专利名称：频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器的制作方法
技术领域：
本发明属于微波光子学领域，更具体的说是一种基于高速光开关的频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器。
背景技术：
相对于传统的窄带通信，超宽带(UWB =Ultra-Wideband)技术具有诸多的优异性能，如低功率消耗、抗干扰、抗多径衰落、高分辨率、强穿透性探测性能等。因此，多年来超宽带技术一直是美国军方使用的作战技术之一。2002 年 2 月，美国联邦通信委员会(FCC =Federal Communications Commission) FCC通过了一项认可超宽带技术用于民用用途的最终规定。FCC规定了超宽带技术的三个用途分别是成像系统、汽车防冲撞传感器以及无线数据通信及测量系统。根据FCC的规定，3. IGHz至10. 6GHz频带以及22GHz至31GHz频带的超宽带无线电信号用于无线通信以及汽车防撞雷达领域开放。2004年，欧洲委员会(EC)在超宽带技术在汽车雷达方面的应用做出规定自2013年起，原工作于MGHz频段的UWB汽车雷达将全部由77GHz至81GHz频带的超宽带雷达代替。可见，工作于各频段的超宽带系统有着非常广泛的应用前景。频谱可塑、频带可调的超宽带无线电信号的生成、调制与进一步应用不仅会打破FCC等机构为避免系统干扰而对UWB信号的频谱管制，使UWB系统自身优良特性发挥到极致，更有可能给包括感知无线电(Cognitive Radio)、无线传感网(Wireless Sensor Networks)、光载无线电(Radio over Fiber)以及智能自适应雷达(Knowledge-based adaptiveradar)在内的新兴科技领域在技术融合、性能提升等方面带来新机会。另一方面，由于超宽带无线电信号的发射功率限制(功率谱密度小于_41dBm)以及高速率下的符号间干扰问题，超宽带系统的传输距离一般被限制于几米的范围内。为了克服超宽带无线电信号的这一传输距离限制，近年来人们提出了光载超宽带无线电 (UWB-over-fiber)的概念，即利用光纤传输超宽带无线电信号。研究人员同时也尝试着在光域直接产生超宽带无线电信号，这种技术可以克服电域产生超宽带无线电信号的诸多缺点，比如减少了多余的电光转换环节、克服电子器件的带宽限制等。超宽带无线电信号包含了两类最常用的形式脉冲超宽带无线电以及多带超宽带无线电，与之相应的光生超宽带技术有很多种。产生脉冲超宽带无线电信号的光子技术主要有以下几类1)利用光调制器的非线性调制特性将基带高斯脉冲直接转换为光域的一阶或二阶高斯脉冲；幻利用光相位调制器以及光鉴频器对经过基带高斯脉冲调制后的光信号进行微分运算，从而得到光域的一阶或二阶高斯脉冲；；3)对锁模激光器的输出光谱进行整形，然后利用频率-时间映射关系得到脉冲超宽带无线电信号；4)利用直接调制半导体激光器的弛豫振荡效应产生较高阶的脉冲超宽带无线电信号。上述方法共同的不足在于1)无法对所产生的脉冲超宽带无线电信号的频带进行调谐，因此对于22GHz至31GHz 频带以及更高频带的应用存在较大的限制；幻难于产生高阶脉冲超宽带无线电信号，因此所产生的信号频谱不是十分满足美国通信联邦委员会的辐射掩膜规定；幻系统较为复杂，难于实现单片集成。产生多带超宽带无线电信号的光子技术目前研究的较少，主要由以下两种1)利用光相位调制器中的交叉偏振调制效应产生偏振正交的多个光脉冲，然后利用双折射晶体将这些光脉冲在时间上错位从而产生多带超宽带无线电信号，这种方法的缺点是系统十分复杂，难于集成，同时无法对所产生的信号的频带进行灵活的调谐；幻利用马赫曾德耳 (Mach-Zehnder)光调制器在其最大偏置点处的倍频调制特性，直接产生多带超宽带无线电信号，这种方法的缺点在于，其所产生的信号频谱中含有较大的谐波频率成分，因此对于临近频带的信号将存在较大的串扰问题。综上所述，现有的光域产生超宽带无线电信号技术仍然存在缺陷，目前迫切需要一种频谱符合美国通信联邦委员会的辐射掩膜规定、频带灵活可调谐以及可以产生多种类型超宽带无线电信号的发生器。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器，其可解决现有光载超宽带无线电信号发生器频带难于调谐、频谱不满足美国通信联邦委员会的辐射掩膜规定以及难以产生多种类型超宽带无线电信号的问题。