一种高阶光载波抑制单边带信号生成单元及实现方法

摘要

一种高阶光载波抑制单边带信号生成单元及实现方法，单元包括激光器、分路器、电源控制单元、上行DPMZM调制器XM、下行DPMZM调制器YM、第一可调电移相器、第二可调电移相器、第三可调电移相器、光移相器、第一光耦合器、第二光耦合器和MZI；通过本发明给出的工作状态参数和方法，由单电源统一进行直流偏置点控制，使得并行排列的DPMZM工作在不同的调制状态，并辅以外部施加的可调谐电移相器、MZI及激励信号统一幅度控制，按需生成一次阶、二次阶和三次阶光载波抑制的单边带信号，且其边带抑制比优于30dB。当用于基于循环频移环路的光频梳生成时，其最大频率跨度可达调制器带宽的三倍。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高阶光载波抑制单边带信号生成单元及实现方法，属于微波光子技术领域。

背景技术

随着现代通信系统高速大容量的需求发展，多载波信号生成单元成为不可或缺的一部分。目前电子技术生成的高频率本振信号主要通过倍频方式产生，受电子器件本身的限制，不能生成频率间隔为50GHz甚至更高的多载频信号。微波光子技术可实现宽频率间隔多载频信号生成，作为新型技术逐渐引起研究人员的关注。

在微波光子多载频技术中，载频数量多、载频频率间隔大、载频频率覆盖范围宽的多载频成为满足现代通信系统高速大容量需求的关键，例如微波光子一体化通信系统需要提供频率间隔达50GHz以上的数十个载频信号，广泛应用的100Gbps WDM系统等大容量高速通信系统提出了100GHz频率间隔的多载频信号要求，当前研究的OFDM技术则为了提高空间分辨率提出了更高的扫频跨度要求。

在光载波抑制单边带信号生成的基础上，采用循环频移环的多载频生成方案可生成大量载频信号(可达数十个)，但是当前通用方法生成的多载频信号频率间隔与激励微波本振信号频率相当。如何进一步生成大频率间隔(2倍甚至3倍于激励微波本振信号频率)的多载频信号，满足大频率间隔、宽载频频率覆盖范围是需要解决的关键问题，而高阶光载波抑制单边带信号生成方法则是其中的重中之重，必须进行深入的研究分析，在光域实现微波激励信号的二次或者三次谐波能量最大，其它各次谐波信号及光载波信号得到有效抑制，从而满足多载频信号生成中大梳齿间隔需求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对具有高速大容量、多信号处理功能的现代通信系统对大频率间隔多载频信号发展需求，给出一种高阶光载波抑制单边带信号生成单元及实现方法，在同一结构上，实现高边带抑制比的、阶数可选的高阶光载波抑制单边带信号生成，解决通信系统大容量、多信号灵活处理需求。

本发明的技术解决方案是：一种阶数可选的高阶光载波抑制单边带信号生成单元，包括激光器、分路器、电源控制单元、上行DPMZM调制器XM、下行DPMZM调制器YM、第一可调电移相器、第二可调电移相器、第三可调电移相器、光移相器、第一光耦合器、第二光耦合器和MZI；激光器经第一光耦合器后分为两路分别与上行DPMZM调制器XM和下行DPMZM调制器YM的输入端口相连接，上行DPMZM调制器XM输出口与光移相器的输入端口相连，下行DPMZM调制器YM的输出口与第二光耦合器的一个输入端口相连，光移相器的输出端口与第二光耦合器的另一个输入端口相连，第二光耦合器的输出端口与MZI的输入端口相连，MZI的输出端口与光谱仪相连。

所述上行DPMZM调制器XM包括两个子调制器MZM1与MZM2；所述下行DPMZM调制器YM包括两个子调制器MZM3与MZM4；所述MZM1、MZM2、MZM3和MZM4分别利用单MZM电光调制效应对输入的射频电信号进行电光调制；信号源输出的激励信号经分路器后分为四路，一路与第一可调电移相器的输入端口相连，一路与第二可调电移相器的输入端口相连，一路与MZM3的射频端口相连，一路与第三可调电移相器的输入端口相连；第一可调电移相器的输出端口与MZM1的射频端口相连，第二可调电移相器的输出端口与MZM2的射频端口相连，第三可调电移相器的输出端口与MZM4的射频端口相连。

