[发明专利]一种无外部电本振可调谐的全光微波光子变频装置

权利要求书

1.一种无外部电本振可调谐的全光微波光子变频装置，其特征在于包括：窄线宽半导体激光器、非线性光环路、光电探测器和低通滤波器；

其中，非线性光环路包括分光器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、光环形器、双驱动铌酸锂调制器、直流稳压电源、电衰减器、电功分器、电移相器、光隔离器和单模保偏光纤；

光环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，单模保偏光纤包括端口a和端口b，双驱动铌酸锂调制器包括第一射频端口、第二射频端口和直流端口；

窄线宽半导体激光器产生一束功率可调的窄线宽光载波信号并输入给分光器，分光器将该窄线宽光载波信号分为泵浦光和调制光两路，并将泵浦光传输给第一偏振控制器，将调制光输出给第二偏振控制器；第一偏振控制器和第二偏振控制器分别将泵浦光和调制光调整为偏振角度相同的线偏振光；

泵浦光经第一偏振控制器调整为线偏振态泵浦光后，由光环形器的第一端口输入，并经由第二端口输出至单模保偏光纤的端口a，线偏振态泵浦光在单模保偏光纤中激发饱和受激布里渊散射，产生反向斯托克斯光；

直流稳压源的输出端口与双驱动铌酸锂调制器的直流端口相连，为其提供偏压信号；

待变频的射频信号从电衰减器输入端口输入，并经电衰减器输出给电功分器，电功分器对射频信号进行分路后输出两路输出信号，其中一路输入至双驱动铌酸锂调制器的第一射频端口，另一路经电移相器后输入至双驱动铌酸锂调制器的第二射频端口；

调制光经第二偏振控制器调整为线偏振光后输入给双驱动铌酸锂调制器，双驱动铌酸锂调制器对输入的射频信号和调制光进行高阶调制，获得包含M阶射频分量的光信号后经由光隔离器从单模保偏光纤的端口b输入，并从单模保偏光纤的端口a输出，输出的光信号从光环形器的第二端口输入，第三端口输出，光隔离器用来防止后端泵浦光及反射光信号回流到双驱动铌酸锂调制器打坏器件；所述M为自然数；

反向斯托克斯光和调制光在单模保偏光纤中合路后经由光环形器的第三端口输出至光电探测器，反向斯托克斯光作为光本振信号，与光信号中的M阶射频分量在光电探测器中完成拍频及光电变换，得到包括反向斯托克斯光和M阶射频分量的差频分量在内的多个频率分量后，输出至低通滤波器，经低通滤波后输出中频信号，从而完成全光微波光子变频过程。

2.根据权利要求1所述一种无外部电本振可调谐的全光微波光子变频装置，其特征在于：所述单模保偏光纤中激发饱和受激布里渊散射，产生反向斯托克斯光；具体为：

窄线宽半导体激光器输出线宽为100KHz，初始功率为0dBm的光载波信号，并经过分光器、第一偏振控制器、光环形器后输入至单模保偏光纤，由小及大按照步进0.1dB增加窄线宽半导体激光器输出的光载波信号功率，使得泵浦光信号在单模保偏光纤中激发受激布里渊散射效应，监测单模保偏光纤的端口a处光载波信号11GHz频偏处的反向斯托克斯光分量功率，增大光载波信号功率直至监测到的反向斯托克斯光分量功率不再线性增加，此时受激布里渊散射达到饱和。

3.根据权利要求1所述一种无外部电本振可调谐的全光微波光子变频装置，其特征在于：所述双驱动铌酸锂调制器对输入的射频信号在光载波上进行高阶调制；具体为：

根据双驱动铌酸锂调制器的双电极特性和波导对称性，对双驱动铌酸锂调制器波导的频率响应函数进行泰勒展开和贝赛尔函数转换，得到简化后的双驱动铌酸锂调制器输出电场表达式为：