本发明提供的一种频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器，包括一激光光源；一 2X2高速光开关，该2X2高速光开关的端口 1与激光光源连接；一可调光延迟线，该可调光延迟线的一端与2X2高速光开关的端口 4连接；一可调光衰减器，该可调光衰减器的一端与可调光延迟线的另一端连接；一光强度调制器，该光强度调制器的光端口 1与2X2高速光开关的端口 3连接；一光耦合器，该光耦合器的端口 1与光强度调制器的光端口 2连接，该光耦合器的端口 2与可调光衰减器的另一端连接，该光耦合器的端口 4为光载超宽带无线电信号发生器的光输出端口；一高速光探测器，该高速光探测器的光端口 1与光耦合器的端口 3连接，该高速光探测器的电端口 2为光载超宽带无线电信号发生器的电输出端口 ；一低通滤波器，该低通滤波器的一端与2X2高速光开关的电端口 5连接；一码型发生器，该码型发生器的端口 2与低通滤波器的另一端连接；一微波功分器，该微波功分器的端口 2与光强度调制器的电端口 3连接，该微波功分器的端口 3与码型发生器的端口 1连接；一微波正弦信号源，该微波正弦信号源的端口与微波功分器的端口 1连接；其中所述的激光光源、2X2高速光开关、可调光延迟线、可调光衰减器、光强度调制器、光耦合器以及高速光探测器以分立器件形式相互连接，或采用半导体光子集成技术制成光子集成芯片。从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果该频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器既可以产生脉冲超宽带无线电信号，也可以产生多带超宽带无线电信号。该频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器所产生脉冲超宽带无线电信号的频带可以任意调谐。该频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器所产生脉冲超宽带无线电信号的频谱符合美国联邦通信委员会辐射掩膜(FCC Mask)的要求。该频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器可以单片集成，从而使该系统更为紧凑并实现小型化。
为了进一步说明本发明的结构和特征，以下结合实例及附图对本发明做进一步的说明，其中图1是该频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器结构示意图；2d是该频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器结构示意图工作原理示意图；图3a_图3c是该频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器产生的脉冲超宽带无线电信号的时域波形与频谱；如是该频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器产生的多带超宽带无线电信号的时域波形与频谱。
具体实施例方式请参阅图1所示，本发明提供一种频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器， 包括一激光光源a，该激光光源a为中心波长为1550nm波段或1310nm波段的半导体激光光源；一 2X2高速光开关b，该2X2高速光开关b的端口 1与激光光源a连接，该2X 2 高速光开关b由砷化镓、硅材料或铟磷材料制成；一可调光延迟线c，该可调光延迟线c的一端与2 X 2高速光开关b的端口 4连接；一可调光衰减器d，该可调光衰减器d的一端与可调光延迟线c的另一端连接；一光强度调制器e，该光强度调制器e的光端口 1与2 X 2高速光开关b的端口 3 连接，该光强度调制器e为马赫曾德耳结构的光强度调制器，或为基于半导体材料的电吸收调制器；一光耦合器f，该光耦合器f的端口 1与光强度调制器e的光端口 2连接，该光耦合器f的端口 2与可调光衰减器d的另一端连接，该光耦合器f的端口 4为光载超宽带无线电信号发生器的光输出端口；一高速光探测器g，该高速光探测器g的光端口 1与光耦合器f的端口 3连接，所述高速光探测器g将光载超宽带无线电信号转化为电域的超宽带无线电信号，该高速光探测器g的电端口 2为光载超宽带无线电信号发生器的电输出端口 ；一低通滤波器j，该低通滤波器j的一端与2X2高速光开关b的电端口 5连接， 所述低通滤波器j的截止频率需根据该频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器的不同工作模式进行选择，当该频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器以脉冲超宽带无线电信号模式工作时，该低通滤波器j的截止频率为6GHz至8GHz，当该频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器以多带超宽带无线电信号模式工作时，该低通滤波器j的截止频率 