專利名稱：基于微波光子技術(shù)的可調(diào)諧超寬帶微波信號(hào)發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光通訊領(lǐng)域，尤其是利用光子方法來產(chǎn)生超寬帶微波信號(hào)的技木。適用于可調(diào)諧地產(chǎn)生一、ニ和三階的正負(fù)極性的超寬帶微波信號(hào)。
背景技術(shù)：
超寬帶信號(hào)，又被稱為UWB信號(hào)，具有功率消耗少、低頻譜密度、抗多徑衰落等優(yōu)點(diǎn)，適用于短距離高速室內(nèi)無線通信或傳感網(wǎng)絡(luò)等。在2002年，美國(guó)通信協(xié)會(huì)批準(zhǔn)了光功率譜密度低于-42. 3dBm/MHz的超寬帶信號(hào)頻譜段(3. I 10. 6GHz)的自由使用權(quán)。因此，超寬帶信號(hào)的部分帶寬應(yīng)該大于20%或者是IOdB的頻譜帶寬大于500MHz。近年來提出了ー種基于微波光子技術(shù)的超寬帶信號(hào)發(fā)生器，即通過光子技術(shù)來產(chǎn)
生超寬帶微波信號(hào)，與一般的微波電路技術(shù)相比具有更高的靈活性，能夠可調(diào)諧地產(chǎn)生不同階的不同極性的超寬帶微波信號(hào)，適用于超寬帶信號(hào)的脈型調(diào)制和極性調(diào)制技術(shù)等。目前，基于微波光子技術(shù)的新型超寬帶信號(hào)發(fā)生器的主要采用方案有以下幾種一是基于相位調(diào)制技術(shù)與相位調(diào)制到強(qiáng)度調(diào)制的轉(zhuǎn)換技術(shù)的方案，該種方案可以實(shí)現(xiàn)一、ニ階的超寬帶微波信號(hào)產(chǎn)生，但是對(duì)相位噪聲敏感；ニ是基于正負(fù)抽頭系數(shù)的微波光子濾波器的方案，該方案通過連接不同系數(shù)抽頭實(shí)現(xiàn)了一、ニ階的超寬帶微波信號(hào)的發(fā)生，可調(diào)諧性好，但依賴于多抽頭的光子濾波器技木；三是基于不同偏置點(diǎn)的強(qiáng)度調(diào)制方案，該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但可調(diào)諧性差，只能實(shí)現(xiàn)ニ階的正負(fù)極性的超寬帶信號(hào)產(chǎn)生；四是基于光譜構(gòu)造技術(shù)與光傅立葉變換技術(shù)的方案，該方案波形構(gòu)造更加精確，但現(xiàn)有的非空間的光譜塑型方式只能產(chǎn)生一、ニ階的正負(fù)極性的超寬帶微波信號(hào)。上述四種方案都是通過微波光子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧超寬帶微波信號(hào)的產(chǎn)生，但是很少有方案能夠可調(diào)諧地產(chǎn)生一、ニ、三階的正負(fù)極性的超寬帶微波信號(hào)，制約了超寬帶信號(hào)的調(diào)制等技術(shù)的進(jìn)一歩發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供了一種基于光譜構(gòu)造技術(shù)和光傅立葉變換技術(shù)的超寬帶微波信號(hào)發(fā)生方案，使其可調(diào)諧性好、波形構(gòu)造精確，通過全光纖的可調(diào)諧光譜構(gòu)造単元和特定的光傅立葉變換單元，可實(shí)現(xiàn)一、ニ、三階的正負(fù)極性的超寬帶微波信號(hào)的發(fā)生。本發(fā)明的目的是基于如下分析和方案提出和實(shí)現(xiàn)的基于微波光子技術(shù)的可調(diào)諧超寬帶微波信號(hào)發(fā)生器，它包括可調(diào)諧光譜構(gòu)造単元109、光傅立葉變換單元107和光電轉(zhuǎn)換單元108，其中可調(diào)光譜構(gòu)造單元109由光脈沖發(fā)生器101、環(huán)型器102、特定光纖布拉格光柵103、光衰減器104、可調(diào)光梳狀濾波器105、光耦合器106構(gòu)成，環(huán)型器102與光耦合器106間設(shè)有兩支并聯(lián)光路一支順序連接特定光纖布拉格光柵103和光衰減器104-1 ;另一支順序連接可調(diào)光梳狀濾波器105和光衰減器104-2 ;可調(diào)諧光譜構(gòu)造単元109構(gòu)造的超寬帶脈沖信號(hào)形狀的光譜，通過光傅立葉變換單元107轉(zhuǎn)換為超寬帶光脈沖信號(hào)，再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，則可生成多種超寬帶微波信號(hào)。