高頻微波與毫米波的光子學產生裝置及饋送方法
【專利摘要】本發明公開一種高頻微波與毫米波的光子學產生裝置及饋送方法。該裝置包括中心節點設備、中間節點設備和遠端節點設備，中心節點設備和遠端節點設備之間通過光纖連接，通過中間節點構成基于無源光網絡的高頻微波與毫米波的光子學產生與分配網絡。該饋送方法基于無源光網絡在多點、異地同時構成光電振蕩器，并將光電振蕩器鎖定到中心節點的銣頻標上，實現高頻微波與毫米的光子學產生與分配，該方法可在多點之間同時產生高頻微波與毫米波、相互之間頻率可相同或不相同、產生信號的相噪低、頻率穩定。可應用于空間受限的星上光子學轉發、相控陣雷達和太空探測的大型天線陣列之間深空網絡、時頻基準網絡等。
【專利說明】高頻微波與毫米波的光子學產生裝置及饋送方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高頻微波與毫米波的光子學產生裝置及饋送方法，該方法結合了光電振蕩器產生高頻微波與毫米波信號相噪低和無源光網絡的結構優勢，為實現高頻穩低相噪高頻微波與毫米波信號的異地產生、遠距離傳輸和網絡化分配提供具有競爭優勢的解決方案。
【背景技術】
[0002]目前，電學高頻微波與毫米波功率源（固態源）主要是由真空電子器件和固態功率源來承擔。由于受到結電容等電氣性能的影響，固態源的調諧范圍較窄（小于10%)、幅頻特性較差、相位噪聲較高；更為不利的是，受載流子渡越時間等因素影響，固態源的振蕩頻率通常在IOOGHz以內。然而，基于光學方法產生的信號最高頻率可達到360GHz，相位噪聲可低到-140dBc / Hz，連續調諧范圍可達到90%。因此，光子學方法有望成為突破現有固態源的局限、避開復雜半導體工藝來實現寬頻帶、大調諧范圍、低相位噪聲等高性能毫米波源的有效技術手段。
[0003]光電振蕩器（OEO)是其中最具代表性、最早走向實用化的光子學微波與毫米波振蕩器(源)。光電振蕩器是由光源，光學調制器，光纖，探測器，電濾波器，移相器和放大器等組成的光電混合諧振器，其基本原理是調制器產生的邊帶信號經過一段光纖和放大進入光電探測器，光電探測器產生的微波經過濾波，移相，放大后反饋到調制器。經過多次反饋作用，只有位于濾波器帶通范圍內的微波諧振模式才能獲得有效振蕩。由于光纖的Q值非常高，所以光電振蕩器產生的微波噪聲非常低，遠低于傳統的微波源。
[0004]光電振蕩器的儲能元件是光纖，如要提高Q需用較長的光纖。光纖長度加長會帶來微波振蕩模式間隔變小，造成多模式輸出，光纖受環境的溫度、壓力等因素的影響加劇，導致光電振蕩器的輸出穩定性變 差。同時，光電振蕩器的結構中完成微波振蕩模式選擇功能的電濾波器限制了光電振蕩輸出的微波與毫米波信號頻率受限，因為很高頻率下很難找到合適的高頻窄帶通濾波器。為了解決光電振蕩器遇到的技術問題需要提出新的原理與方法。
【發明內容】
[0005]技術問題：本發明的目的是提供一種高頻微波與毫米波的光子學產生裝置及饋送方法，其實現的裝置包括中心節點設備、遠端節點設備和中間節點設備，其實現高頻微波與毫米波產生與分配的機理是基于無源光網絡互連中心節點和遠端節點，中心節點注入鎖定遠端節點的光電振蕩器，遠端節點輸出高頻微波與毫米波，從而實現高頻微波與毫米波的光學產生與傳輸分配。
[0006]技術方案：本發明公開的聞頻微波與暈米波的光子學產生裝置與饋送方法，其工作機理是中心節點對多個遠端節點的光電振蕩器（OEO)進行遠程注入鎖定，遠端節點各自輸出相同或不同頻率與相位延遲的微波與毫米波信號，遠端節點與中心節點之間采用無源光分配網絡（PON)。其特點是基于光電振蕩器方式產生、頻率與相位可調控、高頻穩低相噪輸出，可應用于空間受限的星上光子學轉發、相控陣雷達和太空探測的大型天線陣列之間深空網絡、時頻基準網絡等。
