專利名稱：一種基于光纖環形諧振腔的毫米波發生裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及毫米波光纖通信和毫米波光學生成領域，尤其涉及一種基于光纖環形 諧振腔的毫米波發生裝置及其方法。
背景技術：
Radio over fiber (ROF)是一種無線通信與光通信相結合的通信技術，信號通 過副載波復用技術加載到光載波上，通過光纖鏈路將無線信號從中心站分配到各個基站 (BS)，再將基站信號傳輸回中心站(CS)。隨著人們對數據傳輸速率越來越高的要求，無線信 號的帶寬已經擴展到毫米波波段，尤其是60GHz頻段。由于電子瓶頸的限制，在電域中產生 和處理毫米波信號存在一系列的弊端，比如高損耗，額外的相位噪聲，昂貴的高增益放大器 等。光域上處理毫米波信號具有時間帶寬積高，線路與設備之間的串擾小，相位噪聲低，抗 電磁干擾等優點，而且能與ROF鏈路系統天然匹配，降低系統的成本。寬帶、大功率的光電 探測器的出現使得光子方法產生毫米波信號成為可能，并且 能夠替代傳統的電子RF信號 發生器。迄今為止，國際上光子學產生毫米波信號基本上可以分為3類。分別是(1)對兩 個相位鎖定的激光源進行拍頻，實現方法包括光注入鎖定和光相位鎖定。這種方法必需窄 線寬的激光源，系統成本太高。(2)利用光纖或者光半導體放大器的四波混頻作用，對參考 微波信號進行上變頻，這種方法的缺點在于四波混頻作用的閾值很高，外界環境的變化容 易造成系統不穩定。(3)利用光外調制器實現對參考微波信號的倍頻以及四倍頻，這種技 術在如今的ROF系統中被廣泛采用，但這種技術的缺點在于系統需要大功率的參考微波信 號，產生毫米波信號的效率較低，引入了額外的微波放大器以及由此造成的多余噪聲。
發明內容
本發明的目的是克服現有光子學產生毫米波信號方法的不足，提供一種基于光纖 環形諧振腔的穩定高效的毫米波發生裝置及其方法。基于光纖環形諧振腔的毫米波發生裝置包括半導體光放大器、1X2保偏光纖光 耦合器、馬赫曾德爾強度調制器、微波源、直流穩壓電源、三端口保偏光環形器、保偏光纖光 柵、保偏光延遲線、波長可調光梳狀濾波器、高速光電探測器；半導體光放大器與1X2保偏 光耦合器相連，1X2保偏光耦合器的其中一輸出端與馬赫曾德爾強度調制器、三端口保偏 光環形器的第一端口依次相連，三端口保偏光環形器的第二端口與保偏光纖光柵相連，第 三端口與保偏光延遲線、半導體光放大器依次相連，構成一個光纖環形諧振腔，由1X2保 偏光耦合器的另一輸出端得到的光纖環形諧振腔輸出，經波長可調光梳妝濾波器與高速光 電探測器相連，馬赫曾德爾強度調制器在頻率為fm的微波源調制的情況下，通過控制馬赫 曾德爾強度調制器的直流偏置電壓以及微調保偏光延遲線長度，在高速光電探測器的射頻 輸出端得到頻率為4fm的毫米波信號。基于光纖環形諧振腔的毫米波發生方法是在由半導體光放大器、1X2保偏光耦合器、馬赫曾德爾強度調制器、三端口保偏光環形器、保偏光纖光柵和保偏光延遲線構成的 光纖環形諧振腔中，提供光信號增益的半導體光放大器的輸出光通過1X2保偏光耦合器 的一輸出口進入馬赫曾德爾強度調制器，經頻率為fm的微波源調制的光從馬赫曾德爾強度 調制器的輸出口輸出，通過由三端口保偏光環形器和保偏光纖光柵構成的光帶通濾波器之 后到達保偏光延遲線，經過保偏光延遲線延遲的光重新進入半導體光放大器，由1X2保偏 光耦合器的另一輸出端得到的光纖環形諧振腔輸出，經波長可調光梳妝濾波器進入高速光 電探測器；當馬赫曾德爾強度調制器受到頻率為fm的微波源調制時，調節保偏光延遲線的 長度，使得頻率4 = (k+l/2)f。