一种双波段双输出微波光子上变频混频器

1.本发明涉及光通信领域，尤其涉及光通信中的微波光子信号处理问题。


背景技术：

2.微波频率变换技术广泛应用于无线通信、卫星中继、雷达系统、电子对抗等场景。将低频率的中频信号变换到更高频率的射频信号的过程称为频率上变换；将高频率的射频信号变换到低频率的中频信号的过程称为频率下变换。随着通信技术的快速发展，需要混频器具备更高的转换增益、更大的动态范围和更有效的杂散抑制能力。由于电子器件的速率瓶颈，传统电混频器的性能受到了很大的挑战。近些年来，微波光子技术受到了广泛的关注，并应用于微波频率变换中。相比于传统的电域频率变换方法，微波光子频率变换具有许多优点，如大带宽、高隔离度、抗电磁干扰等。大量的基于不同设计结构的微波光子频率变换方法被陆续提出。目前实现微波光子频率变换的方法主要有两种：基于非线性效应的微波光子频率变换方法和基于电光调制的微波光子频率变换方法。
3.基于非线性效应的微波光子频率变换方法主要通过介质对光的受激布里渊散射效应实现。利用受激布里渊散射效应产生一个频移，将该频移频率作为混频器的本振信号。再将输入的有用信号加载到电光调制器上，和本振信号同时送入光电探测器进行拍频，最终得到上变频或者下变频的射频信号。然而对于硅介质，受激布里渊频移通常在10-11ghz之间，这使得信号的频率调节范围受限，很难实现大范围的调谐。另一个存在的问题是受激布里渊频移的大小易受温度、压力等环境因素影响，导致最终获得的信号频率不稳定。
4.目前常用的一种方法是基于电光调制的微波光子频率变换方法。将本振信号和射频信号通过电光调制器调制到光波上，在光域进行信号处理，最后通过光电探测器拍频得到上变频或下变频信号。该方法可以增大频率调节范围，且不易受外界物理因素影响，性能较稳定。


技术实现要素：

5.本发明提出一种双波段双输出微波光子上变频混频器。中频信号if和本振信号lo经偏振复用的双平行马赫-曾德尔调制器pdm-dpmzm调制到激光器发出的光波上，产生偏振复用的光信号，经光功率分束器ops分为两路，分别经过由一个偏振控制器pc和一个偏振分束器pbs构成的调控光路调节各光频成分之间的相位并对偏振成分线性组合和分路，使两路光信号边带之间引入90
°
的相对相移，经两个平衡探测器bpd进行光电转换实现i/q正交混频，产生的两路光电流均包含两个频率上变换信号，但具有不同的相对相位，经2
×
2的90
°
电桥hc2对两路包含两个频率上变换信号的相移和耦合，分别实现两个频率上变换信号相干的相长和相消叠加，从而实现双波段上变频信号的分离输出。其包括：
6.作为一种优选方法，连续波激光器cw ld发出角频率为ωc的线偏振光波，具有恒定的光电场幅度和频率、稳定的偏振方向和相位。
7.作为一种优选方法，在pdm-dpmzm中，注入线偏振光波被等功率分为x和y两路，分
别注入到x-dpmzm和y-dpmzm；通过调节x-dpmzm的直流偏置电压使x-dpmzm的两个子调制器均工作在最小偏置点、主调制器工作在正交偏置点，中频信号if经90
°
电桥hc1加载在x-dpmzm的两个子mzm的射频电极对x路光波进行载波抑制单边带调制，产生只包含角频率为ωc+ω
if
的if调制的线偏振光信号；通过调节y-dpmzm的直流偏置电压，使y-dpmzm的子调制器mzm-c工作在最大传输点，子调制器mzm-d的直流偏置取合适值，使输出光波与mzm-c输出的光载波幅度相等且相位相反，主调制器偏置电压为零，本振信号lo只加载在y-dpmzm的子mzm-c的射频电极上，y路光波经y-dpmzm调制产生包含ωc+2ω
lo
和ω
c-2ω
lo
两个光频成分的lo调制线偏振光波，并经光偏振旋转器旋转90
°
后与if调制的线偏振光信号偏振正交合路，输出包含角频率为ωc+ω
if
、ωc+2ω
lo
和ω
c-2ω
lo
三个光频成分的偏振复用光信号。
8.作为一种优选方法，光功率分束器ops分光比为1：1，且对光波的频率和偏振不敏感，对pdm-dpmzm输出的偏振复用的光信号等功率分为i和q两路。
9.作为一种优选方法，两个由偏振控制器pc和偏振分束器pbs构成的调控光路中，一个调控光路通过pc对i路光波进行偏振旋转，使偏振复用光信号中正交的lo调制线偏振光波和if调制的线偏振光信号的偏振方向与pbs的透射主轴成45
