專利名稱：全光產生四倍頻高速毫米波信號的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種光通信技術領域的裝置和方法，具體的說，涉及的是一種全 光產生四倍頻高速毫米波信號的裝置和方法。
背景技術：
光載無線通信是一種新興的技術，它主要結合光纖和無線通信兩大技術，利 用光纖的低損耗、高帶寬特性，提升無線接入網的帶寬和移動性，為用戶提供"隨 時，隨地，任何業務"的無線接入服務。與傳統的無線系統相比，光載無線通信 有著更廣的蜂窩覆蓋，更高的帶寬，較低的配置成本，較低的功耗以及易于動態 管理和維護等優點，能夠實現超過1Gbit/s的超寬帶無線接入，是滿足人們對寬 帶業務需求的極具競爭力的解決方案。在超寬帶蜂窩網絡、室內無線局域網絡、 視頻分布系統、智能交通通信和控制等領域具有廣泛的應用前景。隨著人們對語 音、數據、視頻以及交互式服務等移動寬帶業務需求的日益增加，以及低頻頻段的 信道擁塞和相互干擾，在光載無線通信系統中，迫切需要采用高頻毫米波(如最 近備受關注的60-GHz毫米波)攜載高速數據以提高無線通信系統的容量，同時使 無線信道突破擁擠的低頻頻段。傳統的電產生高頻毫米波的方法，受技術和工藝 的局限，配置成本高，系統復雜，得到的高頻毫米波調諧范圍窄，幅頻特性較差， 相位噪聲較高，不能很好的滿足實際的需要，特別是對于超過lOO-GHz的高頻信 號，目前電產生的方法還難以實現。而基于光頻率相乘的全光產生毫米波的技術， 產生的毫米波信號具有很高的頻譜純度和相位相干性，方法簡單，成本低，具有 很廣泛的應用前景，吸引了學術界和工業界越來越多的關注。
經對現有技術的文獻檢索發現，Chun-Ting Lin等人在《工EEE Photonics Technology Letters》(《IEEE光子技術快報》)2008年第20巻中的文意"optical millimeter-wave signal generation using frequency quadrupling technique and no optical filtering (不需要光濾波器的光子四倍頻毫米波技術)"，該文采用一個集成的雙平行馬赫曾德調制器，使用10-GHz的低速射頻信號，全光產 生了40-GHz (射頻調制信號頻率的4倍)的高速毫米波，不需要價格昂貴的高速光 電設備。但是這個方案存在如下缺點1、信號的電處理復雜，需要兩個高速功率 合路器，兩個高功率電放大器， 一個高速功率分路器， 一個高速電移相器，因此 增加了系統的配置成本；2、電處理采用多個電器件，導致插入損耗大，降低電信 號的輸入功率，并引入額外的非線性效應，影響系統的性能；3、雙平行馬赫曾德 調制器的上下兩路輸入的電信號需要嚴格的相位匹配，大大增加了系統調節的復 雜度。

發明內容
本發明的目的在于針對上述現有技術的不足，提出了一種結構簡單、成本有 效、性能優越的全光產生四倍頻高速毫米波信號的裝置和方法。本發明基于線性 的光信號處理技術，采用一個雙平行馬赫曾德調制器，通過簡單設置雙平行馬赫 曾德調制器的偏置電壓，就可以得到頻率為四倍射頻信號頻率的高速毫米波，不 需要復雜的電信號處理。
本發明是通過以下技術方案實現的
本發明涉及的全光產生四倍頻高速毫米波的裝置，包括可調光源、射頻信 號源、雙平行馬赫曾德調制器、電放大器。可調光源的輸出端口連接到雙平行馬 赫曾德調制器的光輸入端口。射頻信號源輸出的射頻信號連接到電放大器，電放 大器的輸出端口連接到雙平行馬赫曾德調制器中第一子調制器的射頻輸入端口， 第二子調制器射頻端口保持空載。最后，雙平行馬赫曾德調制器的輸出信號連接 到光頻譜儀、示波器和電譜儀的進行測試。
所述雙平行馬赫曾德調制器，由集成在單個芯片上的兩個子調制器組成，這 兩個子調制器具有同樣的結構和性能。每個子調制器具有獨立的射頻信號輸入端 口和偏置端口。另外還有一個主偏置端口，可用來調節兩個子調制器的輸出。
本發明涉及的全光產生四倍頻高速毫米波的方法，是將雙平行馬赫曾德調制 器的第一子調制器用低速射頻信號驅動，偏置點設為傳輸曲線的最高點。而第二 子調制器的射頻端口為空載。通過簡單地控制第二子調制器和主調制器的偏置電 壓，就可以得到四倍頻的高速毫米波信號。本發明采用線性的光信號處理技術，
不需要額外的光域和電域濾波器，產生的毫米波具有很好頻譜純度和相位相干性。 該技術不需要復雜的電信號處理過程，容易控制，大大降低了配置成本和系統實 現的復雜度。
