专利名称：一种基于光纤环形谐振腔的毫米波发生装置及其方法
技术领域：
本发明涉及毫米波光纤通信和毫米波光学生成领域，尤其涉及一种基于光纤环形 谐振腔的毫米波发生装置及其方法。
背景技术：
Radio over fiber (ROF)是一种无线通信与光通信相结合的通信技术，信号通 过副载波复用技术加载到光载波上，通过光纤链路将无线信号从中心站分配到各个基站 (BS)，再将基站信号传输回中心站(CS)。随着人们对数据传输速率越来越高的要求，无线信 号的带宽已经扩展到毫米波波段，尤其是60GHz频段。由于电子瓶颈的限制，在电域中产生 和处理毫米波信号存在一系列的弊端，比如高损耗，额外的相位噪声，昂贵的高增益放大器 等。光域上处理毫米波信号具有时间带宽积高，线路与设备之间的串扰小，相位噪声低，抗 电磁干扰等优点，而且能与ROF链路系统天然匹配，降低系统的成本。宽带、大功率的光电 探测器的出现使得光子方法产生毫米波信号成为可能，并且 能够替代传统的电子RF信号 发生器。迄今为止，国际上光子学产生毫米波信号基本上可以分为3类。分别是(1)对两 个相位锁定的激光源进行拍频，实现方法包括光注入锁定和光相位锁定。这种方法必需窄 线宽的激光源，系统成本太高。(2)利用光纤或者光半导体放大器的四波混频作用，对参考 微波信号进行上变频，这种方法的缺点在于四波混频作用的阈值很高，外界环境的变化容 易造成系统不稳定。(3)利用光外调制器实现对参考微波信号的倍频以及四倍频，这种技 术在如今的ROF系统中被广泛采用，但这种技术的缺点在于系统需要大功率的参考微波信 号，产生毫米波信号的效率较低，引入了额外的微波放大器以及由此造成的多余噪声。
发明内容
本发明的目的是克服现有光子学产生毫米波信号方法的不足，提供一种基于光纤 环形谐振腔的稳定高效的毫米波发生装置及其方法。基于光纤环形谐振腔的毫米波发生装置包括半导体光放大器、1X2保偏光纤光 耦合器、马赫曾德尔强度调制器、微波源、直流稳压电源、三端口保偏光环形器、保偏光纤光 栅、保偏光延迟线、波长可调光梳状滤波器、高速光电探测器；半导体光放大器与1X2保偏 光耦合器相连，1X2保偏光耦合器的其中一输出端与马赫曾德尔强度调制器、三端口保偏 光环形器的第一端口依次相连，三端口保偏光环形器的第二端口与保偏光纤光栅相连，第 三端口与保偏光延迟线、半导体光放大器依次相连，构成一个光纤环形谐振腔，由1X2保 偏光耦合器的另一输出端得到的光纤环形谐振腔输出，经波长可调光梳妆滤波器与高速光 电探测器相连，马赫曾德尔强度调制器在频率为fm的微波源调制的情况下，通过控制马赫 曾德尔强度调制器的直流偏置电压以及微调保偏光延迟线长度，在高速光电探测器的射频 输出端得到频率为4fm的毫米波信号。基于光纤环形谐振腔的毫米波发生方法是在由半导体光放大器、1X2保偏光耦合器、马赫曾德尔强度调制器、三端口保偏光环形器、保偏光纤光栅和保偏光延迟线构成的 光纤环形谐振腔中，提供光信号增益的半导体光放大器的输出光通过1X2保偏光耦合器 的一输出口进入马赫曾德尔强度调制器，经频率为fm的微波源调制的光从马赫曾德尔强度 调制器的输出口输出，通过由三端口保偏光环形器和保偏光纤光栅构成的光带通滤波器之 后到达保偏光延迟线，经过保偏光延迟线延迟的光重新进入半导体光放大器，由1X2保偏 光耦合器的另一输出端得到的光纤环形谐振腔输出，经波长可调光梳妆滤波器进入高速光 电探测器；当马赫曾德尔强度调制器受到频率为fm的微波源调制时，调节保偏光延迟线的 长度，使得频率4 = (k+l/2)f。