一种基于ps-cfbg的可调谐多倍频毫米波发生器
阅读说明：本技术 一种基于ps-cfbg的可调谐多倍频毫米波发生器 (Tunable multiple frequency millimeter wave generator based on PS-CFBG ) 是由 王一群 于 2021-06-24 设计创作，主要内容包括：本发明为一种基于PS-CFBG的可调谐多倍频毫米波发生器,包括激光器、毫米波本振源、马赫增德尔调制器、PS-CFBG型可调滤波器、光纤放大器、光电探测器和带通滤波器；激光器的输出端与马赫增德尔调制器的光输入端连接,毫米波本振源的输出端与马赫增德尔调制器的电调制端连接,马赫增德尔调制器的光输出端与PS-CFBG型可调滤波器的一端连接,PS-CFBG型可调滤波器的另一端与光纤放大器的输入端连接,光纤放大器的输出端与光电探测器的输入端连接,光电探测器的输出端与带通滤波器连接。只需改变施加在啁啾光纤光栅上的两个π相移点之间的距离即可实现任意倍频因子,且倍频因子可调谐的毫米波信号的输出。(The invention relates to a tunable multi-frequency multiplication millimeter wave generator based on PS-CFBG, which comprises a laser, a millimeter wave local vibration source, a Mach-Zehnder modulator, a PS-CFBG type adjustable filter, an optical fiber amplifier, a photoelectric detector and a band-pass filter, wherein the millimeter wave local vibration source is connected with the Mach-Zehnder modulator through the tunable multi-frequency multiplication millimeter wave generator; the output end of the laser is connected with the optical input end of the Mach-Zehnder modulator, the output end of the millimeter wave local oscillation source is connected with the electrical modulation end of the Mach-Zehnder modulator, the optical output end of the Mach-Zehnder modulator is connected with one end of the PS-CFBG-type adjustable filter, the other end of the PS-CFBG-type adjustable filter is connected with the input end of the optical fiber amplifier, the output end of the optical fiber amplifier is connected with the input end of the photoelectric detector, and the output end of the photoelectric detector is connected with the band-pass filter. The output of millimeter wave signals with any frequency doubling factor and tunable frequency doubling factor can be realized only by changing the distance between two pi phase shift points applied to the chirped fiber grating.)