，其中k是整數，光纖環形諧振腔的腔頻f。= nc/L，n是光纖 環形諧振腔的有效折射率，L是光纖環形諧振腔的腔長，光纖環形諧振腔工作于二次有理數 諧波鎖模狀態，1 X 2保偏光耦合器的輸出端口得到重復頻率為2fm的光脈沖序列，調節直流 偏置電壓，使馬赫曾德爾強度調制器工作在最大透射點，重復頻率為2fm的光脈沖序列的能 量最大，幅度最均衡，重復頻率為2fm的光脈沖序列中的間隔為4fm的光譜通過波長可調光 梳狀濾波器到達高速光電探測器，高速光電探測器對光信號進行光電轉化，發生頻率為4fm 的毫米波信號。與當今最普遍的基于光外調制器產生毫米波信號的方法相比，得益于光纖環形諧 振腔的 鎖模作用，本發明提高了四倍頻效率，所需的微波參考信號的功率較低，降低了系統 的成本。本發明結構緊湊，工作穩定性高，與毫米波光纖通信系統兼容性好，具有廣闊的應 用前景。
圖1是基于光纖環形諧振腔的毫米波發生裝置的結構示意圖；圖2是光脈沖在光纖環形諧振腔輸出口的頻譜示意圖；圖3是波長可調梳妝濾波器的傳輸曲線圖；圖中實線箭頭表示透過的光邊帶，虛線箭頭表示被濾波器濾除的光頻；圖4是光脈沖經過濾波器之后的頻譜示意圖；圖5是產生的毫米波信號的頻譜示意圖；圖中半導體光放大器1、1X2保偏光纖光耦合器2、馬赫曾德爾強度調制器3、微 波源4、直流穩壓電源5、三端口保偏光環形器6、保偏光纖光柵7、保偏光延遲線8、波長可調 光梳狀濾波器9、高速光電探測器10。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明作進一步描述如附圖1所示，基于光纖環形諧振腔的毫米波發生裝置包括半導體光放大器1、 1X2保偏光纖光耦合器2、馬赫曾德爾強度調制器3、微波源4、直流穩壓電源5、三端口保 偏光環形器6、保偏光纖光柵7、保偏光延遲線8、波長可調光梳狀濾波器9、高速光電探測器 10 ；半導體光放大器1與1X2保偏光耦合器2相連，1X2保偏光耦合器2的其中一輸出端 與馬赫曾德爾強度調制器3、三端口保偏光環形器6的第一端口依次相連，三端口保偏光環 形器6的第二端口與保偏光纖光柵7相連，第三端口與保偏光延遲線8、半導體光放大器1 依次相連，構成一個光纖環形諧振腔，由1 X2保偏光耦合器2的另一輸出端得到的光纖環形諧振腔輸出，經波長可調光梳妝濾波器9與高速光電探測器10相連，馬赫曾德爾強度調制器3在頻率為fm的微波源4調制的情況下，通過控制馬赫曾德爾強度調制器3的直流偏 置電壓以及微調保偏光延遲線6長度，在高速光電探測器10的射頻輸出端得到頻率為4fm 的毫米波信號。基于光纖環形諧振腔的毫米波發生方法是在由半導體光放大器1、1X2保偏光 耦合器2、馬赫曾德爾強度調制器3、三端口保偏光環形器6、保偏光纖光柵7和保偏光延遲 線8構成的光纖環形諧振腔中，提供光信號增益的半導體光放大器1的輸出光通過1 X 2保 偏光耦合器2的一輸出口進入馬赫曾德爾強度調制器3，經頻率為fm的微波源4調制的光 從馬赫曾德爾強度調制器3的輸出口輸出，通過由三端口保偏光環形器6和保偏光纖光柵 7構成的光帶通濾波器之后到達保偏光延遲線8，經過保偏光延遲線8延遲的光重新進入半 導體光放大器1，由1X2保偏光耦合器2的另一輸出端得到的光纖環形諧振腔輸出，經波 長可調光梳妝濾波器9進入高速光電探測器10 ；當馬赫曾德爾強度調制器3受到頻率為fm 的微波源4調制時，調節保偏光延遲線8的長度，使得頻率fm = (k+l/2)f。