基于光学相位共轭的微波信号长距离光纤稳相传输装置

摘要

一种基于光学相位共轭的微波信号长距离光纤稳相传输装置，包括：一发射端、一接收端和一单模光纤，所述发射端通过单模光纤与接收端连接，本发明只在发射端对信号进行处理，搭建及维护成本低；减少了混频器的使用，对微波信号的预失真主要在光上进行，提高了系统的带宽；只使用一个微波源，不需要进行同步。

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过光纤稳相传输微波信号的系统，具体来说是一种 基于光学相位共轭的微波信号长距离光纤稳相传输装置，属于微波光子学 技术领域。

背景技术

在分布式合成孔径雷达，深空探测，原子钟分发，全球导航卫星系统 等领域中，均需要用到微波信号的稳相传输技术。传统的微波信号传输采 用同轴电缆进行稳相传输，但电缆损耗大、体积大、成本高，很难实现远 距离传输。光纤以其低损耗、带宽大、抗电磁干扰、价格低的优势被认为 非常适合用于微波信号的传输，尤其是远距离传输。然而，由于外界环境 的影响，如温度、应变、振动等，会导致光纤的等效长度发生变化，经光 纤传输的信号延时发生改变，进而导致经光纤传输的微波信号的相位发生 抖动。目前，实现微波信号稳相传输的基本思想都是利用往返延迟校正消 除相位抖动，认为在光纤中相向传输的光信号是相互独立的，其经历的延 时是相同的，即相位抖动相同，具体方法可以归纳为两类，一是主动控制 法，通过直接提取调制在光载波上的微波信号在光纤链路中往返传输的实 时相位抖动信息，获得相位差信号，利用控制器件主动补偿待传输微波信 号的相位，从而使传输的微波信号趋于稳定，这种方法的局限在于，相位 差信号的提取主要依靠电路上的锁相技术，即利用鉴相器和环路滤波器鉴 别相位抖动信息，传输信号的带宽受到很大限制，另外，目前用于补偿相 位的器件主要有波长调谐激光器，可调光/电延迟线，光纤拉伸器等，当 环境变化较大时，光纤等效长度变化较大，从而引起传输信号的相位抖动 较大，由于上述器件的可调节范围较小，很难实现相位抖动的实时补偿。 本发明使用被动控制法，在信号发射端，将已带有相位抖动的信号和待传 输的信号进行混频实现信号预失真，预失真的信号经过同一链路的传输后 得到相位稳定的微波信号。目前，被动控制法通常需要多个混频器，电滤 波器和多个相位同步的微波源，系统复杂，成本较高。(F.Yin，A.Zhang， Y.Dai，T.Ren，K.Xu，J.Li，J.Lin，and G. Tang，“Phase-conjugation-based fast RF phase tabilization for fiber  delivery”Opt.Express vol.22，no.1，2014.)

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于光学相位共轭的微波信号长距离光 纤稳相传输装置，该装置只在发射端对信号进行处理，搭建及维护成本低； 减少了混频器的使用，对微波信号的预失真主要在光上进行，提高了系统 的带宽；只使用一个微波源，不需要进行同步。

本发明提供一种基于光学相位共轭的微波信号长距离光纤稳相传输 装置，包括：一发射端、一接收端和一单模光纤，所述发射端通过单模光 纤与接收端连接，其中：

所述的发送端包括：

一微波信号源；

一除频器，其输入端与微波信号源的输出端相连；

一第一相位共轭单元，其输入端与除频器的输出端相连；

一第一光电探测器，其输入端与第一相位共轭单元的输出端相连；

一功分器，其输入端与第一光电探测器的输出端相连；

一强度调制器，其射频输入端与功分器的输出端口1相连；

一光源，其输出端与强度调制器的光输入端相连；

一光环行器，其输入端口1与强度调制器的输出端相连；

一第一阵列波导光栅，其输入端口2与环形器的输出端口2相连；

一第二光电探测器，其输入端与光环行器的端口3相连；

一电混频器，其本振输入端与第二光电探测器的输出端相连，该电混 频器的中频输入端与功分器的输出端口2相连；

一带通滤波器，其输入端与电混频器的射频输出端相连；

一第二相位共轭单元，其输入端与带通滤波器的输出端相连，输出端 与第一阵列波导光栅输入端口1相连；

所述的接收端包括：

一第二阵列波导光栅，其输入端与单模光纤相连，该单模光纤的另一 端与第一阵列波导光栅的输出端相连；

一法拉第旋光镜，其输入端与第二阵列波导光栅的输出端口2相连；

一第三光电探测器，其输入端与第二阵列波导光栅的输出端口1相连。

本发明具有以下有益效果：该系统只在发射端对信号进行处理，搭建 及维护成本低；减少了混频器的使用，对微波信号的预失真主要在光上进 行，提高了系统的带宽；只使用一个微波源，不需要进行同步。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1是本发明中基于光学相位共轭的微波信号长距离光纤稳相传输装 置的结构示意图；

图2是本发明中光学相位共轭单元的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供了一种基于光学相位共轭的微波信号长 距离光纤稳相传输装置的结构示意图，该系统包括：一发送端A、一接收 端B和一单模光纤10，所述发送端A通过单模光纤10与接收端B连接， 其中：