采用本發(fā)明的可調(diào)諧超寬帶微波信號(hào)發(fā)生器可實(shí)現(xiàn)I)能夠在單一的模塊中可調(diào)諧地構(gòu)造出六種不同階的不同極性的超寬帶脈沖信號(hào)形狀的光譜；2)能夠?qū)崿F(xiàn)頻域到時(shí)域的映射，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的六種超寬帶光脈沖信號(hào)；3)超寬帶微波信號(hào)發(fā)生器的可調(diào)諧性僅依賴于光譜構(gòu)造單元，且光譜構(gòu)造方法為簡(jiǎn)單的濾波和非相干疊加?？烧{(diào)諧光譜構(gòu)造単元對(duì)寬帶光源進(jìn)行兩次光譜構(gòu)造來得到超寬帶脈沖形狀的光譜1)梳狀濾波器的濾波過程；2)特定的相對(duì)位置的非相干疊加過程；根據(jù)本發(fā)明的光譜構(gòu)造法，調(diào)節(jié)梳狀濾波器的自由頻譜距離(FSR)和可調(diào)諧光衰減器的衰減量來實(shí)現(xiàn)不同種類的超寬帶信號(hào)形狀的構(gòu)造。由特定的光傅立葉變換單元，可以實(shí)現(xiàn)頻域到時(shí)域的映射，產(chǎn)生超寬帶光脈沖信號(hào)。經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換単元后，則可轉(zhuǎn)換為超寬帶微波信號(hào)。采用本發(fā)明相比其他的微波光子技術(shù)的超寬帶信號(hào)發(fā)生器，尤其是基于光譜構(gòu)造和光傅立葉變換技術(shù)的方案，本發(fā)明方案的可調(diào)諧性更好，通過給定的光譜構(gòu)造方法可以 產(chǎn)生一、ニ、三階的正負(fù)極性的超寬帶微波信號(hào)，大大提高了超寬帶微波信號(hào)發(fā)生器的靈活性。


圖I為本發(fā)明的可調(diào)諧超寬帶脈沖信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明中可調(diào)梳狀濾波器105的ー個(gè)典型結(jié)構(gòu)圖2(a)和特定調(diào)節(jié)方案圖2(b),其中虛線為可調(diào)光梳狀濾波器105的傳輸曲線,實(shí)線為特定光纖布拉格光柵103的反射光譜。圖3為本發(fā)明中的超寬帶脈沖信號(hào)發(fā)生器的光譜構(gòu)造法。圖4為本發(fā)明實(shí)施的ー個(gè)典型的光傅立葉變換單元的結(jié)構(gòu)圖。圖5為本發(fā)明產(chǎn)生的超寬帶脈沖信號(hào)和相應(yīng)的頻譜特性圖。圖6為實(shí)驗(yàn)構(gòu)造的超寬帶脈沖信號(hào)形狀的光譜圖，其中圖6(a)和圖6(b)為ー階的正&負(fù)極性的超寬帶脈沖信號(hào)形狀，圖6 (c)和圖6(d)為ニ階的正和負(fù)極性的超寬帶脈沖信號(hào)形狀，圖6(e)和圖6(f)為三階的正&負(fù)極性的超寬帶脈沖信號(hào)形狀。圖7為實(shí)驗(yàn)得到的一個(gè)ニ階的正極性的超寬帶光脈沖信號(hào)圖7(a)以及其相應(yīng)的電頻譜圖7(b)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步的描述。圖I為本發(fā)明的可調(diào)諧超寬帶脈沖信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖。該方案由可調(diào)光譜構(gòu)造單元109、光傅立葉變換單元107和光電轉(zhuǎn)換単元108組成。其中可調(diào)光譜構(gòu)造單元109由光脈沖發(fā)生器101、環(huán)型器102、特定光纖布拉格光柵103、光衰減器104、可調(diào)光梳狀濾波器105、光耦合器106構(gòu)成，環(huán)型器102與光耦合器106間設(shè)有兩支并聯(lián)光路一支順序連接特定光纖布拉格光柵103和光衰減器104-1 ；另ー支順序連接可調(diào)光梳狀濾波器105和光衰減器104-2。光脈沖發(fā)生器101具有較寬的較平坦的光譜，經(jīng)過環(huán)型器102和特定光纖布拉格光柵103的反射和透射分別形成類高斯的凸型和凹型光譜形狀。類高斯的凸型光譜經(jīng)過可調(diào)光梳狀濾波器105的濾波后，以特定的相對(duì)位置在光耦合器106中與類高斯的凹型光譜非相干疊加構(gòu)成了超寬帶脈沖形狀的光譜。