2μm波段的高质量光生微波实现系统

本发明属于光纤通信和光纤，具体涉及一种光生微波技术。

背景技术：

1、随着无线通信技术对信息传输速率要求的提高，现有系统容量已经不能满足无线通信传输数据的带宽需求，微波技术势必朝着更高的频率发展。微波信号源作为各个微波系统的心脏，其质量直接影响着整个系统的性能，微波系统对微波载波源的谱纯度、噪声和稳定性等指标都提出了更高的要求。传统的基于电子学的高频可调谐微波产生方法面临着高频信号产生难、电域处理带宽受限和传输损耗大等问题。而基于光子技术生成高频可调谐微波信号具有系统简单、带宽大和损耗低等优势，基于光子学技术产生高频可调谐微波信号的光生微波技术迄今为止吸引了国内外众多研究团队的广泛关注。

2、现有的光生微波技术大多集中在传统通信波段(c波段)，是基于标准单模光纤链路来运行的。然而，具有实体纤芯的标准单模光纤会面临偏振态随机变化、高功率光注入下的光纤损伤以及非线性现象等物理特性的限制。其次，在其低传输损耗窗波段(c波段，1530～1565nm)，标准单模光纤的带宽资源也十分有限(35nm)。而对于2μm空芯光子带隙光纤，得益于特殊的中空结构，具有高光纤损伤功率阈值、稳定偏振态、低至0.1db/km的传输损耗、接近于真空的延迟以及低非线性等优点。同时，在2μm波段，宽带掺铥光纤放大器具有200nm左右的工作带宽并能够提供大于35db的光功率增益，能够提高光生微波的光源功率；基于铟镓砷材料的pin型光电探测器在理论上可通过提高本征吸收层材料(ingaas)的铟含量，使该类型探测器在2μm波段具有更高的响应度，能够使光生微波系统达到更高的光电能量转化效率。此外，工作于2μm波段的光器件如窄线宽半导体激光器、马赫-曾德尔调制器、微环光调制器以及高速光电探测器也被逐步开发出来。因此，基于2μm空芯光子带隙光纤传输的2μm波段光生微波系统可实现相较于传统波段更高效率的光生微波。

3、在众多基于光子学生成微波信号的方案中，光外差法自被报道以来就被公认为是光域生成微波信号最简单、有效的方法。其基本原理是使用两个光波长在光电探测器处拍频产生频率为两个光波长频率差的微波信号。但光外差法直接使用两个独立的自由运行激光器作为光源，每个激光器输出的光波相位随机且频率不稳定，导致产生的微波信号相噪性能较差。为了得到两个稳定且相位匹配的光波长：早在1983年，美国华盛顿纳瓦尔课题组的l.goldberg等人采用光注入锁定的方式，将一个0.83nm波段的半导体激光器作为主激光器，利用直接调制的方式使其产生高阶边带，并通过空间光的方式将两个从激光器的工作波长锁定在±2阶的边带信号上，最终获得的微波频率为调制信号的四倍，且微波信号的线宽经过注入锁定之后有了极大的优化，从50mhz压缩至小于5khz。但光注入锁定法产生的光生微波的相位噪声和可调谐性取决于应用的微波参考源；其以微波参考源输出的射频调制信号的频率为频率间隔进行步进调谐，因此也要求从激光器的波长波动范围至少小于两倍的调制信号频率，这些因素都易受到工作温度的影响，温度漂移会导致光注入锁定系统失锁。1983年，r.c.steele等人首次设计提出了利用光学锁相环系统锁定两个半导体激光器的相位，将两个半导体激光器在光电探测器处拍频产生的电信号的相位与参考射频本地振荡器的相位进行比较，然后将产生的相位误差用作反馈信号反馈给本振激光器以锁定两个半导体激光器的相位，最终得到线宽为1mhz的光生微波。但光锁相环法需要两个激光源本身的线宽较窄，且要求低延迟的反馈环路和较高的环路稳定性，这就对环路中使用的器件有极高的要求，整个系统复杂、成本高，限制了光锁相环的实际应用。1995年，肯特大学电子工程实验室的david wake和claudio r.lima等人提出了双波长激光器法，使用双模多段分布反馈半导体激光器的两个纵模在光电探测器处拍频产生光生微波，实验得到了42ghz和57ghz微波信号具有高稳定性且在100khz频率偏移处的噪声小于-85dbc/hz。但是双波长激光器法光生微波的可调谐性较差。