，其中k是整數， 光纖環形諧振腔的腔頻f。= nc/L, η是光纖環形諧振腔的有效折射率，L是光纖環形諧振 腔的腔長，光纖環形諧振腔工作于二次有理數諧波鎖模狀態，1X2保偏光耦合器2的輸出 端口得到重復頻率為2fm的光脈沖序列，調節直流偏置電壓，使馬赫曾德爾強度調制器3工 作在最大透射點，重復頻率為2fm的光脈沖序列的能量最大，幅度最均衡，重復頻率為2fm的 光脈沖序列中的間隔為4fm的光譜通過波長可調光梳狀濾波器9到達高速光電探測器10， 高速光電探測器10對光信號進行光電轉化，發生頻率為4fm的毫米波信號。本發明的工作原理如下1、調制器的射頻端口不加微波源信號時，光纖環行諧振腔工作于單波長激光輸出 的狀態，中心波長即為光纖光柵的反射波長，設為fo，調節半導體光放大器的工作電流，可 以控制單波長激光輸出的功率。單波長激光的電場可表示為E (t) = E0exp (j2 π f0t+j θ )其中Etl是電場的幅度，&和θ分別是電場的頻率和初始相位2、調節直流穩壓源的電壓，使馬赫曾德爾強度調制器工作于最大點傳輸狀態，抑 制奇數邊帶的產生。施加微波源信號fm，中心頻率為&的光第一次經過調制器時，增加了 f0+2fffl和fcr2fm兩個光邊帶，它們與中心波長具有相同的初始相位。為了保證&+2乙和
個光邊帶在腔內運行一周之后保持與載波&同樣的相位，調節保偏光延遲線的長 度，使得fm = (q+1/2) fc,光纖環形諧振腔工作于二次有理數諧波鎖模狀態，此時，兩個光邊 帶通過微波源的調制，會進一步產生邊頻&+4&和fcr4fm，循環往復，腔內就有越來越多的 光邊帶fo士2nfm，η是整數。這些光邊帶和光載波統稱為縱模，光纖光柵反射譜的3dB帶寬 和半導體光放大器的放大倍數決定腔內縱模的數量。只要縱模在腔內的增益大于損耗，這 些縱模就穩定地運行于光纖諧振腔中，本實例中產生的5個縱模相干疊加形成重復頻率為 2fm的光脈沖。光脈沖在光纖環形諧振腔輸出口的頻譜示意圖見附圖2。這些光脈沖的電 場表示式為Ep{t) =YjEn exp[y2^r(/0 + Infm)t + ]θ)]
η=-2其中Etl是光載波的電場幅度，除此之外的En是第η個光邊帶的電場幅度，。
3、重復頻率為2fm的光脈沖從光纖環形諧振腔中輸出，進入波長可調的梳妝濾波 器。調節波長可調梳妝濾波器的中心波長，使得其中的一個最小透射功率點的波長與光纖 環形諧振腔中激光的中心波長相同。由此，波長可調梳妝濾波器選擇了頻率為fo士2fm的光 邊帶，濾波之后的光電場可表示為El (t) = Eiexp [j2 Ji (f0 士 2fm)t+j θ)]波長可調梳妝濾波器的傳輸曲線圖見附圖3，光脈沖經過濾波器之后的頻譜示意 圖見附圖4。4、本發明中的高速光電探測器是包絡響應，且響應帶寬大于4fm，光電探測器輸出 的光電流可表示為I(t) = nEL(t) ‘ El* (t) = 2 nE!2+2 η E12Cos (8 π fmt)其中η是光電探測器的響應度，一般為0. 6A/W，上式最右邊的第一部分表示光電 流的直流分量，第二部分即是探測得到的頻率為4fm的毫米波信號。毫米波信號的頻譜示 意圖見圖5。
權利要求