所述第一可调电移相器设置为90度，第二可调电移相器设置为-90度，第三可调电移相器设置为180度，上行DPMZM调制器XM的子调制器MZM1与MZM2工作在最小偏置点，下行DPMZM调制器YM的子调制器MZM1与MZM2工作在最小偏置点，则输出为一阶光载波抑制的单边带光信号。

所述第一可调电移相器设置为45度，第二可调电移相器设置为-45度，第三可调电移相器设置为90度，上行DPMZM调制器XM的子调制器MZM1与MZM2工作在最大偏置点，下行DPMZM调制器YM的子调制器MZM1与MZM2工作在最大偏置点，则输出为二阶光载波抑制的单边带光信号。

所述第一可调电移相器设置为30度，第二可调电移相器设置为-30度，第三可调电移相器设置为60度，上行DPMZM调制器XM的子调制器MZM1与MZM2工作在最小偏置点，下行DPMZM调制器YM的子调制器MZM1与MZM2工作在最小偏置点，则输出为三阶光载波抑制的单边带光信号。

一种利用上述阶数可选的高阶光载波抑制单边带信号生成单元生成一阶光载波抑制的单边带光信号的方法，将第一可调电移相器设置为90度，第二可调电移相器设置为-90度，第三可调电移相器设置为180度，当上行DPMZM调制器XM的子调制器MZM1与MZM2的直流偏置电压为其半波电压，且下行DPMZM调制器YM的子调制器MZM1与MZM2的直流偏置电压为其半波电压时，XM和YM均工作在最小传输点，XM输出仅包含奇数阶的光信号，且正边带和负边带相应阶数的信号幅值相同；YM输出仅包含奇数阶的光信号，且正边带和负边带相应阶数的信号幅值相反；XM和YM输出光信号之间相位相差90度；XM输出光信号经光移相器提供的90度移相后，与YM输出光信号耦合，经设置为0的MZI延迟干涉后，则输出一阶光载波抑制的单边带光信号。

一种利用上述阶数可选的高阶光载波抑制单边带信号生成单元生成二阶光载波抑制的单边带光信号的方法，将第一可调电移相器设置为45度，第二可调电移相器设置为-45度，第三可调电移相器设置为90度，当上行DPMZM调制器XM的子调制器MZM1与MZM2的直流偏置电压为最大传输点电压，下行DPMZM调制器YM的子调制器MZM1与MZM2的直流偏置电压为为最大传输点电压时，XM和YM均工作在最大传输点，XM输出仅包含偶数阶的光信号，且正边带和负边带相应阶数的信号幅值相反；YM输出仅包含偶数阶的光信号，且正边带和负边带相应阶数的信号幅值相同；XM和YM输出光信号之间相位相差90度；XM输出光信号经光移相器提供的90度移相后，与YM输出光信号耦合，经设置为0的MZI延迟干涉后，输出二阶光载波抑制的单边带光信号。

一种利用上述阶数可选的高阶光载波抑制单边带信号生成单元生成三阶光载波抑制的单边带光信号的方法，将第一可调电移相器设置为30度，第二可调电移相器设置为-30度，第三可调电移相器设置为60度，当上行DPMZM调制器XM的子调制器MZM1与MZM2的直流偏置电压为其半波电压，下行DPMZM调制器YM的子调制器MZM1与MZM2的直流偏置电压为其半波电压时，XM和YM均工作在最小传输点，XM输出仅包含奇数阶的光信号，且正边带和负边带相应阶数的信号幅值相同；YM输出仅包含奇数阶的光信号，且正边带和负边带相应阶数的信号幅值相反；XM和YM输出光信号之间相位相差90度；XM输出光信号经光移相器提供的90度移相后，与YM输出光信号耦合，经设置为10ps的MZI延迟干涉后进一步抑制高阶边带信号，输出三阶光载波抑制的单边带光信号。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明的一种阶数可选的高阶光载波抑制单边带信号实现方法，针对并行排列DPMZM调制器结构，提出一种阶数可选的高阶光载波抑制单边带信号生成方法。通过单电源统一进行直流偏置点控制，使得并行排列的DPMZM工作在不同的调制状态，同时结合可调谐电移相器、MZI及激励信号统一幅度控制，按需生成一次阶、二次阶和三次阶光载波抑制的单边带信号，且其边带抑制比优于30dB。当用于循环频移环路时，其最大频率跨度可达调制器带宽的三倍。使其实现方法简便，灵活性强，具有通用性和可推广性。

