基于偏振调制器级联的8倍频光载毫米波产生方法和系统

摘要

本发明提出了一种基于偏振调制器级联的8倍频光载毫米波产生方法，其原理图如附图所示，利用偏振调制器与偏振片组合，可以实现对奇数阶边带的抑制，将两个偏振调制器串联，实现两次对奇数阶边带的抑制，同时，使加载在两个偏振调制器上的射频信号有π/2的相位差，并且控制偏振调制器的调制指数，使除了正负四阶边带以外的其他边带得到抑制，进而产生了八倍频光载毫米波信号。通过光电探测器的拍频作用，得到电域毫米波信号，其频率是射频本振的八倍。该方法不需要控制直流偏置，也无需光滤波器，所以产生的毫米波具有稳定性高、频谱纯度高、频率可调、并且可调范围广等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及光通信和毫米波通信领域，尤其涉及光载射频(RoF)系统中心 站的光载毫米波产生技术，提供一种结构简单、系统稳定，可以产生频率可调 谐的毫米波的方法。

背景技术

光载射频(Radio overFiber,ROF)技术是一种结合了光纤通信和微波通信 的新型通信技术。一方面，对于光纤通信来说，由于光纤的低损耗和高带宽特 性，光纤通信已经逐渐从核心网的应用发展到了接近用户的接入网。随着越来 越多的宽带多媒体业务的出现和普及，高速、大容量的光纤接入网已经成为光 通信领域的发展方向。另一方面，对于无线通信来说，由于方便、个人化和无 处不在的特性，无线接入技术已经成为全球通信网络发展的另一个重要方向。 而将这两者结合无疑是未来通信的发展方向，RoF技术也由此诞生了。

在ROF系统的众多关键技术中，高质量毫米波的产生更是提高光载无线通 信RoF系统性能和降低系统造价的关键技术，至今已有许多文献中提出了毫米 波的产生方案。随着微波光子技术的发展，利用微波光子学来产生高频、高稳 定度的毫米波具有显著优势。目前该领域的研究热点是如何获得高品质、高频 段的光生毫米波信号，包括高纯度毫米波信号的生成以及克服光纤色散效应的 毫米波信号传输。最近几年，学术界报道了多种方式的毫米波信号光学生成技 术，比如光外差法，外调制法，基于非线性效应四波混频效应法以及受激布里 渊散射法等。在所报道的产生毫米波信号的方法中，光外调制法因其具有系统 结构简单、操作稳定且频率可调谐的优点得到了广泛的应用。一些研究机构和 组织也都已经利用光外调制法设计出了各种各样的微波倍频系统，倍频系数为 二倍频、四倍频、六倍频、八倍频、十二倍频不等，使用的调制器也有强度调 制器、偏振调制器和相位调制器等。在这些外调制器当中，偏振调制器(PolM) 因其作为一个特殊的相位调制器可以实现相反相位调制指数的横电模和横磁 模，相对使用比较灵活，它在不同的驱动功率下，可以分别实现抑制载波、抑 制偶数阶谐波和抑制奇数阶谐波等优点，已越来越受到广泛的关注和应用。

目前，将PolM应用于RoF系统中的研究有以下几个方面的主要研究成果： 1、基于偏振调制器而获得倍频光电振荡器(OEO)，2、基于偏振调制器生成频 率梳状谱，3、基于偏振调制器的毫米波倍频产生，但这些倍频成果大都局限于 四倍频。

综上考虑，为了产生高频、高稳定度的毫米波，且要达到系统结构简单、 操作稳定和频率可调谐的目的，本专利提出了基于级联两个PolM的八倍频光载 毫米波产生方法。该方法所设计的系统结构简单而易用，由于使用的调制器是 PolM，所以不需直流偏置，从而没有偏置漂移带来的影响，系统稳定性高；另 外由于不需要传统外调制方法所需的光滤波器，这样产生毫米波的频率调谐速 率高，可调范围大，且传输性能良好。