4、综上所述，传统通信波段的光生微波系统面临着有实芯光纤带来的偏振态随机变化、高功率光注入下的光纤损伤以及非线性现象等物理特性的限制，且带宽资源有限。而基于2μm波段空芯光子带隙光纤的光生微波系统，有着更加丰富的带宽资源，高光纤损伤功率阈值、高速率、稳定偏振态、低损耗、低延迟、低非线性等优点，且能够获得更高的光电转换效率。光生微波技术的发展方向是产生频率高，调谐性好，相噪低且稳定的微波信号，此外要尽量降低系统的成本与复杂度。光外差法满足结构简单、可调谐、大带宽等特点，但是两台独立的激光器之间相位不相关，导致生成的微波信号相位噪声较差，同时由于激光器的频率漂移，微波信号的稳定性也不高。一些改进方案如光注入锁定法、光锁相环法以及双波长激光器法等，虽然在一定程度上改善了微波信号的相噪，但往往存在系统复杂，器件昂贵，成本过高并且难以大规模实现的缺点。

技术实现思路

1、本发明的所要解决的技术问题：传统通信波段的光生微波技术面临实芯光纤带来的偏振态随机变化、高功率光注入下的光纤损伤以及非线性现象等物理特性的限制，且带宽资源有限。在2μm波段，光生微波系统有着更丰富的带宽资源以及更高的光电转换效率，且通过2μm空芯光子带隙光纤传输有着高光纤损伤功率阈值、高速率、稳定偏振态、低损耗、低延迟、低非线性等优点。本发明将光生微波技术扩展至2μm波段，并基于一个强度调制器以及空芯光子带隙光纤传输，提出了一种产生高质量光生微波信号的方案

2、本发明的技术方案：

3、一种2μm波段的高质量光生微波实现系统，包括光源，光源射出的光依次通过光放大器、光隔离器、偏振控制器进入强度调制器，强度调制器由射频源和直流源驱动。用射频源输出正弦类型的射频调制信号，并用直流源输出直流偏置电压驱动强度调制器以产生光频梳，将光频梳输入接收端的光电探测器进行光电能量转换得到光生微波。

4、所述光源通过一个激光二极管控制器驱动一个2μm单模半导体激光器。

5、通过2μm空芯光子带隙光纤将得到的光频梳信号传输到接收端。

6、接收端采用一个工作波长覆盖了2μm波段的富铟铟镓砷pin型光电探测器进行光电能量转换。

7、通过控制驱动强度调制器的射频信号幅度vrf和直流偏置电压vdc使强度调制器产生三线或五线平坦光频梳。

8、若要获得三线平坦光频梳，则需要满足表达式：

9、j0(m)[exp (jφ)+exp (-jφ)]＝j1(m)[(exp (jφ)-exp (-jφ)]

10、其中是射频信号的调制指数；φ＝πvdc/vπ是直流偏置电压vdc引起的相位变化；vπ是强度调制器的半波电压；jn(·)表示第一类n阶贝塞尔函数。

11、若要获得五线平坦光频梳，则需要满足表达式：j0(m)＝j2(m)

12、j0(m)[exp (jφ)+exp (-jφ)]＝j1(m)[(exp (jφ)-exp (-jφ)]

13、其中是射频信号的调制指数；φ＝πvdc/vπ是直流偏置电压vdc引起的相位变化；vπ是强度调制器的半波电压；jn(·)表示第一类n阶贝塞尔函数。

14、强度调制器产生光学频率梳原理：

15、如图1是单个强度调制器产生光频梳系统，设激光器输出幅值和中心角频率分别为e0和ωc的光信号：ein(t)＝e0exp(jωct)

16、由于强度调制器的偏振敏感性，用一个偏振控制器控制激光偏振态，使调制器达到最佳调制效果。射频源输出的射频调制信号为vrf(t)＝vrfsin(ωrft)，其中ωrf和vrf分别是射频信号的角频率和幅值，直流源输出直流偏置电压为vdc，此时强度调制器输出的光信号eout(t)为：

17、

18、其中jn(·)表示第一类n阶贝塞尔函数，m＝πvrf/vπ是射频信号的调制指数，φ＝πvdc/vπ是直流偏置电压vdc引起的相位变化，vπ是强度调制器的半波电压，那么所产生的载波e0(t)、正负一阶边带为e±1(t)和正负二阶边带e±2(t)为：