再經(jīng)過光傅立葉變換單元107實(shí)現(xiàn)光頻域到時(shí)域的映射，轉(zhuǎn)換為超寬帶光脈沖信號(hào)。由光電轉(zhuǎn)換単元108則可生成為相應(yīng)地超寬帶微波信號(hào)。其中光脈沖發(fā)生器101可以為I)鎖模激光器光源與強(qiáng)度調(diào)制器順連構(gòu)成，該強(qiáng)度調(diào)制器的作用是降低脈沖串的碼率和平滑光譜曲線；2) ASE (放大自發(fā)輻射)光源與強(qiáng)度調(diào)制器順連構(gòu)成，該強(qiáng)度調(diào)制器的作用對(duì)光信號(hào)在時(shí)間上截?cái)?，產(chǎn)生光脈沖信號(hào)。圖2(a)為本發(fā)明實(shí)施中可調(diào)光梳狀濾波器105的ー種典型結(jié)構(gòu)圖，其中可調(diào)偏振模差分群時(shí)延(VDGD)器被兩個(gè)光起偏器105-1夾在中央。通過調(diào)節(jié)偏振模差分群時(shí)延(DGD)值可實(shí)現(xiàn)梳狀濾波器自由頻譜距離(FSR)和帶寬的獨(dú)立可調(diào)。圖2(b)為光梳狀濾波器的具體濾波方案，其中虛線為可調(diào)光梳狀濾波器105的傳輸曲線，實(shí)線為特定光纖布拉格光柵103的反射光譜。此時(shí)，反射光譜的寬度(BW)和中心波長(zhǎng)是既定的，則可根據(jù)圖
2(b)中的六種方案調(diào)節(jié)光梳狀濾波器105的自由頻譜距離(FSR)和中心波長(zhǎng)來實(shí)現(xiàn)特定的光濾波。 圖3為本發(fā)明中的超寬帶脈沖形狀光譜的構(gòu)造方案。其中虛線為在光耦合器106中疊加的兩分量的相對(duì)大小和位置，實(shí)線為疊加后形成的超寬帶脈沖形狀的光譜。通過有效地調(diào)節(jié)可調(diào)光衰減器104-1和104-2可實(shí)現(xiàn)一、ニ、三階的正負(fù)極性的超寬帶脈沖形狀的光譜構(gòu)造。光衰減器的調(diào)節(jié)方法如下假設(shè)光柵的反射率為111%(〈1)，可調(diào)光衰減器104-2衰減量分別為x%(〈l)，為了保證上下兩分量的相對(duì)位置，則可調(diào)光衰減器104-1的衰減量為x%+l-m%(〈l)，因此當(dāng)衰減量x%滿足相對(duì)大小關(guān)系式l-x%=R(x%+l_m%)時(shí)，其中R是光譜疊加要求的104-2支路與104-1支路信號(hào)的幅度比，則可實(shí)現(xiàn)光譜構(gòu)造。圖4為本發(fā)明實(shí)施中ー個(gè)典型光傅立葉變換單元107的方案。光在單模光纖中
傳輸時(shí)滿足 N </(2；Γ)時(shí)，其中Φ2為單模光纖的群速度時(shí)延(GDD)值，ο ^為輸入光
脈沖的寬度，則可實(shí)現(xiàn)光頻域到時(shí)域的映射。且映射的時(shí)域波形的寬度(At)與光譜寬帶(Λ λ)滿足關(guān)系A(chǔ)t= X Λ λ，其中X為色度色散量(ps/nm)，則單模光纖的總色散量由光譜構(gòu)造的譜寬帶(Λ λ)確定。通過該單元?jiǎng)t可得到超寬帶光脈沖信號(hào)。圖5為一、ニ、三階的超寬帶脈沖信號(hào)的波形和頻譜特性。超寬帶脈沖信號(hào)的時(shí)域脈沖寬帶為200ps，并具有以下特點(diǎn)對(duì)于ー階的超寬帶信號(hào)具有兩個(gè)極值點(diǎn)A、B，且它們的幅度比為1:1 ;對(duì)于ニ階的超寬帶信號(hào)具有三個(gè)極值點(diǎn)，正極性的ニ階的超寬帶信號(hào)具有ー個(gè)極大值點(diǎn)B和兩個(gè)極小值點(diǎn)A、C，且幅度比(A:B:C)為1:2:1，負(fù)極性的ニ階的超寬帶信號(hào)具有兩個(gè)極大值點(diǎn)A、C和ー個(gè)極小值點(diǎn)B，且幅度比(A:B:C)為1:2:1 ;對(duì)于正(負(fù))極性的三階的超寬帶信號(hào)具有兩個(gè)極大(小)值點(diǎn)A、C和兩個(gè)極小(大)值點(diǎn)B、D，且幅度比(A:B:C:D)為1:2:2: I。一、ニ、三階的正負(fù)極性的超寬帶光脈沖信號(hào)經(jīng)過高速的光電轉(zhuǎn)換后，可以生成相應(yīng)的超寬帶微波信號(hào)，其頻譜特性如圖所示，其中各信號(hào)的IOdB帶寬的頻率范圍約為3. I到10. 6GHz，但超寬帶微波信號(hào)的中心頻率由一階至三階逐漸變大。