IGHz ；一码型发生器i该码型发生器i的端口 2与低通滤波器j的另一端连接，该码型发生器i在编码的过程中，若该频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器工作于脉冲超宽带无线电信号模式，则编码“11000…0”为数据“1”，编码“00000…0”为数据“0”;该码型发生器i在编码的过程中，若该频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器工作于多带超宽带无线电信号模式，则编码“111··· 11000…0”为数据“1”，编码“00000…0”为数据“0”;一微波功分器k，该微波功分器k的端口 2与光强度调制器e的电端口 3连接，该微波功分器k的端口 3与码型发生器i的端口 1连接；一微波正弦信号源h，该微波正弦信号源h的端口与微波功分器k的端口 1连接， 所述微波正弦信号源h为频率可调谐微波信号源，所述微波正弦信号源h所发出信号的频率决定了该频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器所产生的超宽带无线电信号的频带，通过改变该微波正弦信号源h的信号频率即可产生频带可调谐的光载超宽带无线电信号；其中所述的激光光源a、2X2高速光开关b、可调光延迟线C、可调光衰减器d、光强度调制器e、光耦合器f以及高速光探测器g以分立器件形式相互连接，或采用半导体光子集成技术制成光子集成芯片。该频带可调谐超宽带信号发生器本质上为一高速光子微波开关，即利用光子学的方法实现对微波信号的高速开关功能。具体工作原理如下激光光源a所发出的激光由 2X2高速光开关b进行调制，调制信号由码型发生器i产生。码型发生器i所产生的码型与微波正弦信号源h同步，同步是这样实现的微波正弦信号源h产生的信号进入微波功分器k进行分流，分流后的其中一路信号从微波功分器k的端口 3射出并进入码型发生器i 的信号同步端口 1。2X2高速光开关b的光输出端口有两个端口 3和端口 4，两者输出的光信号码型相反，如图加和图2c所示。例如，当2X2高速光开关b的端口 3输出的码型为“01100000000”时，端口 4输出的码型为“10011111111”。当2X2高速光开关b的端口 3输出的光脉冲信号被送入光强度调制器e进行调制，调制信号为一正弦微波信号，由微波正弦信号源h产生，经过微波功分器k分流后由微波功分器k的端口 2射出并送入光强度调制器的调制端口 3。当进入光强度调制器e的光信号为逻辑“1”时，光信号被微波正弦信号调制，当光信号为逻辑“0”时，光信号强度为“0”没有调制发生。光强度调制器e的端口 2输出的光信号如图2b所示。2X2高速光开关b的端口 4输出的光信号经过可调光延迟线c及可调光衰减器d进行延时和功率控制，保证此光支路的光强及光延时与光强度调制器e所在的下支路相同。上下支路的光信号在光耦合器f中合波，构成了最终的光载超宽带无线电信号，如图2d所示。光耦合器f的端口 4为该频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器的光输出端，将此超宽带无线电信号以光的形式输出。光耦合器f的端口 3与高速光探测器g的端口 1连接，光载超宽带无线电信号经过高速光探测器g探测后转化为电形式的超宽带无线电信号，因此，高速光探测器g的端口 2为该频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器的电输出端。该频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器所产生的信号频带的中心频率与微波正弦信号源h的中心频率一致，因此，通过微波正弦信号源h的中心频率，可以方便的调谐该频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器所产生的信号的频带。实际应用中，该频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器存在两种工作模式 1)产生脉冲超宽带无线电信号，幻产生多带超宽带无线电信号。