一种基于光频梳的多频段微波光子变频系统

技术领域

本发明属于光电技术领域和光纤通信技术领域，具体是一种基于光频梳的多频段微波光子变频系统。

背景技术

微波变频技术被广泛应用于蜂窝移动通信、卫星通信、雷达探测等众多领域。在移动通信系统中，为了解决频谱资源短缺的困境，射频工作频段的不断提升是未来发展趋势。然而，传统的电子变频技术受限于“电子瓶颈”，对高频信号处理时存在相噪劣化、成本较高、电磁干扰等问题。此外，随着射频信号的高频化，其在空气中的传输损耗增加且绕射能力减弱，通过增加基站数量可以保证覆盖面积，但是又导致了总功耗和硬件成本急剧上升的问题。

微波光子变频技术具有大带宽、低损耗、抗电磁干扰等特性，是突破传统电子变频方法在高频段性能限制的潜在途径。对于下行链路，利用微波光子技术在中心站产生光学本振信号和中频调制边带，通过光纤传输至基站，拍频后实现信号的微波上变频和发射；对于上行链路，在基站中将接收到的射频信号加载在光载波上，通过光纤回传至中心站实现下变频。这样即能实现信号的远距离、低损耗馈送，又能用更简单的基站结构和更低的基站功耗实现信号的上下变频。

现有的微波光子变频方案中，大多通过电光调制器偏置点的调节而实现上变频和下变频功能的切换。例如，2020年F.Yang等人提出利用光电振荡器产生光学本振信号，双偏振双平行调制器（DP-DPMZM）加载中频信号，并通过DP-DPMZM偏置电压的调节实现了微波信号的上变频和下变频功能（F. Yang, D. Wang, et al., “Photonics-AssistedFrequency Up/Down Conversion With Tunable OEO and Phase Shift.” Journal ofLightwave Technology, 38(23), 2020:6446-6457）。但是这类方案中，上、下变频必须时分切换，无法在同一时刻实现发射端信号的上变频和接收端信号的下变频。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于光频梳的多频段微波光子变频系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于光频梳的多频段微波光子变频系统，直流光源与第一光纤耦合器连接，所述第一光纤耦合器与调制模块连接，所述调制模块与第一波分复用器连接。

所述第一波分复用器分别与第二电光强度调制器、第二光纤耦合器连接，第二射频源与第二电光强度调制器连接，所述第二电光强度调制器与第二光纤耦合器连接，所述第二光纤耦合器与第二色散补偿光纤连接，所述第二色散补偿光纤与第一光环形器端口1连接，所述第一光环形器端口3与第三色散补偿光纤连接，所述第三色散补偿光纤与第二光电探测器连接，所述第二光电探测器与第二电带通滤波器连接。

所述第一光环形器端口2与第二光环形器端口2之间通过单模光纤连接，所述第二光环形器的端口3与第二波分复用器的输入端连接，所述第二波分复用器分别与第一光电探测器、第三电光强度调制器连接，所述第一光电探测器与第一电带通滤波器连接，天线与第三电光强度调制器连接，所述第三电光强度调制器的输出端与第二光环形器的端口1连接。

进一步的，所述调制模块包括第一电光强度调制器和电光相位调制器，所述第一光纤耦合器与第一电光强度调制器连接，所述第一电光强度调制器与电光相位调制器连接，所述电光相位调制器与第一色散补偿光纤连接，所述第一色散补偿光纤与第一波分复用器连接，调制模块用于对直流光源产生的直流光载波进行调制，然后产生两组中心波长分别为λ

作为优化的，所述电光相位调制器与第一波分复用器之间设置有第一色散补偿光纤，所述第二光纤耦合器与第一光环形器之间设置有第二色散补偿光纤，所述第一光环形器与第二光电探测器之间设置有第三色散补偿光纤，第一色散补偿光纤、第二色散补偿光纤和第三色散补偿光纤用于对啁啾进行补偿。

直流光源产生两个波长分别为λ1、λ2的第一直流光载波和第二直流光载波，第一直流光载波和第二直流光载波通过第一光纤耦合器耦合并传输至由第一电光强度调制器和电光相位调制器组成的调制模块，然后产生两组中心波长分别为λ1、λ2光谱形状相同但互不重叠的第一光脉冲序列和第二光脉冲序列，然后通过第一色散补偿光纤对啁啾进行补偿产生超短光脉冲序列；第一射频源输出信号频率为8GHz，射频信号通过电功分器一分为二，一路驱动第一电光强度调制器，一路通过电移相器，然后通过电功率放大器驱动电光相位调制器；第一超短光脉冲序列和第二超短光脉冲序列通过第一波分复用器分路，其中，中心波长为λ1的第一超短光脉冲序列作为上行光载波，中心波长为λ2的第二超短光脉冲序列作为下行光载波。第二电光强度调制器将第二射频源产生的中频信号调制在下行光载波上，然后下行光载波通过第二光纤耦合器与上行光载波进行耦合；耦合后的光载波通过第二色散补偿光纤进行下行传输色散预补偿后，通过第一光环形器的端口1输入，再从第一光环形器的端口2输出通过单模光纤传输至第二光环形器；第二光环形器的端口2接收光载波，光载波通过第二光环形器的端口3输出至第二波分复用器进行分路，下行光载波通过第一光电探测器获得一系列上变频射频信号，再通过第一电带通滤波器选取目标上变频信号；上行光载波通过第三电光强度调制器将天线接收的射频信号调制在上行光载波上，第二光环形器的端口1接收上行光载波，上行光载波通过第二光环形器的端口2输出并通过单模光纤传输回第一光环形器，第一光环形器的端口2接收上行光载波，上行光载波通过第一光环形器的端口3输出并通过第三色散补偿光纤进行上行传输色散补偿，再通过第二光电探测器和第二电带通滤波器获得下变频信号。