技术领域
本发明涉及一种基于PS-CFBG的可调谐多倍频毫米波发生器， 属于光纤通信、电光调制、信号处理领域。
背景技术
微波光子学是一门研究微波与光子间的相互作用及其应用的学 科。近年来，微波光子学的一项最重要应用是无线通信中利用光纤进 行微波载波信号的传输，被称为光载无线电(RoF,Radio over Fiber) 通信系统。RoF通信系统结合传统微波通信与光通信的优势，利用光 纤拉远延长了高频微波信号的空间传输距离，在此基础上可实现高达 Gbps量级的无线宽带接入，将网络通信容量提升一至两个数量级， 应用前景广阔。高质量毫米波的光子学产生方法是目前RoF领域的 研究热点之一。
使用光域方法实现微波信号生成的器件在微波光子学中被称为 微波光子发生器，它可以有效地解决电域瓶颈。如果微波光子发生器 用来产生毫米波频段的微波信号，也将其称之为毫米波发生器。基于 光学方法产生的毫米波频率可具有很高的连续调谐范围。毫米波的光 域生成技术经过十几年来的发展已经多种多样，关于毫米波发生器研 究工作已经有不少报道，围绕着毫米波生成问题，由于毫米波本身工 作频段很高(30～300GHz)，实验设备均要求工作于毫米波频段，因 此毫米波技术的研究重点在于利用相对低廉的技术成本产生较为稳 定并且频率可调谐的射频毫米波信号。通常采用的毫米波生成方法主 要包括直接调制法(内调制法)、间接调制法(外部调制法)、频率上 转换法和光外差法等。由于外部调制器灵活的调制方式和较高的调制 效率，其在RoF系统中得到了广泛的应用。
啁啾相移光纤光栅(PS-CFBG)是通过在啁啾光纤光栅(CFBG) 上引入相移使其频谱内出现一个或多个互相独立的窄带，可实现多通 道窄带滤波。PS-CFBG型可调滤波器以其特殊的传输特性、结构简 单等优点，可用于滤波、多路复用、光纤激光器的选频等。
光纤光栅上可调相移的引入一般是通过外部调制的手段实现的， 对光纤光栅折射率的影响是可逆的。从原理上讲，常用来引入可调相 移的方法主要有局部加热导致相移区的折射率变化和外部作用力导 致相移区的微小形变这两种。
当CFBG上同时引入两个相同的π相移时，PS-CFBG型可调滤 波器的频谱通带内会出现两个窄带，PS-CFBG型可调滤波器频谱通 带内两个窄带的滤波强度几乎一致。随着两个π相移之间的距离不断 变化，PS-CFBG型可调滤波器频谱通带内窄带的数目以及每个窄带 的滤波强度几乎保持不变，即窄带的数目以及每个窄带的滤波强度与 相移引入位置之间的距离无关。PS-CFBG型可调滤波器频谱通带内 的两个窄带滤波波长之间的波长间隔是随着CFBG上的两个π相移 之间的距离d的变化而变化的。PS-CFBG型可调滤波器频谱通带内两个窄带之间的波长间隔Δλ与两个相移点之间的距离d满足正比 关系，斜率为0.1714nm/cm。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服目前RoF系统中毫米波信 号的生成技术复杂、成本较高，并且调谐性差这一难题，并充分利用 PS-CFBG的特性，提供一种基于PS-CFBG的可调谐多倍频毫米波发 生器，实现任意倍频且倍频因子可调谐的毫米波信号的灵活生成。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于PS-CFBG的可调谐多倍频毫米波发生器，该装置包括： 激光器、毫米波本振源、马赫增德尔调制器、PS-CFBG型可调滤波 器、光纤放大器、光电探测器和带通滤波器；具体连接方式为：