圖6為實(shí)驗(yàn)中構(gòu)造的超寬帶脈沖形狀的頻譜，其中圖6(a)和圖6(b)分別為正和負(fù)極性的ー階的超寬帶信號(hào)形狀的頻譜，圖6 (c)和圖6(d)分別為正和負(fù)極性的ニ階的超寬帶信號(hào)形狀的頻譜，圖6(e)和圖6(f)分別為正和負(fù)極性的三階的超寬帶信號(hào)形狀的頻譜。寬帶光脈沖發(fā)生器101由皮秒鎖模激光器和強(qiáng)度調(diào)制器順序連接構(gòu)成，通過本發(fā)明的可調(diào)光譜構(gòu)造單元可以分別構(gòu)造一、ニ、三階的正負(fù)極性的超寬帶脈沖信號(hào)形狀。所構(gòu)造的超寬帶信號(hào)形狀的光譜寬帶約為1.3nm，色散介質(zhì)為IOkm的單模光纖，其色散總量約為170ps2/nmo圖7(a)為實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的正極性的ニ階的超寬帶光脈沖信號(hào)和圖7(b)為其相應(yīng)的電頻譜，其中虛線為FCC模。實(shí)驗(yàn)所得的時(shí)域脈沖寬度約為200ps，電頻譜的中心頻率為 7GHz且IOdB帶寬約為7GHz，且光功率譜密度低于-42. 3dBm/MHz，符合FCC規(guī)定的超寬帶微波信號(hào)的要求。
權(quán)利要求
1.ー種基于微波光子技術(shù)的可調(diào)諧超寬帶微波信號(hào)發(fā)生器，它包括可調(diào)諧光譜構(gòu)造單元(109)、光傅立葉變換單元(107)和光電轉(zhuǎn)換單元(108)，其中可調(diào)光譜構(gòu)造單元(109)由光脈沖發(fā)生器(101)、環(huán)型器(102)、特定光纖布拉格光柵(103)、光衰減器(104)、可調(diào)光梳狀濾波器(105)、光f禹合器(106)構(gòu)成,環(huán)型器(102)與光I禹合器(106)間設(shè)有兩支并聯(lián)光路一支順序連接特定光纖布拉格光柵(103)和光衰減器(104-1);另一支順序連接可調(diào)光梳狀濾波器(105)和光衰減器(104-2);可調(diào)諧光譜構(gòu)造単元(109)構(gòu)造的超寬帶脈沖信號(hào)形狀的光譜，通過光傅立葉變換單元(107)轉(zhuǎn)換為超寬帶光脈沖信號(hào)，再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，則可生成多種超寬帶微波信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述之基于微波光子技術(shù)的可調(diào)諧超寬帶微波信號(hào)發(fā)生器，其特征在于，所述光梳狀濾波器可以是任何產(chǎn)生梳狀傳輸曲線的模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述之基于微波光子技術(shù)的可調(diào)諧超寬帶微波信號(hào)發(fā)生器，其特征在于，所述光傅立葉變換單元可以是任何能實(shí)現(xiàn)光頻域到時(shí)域映射的器件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于微波光子技術(shù)的可調(diào)諧超寬帶微波信號(hào)發(fā)生器，它包括可調(diào)諧光譜構(gòu)造單元109、光傅立葉變換單元107和光電轉(zhuǎn)換單元108，其中可調(diào)光譜構(gòu)造單元109由光脈沖發(fā)生器101、環(huán)型器102、特定光纖布拉格光柵103、光衰減器104、可調(diào)光梳狀濾波器105、光耦合器106構(gòu)成。能夠?qū)崿F(xiàn)在單一的模塊中調(diào)諧地構(gòu)造出六種不同階的不同極性的超寬帶脈沖信號(hào)形狀的光譜、能夠轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的六種超寬帶光脈沖信號(hào)，且可調(diào)諧性更好，通過給定的光譜構(gòu)造方法可以產(chǎn)生一、二、三階的正負(fù)極性的超寬帶微波信號(hào)，大大提高了超寬帶微波信號(hào)發(fā)生器的靈活性。
文檔編號(hào)H04B1/7163GK102710287SQ201210182819
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月6日
發(fā)明者葉佳, 姜恒云, 潘煒, 羅斌, 鄒喜華, 閆連山, 陳智宇 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)