°
，实现两个正交成分等功率反相投影到pbs的输出轴，进而实现lo调制线偏振光波和if调制线偏振光信号的线性组合，产生两路均包含角频率为ωc+ω
if
、ωc+2ω
lo
和ω
c-2ω
lo
三个光频成分且偏振方向相同，但两路光信号的三个光频成分之间相位正交；另一调控光路同样通过pc对q路光波进行偏振旋转，同样地使正交的lo调制线偏振光波和if调制的线偏振光信号等功率反相投影到pbs的输出轴，实现lo调制线偏振光波和if信号调制的线偏振光波的线性组合；但两调控光路的pc使i路和q路输出的两对线偏振光信号的三个光频成分具有不同的相对相位，i路和q路光波的相对相位为90
°
。
10.作为一种优选方法，两个光平衡探测器bpd分别由两个对称的光电探测器和差分放大电路构成，具有相同的性能参数和足够的响应带宽，由两个pbs输出的四路光信号分别注入两个光平衡探测器bpd，分别进行平方律探测和差分叠加，输出光电流均包含2ω
lo
+ω
if
和2ω
lo-ω
if
两个频率上变换的射频信号，但二者相位正交。
11.作为一种优选方法，两个2
×
2的90
°
微波电桥hc中，第一个90
°
微波电桥hc1用于将从端口输入的中频if信号分成等功率的两个相位正交的信号，使x-dpmzm能够对光波实现载波抑制单边带调制；第二个电桥hc2将包含2ω
lo
+ω
if
和2ω
lo-ω
if
但相位正交的i路信号和q路信号分别等功率正交分路并耦合，使来自i路和q路的、角频率为2ω
lo
+ω
if
和2ω
lo-ω
if
的两个射频频率成分的相位关系由正交转换为同相和反相，进而在hc2的输出端分别同相相长叠加和反相相消叠加，实现两个射频成分2ω
lo
+ω
if
和2ω
lo-ω
if
分离并由hc2的不同端口输出。
12.作为一种优选方法，本发明提供一种双波段双输出微波光子上变频混频器结构，实现功能所需器件包括：
13.一个连续波激光器cw ld，用于产生光载波；
14.一个偏振复用的双平行马赫-曾德尔调制器pdm-dpmzm，用于将if信号和lo信号并行调制到光波上，并进行偏振旋转和偏振正交合路；
15.一个光功率分束器ops，用于将激光器产生的光载波分为i和q两路，对光波的频率和偏振不敏感；
16.两个偏振控制器pc，用于改变偏振方向和偏振复用信号的相对相位；
17.两个偏振分束器pbs，用于将经过偏振反向调节并在两个偏振方向引入相对相位的偏振复用光信号进行偏振投影和线性组合，构造出包含三个光频成分的一对线偏振光信号，这三个偏振成分的幅度分别相等、且具有特定相位关系；
18.两个光平衡探测电路bpd，用于将两个pbs输出的四路光信号进行光平衡探测，分别产生两个频率上变换的射频信号，且两个bpd输出每个射频信号相位正交；
19.两个2
×
2 90
°
微波电桥，用于将两个bpd输出的射频光电流耦合，同时在两个输出端口引入90
°
相对相移，使同一输出端口的射频信号的相位转换为同相或反向，两个频率上变换成分相干叠加，进而实现二者的分离和分开输出。
附图说明
20.图1为本发明提出的一种可进行上变频的双波段双输出微波光子混频器原理框图及框图中(a)点至(j)点的光谱或频谱示意图；
21.图2为x-dpmzm输出的光谱图；
22.图3为y-dpmzm输出的光谱图；
23.图4为pdm-dpmzm输出的光谱图；
24.图5为平衡探测器i路输出的频谱图；
25.图6为平衡探测器q路输出的频谱图；
26.图7为电桥输出端口1的输出上变频信号频谱图；
27.图8为电桥输出端口2的输出上变频信号频谱图；
28.图9为上变频信号8-11ghz频率可调性测试频谱图；
29.图10为上变频信号13-16ghz频率可调性测试频谱图；
30.图11为无杂散动态范围性能测试图。
具体实施方式
31.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
32.图1为本实施例的系统原理框图以及框图中(a)点至(j)点的光谱或频谱示意图。本发明提供了一种可进行上变频的双波段双输出微波光子混频方法和系统。由激光器发出的光波注入偏振复用的双平行马赫-曾德尔调制器pdm-dpmzm中。调制器输出的光信号被功率分束器ops等分为两路，分别送至两个调控光路。每个调控光路均由一个偏振控制器pc和一个偏振分束器pbs构成。为了构建i/q正交结构实现无用信号相位相消，调节下路通道中的pc，引入90