发明内容

本发明提供一种基于两个偏振调制器级联的8倍频光载毫米波产生方法。

利用两个级联的PolM，实现两次对奇数阶边带的抑制，并且通过对射频驱 动信号和PolM调制指数的控制最终只保留了正负四阶边带，从而达到八倍频的 效果。

首先，由激光器发出的线偏振光通过一个偏振控制器PC注入到一个光偏振 调制器PolM，调节PC使线偏振光的偏振方向与PolM的两个主轴夹角成45度， 实现线偏振光在PolM的两个正交偏振态上的分量相等，PolM在频率为f_RF的射 频信号驱动下，两个正交偏振光分别产生了两个相反的相位调制，PolM输出的 光信号表达式如下：

$\left(\begin{array}{c}{E}_{ax}\\ E_{ay}\end{array}\right)=\frac{\sqrt{2}}{2}{E}_0\left(\begin{array}{c}\exp \left({\mathrm{j\omega }}_{o}t+{\mathrm{j\beta }}_1{\mathrm{cos\omega }}_{RF}t\right)\\ \exp \left({\mathrm{j\omega }}_{o}t-{\mathrm{j\beta }}_1{\mathrm{cos\omega }}_{RF}t\right)\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中E₀和ω₀＝2πf₀分别是输入的光载波的幅度和角频率，β₁是第一个PolM的调 制指数，ω_RF＝2πf_RF是射频驱动信号的角频率。公式(1)所示的两个正交偏振光 通过一个偏振片pol使两个正交偏振光合成为一个线偏振光，调节pol主轴与两 个正交偏振光的夹角为45度，则偏振片输出的线偏振光的表达式为

将公式(2)基于第一类Bessel函数进行展开，得

$\begin{array}{c}{E}_c=\frac{1}{2}{E}_0\exp \left({\mathrm{j\omega }}_{o}t\right)\left[\underset{n=-\infty }{\overset{+\infty }{\Sigma }}{j}^n{J}_n\left({\beta }_1\right)\exp \left({\mathrm{jn\omega }}_{RF}t\right)+\underset{n=-\infty }{\overset{+\infty }{\Sigma }}{j}^n{J}_n\left(-{\beta }_1\right)\exp \left({\mathrm{jn\omega }}_{RF}t\right)\right]\\ =\frac{1}{2}{E}_0\exp \left({\mathrm{j\omega }}_{o}t\right)\left\{\underset{n=-\infty }{\overset{+\infty }{\Sigma }}\left[1+{\left(-1\right)}^n\right]j^n{J}_n\left({\beta }_1\right)\exp \left({\mathrm{jn\omega }}_{RF}t\right)\right\}\end{array}---\left(3\right)$

其中，J_n(x)代表n阶第一类Bessel函数，从公式(3)可以看出，输出光信号 的奇数阶边带被抑制。然后，公式(3)所示的光信号入射到第二个PolM中， 其作用与第一个PolM相同，但是第二个PolM的射频驱动信号与第一个有π/2 的相移，之后，再经过第二个偏振片pol合成，第二个pol主轴同样与两个正交 偏振光的夹角为45度，则其输出可表示为

$\begin{array}{c}{E}_c=\frac{1}{4}{E}_0\exp \left({\mathrm{j\omega }}_{o}t\right)\left[\exp \left({\mathrm{j\beta }}_1{\mathrm{cos\omega }}_{RF}t\right)+\exp \left(-{\mathrm{j\beta }}_1{\mathrm{cos\omega }}_{RF}t\right)\right]\\ ·\left[\exp \left({\mathrm{j\beta }}_2{\mathrm{sin\omega }}_{RF}t\right)+\exp \left(-{\mathrm{j\beta }}_2{\mathrm{sin\omega }}_{RF}t\right)\right]\end{array}---\left(4\right)$

其中β₂是第二个PolM的调制指数。将公式(4)基于第一类Bessel函数进行展 开，得到

$\begin{array}{c}{E}_c=\frac{1}{4}{E}_0\exp \left({\mathrm{j\omega }}_{o}t\right)\left\{\underset{n=-\infty }{\overset{+\infty }{\Sigma }}\right[1+{(-1)}^n\left]j^n{J}_n\left({\beta }_1\right)\exp \left({\mathrm{jn\omega }}_{RF}t\right)\right\}\\ ·\left\{\underset{n=-\infty }{\overset{+\infty }{\Sigma }}\right[1+{(-1)}^m\left]J_m\left({\beta }_2\right)\exp \left({\mathrm{jm\omega }}_{RF}t\right)\right\}\end{array}---\left(5\right)$

