基于微波四倍频的上转换光子方法及系统与流程

本发明提出了一种基于微波四倍频的上转换光子方法及系统，该方法及系统属于微波光子学领域。

背景技术：

频率上转换器作为发射机的重要组成部分，通常采用将一个低频的中频信号与一个高频的本振信号混频的方法来实现频率上转换。实现微波信号上转换的方法有许多，其中包括利用不同调制器件的上转换技术，例如两个强度调制器级联，双平行马赫曾德调制器(dpmzm)和双偏振双平行马赫曾德调制器等上转换方法与系统。但是在这些方法中，只用到了本振和中频信号的一阶边带，只能产生频率为ωlo+ωif的上转换信号。在这种情况下，如果要更高的射频信号产生，就需要频率更高的本振信号发生器。此外，由于调制器的带宽一般不超过40ghz，输出的上转换信号频率还会受到调制器自身带宽的影响。

为了减少上转换系统对本振信号频率的需求以及突破调制器自身带宽的限制，可以通过将中频信号与本振信号的高阶边带混频来实现上转换。其中包括使用集成调制器或多个调制器级联的方法来实现本振多倍频的频率上转换。目前的主要本振倍频的微波光子上转换技术，其主要方法为在调制中利用本振信号的高阶边带或者利用多个调制器的二次调制实现本振倍频的微波光子上转换。2014年，gao等人提出了一种基于双平行马赫增德尔调制器的本振倍频的微波光子混频器，该方法通过控制电压实现2阶本振信号的双边带调制。由于双平行马赫曾德调制器工作在载波抑制双边带调制模式，拍频得到的混频信号包含很多其他杂散信号例如2ωlo，2ωrf等。另外该系统在混频过程中只能同时输出上转换与下转换信号，但是在实际的变频系统(如接收机或发射机)中，仅需要上转换或下转换信号中的一个，而多余的信号将成为杂散信号。yin等人提出了基于马赫曾德调制器与双平行马赫曾德调制器级联的本振倍频上转换方法，马赫曾德调制器输出本振信号的±1阶边带，将马赫曾德调制器输出的本振信号作为载波加载到双平行马赫曾德调制器上进行二次调制，最终实现本振倍频上转换。其主要优点为可以在实现上转换的同时补偿远距离传输所带来的色散损耗，但是由于在二次调制过程中还是采用了双边带调制，得到的上转换信号还是会有很多杂散。chi等人提出了利用三个马赫曾德调制器级联实现本振四倍频上转换的方法，通过前两个马赫曾德调制器产生本振信号的±2阶边带，将输出的本振信号作为载波进入第三个马赫曾德调制器实现本振四倍频的上转换。由于同样采用双边带调制，系统的杂散信号强度甚至高过上转换信号强度。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种利用集成调制器与光纤光栅实现微波四倍频上转换的光子方法和系统。

利用集成器件同时实现微波上转换和本振信号四倍频的光子系统，由激光器、双平行马赫-曾德尔调制器、光环行器、光纤光栅、掺铒光纤放大器、光电探测器组成，其特征在于：所述激光器发出光波频段的连续光载波，将已知的本振信号加载到双平行马赫-曾德尔调制器的上臂，调节相应的直流偏置电压dc1，dc2以及dc3，使其工作在抑制载波的最大传输点，留下本振信号的±2阶边带；随后将输出的±2阶本振边带通过光环形器以及光纤光栅将+2阶的本振反射同时将-2阶本振透射作为载波进入第二个双平行马赫-曾德尔调制器。通过90度电桥将需要上转换的中频信号加载到双平行马赫-曾德尔调制器的两臂，调节相应的直流偏置电压dc4，dc5及dc6，使其工作在抑制载波的单边带调制点，留下经过二次调制的中频信号的-1阶边带；然后通过耦合器将两束光信号合路，采用掺铒光纤放大器对光信号进行功率放大，用于补偿双平行马赫-曾德尔调制器、光环行器和光纤光栅引入的插入损耗；最后使用光电探测器对调制过的-1阶中频和本振的+2阶边带光信号进行拍频，得到本振四倍频的上变频信号。

所述光载波为由分布反馈式激光器输出的中心频率为1550.31nm，功率为16dbm，线宽为500khz的光载波。

所述双平行马赫-曾德尔调制器3的半波电压为3.5v，3db带宽为22ghz；所述直流偏置电压dc1，dc2和dc3分别为1.8v，1.7v和8.4v；所述直流偏置电压dc4，dc5和dc6分别为14.9v，1.4v和7.5v。

所述掺铒光纤放大器设置为apc模式(automaticpowercontrolmode，自动功率控制模式)，使输出光功率恒为5dbm。

所述光电探测器采用带宽为40ghz，响应度为0.65a/w的光电探测器。

本发明采用双平行马赫-曾德尔调制器和光环行器及光纤光栅结构同时实现微波上转换和本振四倍频的功能集成，调整双平行马赫-曾德尔调制器电压使其工作在抑制载波的最大传输点。随后将输出的本振边带通过光环形器以及光纤光栅将+2阶的本振反射同时将-2阶本振透射作为载波进入第二个双平行马赫-曾德尔调制器。通过90度电桥将需要上转换的中频信号加载到双平行马赫-曾德尔调制器的两臂，调节相应的直流偏置电压使其工作在抑制载波的单边带调制点，留下经过二次调制的中频信号；最后使用光电探测器对调制过的中频和本振光信号进行拍频，得到本振四倍频的上变频信号。该方法的优势在于可以利用双平行马赫-曾德尔调制器以及光纤光栅将本振信号进行边带分离，结合90度电桥对中频信号进行单边带调制，最终输出十分纯净的四倍频上转换信号，同时降低了上转换系统对本振信号的需求。