若设置码型发生器i编码 “ 11000…0”为数据“ 1”，编码“00000…0”为数据“0”，则该频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器产生脉冲超宽带无线电信号，如图3a-c所示；若设置码型发生器i编码“11L··· 11000…0”为数据“1”，编码“00000…0”为数据“0”，则该频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器产生多带超宽带无线电信号，如图如-c所示。码型发生器i所产生的码型为近似矩形电脉冲，低通滤波器j将此电脉冲进行整形为近似的高斯形状脉冲，经过低通滤波器j整形后的电脉冲码型被加载于2 X 2高速光开关b的电端口 5。经过低通滤波器j整形后输出的脉冲超宽带无线电信号如图北所示，由图可见，信号脉冲的包络相比没有经过低通滤波器j整形而输出的超宽带无线电信号(如图3a所示)更为接近高斯形状。因此该信号的频谱也更为满足美国联邦通信委员会辐射掩膜(FCC Mask)，如图3c所示。图如为没有经过低通滤波器j整形而产生的多带超宽带无线电信号，图4b为经过低通滤波器j整形而产生的多带超宽带无线电信号，图如为最终产生的多带超宽带无线电信号在多个频段的频谱。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器，包括 一激光光源；一 2X2高速光开关，该2X2高速光开关的端口 1与激光光源连接； 一可调光延迟线，该可调光延迟线的一端与2X2高速光开关的端口 4连接； 一可调光衰减器，该可调光衰减器的一端与可调光延迟线的另一端连接； 一光强度调制器，该光强度调制器的光端口 1与2X2高速光开关的端口 3连接； 一光耦合器，该光耦合器的端口 1与光强度调制器的光端口 2连接，该光耦合器的端口 2与可调光衰减器的另一端连接，该光耦合器的端口 4为光载超宽带无线电信号发生器的光输出端口；一高速光探测器，该高速光探测器的光端口 1与光耦合器的端口 3连接，该高速光探测器的电端口 2为光载超宽带无线电信号发生器的电输出端口 ；一低通滤波器，该低通滤波器的一端与2X2高速光开关的电端口 5连接； 一码型发生器，该码型发生器的端口 2与低通滤波器的另一端连接； 一微波功分器，该微波功分器的端口 2与光强度调制器的电端口 3连接，该微波功分器的端口 3与码型发生器的端口 1连接；一微波正弦信号源，该微波正弦信号源的端口与微波功分器的端口 1连接； 其中所述的激光光源、2X2高速光开关、可调光延迟线、可调光衰减器、光强度调制器、 光耦合器以及高速光探测器以分立器件形式相互连接，或采用半导体光子集成技术制成光子集成芯片。
2.根据权利要求1所述的频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器，其中激光光源为中心波长为1550nm波段或1310nm波段的半导体激光光源。
3.根据权利要求1所述的频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器，其中2X 2高速光开关由砷化镓、硅材料或铟磷材料制成。
4.根据权利要求1所述的频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器，其中光强度调制器为马赫曾德耳结构的光强度调制器，或为基于半导体材料的电吸收调制器。
5.根据权利要求1所述的频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器，其中微波正弦信号源为频率可调谐微波信号源。
6.根据权利要求1所述的频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器，其中高速光探测器将光载超宽带无线电信号转化为电域的超宽带无线电信号。
全文摘要
一种频带可调谐的光载超宽带无线电信号发生器，包括激光光源；2×2高速光开关的端口1与激光光源连接；可调光延迟线一端与2×2高速光开关的端口4连接；可调光衰减器一端与可调光延迟线的另一端连接；光强度调制器的光端口1与2×2高速光开关的端口3连接；光耦合器的端口1与光强度调制器的光端口2连接，该光耦合器的端口2与可调光衰减器的另一端连接；高速光探测器的光端口1与光耦合器的端口3连接；低通滤波器的一端与2×2高速光开关的电端口5连接；码型发生器的端口2与低通滤波器的另一端连接；微波功分器的端口2与光强度调制器的电端口3连接，该微波功分器的端口3与码型发生器的端口1连接；一微波正弦信号源，该微波正弦信号源的端口与微波功分器的端口1连接。
文档编号H04B10/12GK102571144SQ201210007489
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者刘建国, 王礼贤, 祝宁华, 郑建宇 申请人:中国科学院半导体研究所