基于四个级联的偏振调制器产生高纯度32倍频毫米波信号的方法

本发明涉及信号调制，具体地说，涉及基于四个级联的偏振调制器产生高纯度32倍频毫米波信号的方法。

背景技术：

1、随着数字时代的到来，全球的数据量正在呈现井喷式爆发。这种增长趋势对通信网络的传输容量及传输质量均提出了更强的需求。因此如果能将无线通信系统的信号频段拓宽到毫米波频段，不仅可以解决频谱资源紧张的问题，而且可以获得更快的传输速率和更大的传输容量。然而，由于其电子设计和工艺的限制，在电子领域产生高频毫米波信号更加困难。相比之下，光子产生高频毫米波信号是一种更好的选择。

2、光信号处理相比于电信号处理，有着许多的优点，首先，光信号处理可以提高数字信号的处理速度；其次，光信号处理可以实现并行操作；此外，光信号处理还对电磁干扰和电气短路不敏感，正是基于上述优点，光信号处理技术得到了广泛的关注与研究。目前关于光子毫米波产生的方案，包括使用光外差法、光电振荡器、四波混频、上变频调制和外调制技术等。在各种调制方法中，外调制技术得到了广泛的研究和应用。外部调制技术主要使用调制器来调制信号，如相位调制器(pm)、马赫-曾德尔调制器(mzm)、偏振调制器(polm)等。

3、在过去的研究中，毫米波信号的产生采用了很多不同的方案，主要是使用马赫曾德尔调制器。虽然目前已经有各种利用马赫曾德尔调制器产生毫米波信号的方案，但是由于马赫曾德尔调制器需要引入直流偏置电压从而产生偏置漂移的问题，可以转而使用更为简便的偏振调制器来实现所需信号。鉴于此，我们提出了基于四个级联的偏振调制器产生高纯度32倍频毫米波信号的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于四个级联的偏振调制器产生高纯度32倍频毫米波信号的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述技术问题的解决，本发明的目的在于，提供了基于四个级联的偏振调制器产生高纯度32倍频毫米波信号的方法，首先构建用于产生高纯度32倍频毫米波信号的基于四个级联的偏振调制器的系统架构，包括依次电连接的连续波激光器cw、偏振分束器pbs、偏振合束器pbc、偏振片pol及光电探测器pd，偏振分束器pbs与偏振合束器pbc分别通过被分离为两个正交分支的上支路和下支路；上支路由级联在一起的四个子系统组成，分别表示为子系统a、子系统b、子系统c和子系统d，每个子系统内均包含一个偏振控制器pc、一个偏振调制器polm和一个偏振片pol；四个子系统同时接入同一个射频rf，子系统b、子系统c和子系统d与射频rf之间均连接有电移相器fps；下支路的偏振光束不需要调制；

3、利用上述系统架构产生高纯度32倍频毫米波信号的过程包括如下步骤：

4、s1、抑制除±(8n)阶外的偶数阶光边带：连续波激光器cw发射的光载波信号被设置为π/4的偏振分束器pbs分为上下两支偏振光束信号，每个子系统中偏振控制器pc和偏振片pol的角度都设置为π/4以抑制奇数阶光学边带；在上支路传输的信号依次经过子系统a、子系统b、子系统c和子系统d，输出除±(8n)阶外的偶数阶光边带都被抑制的毫米波信号；

5、s2、抑制±8阶光边带：通过设置合适的调制指数满足使±8阶光边带的幅度为0的条件来消除±8阶光边带；

6、s3、抑制0阶光载波：使用偏振合束器pbc将从上支路和未调制的下支路输出的信号合并，从偏振合束器pbc输出的信号接下来进入最后一个偏振片pol，调整该偏振片pol的角度，使载波信号的幅度等于零以消除0阶光载波信号。

7、作为本技术方案的进一步改进，所述偏振片pol与光电探测器pd之间连接有光谱仪osa，光电探测器pd的输出端连接有电谱仪esa。

8、作为本技术方案的进一步改进，所述步骤s1中，连续波激光器cw发射的光载波信号被设置为π/4的偏振分束器pbs分为上下两支信号，在上支路传输的信号首先经过子系统a，从子系统a输出的信号ea(t)可以表示为：

9、

10、其中，ein(t)是连续光的输入光场，还可以被写为ec和ωc分别为光载波的幅度和角频率；θ1为偏振控制器的方位角；θ2为偏振片的偏振角；m为偏振调制器的调制指数，ωm为偏振调制器的角频率，j为常规系数。