激光器的输出端与马赫增德尔调制器的光输入端连接，毫米波本 振源的输出端与马赫增德尔调制器的电调制端连接，马赫增德尔调制 器的光输出端与PS-CFBG型可调滤波器的一端连接，PS-CFBG型可 调滤波器的另一端与光纤放大器的输入端连接，光纤放大器的输出端 与光电探测器的输入端连接，光电探测器的输出端与带通滤波器连接； 其中PS-CFBG型可调滤波器由压电陶瓷片和啁啾光纤光栅(CFBG) 组成。
在上述方案的基础上，所述马赫增德尔调制器输出的光双边带调 制信号包括光载波以及各阶次光边带。
在上述方案的基础上，所述马赫增德尔调制器工作在适当的工作 模式时，能够实现光双边带调制。
在上述方案的基础上，所述马赫增德尔调制器包括单驱动马赫增 德尔调制器或双驱动马赫增德尔调制器，马赫增德尔调制器能够级联 其他类型调制器以增加光边带数目，实现更多倍频因子的毫米波信号 生成。
在上述方案的基础上，在PS-CFBG型可调滤波器上施加两个一 样的π相移使其透射谱中出现两个透射峰，两个透射峰波长与光双边 带调制信号中的两个任意分量波长相吻合，选择出这两个谐波分量进 行拍频，能够实现任意倍频且倍频因子可调谐的毫米波信号的生成； 两个π相移点之间的距离d能够根据PS-CFBG型可调滤波器频谱通 带内两个窄带之间的波长间隔Δλ计算得到，Δλ与两个π相移点之 间的距离d满足正比关系且斜率为0.1714nm/cm。
在上述方案的基础上，PS-CFBG型可调滤波器中在啁啾光纤光 栅(CFBG)上的π相移点的引入是通过调节压电陶瓷片两端的驱动 电压实现的，调节方便，且引入的相移能够准确控制相移量大小。
在上述方案的基础上，激光器包括脉冲锁模激光器(MLL)或连 续波激光器(CW)。
本发明和已有技术相比所具有的有益效果如下：
本发明采用PS-CFBG型可调滤波器，只需改变施加在CFBG上 的两个π相移点之间的距离即可实现任意倍频因子，且倍频因子可调 谐的毫米波信号的输出。整个装置仅有一个激光器、一个毫米波本振 源，一个马赫增德尔调制器、一个PS-CFBG型可调滤波器、一个光 纤放大器、一个光电探测器以及一个带通滤波器组成，而PS-CFBG 型可调滤波器仅压电陶瓷片和一段CFBG组成，构建成本低，能够很 好地与通信光纤匹配，连接损耗小。本发明能够实现任意倍频，且倍 频因子可调谐的多倍频毫米波信号的产生，故而适用于微波光子领域 毫米波发生器的设计与优化等领域。
附图说明
本发明有如下附图：
图1为基于PS-CFBG的可调谐多倍频毫米波发生器示意图。
图2为马赫增德尔调制器输出的双边带调制信号示意图。
图3为实施例一中PS-CFBG型可调滤波器透射谱示意图。
图4为实施例一中产生的2倍频毫米波信号电频谱图。
图5为实施例二中PS-CFBG型可调滤波器透射谱示意图。
图6为实施例二中产生的4倍频毫米波信号电频谱图。
图7为实施例三中PS-CFBG型可调滤波器透射谱示意图。
图8为实施例三中产生的6倍频毫米波信号电频谱图。
图9为实施例四中PS-CFBG型可调滤波器透射谱示意图。
图10为实施例四中产生的1倍频毫米波信号电谱图。
图11为实施例五中PS-CFBG型可调滤波器透射谱示意图。
图12为实施例五中产生的3倍频毫米波信号电频谱图。
图13为实施例六中PS-CFBG型可调滤波器透射谱示意图。
图14为实施例六中产生的5倍频毫米波信号电频谱图。
具体实施方式
下面结合附图1至14对基于PS-CFBG的可调谐多倍频毫米波发 生器作进一步描述。
实施例一
一种基于PS-CFBG的可调谐多倍频毫米波发生器，该装置包括： 激光器11、毫米波本振源12、马赫增德尔调制器13、PS-CFBG型可 调滤波器14、光纤放大器15、光电探测器16和带通滤波器17；具 体连接方式为：
激光器11的输出端与马赫增德尔调制器13的光输入端连接，毫 米波本振源12的输出端与马赫增德尔调制器13的电调制端连接，马 赫增德尔调制器13的光输出端与PS-CFBG型可调滤波器14的一端 连接，PS-CFBG型可调滤波器14的另一端与光纤放大器15的输入 端连接，光纤放大器15的输出端与光电探测器16的输入端连接，光 电探测器16的输出端与带通滤波器17连接；其中PS-CFBG型可调 滤波器14由压电陶瓷片和一段啁啾光纤光栅组成。