本發明上述方法包括如下具體步驟.-
步驟1，可調光源產生頻率為的連續光波，被雙平行馬赫曾德調制器調
制。射頻信號源產生頻率為6^的射頻信號經過電放大器放大后，驅動雙平行馬 赫曾德調制器的第一子調制器，且偏置在其傳輸曲線的最高點。則第一子調制器 輸出包含3個波長成分的光信號。
所述的3個波長成分分別為頻率成分和兩個二階諧波成分^c ±26^ ， 它們的頻率間隔為2倍射頻信號頻率。其它高次諧波成分功率很低，可以忽略不 計。
步驟2，雙平行馬赫曾德調制器的第二子調制器的射頻端口空載，則第二子調
制器只輸出^c頻率成分的光信號。通過控制第二子調制器的偏置電壓，可以使
得第二子調制器輸出光信號的光功率和第一子調制器輸出光信號中的頻率成 分的光功率相同。
所述的第二子調制器的射頻端口空載，是指第二子調制器的射頻輸入端口沒 有加載任何射頻信號。
所述光信號的光功率可通過光譜儀進行測試得到。
步驟3，控制雙平行馬赫曾德調制器的主偏置電壓，使得第一子調制器和第二 子調制器輸出的光信號的相位完全相反，則第一子調制器中頻率成分被第二 子調制器的頻率成分完全抵消，雙平行馬赫曾德調制器最終只輸出 "c + 和A _ 2A兩個諧波成分，它們的頻率間隔為4倍射頻驅動信號
的頻率，即等于4w,。
歩驟4,將雙平行馬赫曾德調制器的輸出信號連接到光頻譜儀，以及經過光電 轉換后連接到電頻譜儀和示波器進行測試。本發明與背景技術中所提到的Chun-Ting Lin等人發表的論文中所述的方法
進行比較，具有以下的優點1、減少了兩個高速功率合路器， 一個高功率電放大
器， 一個高速功率分路器， 一個高速電移相器，因而系統成本大大降低。2、不會
引起嚴重的插入損耗，因此對電放大器的性能要求大大降低。3.電信號的處理簡
單，而且不需要嚴格的相位匹配，調節容易，因此更易在實際中實現。


圖l為本發明結構示意圖2為本發明實施例示意圖3為本發明實施例結果其中(a)為示波器測得的10-GHz射頻信號的波形，(b)為光頻譜儀測得的 雙平行調制器輸出的四倍頻率間隔的光信號的光譜，(c)為示波器測得的四倍頻 毫米波(40-GHz)信號的波形，(d)為電頻譜儀測得的四倍頻毫米波(40GHz)信 號的電譜。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護 范圍不限于下述的實施例。
如圖1所示，本實施例中，裝置包括 一個可調光源、 一個射頻信號源、一
個雙平行馬赫曾德調制器、 一個電放大器。可調光源的輸出端口連接到雙平行馬 赫曾德調制器的光輸入端口。射頻信號源輸出的射頻信號進入電放大器的輸入端， 從電放大器的輸出端口得到放大的射頻信號。電放大器的輸出端口和雙平行馬赫 曾德調制器的第一子調制器的射頻輸入端口相連。第二子調制器的射頻輸入端空 載，即沒有加載任何射頻信號。最終從雙平行馬赫曾德調制器的光輸出端口可以 得到四倍頻的毫米波信號。
如圖2所示，本實施例中，方法實施具體歩驟為
歩驟1，可調光源產生波長為1551.0-nm的連續光波，連續光波輸入到雙平 行馬赫曾德調制器。射頻信號源發出10-GHz的射頻信號，用電放大器放大到約10V 的峰峰值電壓，輸入到雙平行馬赫曾德調制器的第一子調制器的射頻端口，用來 驅動第一子調制器，第一子調制器的偏置電壓設置為約6.5V，輸出包含3個諧波成分的光信號，它們的頻率間隔為20-GHz。
步驟2，雙平行馬赫曾德調制器的第二子調制器保持空載，在實施例中用電衰 減器進行保護，則第二子調制器只輸出1551.0-nm波長的頻率成分。第二子調制 器的偏置電壓設置為約2. 4V，使得第二子調制器輸出的1551. O-nm波長的頻率成 分和第一子調制器中的1551. O-nm波長的頻率成分的光功率相同。
步驟3,通過調節雙平行馬赫曾德調制器的主偏置電壓為約1.6V，使得第一 子調制器和第二子調制器輸出的光信號的1551.0-mn波長的頻率成分發生抵消， 得到頻率間隔為40-GHz的光信號。
步驟4，將雙平行馬赫曾德調制器的輸出的頻率間隔為40-GHz的光信號經過
一個光電探測器進行光電轉換，最終得到40-GHz的高速毫米波。
如圖3所示，是本實施例應用于圖2所示的結果。其中，圖4 (a)是10-GHz
射頻信號的波形，從波形上可以看出它的重復頻率是10-GHz;圖4(b)雙平行馬