一種基于光纖環形諧振腔的毫米波發生裝置，其特征在于包括半導體光放大器(1)、1×2保偏光纖光耦合器(2)、馬赫曾德爾強度調制器(3)、微波源(4)、直流穩壓電源(5)、三端口保偏光環形器(6)、保偏光纖光柵(7)、保偏光延遲線(8)、波長可調光梳狀濾波器(9)、高速光電探測器(10)；半導體光放大器(1)與1×2保偏光耦合器(2)相連，1×2保偏光耦合器(2)的其中一輸出端與馬赫曾德爾強度調制器(3)、三端口保偏光環形器(6)的第一端口依次相連，三端口保偏光環形器(6)的第二端口與保偏光纖光柵(7)相連，第三端口與保偏光延遲線(8)、半導體光放大器(1)依次相連，構成一個光纖環形諧振腔，由1×2保偏光耦合器(2)的另一輸出端得到的光纖環形諧振腔輸出，經波長可調光梳妝濾波器(9)與高速光電探測器(10)相連，馬赫曾德爾強度調制器(3)在頻率為fm的微波源(4)調制的情況下，通過控制馬赫曾德爾強度調制器(3)的直流偏置電壓以及微調保偏光延遲線(6)長度，在高速光電探測器(10)的射頻輸出端得到頻率為4fm的毫米波信號。
2.一種使用如權利要求1所述裝置基于光纖環形諧振腔的毫米波發生方法，其特征在 于在由半導體光放大器(1)、1X2保偏光耦合器(2)、馬赫曾德爾強度調制器(3)、三端口 保偏光環形器(6)、保偏光纖光柵(7)和保偏光延遲線(8)構成的光纖環形諧振腔中，提供 光信號增益的半導體光放大器(1)的輸出光通過1X2保偏光耦合器(2)的一輸出口進入 馬赫曾德爾強度調制器(3)，經頻率為fm的微波源(4)調制的光從馬赫曾德爾強度調制器 (3)的輸出口輸出，通過由三端口保偏光環形器(6)和保偏光纖光柵(7)構成的光帶通濾波 器之后到達保偏光延遲線(8)，經過保偏光延遲線(8)延遲的光重新進入半導體光放大器 (1)，由1X2保偏光耦合器(2)的另一輸出端得到的光纖環形諧振腔輸出，經波長可調光梳 妝濾波器(9)進入高速光電探測器(10)；當馬赫曾德爾強度調制器(3)受到頻率為fm的微 波源⑷調制時，調節保偏光延遲線⑶的長度，使得頻率fm= (k+l/2)f。，其中k是整數， 光纖環形諧振腔的腔頻f。= nc/L, n是光纖環形諧振腔的有效折射率，L是光纖環形諧振腔 的腔長，光纖環形諧振腔工作于二次有理數諧波鎖模狀態，1X2保偏光耦合器(2)的輸出 端口得到重復頻率為2fm的光脈沖序列，調節直流偏置電壓，使馬赫曾德爾強度調制器(3) 工作在最大透射點，重復頻率為2fm的光脈沖序列的能量最大，幅度最均衡，重復頻率為2fm 的光脈沖序列中的間隔為4fm的光譜通過波長可調光梳狀濾波器(9)到達高速光電探測器 (10)，高速光電探測器(10)對光信號進行光電轉化，發生頻率為4fm的毫米波信號。
全文摘要
本發明公開了一種基于光纖環形諧振腔的毫米波發生裝置及其方法。半導體光放大器、1×2保偏光耦合器、馬赫曾德爾強度調制器、三端口保偏光環形器、保偏光纖光柵、保偏光延遲線依次相連，構成一個光纖環形諧振腔，由1×2保偏光耦合器的另一輸出端得到的光纖環形諧振腔輸出，經波長可調光梳妝濾波器與高速光電探測器相連，馬赫曾德爾強度調制器在頻率為fm的微波源調制的情況下，通過控制馬赫曾德爾強度調制器的直流偏置電壓以及微調保偏光延遲線長度，在高速光電探測器的射頻輸出端發生頻率為4fm的毫米波信號。本發明具有毫米波效率高，結構緊湊，工作穩定，抗電磁干擾等優點。
文檔編號H04B10/12GK101873172SQ201010206508
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月22日 優先權日2010年6月22日
發明者楊波, 池灝, 章獻民, 鄭史烈, 金曉峰 申請人:浙江大學