°
相移，经平衡探测器光电转换后即可实现i/q混频。所产生的光电流经2
×
2的90
°
微波电桥后，即可从电桥的两个通道分别输出两路不同频率的电信号，从而实现双波段双输出上变频功能。为实现上述效果，需要采用下述步骤：
33.首先，连续波激光器产生一个中心载频为193.100thz，线宽为10mhz，功率为19dbm光载波，表达式为e
in
(t)＝e0e
jωct
，e0表示光的幅度，ωc表示光的角频率。产生的线偏振光载波注入到集成pdm-dpmzm中，pdm-dpmzm由一个光功率分束器、两个平行的子dpmzm(x-dpmzm和y-dpmzm)、一个90
°
偏振旋转器(90
°
pr)和一个偏振合束器(pbc)组成。中频if信号由正弦
信号发生器产生，频率为2ghz，功率为13dbm。本振lo信号频率为6ghz，功率为19dbm。x-dpmzm用来调制中频(if)信号，其中两个子调制器xa和xb均工作在最小偏置点，主调制器工作在正交偏置点。假设调制器消光比无限大，从x-dpmzm输出的线偏振光信号可以表示为：
[0034][0035]
式中，ω
if
为if信号的角频率。x-dpmzm的调制指数β1＝πv
if
/v
π
，其中v
if
为if信号的幅度，v
π
为调制器的半波电压。由于注入到x-dpmzm的if信号功率较小，因此二阶及以上的高阶边带影响可忽略不计。x-dpmzm输出的光谱图如图2所示，光载波抑制比可达29.0db。y-dpmzm同样包含两个子调制器ya和yb。ya工作在最大传输点，在lo信号的驱动下产生光载波和正负二阶光边带；yb只加合适的直流偏置电压v
dc
。从y-dpmzm输出的线偏振光信号可以表示为：
[0036][0037]
式中，ω
lo
为lo信号的角频率。y-dpmzm中ya的调制指数β2＝πv
lo
/vπ，yb的调制指数β3＝πv
dc
/v
π
，其中v
lo
为lo信号的幅度，v
dc
为直流信号的幅度。为了抑制y-dpmzm中的光载波，应满足下列条件：
[0038]
j0(β2)＝cosβ3[0039]
调节子调制器yb的直流偏置电压v
dc
，使y-dpmzm的光载波刚好被完全抑制。此时y-dpmzm输出光谱图如图3所示，光载波抑制比达27.8db。当光载波被抑制时，从y-dpmzm输出的线偏振光信号可表示为
[0040][0041]
y路线偏振光信号经90
°
偏振旋转器后与x路线偏振光信号经偏振合束器合路，表达式可以表示为
[0042][0043]
经偏振合束后的输出光谱图如图4所示。随后，光信号被一个光功率分束器分成两路(i路和q路)。在每路中，正交的偏振复用信号经过pc和pbs后变为线偏振光。i路和q路总共产生四个偏振光信号，可以表示为
[0044][0045]
其中，α和β分别为i路和q路pbs的偏振角度，和分别为i路和q路pc引入的两
个偏振态的相位差。为了使得输出光功率达到最大，调整pbs偏振角度α和β均为45
°
。根据bpd的差分特性，经过bpd后，i路和q路输出的电信号表达式应为
[0046][0047][0048]
其中为bpd的响应度。当时，i路和q路呈正交态，此时输出的光电流表达式为
[0049][0050][0051]
i路和q路光电流输出频谱图如图5和图6所示。从频谱图中可以看出共包含8种不同频率成分的信号(2ghz,4ghz,8ghz,10ghz,12ghz,14ghz,22ghz和26ghz)，其中，2ghz为if信号的频率泄露，12ghz为两倍lo信号频率泄露。4ghz和8ghz分别为ω
lo-ω
if
和ω
lo
+ω
if
的频率泄露，22ghz和26ghz分别为4ω
lo-ω
if
和4ω
lo
+ω
if
的频率泄露；10ghz和14ghz分别为2ω
lo-ω
if
和2ω
lo
+ω
if
两个需要输出的有用信号频率。上述六个杂散频率成分的出现是由于光调制器的有限消光比造成的，其功率比有用信号至少小30db,通过提高光调制器消光比可以进一步降低杂散频率成分幅度。经过2