赫曾德調制器輸出信號的光譜，從光譜上可以看出，中間的頻率成分因為相互抵
消而被抑制，其幅度比剩下的兩個頻率成分要小20-dB，剩下的兩個頻率成分的幅
度相等，頻率間隔為40-GHz;圖4 (c)是雙平行馬赫曾德調制器輸出光信號經
過光電轉換后的電信號的波形，從波形上可以看出它的重復頻率是40-GHz，和初
始的lO-GHz信號相比較，40-GHz的信號仍然保持原有的形狀，沒有發生失真。圖
4 (d)是雙平行馬赫曾德調制器輸出光信號經過光電轉換后的電信號的電譜，從
電譜上可以看出，40-GHz頻率成分的功率比其他頻率成分要高20-dB。
本發明不需要昂貴的高速光電器件和復雜的光/電信號處理技術，大大降低了
配置成本，簡化了系統結構。如果采用高速器件，不必改變系統的結構，就可以
很容易的提升到100-GHz以上的頻段，在未來的無線寬帶通信中具有廣泛的應用前景。
權利要求
1.一種全光產生四倍頻高速毫米波的裝置，包括可調光源、射頻信號源、雙平行馬赫曾德調制器、電放大器，其特征在于，所述雙平行馬赫曾德調制器由兩個子調制器組成，可調光源的輸出端口連接到雙平行馬赫曾德調制器的光輸入端口，射頻信號源輸出射頻信號進入電放大器的輸入端，從電放大器的輸出端口得到放大的射頻信號，電放大器的輸出端口和雙平行馬赫曾德調制器的第一子調制器的射頻輸入端口相連，第二子調制器的射頻輸入端空載，雙平行馬赫曾德調制器的光輸出端口輸出四倍頻的毫米波信號。
2、 根據權利要求1所述的全光產生四倍頻高速毫米波的裝置，其特征是，所 述雙平行馬赫曾德調制器，由集成在單個芯片上的兩個子調制器組成，這兩個子 調制器具有同樣的結構和性能，每個子調制器具有獨立的射頻信號輸入端口和偏置端口，另外還有一個主偏置端口，用來調節兩個子調制器的輸出。
3、 一種全光產生四倍頻高速毫米波的方法，其特征在于，包括如下歩驟步驟1,頻率為Wc的單波長可調連續光，被雙平行馬赫曾德調制器調制，射頻信號源產生頻率為6^的射頻信號經過電放大器放大后，驅動雙平行馬赫曾 德調制器的第一子調制器，且偏置在其傳輸曲線的最高點，則第一子調制器輸出 包含3個波長成分的光信號；步驟2，雙平行馬赫曾德調制器的第二子調制器的射頻端口空載，則第二子調制器只輸出^c頻率成分的光信號，通過控制第二子調制器的偏置電壓，使得第二子調制器輸出光信號的光功率和第一子調制器輸出光信號中的頻率成分的 光功率相同；歩驟3，控制雙平行馬赫曾德調制器的主偏置電壓，使得第一子調制器和第二 子調制器輸出的光信號的相位完全相反，則第一子調制器中頻率成分被第二 子調制器的頻率成分完全抵消，雙平行馬赫曾德調制器最終只輸出 wc + 和a>c — 2%兩個諧波成分，它們的頻率間隔為4倍射頻驅動信號 的頻率，即等于4fi^ ;步驟4，將雙平行馬赫曾德調制器的輸出信號連接到光頻譜儀，以及經過光電轉換后連接到電頻譜儀和示波器進行測試。
4. 根據權利要求3所述的全光產生四倍頻高速毫米波的方法，其特征是，步 驟一中，所述的3個波長成分分別為頻率成分和兩個二階諧波成分0C ±，它們的頻率間隔為2倍射頻信號頻率。
5. 根據權利要求3所述的全光產生四倍頻高速毫米波的方法，其特征是，步 驟二中，所述的第二子調制器的射頻端口空載，是指第二子調制器的射頻輸入端 口沒有加載任何射頻信號。
6. 根據權利要求3所述的全光產生四倍頻高速毫米波的方法，其特征是，步驟二中，所述光信號的光功率通過光譜儀進行測試得到。
全文摘要
本發明公開一種光通信技術領域的全光產生四倍頻高速毫米波信號的裝置和方法。裝置包括可調光源、射頻信號源、雙平行馬赫曾德調制器、電放大器，可調光源的輸出端口連接到雙平行馬赫曾德調制器的光輸入端口，射頻信號源輸出射頻信號進入電放大器的輸入端，從電放大器的輸出端口得到放大的射頻信號，電放大器的輸出端口和雙平行馬赫曾德調制器的第一子調制器的射頻輸入端口相連，第二子調制器的射頻輸入端空載，雙平行馬赫曾德調制器的光輸出端口輸出四倍頻的毫米波信號。方法為控制雙平行馬赫曾德調制器的兩個子調制器射頻驅動信號，以及調節雙平行馬赫曾德調制器的偏置電壓。本發明大大降低了配置成本，簡化了系統結構。
文檔編號H04B10/12GK101339346SQ20081004168
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月14日 優先權日2008年8月14日
發明者昌慶江, 蘇翼凱, 高俊明 申請人:上海交通大學