本实例中毫米波本振源12产生的正弦波信号为10GHz，激光器 11的中心频率为1550.00nm，经马赫增德尔调制器13调制后光双边 带信号；载频2g、+1阶边带2a、-1阶边带2b、+2阶边带2c、-2阶 边带2d、+3阶边带2e和-3阶边带2f，如图2所示。PS-CFBG型可 调滤波器两个π相移点之间的距离为9.33cm，其透射谱如图3所示， 图3中的3a和3b分别将2a和2b，经过光纤放大器15放大，光电探 测器16拍频以及中心频率为20GHz，带宽为1GHz的带通滤波器17 滤波后，产生的2倍频毫米波信号电频谱图如图4所示。
实施例二
一种基于PS-CFBG的可调谐多倍频毫米波发生器，该装置包括： 激光器11、毫米波本振源12、马赫增德尔调制器13、PS-CFBG型可 调滤波器14、光纤放大器15、光电探测器16和带通滤波器17；具 体连接方式为：
激光器11的输出端与马赫增德尔调制器13的光输入端连接，毫 米波本振源12的输出端与马赫增德尔调制器13的电调制端连接，马 赫增德尔调制器13的光输出端与PS-CFBG型可调滤波器14的一端 连接，PS-CFBG型可调滤波器14的另一端与光纤放大器15的输入 端连接，光纤放大器15的输出端与光电探测器16的输入端连接，光 电探测器16的输出端与带通滤波器17连接；其中PS-CFBG型可调 滤波器14由压电陶瓷片和一段啁啾光纤光栅组成。
本实例中毫米波本振源12产生的正弦波信号为10GHz，激光器 11的中心频率为1550.00nm，经马赫增德尔调制器13调制后光双边 带信号；载频2g、+1阶边带2a、-1阶边带2b、+2阶边带2c、-2阶 边带2d、+3阶边带2e和-3阶边带2f，如图2所示。PS-CFBG型可 调滤波器两个π相移点之间的距离为18.67cm，其透射谱如图5所示， 图5中的5a和5b分别将2c和2d，经过光纤放大器15放大，光电探 测器16拍频以及中心频率为40GHz，带宽为1GHz的带通滤波器17 滤波后，产生的4倍频毫米波信号电频谱图如图6所示。
实施例三
一种基于PS-CFBG的可调谐多倍频毫米波发生器，该装置包括： 激光器11、毫米波本振源12、马赫增德尔调制器13、PS-CFBG型可 调滤波器14、光纤放大器15、光电探测器16和带通滤波器17；具 体连接方式为：
激光器11的输出端与马赫增德尔调制器13的光输入端连接，毫 米波本振源12的输出端与马赫增德尔调制器13的电调制端连接，马 赫增德尔调制器13的光输出端与PS-CFBG型可调滤波器14的一端 连接，PS-CFBG型可调滤波器14的另一端与光纤放大器15的输入 端连接，光纤放大器15的输出端与光电探测器16的输入端连接，光 电探测器16的输出端与带通滤波器17连接；其中PS-CFBG型可调 滤波器14由压电陶瓷片和一段啁啾光纤光栅组成。
本实例中毫米波本振源12产生的正弦波信号为10GHz，激光器 11的中心频率为1550.00nm，经马赫增德尔调制器13调制后光双边 带信号；载频2g、+1阶边带2a、-1阶边带2b、+2阶边带2c、-2阶 边带2d、+3阶边带2e和-3阶边带2f，如图2所示。PS-CFBG型可 调滤波器两个π相移点之间的距离为28.00cm，其透射谱如图7所示， 图7中的7a和7b分别将2e和2f，经过光纤放大器15放大，光电探 测器16拍频以及中心频率为60GHz，带宽为1GHz的带通滤波器17 滤波后，产生的6倍频毫米波信号电频谱图如图8所示。
实施例四
一种基于PS-CFBG的可调谐多倍频毫米波发生器，该装置包括： 激光器11、毫米波本振源12、马赫增德尔调制器13、PS-CFBG型可 调滤波器14、光纤放大器15、光电探测器16和带通滤波器17；具 体连接方式为：
