利用嵌入IM调制器的Sagnac环和DPMZM调制器级联产生八倍频毫米波的装置的制作方法

本发明涉及光通信技术领域和微波技术领域，尤其涉及一种利用光通信技术中比较成熟的基于外调制技术产生八倍频毫米波信号的装置。

背景技术：

随着科技的不断进步，尤其是信息技术快速的更新换代，具有频谱纯度高、射频稳定性高、相位噪声低等高质量的微波信号的产生技术成为微波应用的关键。高质量的微波信号在很多领域具有广泛的应用，如：雷达系统、无线通信系统以及电子对抗系统。然而，对于传统的电子技术，毫米波信号的产生面临带宽瓶颈，并且在同轴电缆或者空气中传输毫米波信号会产生很大的损耗，这不利于电信号的传送。因此在宽带无线通信系统中，光载射频(rof)技术作为一种非常具有潜力的方案已经被积极的研究。

无论在军事还是民事方面的应用，都要求微波系统具有带宽大、动态范围大以及灵敏度高等特点。尤其是在军事雷达以及电子对抗领域对微波系统的要求也会越米越高。同时，随着信息复杂度的提高、信息量越来越丰富，因此对信息系统的性能提出了更高、更严格的要求，尤其对微波系统中的信号源的频率稳定度以及频谱的纯度提出了越来越高的要求。因此，产生高频率、高频谱纯度、带宽可调谐以及相位噪声低的微波信号显得至关重要。

在rof系统中高频毫米波的产生是一个非常关键的问题，传统电域装置很难甚至几乎无法完成非常复杂的极高频毫米波信号的生成，其主要是因为在电域一般使用晶体振荡器通过倍频锁相产生高频毫米波信号，由于电子器件的速率瓶颈和工艺的局限性很难产生高频率、高质量的信号。另外，使用电域装置产生高频毫米波信号对器件有非常高的要求，复杂的加工制作工艺可能会大大降低器件的性能。

现有的毫米波产生方案有光外差法，外调制法，基于非线性效应四波混频效应法和受激布里渊散射法。在所有这些研究装置中，基于铌酸锂马赫曾德尔调制器的外调制方案通常被认为是最为可靠和有效的装置。因为在外调制倍频装置中所使用的本振源和调制器等微波器件的频率响应都大大降低，而且在光电探测器中进行拍频的两个光波均来自同一激光源具有非常好的相位相干性。因此，外调制技术成为了产生毫米波信号的首选技术。

技术实现要素：

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种利用嵌入im调制器的sagnac环和dpmzm调制器级联产生八倍频毫米波的装置，使产生高频/极高频信号所需要的设备频率指标大大降低，进而降低了系统成本。该方案具有结构简单、易于实现、射频杂散抑制比高等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述装置包括光源、偏振控制器、环形器、偏振合束器、强度调制器(im)、起偏器、双平行马赫-曾德尔调制器(dpmzm)、射频信号源、电分路器、移相器以及光电探测器，其中dpmzm调制器由三个mzm组成，分别为mzm1、mzm2以及主调mzm3；光源的输出端口与偏振控制器相连，该偏振控制器另一端通过环形器接入sagnac环；射频信号源的输出端与电分路器的相连；电分路器的一个输出端与sagnac环中im调制器的射频输入端相连；sagnac环的输出端通过环形器后依次接另一个偏振控制器和起偏器；起偏器的输出端接入dpmzm调制器的输入端；电分路器的另一个输出端经移相器与dpmzm调制器中的mzm1射频输入端相连；dpmzm调制器的输出端与光电探测器的输入端相连；光电探测器的输出端输出倍频后的电信号。

所述嵌入强度调制器(im)的sagnac环由偏振合束器、强度调制器(im)、偏振控制器构成。

本发明在工作时包括以下步骤：

(1)从光源发出波长为λ的线偏振光注入到偏振控制器中；

(2)调节偏振控制器，将入射光信号调整为与偏振合束器的x，y轴夹角分别为π/4的线偏振光。进入sagnac环的入射光通过偏振合束器将偏振态分开，形成两路功率相等的光信号，一路沿顺时针传输到im调制器，另一路沿逆时针方向传输，通过偏振控制器控制输入im调制器光的偏振态，使输入到im调制器的光得到高效的调制；

(2)频率为f的射频本振经电分路器分成功率相同的两路，一路驱动sagnac环中的im调制器，另一路经移相器后驱动dpmzm中的mzm1；

(3)在sagnac环中，沿着顺时针方向传输的光信号会被im调制器调制，由于调制器的固有特性，沿着逆时针方向传输的光信号没有得到调制；

(4)从sagnac环输出的光信号具有两个正交的偏振态，通过起偏器后，这两个偏振态合并为一个方向的线偏振光，通过调节起偏器前面的偏振控制器，可以使得输出信号的光载波分量得到任意程度上的抑制；

(5)sagnac环中的im调制器工作在传输曲线的最大点，im调制器顺时针方向输出为光载波以及正负二阶边带；逆时针方向只输出光载波；通过调节起偏器前面的偏振控制器，抑制光载波，起偏器输出正负二阶边带；

(6)从起偏器输出的信号进入dpmzm调制器，其中mzm1工作在其传输曲线的最大点；主调mzm3工作在其传输曲线的最小点；mzm2不加射频信号，适当调节mzm2的直流偏置，使dpmzm调制器输出纯净的正负四阶边带；