×
2的90
°
微波电桥后，电桥输出的两个端口表达式为
[0052][0053][0054]
电桥输出端口1和端口2的输出信号频谱图如图7和图8所示。从图7可以看出输出端口1中10ghz频率的功率最大，是本方案所需的上变频信号，且无用信号杂散抑制比可达30.6db。与此同时，从图8可以看出输出端口2中14ghz频率的功率最大，是本方案所需的另一个波段的上变频信号，且无用信号杂散抑制比可达28.1db。从上述两式可以看出，两个输出端口分别产生了两个不同频率的信号,实现了双波段双输出谐波上变频功能。
[0055]
随后进行了频率可调性测试，设定if信号从1ghz到4ghz进行调节，步进0.5ghz，同时使得lo信号频率保持在6ghz。测试结果表明，该方案可以实现上变频信号频率8-11ghz(x波段)以及13-16ghz(ku波段)的频率可调谐，杂散信号抑制比分别为30.6db和27.6db，测试图如图9和图10所示。
[0056]
最后为了验证该方案的线性度，通过仿真测量了该系统的无杂散动态范围，中频if信号采用2ghz和2.1ghz的双音信号。最终测得该方案的无杂散动态范围为96.8db
·
hz
2/3
，测试图如图11所示。
[0057]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种双波段双输出微波光子上变频混频方法，其特征包括：由激光器发出的角频率为ω
c
的线偏振光波注入到偏振复用的双平行马赫-曾德尔光调制器pdm-dpmzm中，被角频率为ω
if
的中频信号和角频率为ω
lo
的本振信号并行调制和偏振正交合路，光调制器输出的光信号被光功率分束器ops等分为i和q两路，分别送至两并行调控光路，每个调控光路均由一个偏振控制器pc和一个偏振分束器pbs构成，为了构建i/q结构实现无用信号相消，通过调节两个光路中的pc，使两路光信号边带之间引入90
°
的相对相移，同时实现if调制光信号和lo调制光信号的偏振投影和线性组合，进一步分为四路线偏振光，经两个光平衡探测器bpd实现正交混频和光电转换，产生的i路和q路光电流均包含角频率为2ω
lo-ω
if
和2ω
lo
+ω
if
的两频率上变换的射频信号且二者的相位i/q正交，所产生的光电流经2
×
2的90
°
电桥hc2进行相移和交叉耦合实现相干叠加，两上变频射频信号被分离并从电桥hc2的两个输出端口输出，从而实现双波段上变频射频信号分离输出。2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述连续波激光器cw ld：连续波激光器cw ld发出角频率为ω
c
的线偏振光波，具有恒定的光电场幅度和频率、稳定的偏振方向和相位。3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述偏振复用的双平行马赫-曾德尔调制器pdm-dpmzm：在pdm-dpmzm中，注入线偏振光波被等功率分为x和y两路，分别注入到x-dpmzm和y-dpmzm；通过调节x-dpmzm的直流偏置电压使x-dpmzm的两个子调制器均工作在最小偏置点、主调制器工作在正交偏置点，中频信号if经90
°
电桥hc1加载在x-dpmzm的两个子mzm的射频电极对x路光波进行载波抑制单边带调制，产生只包含角频率为ω
c
+ω
if
的if调制的线偏振光信号；通过调节y-dpmzm的直流偏置电压，使y-dpmzm的子调制器mzm-c工作在最大传输点，子调制器mzm-d的直流偏置取合适值，使输出光波与mzm-c输出的光载波幅度相等且相位相反，主调制器偏置电压为零，本振信号lo只加载在y-dpmzm的子mzm-c的射频电极上，y路光波经y-dpmzm调制产生包含ω
c
+2ω
lo
和ω
c-2ω
lo
两个光频成分的lo调制线偏振光波，并经光偏振旋转器旋转90
°
后与if调制的线偏振光信号偏振正交合路，输出包含角频率为ω
c
+ω
if
、ω
c
+2ω
lo
和ω
c-2ω
lo