由公式(5)可以看出，输出的光信号的奇数阶边带被抑制，只剩下载波和偶数 阶边带。当调制指数的值较小时，四阶及更高阶的Bessel函数可以忽略，所以， 我们将公式(5)展开如下

$\begin{array}{c}{E}_c=\frac{1}{4}{E}_0\exp \left({\mathrm{j\omega }}_{o}t\right)\left[2J_0\left({\beta }_1\right)-2J_2\left({\beta }_1\right)\exp \left(-2{\mathrm{j\omega }}_{RF}t\right)-2J_2\left({\beta }_1\right)\exp \left(-2{\mathrm{j\omega }}_{RF}t\right)\right]·\\ \left[2J_0\left({\beta }_2\right)+2J_2\left({\beta }_2\right)\exp \left(-2{\mathrm{j\omega }}_{RF}t\right)+2J_2\left({\beta }_2\right)\exp \left(2{\mathrm{j\omega }}_{RF}t\right)\right]\\ =E_0\exp \left({\mathrm{j\omega }}_{o}t\right)\{\left[J_0\left({\beta }_1\right)J_0\left({\beta }_2\right)-2J_2\left({\beta }_1\right)J_2\left({\beta }_2\right)\right]+\\ \left[J_0\left({\beta }_1\right)J_2\left({\beta }_2\right)-J_2\left({\beta }_1\right)J_0\left({\beta }_2\right)\right]\left[\exp \left(-2{\mathrm{j\omega }}_{RF}t\right)+\exp \left(2{\mathrm{j\omega }}_{RF}t\right)\right]+\\ \left[-J_2\left({\beta }_1\right)J_2\left({\beta }_2\right)\exp \left(-4{\mathrm{j\omega }}_{RF}t\right)\right]+\left[-J_2\left({\beta }_1\right)J_2\left({\beta }_2\right)\exp \left(4{\mathrm{j\omega }}_{RF}t\right)\right]\}\end{array}---\left(6\right)$

要使生成的光信号只含有正负四阶边带，我们需将公式(6)中的光载波和 正负二阶边带抑制掉，因此我们需要保证J₀(β₁)J₀(β₂)-2J₂(β₁)J₂(β₂)＝0,同时 J₀(β₁)J₂(β₂)-J₂(β₁)J₀(β₂)＝0,由此可以得到两个PolM的调制指数所满足的关系 是β₁＝β₂＝1.7。

满足上述条件时，生成的光载毫米波表达式为

$E_c=-E_0{J}_2^2\left(\beta \right)\left\{\exp \right[j({\omega }_0+4{\omega }_{RF})t]+\exp [j({\omega }_0-4{\omega }_{RF})t\left]\right\}---\left(7\right)$

由此可以看出，生成的光波中只剩下正负四阶边带；用光电探测器PD进行 探测，生成电域毫米波信号，其频率为射频驱动信号频率的八倍，其光电流表 达式为

I＝μ|E_c|²＝2J₂⁴(β)μE₀²[1+cos8ω_RFt]    (8)

本发明提供一种基于两个偏振调制器级联的8倍频光载毫米波产生系统。

系统包括：一个连续激光源CW、一个偏振控制器PC、一个射频源RF、一 个相移器PS、两个偏振调制器PolM、两个偏振片pol和一个光电探测器PD。 续激光源CW：产生所需要的频率为f₀的连续光波；偏振控制器PC：调节PC 使输入的线偏振光的偏振方向与PolM两个主轴成45度夹角，从而使线偏振光 在PolM的两个正交偏振态上的分量相等；射频源RF：用作PolM的射频驱动源， 其频率为f_RF，则产生的八倍频电域毫米波信号的频率即为8f_RF；相移器PS：为 调制在两个PolM上的射频信号提供一个π/2的相移，从而使两次调制产生的光 载波和正负二阶边带具有相反的幅度，产生相消叠加的作用，在调制深度为1.7 时，光载波和正负二阶边带相消叠加之后的幅度为0，进而抑制掉这些边带；偏 振调制器PolM：在频率为f_RF的射频信号驱动下，为输入到调制器的两个正交 偏振光提供两个相反的相位调制；偏振片pol：将输入的两个正交偏振光合成为 一个线偏振光，其合成的线偏振光的大小由偏振片主轴与两个正交偏振光之间 夹角决定，在本发明中，这个夹角设置为45度，则合成的线偏振光为两个正交 偏振光的等副相干叠加；光电探测器PD：用于实现频率间隔为8f_RF的两个光边 带的拍频，转化为频率为8f_RF的毫米波电信号。