附图说明

图1为本发明的整体方案示意图；

图2为本发明的一阶光载波抑制的单边带信号输出光谱图；

图2(a)为生成的负一阶光载波抑制单边带信号输出光谱图；

图2(b)为生成的正一阶光载波抑制单边带信号输出光谱图；

图3为本发明的二阶光载波抑制的单边带信号输出光谱图；

图3(a)为生成的负二阶光载波抑制单边带信号输出光谱图；

图3(b)为生成的正二阶光载波抑制单边带信号输出光谱图；

图4为本发明的三阶光载波抑制的单边带信号输出光谱图；

图4(a)为生成的负三阶光载波抑制单边带信号输出光谱图；

图4(b)为生成的正三阶光载波抑制单边带信号输出光谱图；

具体实施方式

本发明主要技术内容是提出一种阶数可选的高阶光载波抑制单边带信号实现方法。在采用并行排列DPMZM调制器结构的基础上，通过电移相、光移相、DPMZM偏置点控制相结合的方式，产生具有高边带抑制比特性、阶数可选的高阶光载波抑制单边带信号。按需所生成的一次阶、二次阶和三次阶光载波抑制的单边带信号的边带抑制比均优于30dB。当用于循环频移环路生成光频梳时，其最大频率跨度可达调制器带宽的三倍。

具体实施方式一是阶数可选的高阶光载波抑制单边带信号生成方法，如图1所示。主要由激光器、分路器、电源控制单元、并行排列DPMZM调制器(XM和YM)、可调电移相器1、可调电移相器2、可调电移相器3、光移相器、光耦合器1、光耦合器2和MZI组成。其中，所述激光器经光耦合器1后分为两路分别与上行XM和YM的输入端口相连接，所述上行DPMZM(即XM)包括两个子调制器(MZM1与MZM2)和主调制器，所述下行DPMZM(即YM)包括两个子调制器(MZM3与MZM4)和主调制器；所述MZM1、MZM2、MZM3和MZM4分别利用单MZM电光调制效应对输入的射频电信号进行电光调制；所述主调制器控制DPMZM中的两个子调制器输出的光信号相加或相减后，由DPMZM光输出端口输出。激光器与XM和YM的输入端口相连接，XM输出口与光移相器的输入端口相连，YM的输出口与光耦合器2的一个输入端口相连，光移相器的输出端口与光耦合器2的另一个输入端口相连，光耦合器2的输出端口与MZI的输入端口相连，MZI的输出端口与光谱仪相连。信号源输出的激励信号经分路器后分为四路，一路与可调电移相器1的输入端口相连，可调电移相器1的输出端口与MZM1的射频端口相连；一路与可调电移相器2的输入端口相连，可调电移相器2的输出端口与MZM2的射频端口相连；一路与MZM3的射频端口相连；一路与可调电移相器3的输入端口相连，可调电移相器3的输出端口与MZM4的射频端口相连。电源控制单元用来控制所有子调制器按需统一工作在最大点或者最小点。

一种阶数可选的高阶光载波抑制单边带信号生成方法包括以下三点：

以并行排列的DPMZM为基本结构且XM和YM主调制器保持在最小工作点，通过电源控制单元使所有子调制器按需统一工作在最大点或者最小点，获得相应的偶数阶或奇数阶光调制信号。

通过灵活的电移相器参数控制，结合激励信号统一幅度控制和MZI参数调整，在光域使得微波激励信号的基波、二次或者三次谐波能量最大，其它各次谐波信号及光载波信号得到有效抑制。

当光移相器相移为90度时，可按需生成-1阶、-2阶和-3阶光载波抑制的单边带信号。当光移相器相移为-90度时，可按需生成+1阶、+2阶和+3阶光载波抑制的单边带信号。