[0007]光纖的傳輸損耗小、信道穩定、溫度系數較低以及通信信噪比高等優勢為高頻微波與毫米波信號的傳遞提供了優良的物理通道。光電振蕩器Q值比現有振蕩器高出幾個數量級，輸出信號的短期穩定性好，通過中心站對光電振蕩器進行遠程注入鎖定，從而改善光電振蕩器長期穩定性，實現高頻微波與毫米波信號的遠距離異地產生、多點分配。
[0008]本發明的一種基于高頻微波與毫米波的光子學產生裝置包括中心節點設備、中間節點設備和遠端節點站設備，其中，
[0009]中心節點設備中，鎖相倍頻器的輸入端接中心節點，輸出端接光發送模塊的輸入端;
[0010]中間節點設備中，光分路器的輸入端通過光纖接光發送模塊的輸出端，光分路器的輸出端通過光纖接遠端節點設備；
[0011] 遠端節點設備中，包括N個并列的遠端節點，N = 8、16、32*“，在每一個遠端節點中，
[0012]光調制器、光分路器、光收模塊I、放大器、電濾波器、移相器、功分器和光調制器順序連接；光分路器的另一個輸出端通過光濾波器與光收模塊II連接，光收模塊II輸出端為倍頻輸出；功分器的另一個輸出端為基頻輸出。
[0013]本發明的高頻微波與毫米波的光子學產生裝置的饋送方法基于無源光網絡在多點、異地同時構成光電振蕩器，并將光電振蕩器鎖定到中心節點的銣頻標(銣原子頻標）上，實現高頻微波與毫米的光子學產生與分配，具體方法為：
[0014]在中心節點，鎖相倍頻器將銣頻標輸出的IOMHz信號鎖相倍頻到10GHz，輸入光發送模塊；
[0015]在中間節點，光分路器將中心節點輸出的光信號分成N路，N = 8、16、32…，分別送到N個遠端節點；
[0016]N個遠端節點的內部結構相同，在每一個遠端節點中，光調制器的輸入端接收光分路器輸出端光纖傳輸的光信號，光調制器的輸出信號送光分路器分成二路，一路送光收模塊I轉換成電信號，經放大器放大后送電濾波器濾波、移相器移相，再經功分器送光調制器；光分路器輸出的另一路經光濾波器濾出二個波長的光信號，送光收模塊II差拍輸出IOGHz的倍頻信號即nX 10GHz, n = 2、3、4...;功分器輸出IOGHz的基頻信號。
[0017]有益效果：本發明公開一種高頻微波與毫米波的光子學產生裝置與饋送方法。相應的裝置與方法由中心節點設備、中間節點設備和遠端節點站設備構成，中心站和遠站之間通過光纜連接，通過中間節點構成基于無源光網絡的高頻微波與毫米波的光子學產生與分配網絡。由于將高Q值的光電振蕩器鎖定于中心銣頻標，同時結合無源光網絡的結構優勢，該方法可在多點之間同時產生高頻微波與毫米波、相互之間頻率可相同或不相同、產生信號的相噪低、頻率穩定。該方法可應用于空間受限的星上光子學轉發、相控陣雷達和太空探測的大型天線陣列之間深空網絡、時頻基準網絡等。
【專利附圖】
【附圖說明】[0018]圖I是基于高頻微波與毫米波的光子學產生裝置與饋送方法的系統框圖。
[0019]其中有：光發送模塊I、鎖相倍頻器2、光分配器3、光調制器4、光分路器5、光濾波器6、光收模塊I 7、光收模塊II 8、功分器9、放大器10、移相器11、電濾波器12。
【具體實施方式】
[0020]光發送模塊I采用直接寬帶調制DFB激光器，
[0021]鎖相倍頻器2采用電鎖相頻率合成器，
[0022]光分配器3采用I X N的光分路器，
[0023]光調制器4采用MZM光調制器，
[0024]光分路器5采用I X 2的光分路器，
[0025]光濾波器6采用雙波長的光纖光柵或FP標準具濾波器，
[0026]光收模塊I 7采用帶寬IOG的光接收組件，
[0027]光收模塊II 8采用帶寬60G以上的高速光接收組件，
[0028]功分器9采用I X 2的微波功分器，
[0029]放大器10采用IOG的點頻放大器，
[0030]移相器11電壓控制的微波移相器，
[0031]電濾波器12采用中心頻率為IOG的窄帶濾波器。
[0032]該裝置包括中心節點設備、中間節點設備和遠端節點設備，其中，
