專利名稱：寬帶連續可調諧微波/毫米波信號產生裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及光纖微波通信技術領域，利用低成本、簡單的光子技術來實現微波信 號頻率上轉換及寬帶可調諧微波/毫米波信號產生裝置，更準確地說，是基于一種具有雙 偏振、雙頻輸出的光纖激光器所實現的寬帶連續可調諧微波/毫米波信號產生裝置。
背景技術：
無線通信系統容量需求的快速增長，使得微波領域的相關技術及應用得以快速發 展。但目前微波頻段的帶寬限制已成為嚴重問題，為了適應其日益增加的業務種類和更加 繁重的處理任務，人們不得不開始考慮30 70GHz新頻段、甚至更高頻段的利用。傳統的微 波信號發生裝置，通常是利用射頻電路的方案來產生微波信號，然而其體積大、精度低、而 且易受電磁干擾，尤其是產生30GHz以上微波、毫米波信號的工藝技術復雜，成本非常高。 因此無線通信以及新出現的光載微波通信系統向30GHz 70GHz毫米波段、甚至太赫茲波 段的發展對傳統微波信號源都是極大的挑戰。微波光子技術是本世紀發展起來的全新技術，其融合了傳統微波學和光子學技術 的特點，利用光纖具有的大信息容量、低損耗、不受電磁場干擾、結構體積小巧、易組網等優 勢，大大降低了光載微波通信系統的成本，提供巨大的帶寬資源，并且解決了現有微波通信 領域存在的電子瓶頸問題。隨著微波光子技術的發展，微波信號發生裝置，作為無線通信系統和光載微波通 信系統的關鍵技術單元，得到了不斷的發展并出現了許多新的解決方案。U. Gliese等人提出的基于兩個可調諧的頻率相近的激光器產生的激光(IEEE Photon. Technol. Lett. Vol. 4，No. 8，pp. 936-938，1992.)，但是其要求兩個獨立的激光器頻 率非常穩定，缺點在于雙激光器的相位噪聲嚴重，同步穩頻方案復雜。中國發明專利申請“一種光學產生高頻微波信號的方法和裝置”，申請號 CN200910097868. 7，公開號CN101540468A，
公開日2009/09/23，公開了一種基于高增益保 偏光纖的微波信號發生器，其利用激光器輸出的X、Y偏振方向的兩個光信號在檢偏振上拍 頻來產生微波信號。該設計無法實現可調諧的微波信號裝置，大大限制了該方案的實際應 用范圍。中國發明專利申請“一種可調諧微波信號發生器”，申請號CN 200910010182. X，公 開號CN101478345A，
公開日2009/07/08，公開了一種利用光纖激光器作為信號發生單元， 結合技術非常成熟的壓電陶瓷作為調諧單元，對光纖激光器輸出的兩個偏振方向上的光信 號進行調諧，進而實現可調諧的微波信號發生裝置。該設計無法實現微波信號源的快速調 諧，并且調諧分辨率會受到壓電陶瓷的限制，這些缺點限制了該方案的應用范圍。
發明內容
本發明的目的在于克服了現有技術的缺點與不足，提供一種結構簡單、響應速度 快、可電控的微波信號頻率上轉換及寬帶連續可調諧微波/毫米波信號產生裝置。本發明基于一種具有雙偏振、雙頻輸出的光纖激光器，同時利用先進的頻率調制技術，分別對光纖 激光器在兩個偏振方向上輸出的光信號進行頻率調諧，兩個經過頻率調諧的光信號通過在 檢偏器上拍頻來產生微波信號，該裝置可以解決毫米波段信號產生的難題。本發明利用 0-30GHZ范圍內可調的微波信號源以及一個頻率差為30GHz的雙偏振、雙頻光纖激光器即 可在0-90GHZ范圍內實現可調諧的微波/毫米波信號源，具有調諧速度快、調諧范圍大、穩 定性和重復性好的特點與優勢。本發明的目的可以通過下述技術方案來實現本寬帶連續可調諧微波/毫米波信 號產生裝置，包括具有偏振正交輸出的雙頻激光器、偏振分束器、至少一個頻率調制器、偏 振合波器、檢偏器以及光電探測器；偏振正交輸出的雙頻激光器與偏振分束器相連接，頻率 調制器連接在偏振分束器的一個輸出端與偏振合波器的一個輸入端之間，偏振分束器的另 一個輸出端直接與偏振合波器的另一個輸入端直接相連，偏振合波器、檢偏器以及光電探 測器依次連接。