微波光子信号的产生
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考虑到激光器的自身制作工艺和外界温度影 响等因素 ,激光器的输出一般都具有一定的线宽和 波长波动 ,这会使产生的信号具有比较大的相位噪 声和频率不稳定性 。通常需要采用一些锁相措施 , 如 光 相 位 锁 相 环 ( Op tical Phase2Locked Loop , O PLL ) [ 3 ] 和 光 注 入 相 位 锁 相 环 (Op tical Injection Phase2Lock Loop , O IPLL ) [ 4 ]等技术加以控制 。
光电振荡器 (OEO )作为一种新型的微波信号 发生器能产生频率从几个到上百 GHz、Q 值高达 1010 、低 相 位 噪 声 (工 作 频 率 为 10 GHz 时 , 低 于
- 140 dB c /Hz@10 kHz)的高品质信号并具有可调 谐性和光 、电两种输出 ,是一种非常理想的信号发 生装置 ,如图 4 所示 。光电振荡器 (OEO )一般是 由光源 ,强度调制器 ,滤波器 ,光电探测器构成的一 个正反馈环路 ,它利用调制器以及光纤低损耗的特 性将连续光变为稳定的 、频谱干净的射频 /微波信
相位噪声 / dBc·Hz- 1
D FB Lasers[12 ]
Two
Solid2State Laser
Indep enden t Sou rce s
Er: Yb[ 13 ]
Solid2State Laser
N d: YAG[14 ]
M aster/ Slave Lasers[15 ]
D ual2Mode L aser[16 ]
利用光纤中的非线性效应产生高次谐波的方 案也有报道 。一个由频率为 f = 6. 67 GHz的正弦 信号驱动的载波抑制调制信号被放大后注入高非 线性光纤 (HNLF)产生四波混频 ( FWM )效应 ,出现 高阶闲频光 ,利用 FBG滤出其中两个在 PD 上拍出 了频率为 40 GHz (6f)的微波信号 [ 10 ] 。 1. 4 光电振荡器
1 微波光子信号的产生
1. 1 电光调制法 最直接得到光微波信号的方法是利用电微波
信号驱动电光调制器 ,在光载波两侧产生上 、下两 个边带 ,形成光微波信号 。可用的电光调制器类型 主要有马赫 - 曾德调制器 (M ZM )和电吸收调制器 ( EAM ). 在 工 作 带 宽 方 面 , 已 报 道 的 EAM 具 有 95 GHz的工作带宽 ,并仍有提高的潜力 。在调制 的灵活性上 , M ZM 可以通过改变偏压和调制信号 电压得到载波抑制或高次谐波 (倍频 )信号输出 。 如果 M ZM 偏置在最小传输点 ,驱动正弦信号频率 为 f /2,可以得到频率为 f的载波抑制输出 。另一 种选择是采用 f/4的驱动信号 ,偏置在最大传输点 并仔细调节驱动信号幅度 ,可以得到抑制一阶边带 的信号输出 [ 2 ] 。这些被调制信号的边带在光电探 测器 ( PD )上发生拍频 ,产生所需要的微波 /毫米波 频段的信号 。调制法的信号产生 、传输和检测原理 框图如图 1所示 。
纤形成分布反馈区 ,可以在 1 - 3 GHz的范围内产 生微波信号 ,调谐性由温度变化实现 [ 7 ] 。另一类 可调谐双波长光纤激光器利用环内两个偏振态实 现 ,可 在 100 kHz - 14 GHz 实 现 可 调 谐 微 波 产 生 [8]。 1. 3 谐波频率产生
外差法的主要缺陷在于需要进行差拍的两路 不同频率的光保持稳定的相位关系以确保获得比 较小的相位噪声 ,而如果能从一个光源出发通过各 种非线性效应产生高次谐波分量 ,就可以得到具有 相对稳定相位关系的若干光频率 ,只要能从其中选 取两个进行拍频 ,则可以解决这个问题 。在前面提 到的调制非线性就是一个例子 。此外 ,借助超连续 谱 、光脉冲的宽谱或光纤中的传输非线性 ,也是可 行的方案 ,其基本思路如图 3所示 。