11、作为本技术方案的进一步改进，所述步骤s1中，为了抑制奇数阶光学边带，每个子系统中偏振控制器polm和偏振片pol的角度都设置为π/4；在这种情况下等式(1)可以简化为：

12、

13、将等式(2)使用第一类bessel函数展开得到：

14、

15、其中，jn(·)表示第一类n阶bessel函数；

16、由等式(3)可以看出，输出信号只包含0、±2、±4、±6等偶阶边带；为了消除除±(8n)阶外的偶阶边带，如±2阶、±4阶、±6阶、±10阶边带等，需要将三个移相器eps的角度分别设置为π/4、π/2和3π/4。

17、作为本技术方案的进一步改进，所述步骤s1中，信号传输到子系统b，从子系统b输出的信号eb(t)可以写成：

18、

19、同理，从子系统c输出的信号ec(t)表示为：

20、

21、从子系统d输出的信号ed(t)表示为：

22、

23、通过展开、合并、化简等式(6)，可以得到等式(7)，表示如下：

24、

25、其中，p、q、r和s分别表示0阶、±8阶、±16阶和±24阶光边带的幅度；

26、从等式(7)中可以看到，此时仅存在0阶、±8阶、±16阶和±24阶光边带，这意味着除±(8n)阶外的偶数阶光边带都被抑制了；并且从子系统d输出的信号就是从上支路输出的信号。

27、作为本技术方案的进一步改进，所述步骤s3中，使用偏振合束器pbc将从上支路和未调制的下支路输出的信号合并，从偏振合束器pbc输出的信号epbc(t)可以表示为：

28、

29、其中，elb(t)为下支路的光场。

30、作为本技术方案的进一步改进，所述步骤s3中，从偏振合束器pbc输出的信号接下来进入最后一个偏振片pol，并且输出的信号epol(t)为：

31、

32、其中，为最后一个偏振片pol的偏振角。

33、作为本技术方案的进一步改进，所述步骤s3中，为了消除0阶光载波信号，需要调整最后一个偏振片pol的角度，使载波信号的幅度等于零；因此可以得到等式(10)：

34、

35、通过计算，可以得到：

36、

37、因此，根据等式(11)，可以得出结论，当偏振角度设置为可以完全消除0阶光载波信号。

38、作为本技术方案的进一步改进，所述步骤s3中，最终输出信号主要包括±16阶和±24阶光边带，其中大于24的谐波可以被忽略；输出信号eout(t)可以被写为：

39、

40、由光电探测器pd产生的光电流ipd(t)可以表示为：

41、

42、其中，和g分别为光电探测器的响应度和放大增益。

43、作为本技术方案的进一步改进，还包括对最终输出信号的光带边和射频杂散的抑制比计算，具体为：

44、根据光边带抑制比(optical sideband suppression ratio,ossr)的定义，可以得出：

45、

46、同理，根据射频杂散抑制比(radio frequency spurious suppression ratio,rfssr)的定义，可以得到：

47、

48、式中，r和s分别表示±16阶和±24阶光边带的幅度。

49、与现有技术相比，本发明的有益效果：

50、1.该基于四个级联的偏振调制器产生高纯度32倍频毫米波信号的方法中，使用偏振分束器将光载波分离为两个正交分支，上支路的偏振光束用作基于偏振调制器的子系统的输入信号，通过四个级联子系统产生偶数阶光边带，下支路的偏振光束不需要调制并且通过下分支传输，用于消除光载波信号，使用四个级联的偏振调制器来获得偶数阶光学边带，并通过电移相器调整相位差以消除除±(8n)阶外的光学边带，因此系统中只含有0阶、±8阶、±16阶等光边带，通过设置调制指数和最后一个偏振片的角度，依次消除±8阶和0阶光边带，从而产生高纯度的毫米波信号，最后在pbc处对信号进行组合并使其通过偏振片以获得所需的频率32倍信号；

51、2.该基于四个级联的偏振调制器产生高纯度32倍频毫米波信号的方法中，只使用四个偏振调制器polm而不使用任何滤波器生成了频率32倍频的毫米波；该方案产生的32倍频毫米波信号与已有方案相比结构简单，所需成本低，且得到的信号质量也很好；并且相比于基于马赫曾德尔调制器实现的方案，具有更加简单的结构、更加纯净的频谱，同时避免了马赫曾德尔调制器过度依赖偏置电压出现的偏置点漂移的问题。