具体实施方式二是高边带抑制比的一阶光载波抑制单边带信号生成，如图1所示。具体步骤为：

步骤一：根据图1，激光器输出的连续光信号经光耦和器1分成两路送至并行排列的DPMZM(即XM和YM)的光输入端口，信号源输出的激励信号经分路器后分为四路，分别加载至XM和YM的子调制器MZM1、MZM2、MZM3和MZM4的四个射频输入端口。加载至MZM1上下臂驱动电极上的射频信号相位差为90度，该相位差由90度可调电移相器1实现。加载至MZM2上下臂驱动电极上的射频信号相位差为-90度，该相位差由-90度可调电移相器2实现。加载至MZM4上下臂驱动电极上的射频信号相位差为180度，该相位差由180度可调电移相器3实现。通过调整电源控制单元输出电压，使得MZM1、MZM2、MZM3和MZM4工作在最小偏置点，即MZM1、MZM2、MZM3和MZM4的直流偏置相位为π。将XM调制输出光信号通过光移相器移相90度，与YM调制输出光信号一起送至光耦合器2及MZI，MZI的延迟时间为0，由MZI输出光载波抑制的一阶单边带信号。

步骤二：根据图1，信号源发出频率为ω的激励信号经分路器分成四路后，分别送至XM和YM，XM和YM的主调制器均工作在最小点。激励信号的表达式为V_RF(t)＝Vsinωt。激光器输出的连续光信号的光场为E_in(t)＝E₀exp(jω_ct)。可调电移相器1设置为90度，可调电移相器2设置为-90度，可调电移相器3设置为180度，电源控制单元输出数值为调制器半波电压的电压同时加载至MZM1、MZM2、MZM3、MZM4上，即XM和YM的四个子调制器均工作在最小传输点，光移相器设置为90度。这样，MZM1、MZM2、MZM3、MZM4、XM和YM输出调制光信号的光场表达式为：

XM输出光信号经光移相器提供的90度移相后，与YM输出光信号一起送至光耦合器2合成一路，经光耦合器2后输出的光信号表达式为：

XM输出光信号经光移相器提供的-90度移相后，与YM输出光信号一起送至光耦合器2合成一路，则光耦合器2输出光信号表达式为：

式中，为MZM的调制系数，J_n()表示一类n阶贝塞尔函数。从式(1)至式(3)可以看出，输出光信号中所有的偶数阶信号都得以消除，且当m<1时，三阶信号得以大大抑制。输出光信号为一阶光载波抑制的单边带光信号。

当输入微波信号频率为10GHz，调制器的消光比为30dB时，按照本发明所示得到的一阶光载波抑制的单边带信号输出光谱如图2所示。其中图2(a)为生成的负一阶光载波抑制单边带信号输出光谱，图2(b)为生成的正一阶光载波抑制单边带信号输出光谱。从图2可以看出，采用本发明所生成的光信号中只包括一阶光信号和三阶光信号，信号之间的功率差为约36dB(即SMSR≈36dB)，因此该发明有效的生成了具有高抑制比的一阶单边带信号，且该信号的边带抑制比约为36dB。

具体实施方式三是高边带抑制比的二阶光载波抑制单边带信号生成，如图1所示。具体步骤为：

步骤一：根据图1，激光器输出的连续光信号经光耦合器1分成两路送至并行排列的DPMZM(即XM和YM)的光输入端口，信号源输出的激励信号经分路器后分为四路，分别加载至XM和YM的子调制器MZM1、MZM2、MZM3和MZM4的四个射频输入端口。加载至MZM1上下臂驱动电极上的射频信号相位差为45度，该相位差由45度可调电移相器1实现。加载至MZM2上下臂驱动电极上的射频信号相位差为-45度，该相位差由-45度可调电移相器2实现。加载至MZM4上下臂驱动电极上的射频信号相位差为90度，该相位差由由90度可调电移相器3实现。通过调整电源控制单元输出电压，使得MZM1、MZM2、MZM3和MZM4工作在最大偏置点，即MZM1、MZM2、MZM3和MZM4的直流偏置相位为0。将XM调制输出光信号通过光移相移相90度，与YM调制输出光信号一起送至光耦合器2及MZI，MZI的延迟时间为0，由MZI输出光载波抑制的二阶单边带信号。

步骤二：根据图1，信号源发出频率为ω的激励信号经分路器分成四路后，分别送至XM和YM，XM和YM的主调制器均工作在最小点。激励信号的表达式为V_RF(t)＝Vsinωt。激光器输出的连续光信号的光场为E_in(t)＝E₀exp(jω_ct)。可调电移相器1设置为45度，可调电移相器2设置为-45度，可调电移相器3设置为90度，电源控制单元输出数值为调制器最大偏置点的电压同时加载至MZM1、MZM2、MZM3、MZM4上，即XM和YM的四个子调制器均工作在最大传输点，光移相器设置为90度。这样，MZM1、MZM2、MZM3、MZM4、XM和YM输出调制光信号的光场表达式为：