文江洪 ,江 阳 3 ,罗 旋
(贵州大学理学院 贵州省光电子技术与应用重点实验室 , 贵州 贵阳 550025)
摘 要 :微波光子信号的产生是微波光子技术的一个基础 。着重分析总结了电光调制法 、外差 法 、谐波产生 、光电振荡器等实现微波光子信号产生的各种方案 ,及相关的研究进展并比较了各 种方案所产生信号的性能 。 关键词 :微波光子信号 ;调制 ;谐波频率 ;外差法 ;光电振荡器 中图分类号 : TN929. 1 文献标识码 : A
对于微波通信和光子微波技术来说 ,优质的微 波信号源是一切微波领域应用的基础 ,而传统的电 微波信号产生方式有很多不足与局限 。比如 ,在上 世纪 60年代以前曾经广泛应用的微波振荡器几乎 都是由微波电真空器件如反射速调管 、磁控管 、行 波管等构成 。这类器件一般都存在工作电压高 、供 电种类繁多 、功耗大 、结构复杂 、体积庞大等缺点 , 特别是其频谱纯度低 、相位噪声大 、频率稳定度差 , 已不适应电子技术的发展 。50年代末期出现了晶 体振荡器为主振 、变容管倍频的微波倍频源 ,如石 英晶体振荡器 。但石英晶振只在低频时才具有少 数几个高 Q 值共振模式 ,这就使它不能直接产生 高频信号 。加上倍频效率的限制 ,不易在较高频率
第 26卷 第 5期 2009年 10月
贵州大学学报 (自然科学版 ) Journal of Guizhou University (Natural Sciences)
Vol. 26 No. 5 Oct. 2009
文章编号 1000 - 5269 (2009) 05 - 0062 - 04
3
微波光子信号的产生
调制法最明显的优势是可以直接得到光微波
3 收稿日期 : 2009 - 07 - 29 基金项目 : 贵州省优秀科技教育人才省长基金 ( 200998 ) ; 贵州省国际科技合作项目 [ ( 2007 ) 700102 ]; 贵州大学博士基金 [ ( 2008 )
010 ] 作者简介 : 文江洪 (1983 - ) ,男 ,贵州德江人 ,硕士研究生 ,研究方向 :光纤通信系统 , Email: hongwj - 20085186@163. com 3 通讯作者 : 江 阳 , Email: jiangyang415@163. com.
[ 3 ] A C Bordonalli , C W alton , A lwyn J Seeds. H igh performance phase locking of wide linewidth sem iconductor lasers by combined use of op tical injection locking and op tical phase lock loop [ J ]. J L ightwave Technol, 1999, 17 ( 2) : 328 - 342.
作用 。
参考文献 :
[ 1 ] A lwyn J Seeds, Keith J W illiam s. M icrowave photonics [ J ]. J L ightwave Technol, 2006, 24 ( 12) : 4628 - 4641.
[ 2 ] Peter J W inzer, Rene Jean Essiambre. Advanced op tical modulation formats [ J ]. Proceedings of the IEEE, 2006, 94 ( 5) : 952 - 985.