，其中k是整数，光纤环形谐振腔的腔频f。= nc/L，n是光纤 环形谐振腔的有效折射率，L是光纤环形谐振腔的腔长，光纤环形谐振腔工作于二次有理数 谐波锁模状态，1 X 2保偏光耦合器的输出端口得到重复频率为2fm的光脉冲序列，调节直流 偏置电压，使马赫曾德尔强度调制器工作在最大透射点，重复频率为2fm的光脉冲序列的能 量最大，幅度最均衡，重复频率为2fm的光脉冲序列中的间隔为4fm的光谱通过波长可调光 梳状滤波器到达高速光电探测器，高速光电探测器对光信号进行光电转化，发生频率为4fm 的毫米波信号。与当今最普遍的基于光外调制器产生毫米波信号的方法相比，得益于光纤环形谐 振腔的 锁模作用，本发明提高了四倍频效率，所需的微波参考信号的功率较低，降低了系统 的成本。本发明结构紧凑，工作稳定性高，与毫米波光纤通信系统兼容性好，具有广阔的应 用前景。
图1是基于光纤环形谐振腔的毫米波发生装置的结构示意图；图2是光脉冲在光纤环形谐振腔输出口的频谱示意图；图3是波长可调梳妆滤波器的传输曲线图；图中实线箭头表示透过的光边带，虚线箭头表示被滤波器滤除的光频；图4是光脉冲经过滤波器之后的频谱示意图；图5是产生的毫米波信号的频谱示意图；图中半导体光放大器1、1X2保偏光纤光耦合器2、马赫曾德尔强度调制器3、微 波源4、直流稳压电源5、三端口保偏光环形器6、保偏光纤光栅7、保偏光延迟线8、波长可调 光梳状滤波器9、高速光电探测器10。
具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一步描述如附图1所示，基于光纤环形谐振腔的毫米波发生装置包括半导体光放大器1、 1X2保偏光纤光耦合器2、马赫曾德尔强度调制器3、微波源4、直流稳压电源5、三端口保 偏光环形器6、保偏光纤光栅7、保偏光延迟线8、波长可调光梳状滤波器9、高速光电探测器 10 ；半导体光放大器1与1X2保偏光耦合器2相连，1X2保偏光耦合器2的其中一输出端 与马赫曾德尔强度调制器3、三端口保偏光环形器6的第一端口依次相连，三端口保偏光环 形器6的第二端口与保偏光纤光栅7相连，第三端口与保偏光延迟线8、半导体光放大器1 依次相连，构成一个光纤环形谐振腔，由1 X2保偏光耦合器2的另一输出端得到的光纤环形谐振腔输出，经波长可调光梳妆滤波器9与高速光电探测器10相连，马赫曾德尔强度调制器3在频率为fm的微波源4调制的情况下，通过控制马赫曾德尔强度调制器3的直流偏 置电压以及微调保偏光延迟线6长度，在高速光电探测器10的射频输出端得到频率为4fm 的毫米波信号。基于光纤环形谐振腔的毫米波发生方法是在由半导体光放大器1、1X2保偏光 耦合器2、马赫曾德尔强度调制器3、三端口保偏光环形器6、保偏光纤光栅7和保偏光延迟 线8构成的光纤环形谐振腔中，提供光信号增益的半导体光放大器1的输出光通过1 X 2保 偏光耦合器2的一输出口进入马赫曾德尔强度调制器3，经频率为fm的微波源4调制的光 从马赫曾德尔强度调制器3的输出口输出，通过由三端口保偏光环形器6和保偏光纤光栅 7构成的光带通滤波器之后到达保偏光延迟线8，经过保偏光延迟线8延迟的光重新进入半 导体光放大器1，由1X2保偏光耦合器2的另一输出端得到的光纤环形谐振腔输出，经波 长可调光梳妆滤波器9进入高速光电探测器10 ；当马赫曾德尔强度调制器3受到频率为fm 的微波源4调制时，调节保偏光延迟线8的长度，使得频率fm = (k+l/2)f。