所述的发送端A包括：

一微波信号源1，所述微波信号源1是矢量网络分析仪或微波信号源， 其用于产生本振微波信号，该信号为需要传输的信号；

一除频器2，其输入端与微波信号源1的输出端相连，用于将所述本 振微波信号的频率和初始相位变为原来的一半；

一第一相位共轭单元3，其输入端与除频器2的输出端相连，用于将 所述除频信号调制到光载波上，并利用光放大器的四波混频效应使得该除 频信号的相位变为相反，而频率不变，并滤除掉光载波信号的下边带以及 +2阶边带以上的调制边带，实现单边带调制；

一第一光电探测器4，其输入端与第一相位共轭单元3的输出端相连， 其用于将所述单边带调制的光载波信号和+1阶调制边带信号拍频，转化为 电信号，得到的微波信号与所述除频信号为相位共轭信号；

一功分器5，其输入端与第一光电探测器4的输出端相连，所述功分 器5的功率比为50∶50，用于将所述相位共轭的微波信号分为两路；

一强度调制器6，其射频输入端与功分器5的输出端口1相连，其中 所述的强度调制器6的材料为铌酸锂晶体、半导体聚合物或有机聚合物， 用于将所述相位共轭信号的一路调制到光载波上，以进行光纤传输；

一光源7，其输出端与强度调制器6的光输入端相连，用于产生连续 的光载波；

一光环行器8，其输入端口1与强度调制器6的输出端相连，其具有 非互易性，光在其中只能单向环行，1端口输入的所述的强度调制后的光 载波输出到2端口，传输到接收端，法拉第旋光镜12反射后返回到该光 环行器的端口2，并输出到输出端口3，返回的相位共轭信号经历了两倍 的相位扰动；

一第一阵列波导光栅9，其输入端口2与环形器8的输出端口2相连， 其具有波分复用的功能；

一第二光电探测器13，其输入端与光环行器8的3端口相连，其用于 将所述经单模光纤10传输并反射回的单边带调制的光载波信号和+1阶调 制边带信号进行拍频，将光信号转化为微波信号；

其中所述第一光电探测器4和第二光电探测器13是光电二极管或光 电倍增管；

一电混频器14，其本振输入端与第二光电探测器13的输出端相连， 中频输入端与功分器5的输出端口2相连，其用于将所述第一光电探测器 4输出的除频相位共轭信号与第二光电探测器13输出的经历两次光纤传 输的信号进行上混频，得到与微波信号源1输出信号频率相同的微波信号；

一带通滤波器15，其输入端与电混频器14的射频输出端相连，其作 用是只通过与所述微波信号源1输出信号频率相同的微波信号，其他频率 的信号都将被滤除；

一第二相位共轭单元16，其输入端与带通滤波器15的输出端相连， 输出端与第一阵列波导光栅9输入端口1相连，其用于将所述带通滤波器 15输出的微波信号调制到光载波上，并利用光放大器的四波混频效应使得 微波信号的相位变为相反，而频率不变，并滤除掉光载波信号的下边带以 及+2阶边带以上的调制边带，实现单边带调制；

所述第一相位共轭单元3和第二相位共轭单元16分别包括：

一马赫曾德尔调制器20，其射频输入端为相位共轭单元的输入端，所 述马赫曾德尔调制器20为铌酸锂晶体，其用于将微波信号调制到第一激 光器21提供的光载波上，产生边带；

一第一激光器21，其输出端与马赫曾德尔调制器20的光输入端相连， 用于提供光载波；

一第二激光器22，用于提供光载波；

其中所述第一激光器21与第二激光器22的中心波长不同。

一耦合器23，其输入端口1与马赫曾德尔调制器20的输出端相连， 输入端口2与第二激光器22的输出端相连，用于将两路光载波耦合输入 到半导体光放大器中；

一半导体光放大器24，其输入端与耦合器23的输出端相连，如上所 述载有微波信号的光载波和另一路光载波在半导体光放大器中发生四波 混频效应，不含微波信号的光载波也被调制上微波信号，频率不变，相位 变反；

一光滤波器25，其输入端与光放大器24的输出端相连，其输出端为 相位共轭单元的输出端，用于滤除光载波和一阶边带之外的信号，只留下 光载波和一阶边带。

所述的接收端B包括：

一第二阵列波导光栅11，其输入端与单模光纤10相连，其可用于解 波分复用，即通过单模光纤10传输的不同波长的光可以从不同端口输出；

一法拉第旋光镜12，输入端与第二阵列波导光栅11的输出端口2相 连，其用于将从发射端A传输过来的信号反射回发射端A；

一第三光电探测器17，其输入端与第二阵列波导光栅11的输出端口 1相连，用于将搭载在光载波上传输的无相位抖动的微波信号转换为电信 号，该信号和所述微波信号源1输出的信号频率相位均相同；

所述的光纤传输链路包括单模光纤10，其输入端与第一阵列波导光栅 9的输出端相连，输出端与第二阵列波导光栅11的输入端相连，用于传输 光载微波信号，长度为10公里。

假设发射端A微波信号源1输出的微波本振信号为其中 ω_RF为角频率，为初始相位，经除频器2后得到的除频信号为 第一相位共轭单元3将其相位取反，输出的信号为 该除频相位共轭信号调制到光载波上，经单模光纤进行 传输，并反射回来，经历了两倍的相位抖动，即延时为2τ，返回后的微波 信号可以表示为未经传输的除频信号和传输 后的除频信号经电混频器14进行上混频得到的微波信号为 第二相位共轭单元将该信号进行相位共轭，得到的信 号为该信号经过传输，经历一倍的时间抖动，在接收 端B第三光电探测器接到的信号为与发射端A发射的微波信 号初始相位相同，实现微波信号稳相传输。

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，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。