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基于载波和边带相位控制的微波光子移相器

刘少杰 李兰兰 林涛 张源

引用本文:
Citation:

基于载波和边带相位控制的微波光子移相器

    作者简介: 刘少杰(1993-), 男, 硕士研究生, 现主要从事微波光子学、光性能监测技术的研究.
    通讯作者: 李兰兰, lilanlan@fzu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金资助项目 61405038

  • 中图分类号: TN623

Microwave photonic phase shifters based on phase control of optical carrier and sidebands

    Corresponding author: LI Lanlan, lilanlan@fzu.edu.cn ;
  • CLC number: TN623

  • 摘要: 为了实现一种360°相移新型微波光子移相器,通过使用一个相位调制器、延迟线和光学滤波器来控制载波和边带的相位,最终控制射频信号的相位。相位调制器只需控制一个电压来调节移相角度,减少了使用复杂双平行马赫-曾德尔调制器所导致的漂移带来的影响,具有结构简单、成本较低等优点。结果表明,仿真验证的微波光子移相器可以在0GHz~40GHz频率范围内实现从0°~360°的全相移范围,并且在同一输出相位情况下,频率在0GHz~40GHz范围内,功率基本保持不变。此研究对微波光子移相器技术有一定参考意义。
  • Figure 1.  Schematic diagram of the proposed phase shifter

    Figure 2.  The simulation model of phase shifter

    Figure 3.  Phase spectrum of phase modulator

    Figure 4.  Waveform diagram for 20GHz RF signal

    Figure 5.  a—Gaussian first-order filter envelope of the implemented bandpass filter b—before filtering c—after filtering

    Figure 6.  Phase and power variation for 20GHz RF signal

    Figure 7.  Time domain spectrum for 20GHz RF signal

    Figure 8.  The measured phase and amplitude responses of microwave photonic RF phase shifter

    Figure 9.  The measured output RF signal power versus input laser signal power of microwave photonic RF phase shifter

  • [1]

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-07-10
  • 录用日期:  2018-07-30
  • 刊出日期:  2019-05-25

基于载波和边带相位控制的微波光子移相器

    通讯作者: 李兰兰, lilanlan@fzu.edu.cn
    作者简介: 刘少杰(1993-), 男, 硕士研究生, 现主要从事微波光子学、光性能监测技术的研究
  • 福州大学 物理与信息工程学院, 福州 350116
基金项目:  国家自然科学基金资助项目 61405038

摘要: 为了实现一种360°相移新型微波光子移相器,通过使用一个相位调制器、延迟线和光学滤波器来控制载波和边带的相位,最终控制射频信号的相位。相位调制器只需控制一个电压来调节移相角度,减少了使用复杂双平行马赫-曾德尔调制器所导致的漂移带来的影响,具有结构简单、成本较低等优点。结果表明,仿真验证的微波光子移相器可以在0GHz~40GHz频率范围内实现从0°~360°的全相移范围,并且在同一输出相位情况下,频率在0GHz~40GHz范围内,功率基本保持不变。此研究对微波光子移相器技术有一定参考意义。

English Abstract

    • 相控阵天线通过调整发射出的微波射频信号相位,最终实现微波射频信号向特定方向射出。相控阵天线结构的核心器件是微波移相器,移相器的要求包括能实现0°~360°的全范围相移,并且保持微波射频信号的功率保持不变、操作带宽足够大、结构简单、成本低、重量轻、体积小。因为传统的电子移相器存在电子瓶颈等缺陷,导致无法满足上述功能,由此微波光子移相器技术得到了快速发展。

      微波光子移相器原理大致描述为微波射频信号通过调制器加载到光信号上,再在光域内调整光信号相位,最后对移相后的光信号解调,得到移相后的微波射频信号相位可调。实现微波光子移相器的方法有多种,近年来基于外差混频[1-11]、光纤布喇格光栅(fiber Bragg grating,FBG)[12]、傅里叶域光信号处理器(Fourier-domain optical processor,FD-OP)[13]、快慢光技术[14-15]、矢量技术[16-17]等实现移相的方法都已经被证明。其中目前使用最多的方法是光外差混频法,基于光外差混频法的微波光子移相器是通过控制两个频率不同的光信号的相位差,由光电探测器外差混频后得到相移可控的射频信号实现移相器方案。目前外差混频的方法使用较多的核心器件有双平行马赫-曾德尔调制器(dual-parallel Mach-Zehnder modulator,DPMZM)[1-7]、偏振调制器[8-10]、双偏振正交相移键控制器(dual-polarization quadrature phase shift-keying modulator,DP-QPSK)[11]。前人大多使用各类的马赫-曾德尔调制器,一般包含几个相位调制器(phase mo-dulator,PM),费用昂贵,器件实现复杂,并且DPMZM存在偏置电压漂移现象。

      CHAN等人提出一种基于4个相位调制器和一个光移相器构成的DPMZM的方法实现微波光子移相器,该方案是通过控制载波和边带的相位和幅度来控制射频信号的相位,最终实射频相位0°~360°可调[7]。在本文中, 通过VPI Transmission Maker仿真软件实现的微波光子移相器,相比参考文献[7]中的研究,通过使用一个相位调制器、延时线和光滤波器就能实现射频信号0°~360°可调,在同一输出相位情况下,频率在0GHz~40GHz范围内,功率值保持基本不变。具有结构简单、成本较低等优点,并且相比之前研究[1-7, 11],相位调制器只需控制一个电压来调节移相角度,而使用复杂DPMZM要调节多个偏置电压,所以利用一个相位调制器减少了使用复杂DPMZM所导致的漂移带来的影响。通过耦合器(optical couple,OC)将激光器(laser device,LD)发出来的激光分成两路:一路信号作为载波经过延时线进行移相,实现载波相位可调; 另一路信号进行相位调制,通过光滤波器滤出上边带,通过控制相位调制器角度来控制边带的相位,实现边带相位可调,再通过另一个耦合器把两条光路结合起来,在光电探测器后输出射频信号(radio frequency,RF)。在实际中带宽受光电探测器(photodetector,PD)和相位调制器带宽限制,在仿真中将频率设置在0GHz~40GHz范围内,发现可实现射频相位0°~360°可调。

    • 外差混频法要求两束光信号振动方向相同,频率相差很小,幅度相等并且在同一方向传播,最后通过光电探测器拍频实现相移。两束光信号可分别表示为[18]

      $ \left\{\begin{array}{l}{E_{1}=A \cos \left(\omega_{1} t+\varphi_{1}\right)} \\ {E_{2}=A \cos \left(\omega_{2} t+\varphi_{2}\right)}\end{array}\right. $

      (1)

      式中,E是电场强度,A是光信号幅值,t是时间,ω是光信号角频率,φ是光信号相位。光信号在光电探测器上进行拍频可得:

      $ \begin{array}{c}{E=E_{1}+E_{2}=A\left[\cos \left(\omega_{1} t+\varphi_{1}\right)+\right.} \\ {\cos \left(\omega_{2} t+\varphi_{2}\right) ]}\end{array} $

      (2)

      由和差化积公式,(2)式可以化简为:

      $ \begin{array}{l} E = 2A\cos \left[ {\frac{1}{2}\left( {{\omega _1} + {\omega _2}} \right)t + \frac{1}{2}\left( {{\varphi _1} + {\varphi _2}} \right)} \right] \times \\ \cos \left[ {\frac{1}{2}\left( {{\omega _1} - {\omega _2}} \right)t + \frac{1}{2}\left( {{\varphi _1} - {\varphi _2}} \right)} \right] \end{array} $