(7)光电探测器对dpmzm调制器的输出进行拍频，可以得到射频本振信号的八倍频信号。

本发明提出一种新型八倍频光生毫米波的装置，该方案利用嵌入im调制器的sagnac环和dpmzm调制器级联产生了频率为本振信号频率八倍的毫米波信号。因此，可以大大降低射频本振信号的频率和调制器的响应频率要求。比如，我们只需要频率为4ghz的射频本振信号，就可以产生32ghz的毫米波信号。本发明设备简单，具有很强的实际可操作性。

由于没有使用任何光滤波器或电滤波器，本方案具有很好的频率可调性，即可以任意改变射频本振信号的频率，生成相应的八倍频毫米波信号。

附图说明

图1为本发明利用嵌入im调制器的sagnac环和dpmzm调制器级联产生频率八倍于本振信号的毫米波示意图；

图2为图1的各处光信号幅度与相位的输出光谱示意图；

图3为实验中在4ghz本振条件下起偏器的输出光谱；

图4为实验中在4ghz本振条件下dpmzm调制器的输出光谱；

图5为实验中dpmzm调制器输出光谱通过光电探测器后，拍频得到的32ghz射频信号频谱图；

图6为实验生成的32ghz射频信号的相位噪声与4ghz本振源相位噪声的对比图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例：

如图1所示，本实施例中，装置包括：光源、偏振控制器、sagnac环、起偏器、dpmzm调制器、本振信号源、电分路器、移相器以及光电探测器，其中sagnac环由环形器、偏振合束器、强度调制器构成。光源的输出端口经偏振控制器与sagnac环相连，sagnac环经偏振控制器与起偏器相连，起偏器的输出与dpmzm调制器输入端相连，dpmzm调制器的输出端与光电探测器相连。本振信号源的输出端与电分路器输入端相连，电分路器的一个输出端与强度调制器相连，电分路器的另一个输出端经移相移器与dpmzm调制器的mzm1相连。起偏器输出正负二阶边带，dpmzm调制器的输出正负四阶边带。经光电探测器拍频后，得到八倍频的毫米波信号。

本实施例中，具体倍频装置和原理包括以下步骤：

步骤一：光源产生工作波长λ为1552nm，功率为12dbm的连续光波e1＝e0exp(jωct)，其中ωc为光波频率，e0为光波幅度，连续光波经偏振控制器输入到sagnac环，经过偏振合束器后，分为沿着sagnac环顺时针传输的光(ck)和逆时针传输的光(cck)，它们可以表示为：

im调制器半波电压为vπ＝3.5v；

步骤二：本振信号源输出幅度为vlo，频率为ωlo＝4ghz的本振信号经电分路器分成功率相等的两路，一路用于驱动im调制器，另一路经移相器移相π/4后驱动dpmzm调制器的mzm1；im调制器工作在传输曲线的最大点；在sagnac环中，顺时针光被射频调制，调制后的光信号可表示为：

其中，jn(·)表示第一类n阶贝塞尔函数，βlo＝π·vlo/vπ表示im调制器的调制指数；

逆时针光不调制，可表示为：

经过起偏器后，两束光合成一束光，可以表示为：

其中，α表示起偏器的主轴和偏振合束器一个主轴的夹角，表示顺时针光和逆时针光的相位差，它们都能被起偏器前面的偏振控制器所调节。

调节偏振控制器，满足以下等式：

那么起偏器的输出只有正负二阶边带，可以表示为：

步骤三：将epol(t)输入dpmzm调制器；dpmzm调制器的3个子调制器(mzm1，mzm2，mzm3)的半波电压均为vπ＝4v；mzm1的射频端连接经过移相的本振信号，工作在传输曲线最大点，mzm1的输出可表示为：

mzm2不加本振，只加直流偏置v，mzm2的输出可表示为：

其中，

mzm3工作在传输曲线的最小点，使mzm2的输出信号反相，则dpmzm的输出可以表示为：

调节mzm2的直流偏置v，使其满足下面等式：

则dpmzm的输出为

从上式可以看出，dpmzm的输出只有正负四阶边带。

步骤四：将dpmzm调制器的输出信号接入光电探测器，拍频后的信号可以表示为：

其中，η表示光电探测器的响应度；

从上式可以看出，忽略直流信号，得到了八倍频的毫米波信号。

图3为起偏器输出信号的光谱图，由图可以看出起偏器输出正负二阶边带；图4为dpmzm调制器输出信号的光谱图，由图可以看出正负二阶边带得到抑制，剩下正负四阶边带，其光谐波抑制比达到了20db；图5为光电探测器输出信号的频谱，由图可以看出该方案获得了频率为32ghz的电谱，射频杂散抑制比达到了17db；图6为本振信号与拍频获得的八倍频信号相位噪声对比图，由图可以看出，该方案生成的八倍频毫米波信号具有较好的相位噪声特性，与本振信号的相位噪声相比，相位噪声恶化了17.85db，与理论值(≈201g8)相吻合。

综上，本发明利用im调制器和dpmzm调制器级联实现了毫米波八倍频信号的产生。降低了毫米波系统中对光电调制器和射频本振的频率要求，且产生毫米波信号频率纯净度高。该发明使得高频、极高频毫米波信号的产生有了更实际的操作性。另外本发明结构简单，易于实现，工程可应用性较强。

总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，毫米波的频率范围不限于32ghz，如果使用7ghz的射频本振，该系统可以产生56ghz的毫米波信号，这些等同变形和替换以及频率范围的调整也应视为本发明保护的范围。