上述的寬帶連續可調諧微波/毫米波信號產生裝置，還包括寬帶可調微波信號 源、微波功率分束器、一個90°電混合器；所述寬帶可調微波信號源經所述微波功率分束 器后，再通過所述90°電混合器與頻率調制器相連接。本發明的目的還可以通過下述技術方案來實現本寬帶連續可調諧微波/毫米波 信號產生裝置，包括具有偏振正交輸出的雙頻激光器、偏振分束器、兩個頻率調制器、偏振 合波器、檢偏器以及光電探測器；偏振正交輸出的雙頻激光器與偏振分束器連接，偏振分束 器的兩個輸出端一一對應地與兩個頻率調制器連接后，再分別與偏振合波器的兩個輸入端 連接，偏振合波器、檢偏器以及光電探測器依次連接。上述的寬帶連續可調諧微波/毫米波信號產生裝置，還包括寬帶可調微波信號 源、微波功率分束器、兩個90°電混合器；寬帶可調微波信號源經微波功率分束器后，再分 別通過兩個90°電混合器與兩個頻率調制器一一對應連接。所述頻率調制器為由一個主干涉結構及其兩個干涉臂上的子干涉結構所構成的 QPSK光電調制器。所述檢偏器與偏振正交的雙頻激光的偏振方向都成45°夾角。所述具有偏振正交輸出的雙頻光纖激光器是分布反饋式激光器或分布布拉格反 射鏡式光纖激光器。本發明相對于現有技術具有如下的優點及效果由于采用了具有雙偏振、雙頻率 輸出的光纖激光器，該激光器自身可以輸出相位鎖定的雙頻激光，其頻率差在30GHz左右， 利用檢偏器和光電探測器，該光源即可產生30GHz左右的微波信號源。利用先進的頻率調 制技術，分別對光纖激光器在兩個偏振方向上輸出的激光信號進行頻率調諧，當改變外部 加載的微波信號時，兩個偏振方向上的光信號可分別向長波或短波方向頻移。因此本發明 利用一個0-30GHZ的外部微波信號源，即可在0-90GHZ范圍內實現寬帶可調的微波/毫米 波信號源，大大降低了寬帶可調微波/毫米信號源的成本。具有調諧速度快、調諧范圍大、 穩定性和重復性好的特點與優勢。
圖1是本發明光纖激光器產生微波信號的原理4
圖2是本發明所涉及光纖激光器所輸出的激光光譜與微波頻譜圖；圖3是本發明實施例1的結構示意圖；圖4是實施例1實現寬帶可調微波信號源的原理圖；圖5是本發明實施例2的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發明做進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限 于此。本發明中的光纖激光器可用于產生固定頻率輸出的微波信號源，為具有偏振正交 輸出的雙頻光纖激光器(也即雙偏振、雙頻率光纖激光器)，其原理如圖1所示。圖1中101、 102為一對布拉格光纖光柵(FBG)用作光纖激光器的反射鏡，103為采用高摻鉺保偏光纖產 生激光的增益介質，兩個布拉格光纖光柵端到端之間的長度為光纖激光器的有效腔長，104 為保偏光纖合波器，105為980nm泵浦光源，111為偏振控制器，112為檢偏器，113為寬帶光 電探測器。該光纖激光器輸出的雙偏振、雙頻激光如圖1中302、303所示，雙頻激光信號的 偏振方向正交。如果將偏振正交的雙頻激光輸出與相對兩者偏振態方向成45 °夾角的檢偏 器連接，再將檢偏器輸出連接到光電探測器中拍頻，即可得到頻率為30GHz左右的微波信 號源。圖2所示為實驗測量的偏振正交雙頻光纖激光器的輸出光譜及其拍頻產生的微波信 號頻譜。實施例1本實施例包括具有偏振正交輸出的雙頻光纖激光器、偏振分束器、一個頻率調制 器、偏振合波器、偏振控制器、檢偏器以及光電探測器，以及依次連接的寬帶可調諧微波信 號源、微波功率分束器、90°電混合器；雙頻光纖激光器、偏振分束器的一個輸出端、一個頻 率調制器、偏振合波器的一個輸入端、偏振控制器、檢偏器以及光電探測器依次連接，偏振 分束器的另一個輸出端直接與偏振合波器的另一個輸入端連接，90°電混合器與頻率調制 器連接；檢偏器與偏振正交的雙頻激光的偏振方向都成45°夾角。