[0033]中心節點設備中，鎖相倍頻器2的輸入端接中心節點，輸出端接光發送模塊I的輸入端；中間節點設備中，光分路器3的輸入端通過光纖接光發送模塊I的輸出端，光分路器3的輸出端通過光纖接遠端節點設備；遠端節點設備中，包括N個并列的遠端節點，N = 8、16、32···,在每一個遠端節點中,光調制器4、光分路器5、光收模塊I 7、放大器10、電濾波器12、移相器11、功分器9和光調制器4順序連接；光分路器5的另一個輸出端通過光濾波器6與光收模塊II 8連接，光收模塊II 8輸出端為倍頻輸出；功分器9的另一個輸出端為基頻輸出。
[0034]該產生裝置與饋送方法基于無源光網絡在多點、異地同時構成光電振蕩器，并將光電振蕩器鎖定到中心節點的銣頻標上，實現高頻微波與毫米的光子學產生與分配，具體為：
[0035]在中心節點，鎖相倍頻器2將銣頻標輸出的IOMHz信號鎖相倍頻到10GHz，輸入光發送模塊I ;
[0036]中間節點，光分路器3將中心節點輸出的光信號分成N路（N = 8、16、32…)送到N個遠端節點；
[0037]N個遠端節點的內部結構相同，以第I個遠端節點為例介紹，光調制器4的輸入端接收光纖傳輸的光信號，輸出端送光分路器5分成二路，一路送光收模塊I 7轉換成電信號，放大器10放大后送電濾波器12濾波、移相器11移相，經功分器9送光調制器4，另一路經光濾波器6濾出二個波長的光信號，送光收模塊II 8差拍輸出IOGHz的倍頻信號即ηX IOGHz (η = 2、3、4…），功分器輸出IOGHz的信號。
【權利要求】
1.一種基于高頻微波與毫米波的光子學產生裝置，其特征是該裝置包括中心節點設備、中間節點設備和遠端節點站設備，其中， 中心節點設備中，鎖相倍頻器（2)的輸入端接中心節點，輸出端接光發送模塊（I)的輸入端; 中間節點設備中，光分路器（3)的輸入端通過光纖接光發送模塊（I)的輸出端，光分路器（3)的輸出端通過光纖接遠端節點設備； 遠端節點設備中，包括N個并列的遠端節點，N = 8、16、32*“，在每一個遠端節點中， 光調制器（4)、光分路器（5)、光收模塊I (7)、放大器（10)、電濾波器（12)、移相器(11)、功分器（9)和光調制器（4)順序連接；光分路器（5)的另一個輸出端通過光濾波器（6)與光收模塊II (8)連接,光收模塊II (8)輸出端為倍頻輸出；功分器（9)的另一個輸出端為基頻輸出。
2.一種如權利要求1所述的高頻微波與毫米波的光子學產生裝置的饋送方法，其特征在于該饋送方法基于無源光網絡在多點、異地同時構成光電振蕩器，并將光電振蕩器鎖定到中心節點的銣頻標上，實現高頻微波與毫米的光子學產生與分配，具體方法為： 在中心節點，鎖相倍頻器（2)將銣頻標輸出的IOMHz信號鎖相倍頻到10GHz，輸入光發送模塊（I); 在中間節點，光分路器（3 )將中心節點輸出的光信號分成N路，N = 8、16、32…，分別送到N個遠端節點； N個遠端節點的內部結構相同，在每一個遠端節點中，光調制器（4)的輸入端接收光分路器（3)輸出端光纖傳輸的光信號,光調制器（4)的輸出信號送光分路器（5)分成二路，一路送光收模塊I (7)轉換成電信號，經放大器（10)放大后送電濾波器（12)濾波、移相器(11)移相，再經功分器（9)送光調制器（4);光分路器（5)輸出的另一路經光濾波器（6)濾出二個波長的光信號，送光收模塊II (8)差拍輸出IOGHz的倍頻信號即nX10GHz，n = 2、3、4…；功分器（9)輸出IOGHz的基頻信號。
【文檔編號】H04Q11/00GK103490817SQ201310460850
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月30日 優先權日:2013年9月30日
【發明者】張寶富, 蘇洋, 汪井源, 李建華, 吳傳信 申請人:中國人民解放軍理工大學