令J₁(m₁)J₁(m₂)＝J₂(m)，XM输出光信号经90度移相后，与YM输出光信号一起送至光耦合器2合成一路，经光耦合器2后输出的光信号表达式为：

从式(4)和式(5)可以看出，输出光信号中所有的奇数阶信号和光载波信号都得以消除，此时输出光信号为-2阶抑制光载波的单边带光信号。同理，当光移相器1设置为-90度时，XM输出光信号经-90度光移相后与YM输出光信号经光耦合器2耦合输出后，可得到+2阶抑制光载波的单边带信号。

当输入微波信号频率为10GHz，调制器的消光比为30dB，调制器调制系数为3.05时，按照本发明所示得到的二阶光载波抑制的单边带信号输出光谱如图3所示。其中图3(a)为生成的负二阶光载波抑制单边带信号输出光谱，图3(b)为生成的正二阶光载波抑制单边带信号输出光谱。从图3可以看出，采用本发明所生成的光信号中影响最大的为+6阶信号，其中对+6阶信号抑制比接近33dB(即SMSR≈33dB)，因此该发明有效的生成了具有高抑制比的二阶单边带信号，且该信号的边带抑制比接近33dB。

具体实施方式三是高边带抑制比的三阶光载波抑制单边带信号生成，如图1所示。具体步骤为：

步骤一：根据图1，激光器输出的连续光信号经光耦合器1分成两路送至并行排列的DPMZM(即XM和YM)的光输入端口，信号源输出的激励信号经分路器后分为四路，分别加载至XM和YM的子调制器MZM1、MZM2、MZM3和MZM4的四个射频输入端口。加载至MZM1上下臂驱动电极上的射频信号相位差为30度，该相位差由30度电移相器1实现。加载至MZM2上下臂驱动电极上的射频信号相位差为-30度，该相位差由-30度电移相器2实现。加载至MZM4上下臂驱动电极上的射频信号相位差为60度，该相位差由60度电移相器3实现。通过调整电源控制单元输出电压，使得MZM1、MZM2、MZM3和MZM4工作在最小偏置点，即MZM1、MZM2、MZM3和MZM4的直流偏置相位为π。将XM调制输出光信号通过光移相1移相90度，与YM调制输出光信号一起送至光耦合器2和MZI，MZI的延迟时间满足nωτ＝π,其中n表示要抑制的信号阶数，τ表示延迟时间，在该发明中需要通过设置合适的τ消除五阶边带，随后由MZI输出光载波抑制的三阶单边带信号。

步骤二：根据图1，信号源发出频率为ω的激励信号经分路器分成四路后，分别送至XM和YM，XM和YM的主调制器均工作在最小点。激励信号的表达式为V_RF(t)＝Vsinωt。激光器输出的连续光信号的光场为E_in(t)＝E₀exp(jω_ct)。可调电移相器1设置为30度，可调电移相器2设置为-30度，可调电移相器3设置为60度，电源控制单元输出数值为调制器最大偏置点的电压同时加载至MZM1、MZM2、MZM3、MZM4上，即XM和YM的四个子调制器均工作在最小传输点，光移相器1设置为90度。这样，

MZM1、MZM2、MZM3、MZM4、XM和YM输出调制光信号的光场表达式为：

式中，m＝2m₃，XM输出光信号经90度移相后，与YM输出光信号一起送至光耦合器2合成一路，通过调整激励信号幅度，可以获得-3阶抑制光载波的单边带光信号。同理，当光移相器1设置为-90度时，XM输出光信号经-90度光移相后与YM输出光信号经光耦合器2耦合输出后，可得到+3阶抑制光载波的单边带信号。

当输入微波信号频率为10GHz，调制器消光比为30dB，调制器调制系数为3.05，MZI光延迟时间为10ps时，按照本发明所示得到的三阶光载波抑制的单边带信号输出光谱如图4所示。其中图4(a)为生成的负三阶光载波抑制单边带信号输出光谱，图4(b)为生成的正三阶光载波抑制单边带信号输出光谱。从图4可以看出，采用本发明所生成的光信号中生成的光信号中影响最大的为2阶信号，其抑制比为29.5dB(即SMSR＝29.5dB)，因此该发明有效的生成了具有三阶光载波抑制的单边带信号，且该信号的边带抑制比接近30dB。