在本實施例中，頻率調 制器采用QPSK光電調制器。如圖3(a)所示，101、102為一對布拉格光纖光柵(FBG)用作光纖激光器的反射鏡， 103為高摻鉺保偏光纖作為產生激光的增益介質，兩個布拉格光纖光柵端到端之間的長度 為光纖激光器的有效腔長，104為保偏光纖合波器，105為980nm泵浦光源，111為偏振控制 器，112為檢偏器，113為寬帶光電探測器，107為偏振分束器，110為偏振合波器，108為頻率 調制器，114為寬帶可調諧微波信號源(范圍為0-30GHZ)，120為微波功率分束器，116為寬 帶微波放大器，140為90°電混合器。圖3(b)為本發明所述利用頻率調制器實現光信號頻率調諧的詳細原理，如圖所 示，光纖激光器輸出的雙偏振、雙頻激光302、303通過偏振分束器107分為偏振態正交的光 信號302和303，其中光信號303不通過任何頻移器件直接與偏振合波器110的一個輸入端 相連，而光信號302通過頻率調制器108后，再與偏振合波器110的另一個輸入端相連。頻率調制器108是由一個主干涉結構1081及其兩個干涉臂上的子干涉結構1082 和1083所構成，其中主干涉結構和子干涉結構均優選馬赫_曾德波導干涉結構。主馬 赫-曾德波導干涉結構1081的其中一個干涉臂上鍍有電極1405，通過該電極可由外加偏置
5電壓132提供主馬赫-曾德波導干涉結構1081兩個干涉臂之間的相位差；每個子馬赫-曾 德波導干涉結構中的一個干涉臂上也鍍有行波電極1403或1404，通過該電極，外部寬帶微 波信號1401和1402可加載到光信號302上。外加寬帶可調微波信號源114(0_30GHz)通過寬帶微波放大器116、微波功率分束 器120以及90°電混合器140分為微波信號1401和1402，并且微波信號1401與1402之 間有90°相位差，然后微波信號1401與1402分別加載到頻率調制器108的I、Q端。本實施例的光頻率調制原理如下情況(a):當頻率調制器108的主馬赫-曾德波導干涉結構1081兩個干涉臂之間 的相位差通過外加偏置電壓132控制為+90°時，通過頻率調制器108的光信號302就會隨 著外加微波信號源輸出信號頻率f向短波方向頻移f。這種調諧情況如圖4(a)所示。情況(b):當頻率調制器108的主馬赫-曾德干涉波導結構1081兩個干涉臂之間 的相位差通過外加偏置電壓132控制為-90°時，通過頻率調制器108的光信號302就會隨 著外加微波信號源輸出信號頻率f向長波方向頻移f。這種調諧情況如圖4(b)所示。綜上所述，基于本發明，我們利用輸出頻率調諧范圍為f的微波信號源，可以產生 頻率調諧范圍2f的微波信號源。以0-30GHZ微波信號源為例，基于頻率差為30GHz的雙偏 振、雙頻率光纖激光器，我們可以實現0-60GHZ的寬帶可調微波/毫米波信號源。實施例2本實施例包括具有偏振正交輸出的雙頻光纖激光器、偏振分束器、兩個頻率調制 器、偏振合波器、偏振控制器、檢偏器以及光電探測器，偏振正交輸出的雙頻光纖激光器與 偏振分束器連接，偏振分束器的兩個輸出端一一對應地與兩個頻率調制器連接后，再分別 與偏振合波器的兩個輸入端連接，偏振控制器、檢偏器以及光電探測器依次連接。檢偏器與 偏振正交的雙頻激光的偏振方向都成45°夾角。本實施例還包括寬帶可調微波信號源、微 波功率分束器、兩個90°電混合器，寬帶可調微波信號源經微波功率分束器后，再分別通過 兩個90°電混合器與兩個頻率調制器一一對應地連接。本實施例的光纖激光器在結構上與實施例1的相同；頻率調制器也是采用QPSK光 電調制器。如圖5(a)所示，107為偏振分束器，110為偏振合波器，108和109為頻率調制 器，114為寬帶可調微波信號源(范圍為0-30GHZ)，115、120和123為微波功率分束器，116 和117為寬帶微波放大器，140和141為90°電混合器。