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
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 ] 。
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
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
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
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
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 。
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 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 ] 。
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 ]
- 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 ] 。一个半导体锁模激光器产生 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 。
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 。调制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.
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.
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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 ] 。
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