与其他倍频的方法和系统相比，本发明提供的倍频产生方法和系统的优点 在于：所用的调制器为偏振调制器，不需要控制其直流偏置，所以不会因为偏 置漂移而造成影响，产生的八倍频光载毫米波信号稳定性高；同时这种产生光 载毫米波的方法的控制方式很简单，仅需要在两个射频驱动信号之间加上一个 相移器来提供π/2的相移，同时调节PolM的调制指数就能够达到抑制多余边带 的目的。考虑到该方法不需要光滤波器，所以产生的八倍频光载毫米波信号频 率可调且可调范围广。

附图说明

图1所示为系统链路图

图2所示为八倍频光载毫米波信号光谱图

图3经过光电探测器得到的光电流的射频频谱图

图4经过光电探测器得到的光电流的波形图

具体实施方式

首先，如图1所示，频率为f₀＝193.1THz、线宽为500MHz的连续激光器发 出的线偏振光注入PC，调整PC使线偏振光偏振方向与PolM两个主轴成45度 夹角，实现线偏振光在PolM的两个正交偏振态上的分量相等，PolM由10GHz 射频本地振荡器驱动，并且设置调制指数为1.7。从第一PolM输出的两个正交 偏振光经过一个pol合称为一个线偏振光，调节pol主轴与两个正交偏振光成45 度角，则合成的线偏振光为两个正交偏振光的等副相干叠加，从而抑制奇数阶 边带，只剩下光载波和偶数阶边带。pol输出的光波被注入到第二PolM，其射 频驱动源是与第一个相同的10GHz本地振荡器，但是与第一个射频信号有π/2 的相移，这个相移由相移器提供，第二个PolM的调制指数也设为1.7。从第二 个PolM输出的两个正交偏振光被另一个pol结合为线偏振光，第二个pol主轴 方向仍然与两个正交偏振光成45度角，从而产生了正负四阶边带并消除了光载 波和正负二阶边带，生成的光谱图如图2所示，可以看出生成的光谱主要包含 两个正负四阶边带。在经过PD进行探测后，两个四阶边带拍频将产生八倍频毫 米波，由于射频本振为10GHz，所以将产生80GHz的电域毫米波信号，生成的 电域毫米波信号的射频频谱如图3所示，可以看出射频频谱除包含80GHz毫米 波信号外，还包含40GHz和120GHz的毫米波信号，其原因是在生成的光谱中 还残留少部分的光载波和正负八阶边带没有被完全抑制掉，只不过在光谱图图2 中残留的少部分光载波和正负八阶边带被相位噪声淹没了，所以观察不到，由 于相位噪声具有很好的相干性，所以在拍频之后会相互抵消，则在生成的射频 频谱中出现了40GHz和120GHz的射频信号，但是生成的40GHz和120GHz的 射频信号的幅度很小，对80GHz毫米波信号造成的影响也很小，这一点由图4 所示的光电流的波形图也可以看出。由于本系统中不存在光滤波器，所以产生 的毫米波信号频率可调，通过调节射频本振的频率，即可改变产生的电域毫米 波信号的频率，其频率可调范围很广。

综上所述，本发明利用两个PolM级联的方式产生八倍频毫米波，并通过拍 频产生了80GHz的电域毫米波。该方法不需要光滤波器，且结构简单，产生的 毫米波具有稳定性高、频谱纯度高、频率可调、并且可调范围广的优点。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到 变化或替换，此外，毫米波的频率范围也不限于80GHz，这些等同变形和替换 以及频率范围的调整也应视为为本发明的保护范围。