圖5(b)為本發明所述利用頻率調制器實現光信號頻率調諧的詳細原理，如圖所 示，光纖激光器輸出的雙偏振、雙頻激光302、303通過偏振分束器107分為偏振態正交的光 信號302和303，這兩個信號分別通過頻率調制器108和109，再通過偏振合波器110合波 輸出。頻率調制器108是由一個主干涉結構1081及其兩個干涉臂上的子干涉結構1082 和1083所構成，其中主干涉結構和子干涉結構均優選馬赫_曾德波導干涉結構。主馬 赫-曾德波導干涉結構1081的其中一個干涉臂上鍍有電極1405，通過該電極可由外加偏置 電壓132提供主馬赫-曾德波導干涉結構1081兩個干涉臂之間的相位差；每個子馬赫-曾 德波導干涉結構1082和1083中的其中一個干涉臂上也鍍有行波電極1403或1404，通過該 電極外部寬帶微波信號1401和1402可加載到光信號302上。同樣原理，頻率調制器109是由一個主馬赫-曾德波導干涉結構1091及其兩個干涉臂上的子馬赫_曾德波導干涉結構1092和1093所構成。主馬赫-曾德干涉波導結 構1091的其中一個干涉臂上鍍有電極1415，通過該電極可由外加偏置電壓134提供主馬 赫-曾德波導干涉結構1091兩個干涉臂之間的相位差；每個子馬赫-曾德干涉波導結構 1092和1093中的其中一個干涉臂上也鍍有行波電極1413或1414，通過該電極外部寬帶微 波信號1411和1412可加載到光信號303上。外加寬帶可調微波信號源114(0_30GHz)通過微波功率分束器115、120，寬帶微波 放大器116以及90°電混合器140分為微波信號1401和1402，并且微波信號1401與1402 之間有90°相位差，然后微波信號1401與1402分別加載到頻率調制器108的I、Q端。同樣的原理，外加寬帶可調諧微波信號源114(0_30GHz)通過微波功率分束器 115、123，寬帶微波放大器117以及90°電混合器141分為微波信號1411和1412，并且微 波信號1411與1412之間有90°相位差，然后微波信號1411與1412分別加載到頻率調制 器109的I、Q端。本實施例的光頻率調制原理如下情況(a):當頻率調制器108的主馬赫-曾德波導干涉結構1081兩個干涉臂之間 的相位差通過外加偏置電壓132控制為+90°時，通過頻率調制器108的光信號302就會隨 著外加微波信號源輸出信號頻率f向短波方向頻移f。當頻率調制器109的主馬赫-曾德干涉波導結構1091兩個干涉臂之間的相位差 通過外加偏置電壓134控制為-90°時，通過頻率調制器109的光信號303就會隨著外加微 波信號源輸出信號頻率f向長波方向頻移f。這種調諧情況類似圖4(a)所示。情況(b):當頻率調制器108的主馬赫-曾德干涉波導結構1081兩個干涉臂之間 的相位差通過外加偏置電壓132控制為-90°時，通過頻率調制器108的光信號302就會隨 著外加微波信號源輸出信號頻率f向長波方向頻移f。這樣當頻率調制器109的主馬赫-曾德干涉波導結構1091兩個干涉臂之間的相 位差通過外加偏置電壓134控制為-90°時，通過頻率調制器109的光信號303就會隨著外 加微波信號源輸出信號頻率f向短波方向頻移f。這種調諧情況類似圖4(b)所示。綜上所述，本發明利用輸出頻率調諧范圍為f的微波信號源，可以實現頻率調諧 范圍3f的微波信號源。以0-30GHZ微波信號源為例，基于頻率差為30GHz的雙偏振、雙頻 率光纖激光器，我們可以實現0-90GHZ的寬帶可調微波/毫米波信號源。利用輸出頻率調 諧范圍為f的微波信號源，也可以實現頻率調諧范圍4f的微波信號源。以0-30GHZ微波信 號源為例，基于頻率差為60GHz的雙偏振、雙頻率光纖激光器，我們可以實現0-120GHz的寬 帶可調微波/毫米波信號源。與實施例1相比較，本實施例可實現的微波/毫米波信號源 的調諧范圍更大，因此應用領域更加廣泛。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的 限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