，其中k是整数， 光纤环形谐振腔的腔频f。= nc/L, η是光纤环形谐振腔的有效折射率，L是光纤环形谐振 腔的腔长，光纤环形谐振腔工作于二次有理数谐波锁模状态，1X2保偏光耦合器2的输出 端口得到重复频率为2fm的光脉冲序列，调节直流偏置电压，使马赫曾德尔强度调制器3工 作在最大透射点，重复频率为2fm的光脉冲序列的能量最大，幅度最均衡，重复频率为2fm的 光脉冲序列中的间隔为4fm的光谱通过波长可调光梳状滤波器9到达高速光电探测器10， 高速光电探测器10对光信号进行光电转化，发生频率为4fm的毫米波信号。本发明的工作原理如下1、调制器的射频端口不加微波源信号时，光纤环行谐振腔工作于单波长激光输出 的状态，中心波长即为光纤光栅的反射波长，设为fo，调节半导体光放大器的工作电流，可 以控制单波长激光输出的功率。单波长激光的电场可表示为E (t) = E0exp (j2 π f0t+j θ )其中Etl是电场的幅度，&和θ分别是电场的频率和初始相位2、调节直流稳压源的电压，使马赫曾德尔强度调制器工作于最大点传输状态，抑 制奇数边带的产生。施加微波源信号fm，中心频率为&的光第一次经过调制器时，增加了 f0+2fffl和fcr2fm两个光边带，它们与中心波长具有相同的初始相位。为了保证&+2乙和
个光边带在腔内运行一周之后保持与载波&同样的相位，调节保偏光延迟线的长 度，使得fm = (q+1/2) fc,光纤环形谐振腔工作于二次有理数谐波锁模状态，此时，两个光边 带通过微波源的调制，会进一步产生边频&+4&和fcr4fm，循环往复，腔内就有越来越多的 光边带fo士2nfm，η是整数。这些光边带和光载波统称为纵模，光纤光栅反射谱的3dB带宽 和半导体光放大器的放大倍数决定腔内纵模的数量。只要纵模在腔内的增益大于损耗，这 些纵模就稳定地运行于光纤谐振腔中，本实例中产生的5个纵模相干叠加形成重复频率为 2fm的光脉冲。光脉冲在光纤环形谐振腔输出口的频谱示意图见附图2。这些光脉冲的电 场表示式为Ep{t) =YjEn exp[y2^r(/0 + Infm)t + ]θ)]
η=-2其中Etl是光载波的电场幅度，除此之外的En是第η个光边带的电场幅度，。
3、重复频率为2fm的光脉冲从光纤环形谐振腔中输出，进入波长可调的梳妆滤波 器。调节波长可调梳妆滤波器的中心波长，使得其中的一个最小透射功率点的波长与光纤 环形谐振腔中激光的中心波长相同。由此，波长可调梳妆滤波器选择了频率为fo士2fm的光 边带，滤波之后的光电场可表示为El (t) = Eiexp [j2 Ji (f0 士 2fm)t+j θ)]波长可调梳妆滤波器的传输曲线图见附图3，光脉冲经过滤波器之后的频谱示意 图见附图4。4、本发明中的高速光电探测器是包络响应，且响应带宽大于4fm，光电探测器输出 的光电流可表示为I(t) = nEL(t) ‘ El* (t) = 2 nE!2+2 η E12Cos (8 π fmt)其中η是光电探测器的响应度，一般为0. 6A/W，上式最右边的第一部分表示光电 流的直流分量，第二部分即是探测得到的频率为4fm的毫米波信号。毫米波信号的频谱示 意图见图5。
权利要求
