载波信号以及经第一相位调制器110调制后的光载波信号。若设光载波信号的频率为fc，第一电信号的频率为fRF，则经第一相位调制器110调制后的光载波信号的频率可以为fc±fRF。光滤波环路130的输入端与第二相位调制器120的输出端连接，其可以基于光纤的布里渊散射效应和受激布里渊散射效应，对第二相位调制器120输出的光信号中的光载波进行抑制，其中第二相位调制器120输出的光信号可以包括光载波信号、经第一相位调制器110调制后的光载波信号、经第二相位调制器120调制后的光载波信号以及经第一相位调制器110和第二相位调制器120调制后的光载波信号。同样地，若设光载波信号的频率为fc，第一电信号的频率为fRF，第二电信号的频率为fLO，则经第一相位调制器110调制后的光载波信号的频率可以为fc±fRF，经第二相位调制器120调制后的光载波信号的频率可以为fc±fLO，经第一相位调制器110和第二相位调制器120调制后的光载波信号的频率可以为fc±(fRF-fLO)。光电探测器140的输入端与光滤波环路130的输出端连接，其可以将光滤波环路130输出的对应频率范围内的光信号转换为电信号，其中光滤波环路130输出的光信号可以包括经第一相位调制器110调制后的光载波信号、经第二相位调制器120调制后的光载波信号以及经第一相位调制器110和第二相位调制器120调制后的光载波信号。本实施例中，光载波可以由激光器等光源发生器产生。该光滤波环路130可以包括输入装置131、光纤132和输出装置133，其中输入装置131的第一端口作为光滤波环路130的输入端，可以与第二相位调制器120的输出端连接，第二端口通过光纤132与输出装置133的第二端口连接，第三端口与输出装置133的第一端口连接，输出装置133的第三端口作为光滤波环路130的输出端，可以与光电探测器140的输入端连接。输入装置131在输入第二相位调制器120输出的光信号后，可以通过光纤132将该光信号传输给输出装置133，从而由输出装置133传输给光电探测器140。由于第二相位调制器120输出的光信号可以包括光载波信号、经第一相位调制器110调制后的光载波信号、经第二相位调制器120调制后的光载波信号以及经第一相位调制器110和第二相位调制器120调制后的光载波信号，并且在这些信号中光载波信号的强度最强，因此光纤132在传输第二相位调制器120输出的光信号时，该光信号中的光载波信号可以作为泵浦光，在光纤132的布里渊散射效应的作用下产生斯托克斯光，反向传输至输入装置131。输入装置131在接收到斯托克斯光后，可以将该斯托克斯光传输给输出装置133。此后，输出装置133可以将斯托克斯光传输给光纤132，在光纤132中该斯托克斯光与第二相位调制器120输出的光信号中的光载波相向传输，从而发生受激布里渊散射效应，在受激布里渊散射效应的作用下第二相位调制器120输出的光信号中的光载波可以得到抑制。其中，该输入装置131可以为第一光环形器，光纤132可以为色散位移光纤，输出装置133可以为第二光环形器。第一光环形器131上可以按顺序设置有第一端口1a、第二端口1b和第三端口1c，其中第二端口1b为第一端口1a的下一端口，第三端口1c为第二端口1b的下一端口。根据光环形器的输入输出特性：光信号从任意端口输入时，只能从该输入端口的下一端口输出，可知输入至第一端口1a的光信号只能从第二端口1b输出，输入至第二端口1b的光信号只能从第三端口1c输出。第二光环形器133上也按顺序设置有第一端口2a、第二端口2b和第三端口2c，其中第二端口2b为第一端口2a的下一端口，第三端口2c为第二端口2b的下一端口。同样地输入至第一端口2a的光信号只能从第二端口2b输出，输入至第二端口2b的光信号只能从第三端口2c输出。该第一光环形器131的第一端口1a作为光滤波环路130的输入端，与第二相位调制器120的输出端连接，第二端口1b通过光纤132连接第二光环形器133的第二端口2b，第三端口1c连接第二光环形器133的第一端口2a，第二光环形器133的第三端口2c作为光滤波环路130的输出端，与光电探测器140的输入端连接。上述光滤波环路130在工作时，第二相位调制器120输出的光信号可以从第一光环形器131的第一端口1a输入，再从第二端口1b输出，然后经由色散位移光纤132输入到第二光环形器133的第二端口2b，最后从第三端口2c输出，第三端口2c输出的光信号可以进入到光电探测器140中。