附图说明

图1为基于微波四倍频的上转换光子方法及系统的链路结构示意图。

图2为图1中(s1)、(s2)、(s3)、(s4)处的光谱示意图。

图中，1、激光器，2、双平行马赫-曾德尔调制器，3、光环行器，4、光纤光栅，5、双平行马赫-曾德尔调制器，6、掺铒光纤放大器，7、光电探测器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图和数学推导对本发明做进一步说明。

本实施例的基于微波四倍频的上转换光子方法及系统的结构如图1所示。

激光器1采用分布反馈式激光器(rio,orion)，输出中心波长为1550.31nm的光载波，其功率为16dbm，线宽为500khz。光载波进入双平行马赫-曾德尔调制器2(fujitsu,ftm7962ep)，双平行马赫-曾德尔调制器3的半波电压为3.5v，3db带宽为22ghz。双平行马赫-曾德尔调制器2是由两个子强度调制器(上臂子强度调制器、下臂子强度调制器)和一个主强度调制器组成，这三个强度调制器又各自由对应的三个直流偏置电压(dc1、dc2、dc3)控制。将已知的本振信号加载到双平行马赫-曾德尔调制器的上臂，调节相应的直流偏置电压dc1，dc2以及dc3，使其工作在抑制载波的最大传输点，留下本振信号的±2阶边带，其光谱图如图2中的(s1)；随后将输出的±2阶本振边带通过光环形器3以及光纤光栅4将+2阶的本振反射，光纤光栅的中心波长以及带宽分别为1550.2nm以及0.4nm，其光谱图如图2中的(s2)；同时将-2阶本振透射作为载波进入第二个双平行马赫-曾德尔调制器5(fujitsu,ftm7962ep)，其光谱图如图2中的(s3)。通过90度电桥(markimicrowaveqh-0226)将需要上转换的中频信号加载到双平行马赫-曾德尔调制器的两臂，调节相应的直流偏置电压dc4，dc5及dc6，使其工作在抑制载波的单边带调制点，留下经过二次调制的中频信号的-1阶边带，其光谱图如图2中的(s4)；然后通过耦合器将两束光信号合路，采用掺铒光纤放大器6(golight,c-m-c-p-fa)对光信号进行功率放大，用于补偿双平行马赫-曾德尔调制器、光环行器和光纤光栅引入的插入损耗；最后使用带宽为40ghz，响应度为0.65a/w的光电探测器7(finisar,xpdv2120r)对调制过的-1阶中频和本振的+2阶边带光信号进行拍频，得到本振四倍频的上变频信号。

本发明基于集成调制器与光纤光栅实现微波四倍频上转换的光子系统方法的原理如下，步骤一：

激光器输出连续光作为载波，可表示为

式中，e0为载波的光功率，ω0为载波的中心角频率。激光器输出作为光载波输入双平行马赫-曾德尔调制器，将已知的本振信号加载到双平行马赫-曾德尔调制器的上臂，双平行马赫-曾德尔调制器的输出光场为

式中，ldpmzm为双平行马赫-曾德尔调制器的插损，vlo和ωlo为本振信号的幅度与角频率，mlo＝πvlo/vπ为本振信号的调制度，(i＝1,2,3)为直流偏置引入的相位差，vπ是双平行马赫-曾德尔调制器的半波电压。基于雅可比-安格尔公式对上式展开，令使上臂的子强度调制器工作在最大传输点，同时满足与将输出信号的载波抑制，最终仅留下本振信号的正负二阶边带，第一个双平行马赫-曾德尔调制器输出的光场表达式为：

式中，jn(g)为第一类n阶贝塞尔函数。

步骤二：

将第一个双平行马赫-曾德尔调制器的输出信号通过光环行器与光纤光栅使其分离，并将本振信号的正二阶边带作为载波输入到第二个双平行马赫-曾德尔调制器中，然后通过90度电桥将中频信号加载到第二个双平行马赫-曾德尔调制器的两臂中，使其工作在载波抑制的单边带调制状态，只留下中频信号的负一阶边带，第二个双平行马赫-曾德尔调制器的输出光场可表示为：

其中vif和ωif为中频信号的幅度与角频率，mif＝πvif/vπ为中频信号的调制度，(i＝4,5,6)为直流偏置引入的相位差。基于雅可比-安格尔公式对上式展开，令使双平行马赫-曾德尔调制器的上下两个子强度调制器工作在最小传输点，同时满足使其工作在载波抑制单边带调制状态，留下中频信号的负一阶边带，这时的光场可表示为：

通过耦合器将上下两路光路合路，此时的光场表示为：

步骤三：

用掺铒光纤放大器实现对合路后的光信号的功率放大，放大后的光信号为：

式中，g为掺铒光纤放大器对光信号的增益。

步骤四：

使用光电探测器对+2阶本振信号和经过二次调制的中频信号进行拍频，即可得到角频率为4ωlo+ωif的上变频信号

其中代表探测器的响应度。可见，本系统可以实现本振信号四倍频的上转换，其产生的信号较为纯净。

综上所述，我们提出了一种基于微波四倍频的上转换光子方法及系统的链路，该链路可以实现纯净的本振信号四倍频上转换。