三个光频成分的偏振复用的光信号。4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述光功率分束器ops：分光比为1：1，且对光波的频率和偏振不敏感，对pdm-dpmzm输出的偏振复用的光信号等功率分为i和q两路。5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述两个由偏振控制器pc和偏振分束器pbs构成的调控光路：一个调控光路通过pc对i路光波进行偏振旋转，使偏振复用光信号中正交的lo调制线偏振光波和if调制的线偏振光信号的偏振方向与pbs的透射主轴成45
°
，实现两个正交成分等功率反相投影到pbs的输出轴，进而实现lo调制线偏振光波和if调制线偏振光信号的线性组合，产生两路均包含角频率为ω
c
+ω
if
、ω
c
+2ω
lo
和ω
c-2ω
lo
三个光频成分且偏振方向相同，但两路光信号的三个光频成分之间相位正交；另一调控光路同样通过pc对q路光波进行偏振旋转，同样地使正交的lo调制线偏振光波和if调制的线偏振光信号等功率反相投影到pbs的输出轴，实现lo调制线偏振光波和if信号调制的线偏振光波的线性组合；但两调控光路的pc使i路和q路输出的两对线偏振光信号的三个光频成分具有不同的相对相位，i路
和q路光波的相对相位为90
°
。6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述两个光平衡探测器bpd：分别由两个对称的光电探测器和差分放大电路构成，具有相同的性能参数和足够的响应带宽，由两个pbs输出的四路光信号分别注入两个光平衡探测器bpd，分别进行平方律探测和差分叠加，输出光电流均包含2ω
lo
+ω
if
和2ω
lo-ω
if
两个频率上变换的射频信号，但二者相位正交。7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述两个2
×
2的90
°
微波电桥hc：第一个90
°
微波电桥hc1用于将从端口输入的中频if信号分成等功率的两个相位正交的信号，使x-dpmzm能够对光波实现载波抑制单边带调制；第二个电桥hc2将包含2ω
lo
+ω
if
和2ω
lo-ω
if
但相位正交的i路信号和q路信号分别等功率正交分路并耦合，使来自i路和q路的、角频率为2ω
lo
+ω
if
和2ω
lo-ω
if
的两个射频频率成分的相位关系由正交转换为同相和反相，进而在hc2的输出端分别同相相长叠加和反相相消叠加，实现两个射频成分2ω
lo
+ω
if
和2ω
lo-ω
if
分离并由hc2的不同端口输出。8.一种双波段双输出微波光子上变频混频器，其特征在于，其包括：一个连续波激光器cw ld，用于产生光载波；一个偏振复用的双平行马赫-曾德尔调制器pdm-dpmzm，用于将if信号和lo信号并行调制到光波上，并进行偏振旋转和偏振正交合路；一个光功率分束器ops，用于将激光器产生的光载波分为i和q两路，对光波的频率和偏振不敏感，；两个偏振控制器pc，用于改变偏振方向和偏振复用信号的相对相位；两个偏振分束器pbs，用于将经过偏振反向调节并在两个偏振方向引入相对相位的偏振复用光信号进行偏振投影和线性组合，构造出包含三个光频成分的一对线偏振光信号，这三个偏振成分的幅度分别相等、且具有特定相位关系；两个光平衡探测电路bpd，用于将两个pbs输出的四路光信号进行光平衡探测，分别产生两个频率上变换的射频信号，且两个bpd输出每个射频信号相位正交；两个2
×
2 90
°
微波电桥，用于将两个bpd输出的射频光电流耦合，同时在两个输出端口引入90
°
相对相移，使同一输出端口的射频信号的相位转换为同相或反向，两个频率上变换成分相干叠加，进而实现二者的分离和分开输出。

技术总结
本发明提供了一种双波段双输出微波光子上变频混频器。中频信号IF和本振信号LO经偏振复用的双平行马赫-曾德尔调制器PDM-DPMZM调制到激光器发出的光波上，产生偏振复用的光信号，经光功率分束器OPS分为两路，分别经过由一个偏振控制器PC和一个偏振分束器PBS构成的调控光路调节两个光频成分之间的相位并对偏振成分线性组合和分路，使两路光信号边带之间引入90


技术研发人员：马健新 贾沛然
受保护的技术使用者：北京邮电大学
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/8/24