19、

20、

21、

22、为了使载波和正负一阶边带幅值相等，即满足|e0(t)|＝|e±1(t)|表达式，从而产生3线平坦光梳，将上述公式化简可得：

23、j0(m)[exp(jφ)+exp(-jφ)]＝j1(m)[(exp(jφ)-exp(-jφ)]     (3)

24、为了满足表达式(3)，可调节的变量有两个，分别是调制指数m和直流相位变化φ。理论上，调节一个变量即可实现所需结果，所以先设定其中一个变量m取适当小的值，使得高阶光边带的幅值较小，然后调节直流偏置电压vdc以产生3线平坦光梳。满足此工作条件的射频幅值和直流电压有无数组，如且或者且由贝塞尔曲线可知，当调制指数较小时，产生的高阶边带幅值相对比较小，即此时可以实现带外抑制比非常高的3线平坦光梳。

25、为了得到5线平坦光梳，通过设置所调射频信号幅度和直流电压，使得表达式|e0(t)|＝|e±1(t)|＝|e±2(t)|成立，那么由公式(2)化简可得：

26、j0(m)＝j2(m)

27、j0(m)[exp(jφ)+exp(-jφ)]＝j1(m)[(exp(jφ)-exp(-jφ)]  (4)

28、经计算，可以得知此时满足条件的一组取值为：调制指数直流引起的相位变化因此通过调节两个变量的值，可以产生5线平坦光梳。至此，已从理论上说明使用单个强度调制器可以产生3线或5线平坦光频梳。

29、光电探测器拍频原理：

30、如图2，假设激光1,2发出的电场表达式为：

31、

32、

33、其中e1、e2分别为两束光波的振幅，f1、f2分别为两束光波的频率，分别为两光波的初始相位。则两光波的合成电场强度为e(t)＝e1(t)+e2(t)，经过光电探测器拍频后，产生的光电流为：

34、i(t)＝rp(t)＝r|e1(t)+e2(t)|2        (3)

35、其中r＝qη/hf为光电探测器的响应度，单位是a/w，q为单位电荷，η为光电探测器的量子效率，h是普朗克常数。

36、将式(1)和(2)代入到(3)并进行展开得到：

37、

38、由式(4)可以看出，光电探测器输出的电流中第一项和第二项为倍频项；第三项为和频项，由于其频率太高，高于光电探测器的截止频率，光电探测器不响应。因此光电探测器能够响应的输出电流为：

39、

40、式(5)中第一项为直流项，第二项为两束光波的差频项，因此只要差频f1-f2小于光电探测器的截止频率，光电探测器就能够输出对应频率的电流。同时，由(5)式可以看出，若要该方法产生的微波信号稳定，需要使参与拍频的两个光波长的频率差稳定且相位匹配。

41、图3是2μm波段高质量光生微波产生系统。将强度调制器产生的光频梳信号通过空芯光子带隙光纤传输到光电探测器，那么角频率为(ωc±ωrf)的正负一阶和角频率为(ωc±2ωrf)的正负二阶光梳就能够分别拍频可以产生角频率为(2ωrf)以及(4ωrf)的二倍频和四倍频光生微波信号。且由于光频梳为一个激光器通过电光调制产生的多个光学边带，因此具有良好的相位相干性，且频率间隔稳定为调制射频信号的频率，也可与通过调整射频调制信号的频率改变光频梳的频率间隔，以达到光生微波系统的可调谐性能。同时，利用2μm空芯光子带隙光纤传输，能够充分利用其优越的传输性能，使光生微波系统拥有更加丰富的带宽资源、更高的速率、更稳定的偏振态、更低的损耗、更低的延迟以及更低的非线性等优点

42、本发明的有益效果为：

43、将光生微波技术扩展至2μm波段并利用空芯光子带隙光纤传输，能够获得相较于传统通信波段光生微波更高的传输及光电转换效率。仅使用单个强度调制器产生光学频率梳，相较于其他光频梳生成方案，不需要复杂的检测和控制系统，设备简单、可重构性以及稳定性强且输出功率大，能够生成中心频率可调、谱线间隔可变、平坦度好的光学频率梳。将光频梳应用于光生微波的合成，利用其天然的相位相干性以及频率间隔稳定性，使其在光电探测器处能够拍频产生高相位噪声性能的高质量光生微波。