[发明专利]无本振低相噪微波信号光学倍频产生装置及方法

说明书

本发明公开了一种无本振低相噪微波信号光学倍频产生装置及方法，属于微波信号产生技术领域。该装置和方法利用偏振复用双平行马赫‑曾德尔调制器（DP‑QPSK调制器）中集成的一个双平行马赫‑曾德尔调制器（DP‑MZM）的等效相位调制特性与相移光纤布拉格光栅（PS‑FBG）构成窄带微波光子滤波器，在光电振荡器内实现频率可调谐的低相噪微波谐振信号生成。生成的微波谐振信号通过DP‑QPSK调制器中集成的另一个DP‑MZM实现信号倍频，产生高频微波信号。本发明可以克服电子系统在高频低相噪微波信号生成方面电子瓶颈的限制，实现几十GHz甚至百GHz量级低相噪微波信号的生成。

技术领域

本发明涉及微波信号产生技术领域，尤其是一种频率大范围可调谐无本振低相噪微波信号光学倍频产生装置及方法。

背景技术

随着无线通信、雷达等技术的不断发展，人们对无线通信速率的要求越来越高、对雷达的成像分辨率要求也在不断提高，这必然推动通信、雷达等技术对无线频谱资源的需求由低频段不断的向更高的频段发展。如60GHz频段的无线通信技术由于接入速率高且不需要另外申请牌照等优点正成为宽带接入的热门技术，毫米波雷达技术以其优秀的分辨率得到了越来越多的关注和研究，而太赫兹通信及成像技术将需要至少100GHz的微波信号，这就意味着人们对无线载波的需求已经在向几十GHz甚至上百GHz发展。高信号质量的高频微波载波信号的生成技术将是这些技术发展、成熟、应用的前提，近年来已经成为学术界及工业界关心的一大问题。

高频的微波载波信号在一定的频率范围之内可以在电域通过传统的低频本振信号多次倍频的方式实现，但基于传统电子技术的微波信号产生方法，受到电子器件速率瓶颈和工艺的限制，配置成本高、系统复杂，生成的高频微波信号频率可调谐范围窄，且生成高频信号的相位噪声性能由低频本振信号的相位噪声性能决定，经过低频本振信号多次倍频后(总倍频因子达到几百)生成的高频信号相位噪声性能较差，不能很好的满足实际的使用需求，特别是对于未来达到百GHz的微波信号，传统的电域方法实现成本极高、甚至难以实现。

光纤技术和微波技术互相融合产生的微波光子技术可以利用光信号极大的带宽优势实现微波信号的光学产生，克服电子瓶颈的限制，同时还可以将信号的生成与传输相结合，利用光纤损耗低的特点实现微波信号的长距离、低损耗馈送，在接收端再将其由光信号转换成高频微波信号。为了产生可以应用于未来高频通信系统和雷达系统的高频微波信号，可以采用光学倍频的方式，利用低频的微波本振信号产生高频的微波信号。文献报道的基于双平行马赫-曾德尔调制器(DP-MZM)的方法和基于级联马赫-曾德尔调制器(MZM)的方法均可以实现四倍频、六倍频、八倍频微波信号的生成，可以将用于高频微波信号生成的低频本振信号频率降低至1/8，大大降低光生微波信号的系统成本。基于光外调制器的微波信号倍频生成方法虽然可以大大降低生成高频微波信号所需的本振信号的频率，但是生成高频微波信号的相位噪声性能还是受到本振信号相位噪声性能的限制。

为了得到低相位噪声的高频微波信号，人们提出了光电振荡器技术，该技术通过光调制器、光放大器、光纤、光电探测器、电放大器、电滤波器等构成一个闭合的光电环路，当环路内净增益大于1时即可以产生微波谐振。由于光电振荡器产生的微波信号的相位噪声性能仅与光电振荡环路的品质因数(Q)值有关，可以利用光纤低损耗的特性使用长光纤构成高Q值的光电振荡环路，从而生成低相位噪声的微波信号。因为其相位噪声性能与信号频率无关，光电振荡器特别适合用于生成高频微波信号，通过光电振荡器的方法可以大大提高生成高频微波信号的相位噪声性能。在光电振荡器的基础上，人们为了实现更高频率信号的生成，将光电振荡器技术与光学倍频技术相结合，提出了多种利用光电振荡器实现倍频微波信号生成的方法，但是这些方法的倍频因子均被限制在二或者四，且倍频因子为四的方法需要采用光陷波滤波器实现光载波的滤除，这将影响到系统的稳定度并降低系统的频率可调谐范围；相关文献还报道了一种基于偏振调制器的倍频因子在四、六、八可调的光电振荡器结构，该方法可以实现极高频率的微波信号生成，但是因为该方法采用了电滤波器对谐振信号进行频率选择，系统的频率可调谐范围非常小，这限制了该方法的应用范围。

发明内容