本发明的有益效果是：利用两组光谱互不交叠的超短光脉冲序列分别作为下行链路和上行链路的光载波，并借助第一光环形器和第二光环形器在同一根光纤中构建上下行传输链路，同时实现了中频信号的远端上变频，以及远端射频信号的回传和下变频。此外，该系统可以通过调节第一电带通滤波器的中心频率，获得多个频段的上变频信号，并将多个频段的射频信号同时下变频至中频，通过调节第二带通滤波器的中心频率获得目标下变频信号，具有多频段变频特性。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为第一色散补偿光纤输出的光谱图；

图3为第一光电探测器输出的频谱图；

图4为第一电带通滤波器滤出的31GHz的频谱图；

图5为第二光电探测器输出的频谱图；

图6为第二电带通滤波器滤出的1GHz的频谱图；

图中：1-第一直流光源、2-第二直流光源、3-第一光纤耦合器、4-第一电光强度调制器、5-电光相位调制器、6-电功率放大器、7-电移相器、8-电功分器、9-第一射频源、10-第一色散补偿光纤、11-第一波分复用器、12-第二电光强度调制器、13-第二射频源、14-第二光纤耦合器、15-第二色散补偿光纤、16-第一光环形器、17-第三色散补偿光纤、18-第二光电探测器、19-第二电带通滤波器、20-单模光纤、21-第二光环形器、22-第二波分复用器、23-第一光电探测器、24-第一电带通滤波器、25-第三电光强度调制器、26-天线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。

如图1-图6所示，一种基于光频梳的多频段微波光子变频系统，直流光源包括第一直流光源1和第二直流光源2，第一直流光源1和第二直流光源2分别选用中心波长为1550nm、1544nm的激光器，第一直流光源1和第二直流光源2分别产生两个波长为1550nm、1544nm的第一直流光载波和第二直流光载波，第一直流光载波和第二直流光载波通过第一光纤耦合器3耦合并传输至由第一电光强度调制器4和电光相位调制器5组成的调制模块，然后产生两组中心波长分别为1550nm、1544nm光谱形状相同但互不重叠的第一超短光脉冲序列和第二超短光脉冲序列，然后通过第一色散补偿光纤10对啁啾进行补偿。第一电光强度调制器4工作在线性偏置点，电光相位调制器5的调制系数为3π，第一色散补偿光纤10采用色散系数为18ps/(nm·km)，长度为2.3km的单模光纤10，第一色散补偿光纤10输出的光谱图如图2所示。

产生超短光脉冲序列包括以下步骤：

S1：线性偏置的第一电光强度调制器4将频率为

S2：用频率为

S3：利用第一色散补偿光纤10对步骤S2获得的线性啁啾光脉冲进行啁啾量补偿，实现光脉冲的时域压缩，产生重复频率为

第一射频源9输出信号频率为8GHz，射频信号通过电功分器8一分为二，一路驱动第一电光强度调制器4，一路通过电移相器7，然后通过电功率放大器6驱动电光相位调制器5。

第一超短光脉冲序列和第二超短光脉冲序列通过第一波分复用器11分路，其中，中心波长为1550nm的第一超短光脉冲序列作为上行光载波，中心波长为1544nm的第二超短光脉冲序列作为下行光载波。第二电光强度调制器12将第二射频源13产生的加载频率为1GHz的中频信号调制在下行光载波上，然后下行光载波通过第二光纤耦合器14与上行光载波进行耦合；耦合后的光载波通过第二色散补偿光纤15进行下行传输色散预补偿后，通过第一光环形器16的端口1输入，再从第一光环形器16的端口2输出通过单模光纤20传输至第二光环形器21，第二色散补偿光纤15色散系数为-137ps/(nm·km)，长度为0.13km，单模光纤20长度设置为1km；第二光环形器21的端口2接收光载波，光载波通过第二光环形器21的端口3输出至第二波分复用器22进行分路，下行光载波通过第一光电探测器23获得一系列上变频射频信号，输出频谱图如图3所示，可以看出，产生了3dB带宽为40GHz的微波上变频信号，再通过第一电带通滤波器24选取目标上变频信号，图4为使用中心频率为31GHz的第一电带通滤波器24获得的上变频信号频谱图；上行光载波通过第三电光强度调制器25将天线26接收的频率为31GHz的射频信号调制在上行光载波上，第二光环形器21的端口1接收上行光载波，上行光载波通过第二光环形器21的端口2输出并通过单模光纤20传输回第一光环形器16。

第一光环形器16的端口2接收上行光载波，上行光载波通过第一光环形器16的端口3输出并通过色散系数为-139ps/(nm·km)，长度为0.13km的第三色散补偿光纤17进行上行传输色散补偿，再通过第二光电探测器18和第二电带通滤波器19获得下变频信号。图5为第二光电探测器18输出的频谱图。通过中心频率为1GHz的第二电带通滤波器19获得频率为1GHz的下变频信号，其频谱如图6所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。