Laser (Nonlinear) [9 ]
Photo2HBT O scillator[17 ]
Op toelectronic O scillator[11 ]
64
- 73@10 kHz - 90@100 kHz
1
- 100@10 kHz
30
50 57 37 10 10
- 90@10 kHz
- 100@100 kHz - 77@10 kHz - 75@5 kHz - 108@10 kHz - 143@10 kHz
第 5期
文江洪 等 : 微波光子信号的产生
·63·
图 1 调制法的信号产生 、传输和检测原理框图
信号 ,但是驱动信号的质量会直接影响所得到的光 微波信号质量 。 1. 2 外差法
外差法是使用两个具有固定频差的激光器混 频后 ,通过 PD 检测 ,产生频率为激光频差微波信 号的一类方法 ,如图 2所示 。
图 4 光电振荡器原理示意图
在表 1中给出了已报道的各种利用光子技术 所产生的微波 /毫米波信号的基本性能 ,结合前面 介绍的技术方案可以看出 ,各种方法各有利弊 ,但 从生成信号的相位噪声角度来看 ,光电振荡器具有 非常优越的噪声性能 。
表 1 各种微波光子信号产生方式的性能比较
产生方式
工作频率 / GHz
除了使用两个独立的激光器进行外差 ,双波长 激光器也是一种选择 。已有报道的一种双模 DFB 激光器输出光频差为 60 GHz可用于产生微波信 号 [ 5 ] ,而另一种双区增益耦合的可调谐 DFB 激光 器 ( two section gain coup led DFB 2laser)可以实现 20
下获得大的输出功率 。这些都制约了它在频率可 调的振荡器中的应用 。在光子领域 ,由于激光器性 能的提高和各种光子器件工艺的改善 ,在光域产生 高品质的微波信号 ,特别是在高频段 (微波 /毫米 波段 )信号的产生方面显示出明显的优势 。为此 , 总结现有的微波光子信号产生方法 ,发展更有效的 光微波技术是一项有意义的工作 。
2 总结
微波通信与光纤通信相结合出现的微波光子 技术具有巨大的应用前景 。从微波光子技术的各 种应用上看 ,利用光学方法产生微波信号是其一大 特色 。设计出简单 ,低成本 ,高品质的光子微波信 号产生方案不仅对于生产生活有着重要的意义 ,在 国防科技上也有不可估量的作用 。通过对已有的 微波光子信号产生方案进行总结可以相信 ,随着光 子技术与器件的发展 ,光微波技术必将发挥更大的
·64·
贵州大学学报 (自然科学版 )
第 26卷
号 。激光器发出的连续光经电光调制器后通过光 纤传输进入光电探测器 ,光电探测器把光转变为电 信号后进入后续的选频 、放大和反馈调制器件 。在 此过程中有源器件会产生包含各种不同频率的噪 声扰动 ,这些扰动通过输出端由滤波器滤出希望起 振的频率 ,并用来反馈控制电光调制器 。环路中的 放大器提供了增益 ,信号经过多次循环后 ,就能建 立起稳定的振荡 。其振荡频率主要由滤波器的通 带特性决定 [ 11 ] 。
图 2 外差法产生微波 /毫米波信号原理示意图
应该说在 1. 1中所介绍的直接调制法调制所 得的光微波信号在检测时所产生的电微波信号也 是利用了这个原理 ,不过这种情况中所用于拍出信 号的各边带来源于同一光源 ,相互间具有特定的相 位关系 。外差法的优势在于 ,两路激光在光纤中传 输时不会受到光纤色散的影响 ,所拍出信号的功率 不会随传输距离而变化 。另外一个好处是所产生 信号的频率连续可调 ,并且可以获得很高的频率 , 探测器带宽是对所生成电信号频率的唯一限制 。 目前所报道的光探测的带宽已经可以达到 300GHz 以上 [ 3 ] 。
- 64 GHz的信号产生 [ 6 ] 。此外基于光纤结构的双 波长激光器也有报道 。一种基于光纤的 DFB 激光 器利用刻有光纤布拉格光栅 ( FBG)的掺铒 - 镱光
图 3 谐波频率产生方法
对于信号是光脉冲的情况 , Dalma Novak曾经 给出过实验演示 [ 9 ] 。一个半导体锁模激Baidu Nhomakorabea器产生 重复频率为 2. 5 GHz的光脉冲 ,通过一个自由光谱 区 ( FSR )为 37. 1 GHz的法布里 - 珀罗 ( F - P)滤 波器滤出其两个高阶边带后再在 PD 上产生拍频 产生 37. 1 GHz的信号 。