激光器11的输出端与马赫增德尔调制器13的光输入端连接，毫 米波本振源12的输出端与马赫增德尔调制器13的电调制端连接，马 赫增德尔调制器13的光输出端与PS-CFBG型可调滤波器14的一端 连接，PS-CFBG型可调滤波器14的另一端与光纤放大器15的输入 端连接，光纤放大器15的输出端与光电探测器16的输入端连接，光 电探测器16的输出端与带通滤波器17连接；其中PS-CFBG型可调 滤波器14由压电陶瓷片和一段啁啾光纤光栅组成。
本实例中毫米波本振源12产生的正弦波信号为10GHz，激光器 11的中心频率为1550.00nm，经马赫增德尔调制器13调制后光双边 带信号；载频2g、+1阶边带2a、-1阶边带2b、+2阶边带2c、-2阶 边带2d、+3阶边带2e和-3阶边带2f，如图2所示。PS-CFBG型可 调滤波器两个π相移点之间的距离为4.65cm，其透射谱如图9所示， 图9中的9a和9b分别将2g和2a，经过光纤放大器15放大，光电探 测器16拍频以及中心频率为10GHz，带宽为1GHz的带通滤波器17 滤波后，产生的1倍频毫米波信号电频谱图如图10所示。
实施例五
一种基于PS-CFBG的可调谐多倍频毫米波发生器，该装置包括： 激光器11、毫米波本振源12、马赫增德尔调制器13、PS-CFBG型可 调滤波器14、光纤放大器15、光电探测器16和带通滤波器17；具 体连接方式为：
激光器11的输出端与马赫增德尔调制器13的光输入端连接，毫 米波本振源12的输出端与马赫增德尔调制器13的电调制端连接，马 赫增德尔调制器13的光输出端与PS-CFBG型可调滤波器14的一端 连接，PS-CFBG型可调滤波器14的另一端与光纤放大器15的输入 端连接，光纤放大器15的输出端与光电探测器16的输入端连接，光 电探测器16的输出端与带通滤波器17连接；其中PS-CFBG型可调 滤波器14由压电陶瓷片和一段啁啾光纤光栅组成。
本实例中毫米波本振源12产生的正弦波信号为10GHz，激光器 11的中心频率为1550.00nm，经马赫增德尔调制器13调制后光双边 带信号；载频2g、+1阶边带2a、-1阶边带2b、+2阶边带2c、-2阶 边带2d、+3阶边带2e和-3阶边带2f，如图2所示。PS-CFBG型可 调滤波器两个π相移点之间的距离为13.95cm，其透射谱如图11所 示，图11中的11a和11b分别将2g和2e，经过光纤放大器15放大， 光电探测器16拍频以及中心频率为30GHz，带宽为1GHz的带通滤 波器17滤波后，产生的3倍频毫米波信号电频谱图如图12所示。
实施例六
一种基于PS-CFBG的可调谐多倍频毫米波发生器，该装置包括： 激光器11、毫米波本振源12、马赫增德尔调制器13、PS-CFBG型可 调滤波器14、光纤放大器15、光电探测器16和带通滤波器17；具 体连接方式为：
激光器11的输出端与马赫增德尔调制器13的光输入端连接，毫 米波本振源12的输出端与马赫增德尔调制器13的电调制端连接，马 赫增德尔调制器13的光输出端与PS-CFBG型可调滤波器14的一端 连接，PS-CFBG型可调滤波器14的另一端与光纤放大器15的输入 端连接，光纤放大器15的输出端与光电探测器16的输入端连接，光 电探测器16的输出端与带通滤波器17连接；其中PS-CFBG型可调 滤波器14由压电陶瓷片和一段啁啾光纤光栅组成。
本实例中毫米波本振源12产生的正弦波信号为10GHz，激光器 11的中心频率为1550.00nm，经马赫增德尔调制器13调制后光双边 带信号；载频2g、+1阶边带2a、-1阶边带2b、+2阶边带2c、-2阶 边带2d、+3阶边带2e和-3阶边带2f，如图2所示。PS-CFBG型可 调滤波器两个π相移点之间的距离为23.25cm，其透射谱如图13所 示，图13中的13a和13b分别将2d和2e，经过光纤放大器15放大， 光电探测器16拍频以及中心频率为50GHz，带宽为1GHz的带通滤 波器17滤波后，产生的5倍频毫米波信号电频谱图如图14所示。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知 的现有技术。
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