寬帶連續可調諧微波/毫米波信號產生裝置，其特征在于包括具有偏振正交輸出的雙頻激光器、偏振分束器、至少一個頻率調制器、偏振合波器、檢偏器以及光電探測器；偏振正交輸出的雙頻激光器與偏振分束器相連接，頻率調制器連接在偏振分束器的一個輸出端與偏振合波器的一個輸入端之間，偏振分束器的另一個輸出端直接與偏振合波器的另一個輸入端直接相連，偏振合波器、檢偏器以及光電探測器依次連接。
2.根據權利要求1所述的寬帶連續可調諧微波/毫米波信號產生裝置，其特征在于 還包括寬帶可調微波信號源、微波功率分束器、一個90°電混合器；所述寬帶可調微波信 號源經所述微波功率分束器后，再通過所述90°電混合器與頻率調制器相連接。
3.根據權利要求1或2所述的寬帶連續可調諧微波/毫米波信號產生裝置，其特征在 于所述頻率調制器為由一個主干涉結構及其兩個干涉臂上的子干涉結構所構成的QPSK 光電調制器。
4.根據權利要求1或2所述的寬帶連續可調諧微波/毫米波信號產生裝置，其特征在 于所述檢偏器與偏振正交的雙頻激光的偏振方向都成45°夾角。
5.根據權利要求1或2所述的寬帶連續可調諧微波/毫米波信號產生裝置，其特征在 于所述具有偏振正交輸出的雙頻光纖激光器是分布反饋式激光器或分布布拉格反射鏡式 光纖激光器。
6.寬帶連續可調諧微波/毫米波信號產生裝置，其特征在于包括具有偏振正交輸出 的雙頻激光器、偏振分束器、兩個頻率調制器、偏振合波器、檢偏器以及光電探測器；偏振正 交輸出的雙頻激光器與偏振分束器連接，偏振分束器的兩個輸出端一一對應地與兩個頻率 調制器連接后，再分別與偏振合波器的兩個輸入端連接，偏振合波器、檢偏器以及光電探測 器依次連接。
7.根據權利要求5所述的寬帶連續可調諧微波/毫米波信號產生裝置，其特征在于 還包括寬帶可調微波信號源、微波功率分束器、兩個90°電混合器；寬帶可調微波信號源 經微波功率分束器后，再分別通過兩個90°電混合器與兩個頻率調制器一一對應連接。
8.根據權利要求5或6所述的寬帶連續可調諧微波/毫米波信號產生裝置，其特征在 于所述頻率調制器為由一個主干涉結構及其兩個干涉臂上的子干涉結構所構成的QPSK 光電調制器。
9.根據權利要求5或6所述的寬帶連續可調諧微波/毫米波信號產生裝置，其特征在 于所述檢偏器與偏振正交的雙頻激光的偏振方向都成45°夾角。
10.根據權利要求6或7所述的寬帶連續可調諧微波/毫米波信號產生裝置，其特征在 于所述具有偏振正交輸出的雙頻光纖激光器是分布反饋式激光器或分布布拉格反射鏡式 光纖激光器。
全文摘要
本發明涉及寬帶連續可調諧微波/毫米波信號產生裝置，包括具有偏振正交輸出的雙頻光纖激光器、偏振分束器、至少一個頻率調制器、偏振合波器、偏振控制器、檢偏器以及光電探測器；雙頻光纖激光器與偏振分束器連接，頻率調制器連接在偏振分束器的輸出端與偏振合波器的輸入端之間，偏振合波器、偏振控制器、檢偏器以及光電探測器依次連接。本發明可以解決毫米波光纖傳輸系統中毫米波段以上信號產生的難題，利用0-30GHz范圍內可調的微波信號源可以實現0-120GHz范圍內可調的微波/毫米波信號源，具有調諧速度快、調諧范圍大、穩定性和重復性好的特點與優勢。
文檔編號H04B10/155GK101951294SQ20101024745
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月5日 優先權日2010年8月5日
發明者關柏鷗, 李朝暉 申請人:暨南大學