$\begin{array}{c}{E}_{MZM}\left(t\right)=\frac{1}{2}{E}_{in}\left(t\right)\[2{\mathrm{cos\θJ}}_0\left(m\right)\\ +\left(2j\exp \right(j\mathrm{\θ})\sin \left(\mathrm{\ω}t\right)+2j\exp (-j\mathrm{\θ})\sin (\mathrm{\ω}t+\mathrm{\ψ}))J_1\left(m\right)\\ +\left(2j\exp \right(j\mathrm{\θ})\cos \left(2\mathrm{\ω}t\right)+2j\exp (-j\mathrm{\θ})\cos (2\mathrm{\ω}t+2\mathrm{\ψ}))J_2\left(m\right)\\ +\left(2j\exp \right(j\mathrm{\θ})\sin \left(3\mathrm{\ω}t\right)+2j\exp (-j\mathrm{\θ})\sin (3\mathrm{\ω}t+3\mathrm{\ψ}))J_3\left(m\right)\\ +\left(2j\exp \right(j\mathrm{\θ})\cos \left(4\mathrm{\ω}t\right)+2j\exp (-j\mathrm{\θ})\cos (4\mathrm{\ω}t+4\mathrm{\ψ}))J_4\left(m\right)\]\end{array}$

式中，E_in(t)为双驱动铌酸锂调制器输入的调制光信号，θ为加载在双驱动铌酸锂调制器上的直流偏压，ω为电衰减器输入端加载的射频信号角频率，ψ为双驱动铌酸锂调制器两个射频端口输入的射频信号相位差，m为双驱动铌酸锂调制器上下两个电极的调制指数，且m＝πV/V_π，其中，V为输入射频信号的幅度，V_π为双驱动铌酸锂调制器半波电压；

上式中2cosθJ₀(m)、(2jexp(jθ)sin(ωt)+2jexp(-jθ)sin(ωt+ψ))J₁(m)、(2jexp(jθ)cos(2ωt)+2jexp(-jθ)cos(2ωt+2ψ))J₂(m)、(2jexp(jθ)sin(3ωt)+2jexp(-jθ)sin(3ωt+3ψ))J₃(m)和(2jexp(jθ)cos(4ωt)+2jexp(-jθ)cos(4ωt+4ψ))J₄(m)]五个子项分别表示包含正负阶的M阶射频分量，M取0、1、2、3、4，根据需要的M值不同，调整m、Ψ和θ的值，从而改变子项中的分量系数，抑制非M阶射频分量，使非M阶射频分量系数等于0，实现可调谐射频信号高阶调制，由以上传输函数数学模型得到不同M值时，调制指数、射频相位差和直流偏压的参数设置关系如表1所示；

表1

N调制指数射频相位差直流偏压1/0.5π0.75π2/π033.8π0.5π45.1π0

根据表1中的数据改变电衰减器衰减量、电移相器移相大小和直流稳压源输出电压实现m、ψ和θ值的改变，从而输出不同的中频信号，具体为：

当M＝1时，改变电衰减器衰减量使输入调制器的射频信号功率为-10dBm，电移相器对射频信号移相0.5π，即90°，直流稳压源调整输入调制器电压角度值为0.75π，此时得到的中频信号频率为|f_RF-f_s|；

当M＝2时，改变电衰减器衰减量使输入调制器的射频信号功率为0dBm，电移相器对射频信号移相π，即180°，直流稳压源调整输入调制器电压角度值为0，此时得到的中频信号频率为|2f_RF-f_s|；

当M＝3时，改变电衰减器衰减量使调制器的调制指数m＝3.8，电移相器对射频信号移相π，即180°，直流稳压源调整输入调制器电压角度值为0.5π，此时得到的中频信号频率为|3f_RF-f_s|；

当M＝4时，改变电衰减器衰减量使调制器的调制指数m＝5.1，电移相器对射频信号移相π，即180°，直流稳压源调整输入调制器电压角度值为0，此时得到的中频信号频率为|4f_RF-f_s|；

式中，f_RF为输入的射频信号频率，f_s为反向斯托克斯光与窄线宽半导体激光器输出的光信号的频偏。