一种基于光纤环形谐振腔的毫米波发生装置，其特征在于包括半导体光放大器(1)、1×2保偏光纤光耦合器(2)、马赫曾德尔强度调制器(3)、微波源(4)、直流稳压电源(5)、三端口保偏光环形器(6)、保偏光纤光栅(7)、保偏光延迟线(8)、波长可调光梳状滤波器(9)、高速光电探测器(10)；半导体光放大器(1)与1×2保偏光耦合器(2)相连，1×2保偏光耦合器(2)的其中一输出端与马赫曾德尔强度调制器(3)、三端口保偏光环形器(6)的第一端口依次相连，三端口保偏光环形器(6)的第二端口与保偏光纤光栅(7)相连，第三端口与保偏光延迟线(8)、半导体光放大器(1)依次相连，构成一个光纤环形谐振腔，由1×2保偏光耦合器(2)的另一输出端得到的光纤环形谐振腔输出，经波长可调光梳妆滤波器(9)与高速光电探测器(10)相连，马赫曾德尔强度调制器(3)在频率为fm的微波源(4)调制的情况下，通过控制马赫曾德尔强度调制器(3)的直流偏置电压以及微调保偏光延迟线(6)长度，在高速光电探测器(10)的射频输出端得到频率为4fm的毫米波信号。
2.一种使用如权利要求1所述装置基于光纤环形谐振腔的毫米波发生方法，其特征在 于在由半导体光放大器(1)、1X2保偏光耦合器(2)、马赫曾德尔强度调制器(3)、三端口 保偏光环形器(6)、保偏光纤光栅(7)和保偏光延迟线(8)构成的光纤环形谐振腔中，提供 光信号增益的半导体光放大器(1)的输出光通过1X2保偏光耦合器(2)的一输出口进入 马赫曾德尔强度调制器(3)，经频率为fm的微波源(4)调制的光从马赫曾德尔强度调制器 (3)的输出口输出，通过由三端口保偏光环形器(6)和保偏光纤光栅(7)构成的光带通滤波 器之后到达保偏光延迟线(8)，经过保偏光延迟线(8)延迟的光重新进入半导体光放大器 (1)，由1X2保偏光耦合器(2)的另一输出端得到的光纤环形谐振腔输出，经波长可调光梳 妆滤波器(9)进入高速光电探测器(10)；当马赫曾德尔强度调制器(3)受到频率为fm的微 波源⑷调制时，调节保偏光延迟线⑶的长度，使得频率fm= (k+l/2)f。，其中k是整数， 光纤环形谐振腔的腔频f。= nc/L, n是光纤环形谐振腔的有效折射率，L是光纤环形谐振腔 的腔长，光纤环形谐振腔工作于二次有理数谐波锁模状态，1X2保偏光耦合器(2)的输出 端口得到重复频率为2fm的光脉冲序列，调节直流偏置电压，使马赫曾德尔强度调制器(3) 工作在最大透射点，重复频率为2fm的光脉冲序列的能量最大，幅度最均衡，重复频率为2fm 的光脉冲序列中的间隔为4fm的光谱通过波长可调光梳状滤波器(9)到达高速光电探测器 (10)，高速光电探测器(10)对光信号进行光电转化，发生频率为4fm的毫米波信号。
全文摘要
本发明公开了一种基于光纤环形谐振腔的毫米波发生装置及其方法。半导体光放大器、1×2保偏光耦合器、马赫曾德尔强度调制器、三端口保偏光环形器、保偏光纤光栅、保偏光延迟线依次相连，构成一个光纤环形谐振腔，由1×2保偏光耦合器的另一输出端得到的光纤环形谐振腔输出，经波长可调光梳妆滤波器与高速光电探测器相连，马赫曾德尔强度调制器在频率为fm的微波源调制的情况下，通过控制马赫曾德尔强度调制器的直流偏置电压以及微调保偏光延迟线长度，在高速光电探测器的射频输出端发生频率为4fm的毫米波信号。本发明具有毫米波效率高，结构紧凑，工作稳定，抗电磁干扰等优点。
文档编号H04B10/12GK101873172SQ201010206508
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月22日 优先权日2010年6月22日
发明者杨波, 池灏, 章献民, 郑史烈, 金晓峰 申请人:浙江大学