伴随微波射频通信技术的发展与光通信技术 的日益成熟 ,两者间的相互渗透成为一种需要并逐 步成为可能 。在现有器件条件下 ,在 100 GHz带宽 范围内 ,电 、光模拟信号可以很方便的自由转换 ,在 光域对模拟信号进行选频滤波 ,放大也可以方便地 实现 ,这就为微波光子 (M icrowave Photonics)技术 出现提供了基础 。微波光子技术的应用主要体现 在微波信号产生 、用于双向无线通信 、射频广播 、雷 达系统等的微波光纤传输以及微波信号处理等方 面 。这些应用的主要思想是把微波射频信号调制 在光载波上并通过光纤网络进行传输分配 ,这样做 的优点在于可以利用光纤重量轻 、低损耗 、廉价 、抗 电磁干扰等特点构建一个高性能 ,低成本 ,易于安 装维护的光子微波系统 [ 1 ] 。
光电振荡器 (OEO )作为一种新型的微波信号 发生器能产生频率从几个到上百 GHz、Q 值高达 1010 、低 相 位 噪 声 (工 作 频 率 为 10 GHz 时 , 低 于
- 140 dB c /Hz@10 kHz)的高品质信号并具有可调 谐性和光 、电两种输出 ,是一种非常理想的信号发 生装置 ,如图 4 所示 。光电振荡器 (OEO )一般是 由光源 ,强度调制器 ,滤波器 ,光电探测器构成的一 个正反馈环路 ,它利用调制器以及光纤低损耗的特 性将连续光变为稳定的 、频谱干净的射频 /微波信
相位噪声 / dBc·Hz- 1
D FB Lasers[12 ]
Two
Solid2State Laser
Indep enden t Sou rce s
Er: Yb[ 13 ]
Solid2State Laser
N d: YAG[14 ]
M aster/ Slave Lasers[15 ]
D ual2Mode L aser[16 ]
利用光纤中的非线性效应产生高次谐波的方 案也有报道 。一个由频率为 f = 6. 67 GHz的正弦 信号驱动的载波抑制调制信号被放大后注入高非 线性光纤 (HNLF)产生四波混频 ( FWM )效应 ,出现 高阶闲频光 ,利用 FBG滤出其中两个在 PD 上拍出 了频率为 40 GHz (6f)的微波信号 [ 10 ] 。 1. 4 光电振荡器
1 微波光子信号的产生
1. 1 电光调制法 最直接得到光微波信号的方法是利用电微波
信号驱动电光调制器 ,在光载波两侧产生上 、下两 个边带 ,形成光微波信号 。可用的电光调制器类型 主要有马赫 - 曾德调制器 (M ZM )和电吸收调制器 ( EAM ). 在 工 作 带 宽 方 面 , 已 报 道 的 EAM 具 有 95 GHz的工作带宽 ,并仍有提高的潜力 。在调制 的灵活性上 , M ZM 可以通过改变偏压和调制信号 电压得到载波抑制或高次谐波 (倍频 )信号输出 。 如果 M ZM 偏置在最小传输点 ,驱动正弦信号频率 为 f /2,可以得到频率为 f的载波抑制输出 。另一 种选择是采用 f/4的驱动信号 ,偏置在最大传输点 并仔细调节驱动信号幅度 ,可以得到抑制一阶边带 的信号输出 [ 2 ] 。这些被调制信号的边带在光电探 测器 ( PD )上发生拍频 ,产生所需要的微波 /毫米波 频段的信号 。调制法的信号产生 、传输和检测原理 框图如图 1所示 。
纤形成分布反馈区 ,可以在 1 - 3 GHz的范围内产 生微波信号 ,调谐性由温度变化实现 [ 7 ] 。另一类 可调谐双波长光纤激光器利用环内两个偏振态实 现 ,可 在 100 kHz - 14 GHz 实 现 可 调 谐 微 波 产 生 [8]。 1. 3 谐波频率产生
外差法的主要缺陷在于需要进行差拍的两路 不同频率的光保持稳定的相位关系以确保获得比 较小的相位噪声 ,而如果能从一个光源出发通过各 种非线性效应产生高次谐波分量 ,就可以得到具有 相对稳定相位关系的若干光频率 ,只要能从其中选 取两个进行拍频 ,则可以解决这个问题 。在前面提 到的调制非线性就是一个例子 。此外 ,借助超连续 谱 、光脉冲的宽谱或光纤中的传输非线性 ,也是可 行的方案 ,其基本思路如图 3所示 。
文江洪 ,江 阳 3 ,罗 旋
(贵州大学理学院 贵州省光电子技术与应用重点实验室 , 贵州 贵阳 550025)