由于经过两级相位调制后输出的光信号中的光载波仍然有很高的信号强度，因此第二相位调制器120输出的光信号进入到色散位移光纤132后，光载波作为泵浦光在色散位移光纤132自发布里渊散射效应的作用下会产生后向传输的斯托克斯光，斯托克斯光从色散位移光纤132中沿逆时针方向传输到第一端口1b进入第一光环形器131，经由第三端口1c输出后从第一端口2a直接进入到第二光环形器133中，从第一端口2a输入的斯托克斯光从第二光环形器133的第二端口2b输出，再进入色散位移光纤132中。从第二端口2b输出的斯托克斯光与第二相位调制器120输出的光信号中的光载波在色散位移光纤132中相向传输，发生受激布里渊散射响应，在受激布里渊散射效应的作用下光载波信号的能量得到极大的衰减，因此从第三端口2c输出进入到光电探测器140中的光信号包含的载波分量就会得到很强的抑制。由上述实施例可见，本发明通过采用级联相位调制器，可以降低插入损耗；通过采用光滤波环路，并使光滤波环路基于光纤的布里渊散射效应和受激布里渊散射效应，对光信号中的光载波进行抑制，可以在消除光载波偏置点漂移问题的同时简化器件，增强器件工作稳定性，并且可以降低光载波对输出光信号的干扰，从而降低输入电信号在输出信号中的泄露。参见图2，为本发明微波光子变频器频谱处理过程的一个实施例示意图。图中频率为fc的光载波信号经由第一相位调制器110产生频率为fc与fc±fRF的光信号分量(高阶边带相对于一阶边带强度要小很多，因此可以忽略掉)；第一相位调制器110输出的光信号经由第二相位调制器120产生频率为fc、fc±fRF、fc±fLO、fc±(fRF-fLO)的光信号分量，再进过色散位移光纤132与光环形器131、133构建的光滤波环路130对光载波分量(即频率为fc的光信号分量)进行抑制，剩下的信号分量在光电探测器140中拍频产生频率为fRF-fLO的中频信号输出。可以看出整个方案主要的功能单元包含两级相位调制和载波抑制环路三个部分，经过两级相位调制将微波信号(即第一电信号)与本振信号(即第二电信号)加载到光载波上以后光信号的光场可以表示为：E(t)=PoptLoptexp{j2πfct+jm1cos(2πfRFt)}exp{j2πfct+jm2cos(2πfLOt)}---(1)]]>式中Popt为光载波信号的功率，Lopt为链路光插入损耗(包括相位调制器1和相位调制器2的固有插损以及载波抑制光纤环路带来的光信号衰减)，m1和m2分别为微波信号和本振信号的相位调制系数(其中m1＝VRF/Vπ1,m2＝VLO/Vπ2,VRF和VLO分别为微波信号和本振信号的幅度，Vπ1和Vπ2分别为相位调制器1和相位调制2的半波电压)。将公式(1)按贝塞尔函数展开，可以写为：E(t)=PoptLoptexp{j2πfct}×Σp=-∞∞jpJp(m1)exp{j2pπfRFt}Σq=-∞∞jqJq(m2)exp{j2qπfLOt}---(2)]]>式中，Jp和Jq分别表示p阶和q阶第一类贝塞尔函数。忽略高阶小强度边带信号，并引入受激布里渊散射效应对光载波信号的抑制作用，则根据图2可知第二光环形器133的第二端口2c输出光信号的光场表示为：E(t)=PoptLoptexp{j2πfct}×αJ0(m1)J0(m2)-jJ0(m2)J-1(m1)exp{-j2πfRFt}+jJ0(m2)J1(m1)exp{j2πfRFt}-jJ0(m1)J-1(m2)exp{-j2πfLOt}+jJ0(m1)J1(m2)exp{j2πfLOt}+J1(m1)J-1(m2)exp{j2π(fRF-fLO)t}+J1(m2)J-1(m1)exp{-j2π(fRF-fLO)t}---(3)]]>式中α为光载波的抑制系数(gB为光纤布里渊增益系数，Leff和Aeff分别为光纤有效长度和有效模场面积)。由公式(3)可知微波信号与本振信号一样，它们的上边带与光载波拍频产生的基频信号，下边带与光载波拍频产生的基频信号的强度相等相位相反，在干涉的作用下被完全抵消掉，因此最后在光电探测器的输出端就可以得到频率为fRF-fLO的中频信号，同时防止微波信号和本振信号向中频信号泄露。参见图3，为本发明微波光子变频器的归一化变频增益随光载波抑制系数的变化关系示意图。由图中可以看出，随着载波抑制程度的增加，中频信号的输出强度越高。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本
技术领域：
中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。当前第1页1 2 3