[发明专利]一种光子型频率下转换装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种频率下转换装置，尤其涉及一种光子型频率下转换装置及方法。

背景技术

频率下转换是微波系统的基本功能单元。传统的频率下转换通常基于宽带电混频器和本振信号源来实现，但电混频器存在着工作频率较低、工作带宽较小、仅支持单通道混频、噪声系数较高等缺陷，电本振也存在着相位噪声高、频谱纯度低、难以调谐等缺点，且易受电磁干扰、不能并行处理。为了克服电子学方法的缺点，人们提出了光子型频率下转换方法。光子型频率下转换一般先通过电光调制器将电信号转换成光信号，然后将光信号和本振信号在第二个电光调制器处混频，最后利用光电探测器进行光电转换，恢复出转换后的电信号。图1显示了一种基于级联调制器的微波光子下转换装置。受益于光子器件的大带宽和低损耗，光子型频率下转换可实现大宽带、并行处理、无电磁干扰的高效率的频率变换。同时，光电器件具有很大的波长范围，因而可利用波分复用技术携带各路信号，实现无串扰的多通道下变频，减少昂贵毫米波器件的使用，提高整体系统的可靠性。此外，转换后的光信号可直接在光载无线（RoF:Radio over Fiber）网络中进行长距离传输，从而大幅增加毫米波系统的作用范围。

在微波光子下转换中，本振信号源是决定整体系统性能的关键设备之一。这是因为光子信号和本振信号混频后，本振信号中的噪声和边模也将同时下转换到基带或中频，从而影响转换信号的质量。通常，较高频率的微波本振信号是通过低频标准信号的多级复用和滤波来实现，所获得的微波信号具有较高的相位噪声和较低的频谱纯度。近年来，一种基于光电混合方法实现的新型振荡器—光电振荡器（OEO:Optoelectronic Oscillator）可以直接产生相位噪声在频偏10kHz处低于-140dBc/Hz、边模抑制比超过70dB的高品质微波信号，并具有光、电两种输出。更为重要的是光电振荡器可以被输入信号注入锁定，用于产生下转换的本振信号，因此非常适合应用于微波光子下转换。

图2显示了一种现有利用光电振荡器来进行下转换的装置（W.Shieh,S.Yao,G.Lutes,and L.Maleki,Microwave signal mixing by using a fiber-based optoelectronic oscillator for wavelength-division multiplexed systems,in Conference on Optical Fiber Communication.OFC 97.,1997,pp.358-359.）。如图所示，待下转换微波信号通过外调制器1加载到由激光器1输出的光波长上，和作为泵浦光源的激光器2输出的光波耦合后进入外调制器2，调节光电振荡环内的射频滤波器的中心频率，使得光电振荡环内被注入锁定在由外微波源提供的射频频率上；在输出臂处得到下转换信号输出。

传统光电振荡器中使用了微波耦合器、移相器、放大器和传输线等电子器件，其最高工作频率不可避免地受到电子瓶颈的限制。虽然已有少量毫米波器件可用于构建毫米波光电振荡器，但受设计理论、材料和工艺的限制，大都存在性能低下、价格昂贵的问题。

要对微波信号进行下转换，首先要进行载频提取。微波信号的频谱中包含有离散分量（载频）和连续分量（所携带信息），载频提取的目的是选出离散分量并抑制连续分量。对于利用传统的光电振荡器进行的频率下转换方法，腔内振荡频率与微波载频频率一致，由于其带通滤波器具有一定的带宽，部分连续分量也将进入光电振荡器的反馈环，并最终恶化所提取载频的质量，影响下转换的性能。对于微波信号来说，越接近载频，频率分量携带的功率越高，因而通过降低带通滤波器的带宽，并不能有效抑制载频处的噪声和干扰。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种光子型频率下转换装置及方法，能够以低成本和高性能的低频微波器件实现对高频微波信号的载频提取，使得腔内滤波器中心频率与微波载频频率不一致，从而避免连续分量直接进入光电振荡器的反馈环，大幅提高光电振荡器所提取载频的质量，实现高性能的频率下转换。