摘 要 :微波光子信号的产生是微波光子技术的一个基础 。着重分析总结了电光调制法 、外差 法 、谐波产生 、光电振荡器等实现微波光子信号产生的各种方案 ,及相关的研究进展并比较了各 种方案所产生信号的性能 。 关键词 :微波光子信号 ;调制 ;谐波频率 ;外差法 ;光电振荡器 中图分类号 : TN929. 1 文献标识码 : A
对于微波通信和光子微波技术来说 ,优质的微 波信号源是一切微波领域应用的基础 ,而传统的电 微波信号产生方式有很多不足与局限 。比如 ,在上 世纪 60年代以前曾经广泛应用的微波振荡器几乎 都是由微波电真空器件如反射速调管 、磁控管 、行 波管等构成 。这类器件一般都存在工作电压高 、供 电种类繁多 、功耗大 、结构复杂 、体积庞大等缺点 , 特别是其频谱纯度低 、相位噪声大 、频率稳定度差 , 已不适应电子技术的发展 。50年代末期出现了晶 体振荡器为主振 、变容管倍频的微波倍频源 ,如石 英晶体振荡器 。但石英晶振只在低频时才具有少 数几个高 Q 值共振模式 ,这就使它不能直接产生 高频信号 。加上倍频效率的限制 ,不易在较高频率
第 26卷 第 5期 2009年 10月
贵州大学学报 (自然科学版 ) Journal of Guizhou University (Natural Sciences)
Vol. 26 No. 5 Oct. 2009
文章编号 1000 - 5269 (2009) 05 - 0062 - 04
3
微波光子信号的产生
调制法最明显的优势是可以直接得到光微波
3 收稿日期 : 2009 - 07 - 29 基金项目 : 贵州省优秀科技教育人才省长基金 ( 200998 ) ; 贵州省国际科技合作项目 [ ( 2007 ) 700102 ]; 贵州大学博士基金 [ ( 2008 )
010 ] 作者简介 : 文江洪 (1983 - ) ,男 ,贵州德江人 ,硕士研究生 ,研究方向 :光纤通信系统 , Email: hongwj - 20085186@163. com 3 通讯作者 : 江 阳 , Email: jiangyang415@163. com.
[ 3 ] A C Bordonalli , C W alton , A lwyn J Seeds. H igh performance phase locking of wide linewidth sem iconductor lasers by combined use of op tical injection locking and op tical phase lock loop [ J ]. J L ightwave Technol, 1999, 17 ( 2) : 328 - 342.
作用 。
参考文献 :
[ 1 ] A lwyn J Seeds, Keith J W illiam s. M icrowave photonics [ J ]. J L ightwave Technol, 2006, 24 ( 12) : 4628 - 4641.
[ 2 ] Peter J W inzer, Rene Jean Essiambre. Advanced op tical modulation formats [ J ]. Proceedings of the IEEE, 2006, 94 ( 5) : 952 - 985.
Laser (Nonlinear) [9 ]
Photo2HBT O scillator[17 ]
Op toelectronic O scillator[11 ]
64
- 73@10 kHz - 90@100 kHz
1
- 100@10 kHz
30
50 57 37 10 10
- 90@10 kHz
- 100@100 kHz - 77@10 kHz - 75@5 kHz - 108@10 kHz - 143@10 kHz
第 5期
文江洪 等 : 微波光子信号的产生
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图 1 调制法的信号产生 、传输和检测原理框图
信号 ,但是驱动信号的质量会直接影响所得到的光 微波信号质量 。 1. 2 外差法
外差法是使用两个具有固定频差的激光器混 频后 ,通过 PD 检测 ,产生频率为激光频差微波信 号的一类方法 ,如图 2所示 。
图 4 光电振荡器原理示意图
在表 1中给出了已报道的各种利用光子技术 所产生的微波 /毫米波信号的基本性能 ,结合前面 介绍的技术方案可以看出 ,各种方法各有利弊 ,但 从生成信号的相位噪声角度来看 ,光电振荡器具有 非常优越的噪声性能 。
表 1 各种微波光子信号产生方式的性能比较
产生方式
工作频率 / GHz
除了使用两个独立的激光器进行外差 ,双波长 激光器也是一种选择 。已有报道的一种双模 DFB 激光器输出光频差为 60 GHz可用于产生微波信 号 [ 5 ] ,而另一种双区增益耦合的可调谐 DFB 激光 器 ( two section gain coup led DFB 2laser)可以实现 20
下获得大的输出功率 。这些都制约了它在频率可 调的振荡器中的应用 。在光子领域 ,由于激光器性 能的提高和各种光子器件工艺的改善 ,在光域产生 高品质的微波信号 ,特别是在高频段 (微波 /毫米 波段 )信号的产生方面显示出明显的优势 。为此 , 总结现有的微波光子信号产生方法 ,发展更有效的 光微波技术是一项有意义的工作 。
2 总结
微波通信与光纤通信相结合出现的微波光子 技术具有巨大的应用前景 。从微波光子技术的各 种应用上看 ,利用光学方法产生微波信号是其一大 特色 。设计出简单 ,低成本 ,高品质的光子微波信 号产生方案不仅对于生产生活有着重要的意义 ,在 国防科技上也有不可估量的作用 。通过对已有的 微波光子信号产生方案进行总结可以相信 ,随着光 子技术与器件的发展 ,光微波技术必将发挥更大的
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贵州大学学报 (自然科学版 )
第 26卷
号 。激光器发出的连续光经电光调制器后通过光 纤传输进入光电探测器 ,光电探测器把光转变为电 信号后进入后续的选频 、放大和反馈调制器件 。在 此过程中有源器件会产生包含各种不同频率的噪 声扰动 ,这些扰动通过输出端由滤波器滤出希望起 振的频率 ,并用来反馈控制电光调制器 。环路中的 放大器提供了增益 ,信号经过多次循环后 ,就能建 立起稳定的振荡 。其振荡频率主要由滤波器的通 带特性决定 [ 11 ] 。
图 2 外差法产生微波 /毫米波信号原理示意图
应该说在 1. 1中所介绍的直接调制法调制所 得的光微波信号在检测时所产生的电微波信号也 是利用了这个原理 ,不过这种情况中所用于拍出信 号的各边带来源于同一光源 ,相互间具有特定的相 位关系 。外差法的优势在于 ,两路激光在光纤中传 输时不会受到光纤色散的影响 ,所拍出信号的功率 不会随传输距离而变化 。另外一个好处是所产生 信号的频率连续可调 ,并且可以获得很高的频率 , 探测器带宽是对所生成电信号频率的唯一限制 。 目前所报道的光探测的带宽已经可以达到 300GHz 以上 [ 3 ] 。
- 64 GHz的信号产生 [ 6 ] 。此外基于光纤结构的双 波长激光器也有报道 。一种基于光纤的 DFB 激光 器利用刻有光纤布拉格光栅 ( FBG)的掺铒 - 镱光
图 3 谐波频率产生方法
对于信号是光脉冲的情况 , Dalma Novak曾经 给出过实验演示 [ 9 ] 。一个半导体锁模激Baidu Nhomakorabea器产生 重复频率为 2. 5 GHz的光脉冲 ,通过一个自由光谱 区 ( FSR )为 37. 1 GHz的法布里 - 珀罗 ( F - P)滤 波器滤出其两个高阶边带后再在 PD 上产生拍频 产生 37. 1 GHz的信号 。
伴随微波射频通信技术的发展与光通信技术 的日益成熟 ,两者间的相互渗透成为一种需要并逐 步成为可能 。在现有器件条件下 ,在 100 GHz带宽 范围内 ,电 、光模拟信号可以很方便的自由转换 ,在 光域对模拟信号进行选频滤波 ,放大也可以方便地 实现 ,这就为微波光子 (M icrowave Photonics)技术 出现提供了基础 。微波光子技术的应用主要体现 在微波信号产生 、用于双向无线通信 、射频广播 、雷 达系统等的微波光纤传输以及微波信号处理等方 面 。这些应用的主要思想是把微波射频信号调制 在光载波上并通过光纤网络进行传输分配 ,这样做 的优点在于可以利用光纤重量轻 、低损耗 、廉价 、抗 电磁干扰等特点构建一个高性能 ,低成本 ,易于安 装维护的光子微波系统 [ 1 ] 。