[发明专利]一种线性调频信号微波光子倍频方法及其装置

摘要

一种线性调频信号微波光子倍频方法及装置，在大信号调制模式下，利用并联的两个双平行马赫曾德尔调制器产生高阶的非线性光边带；调整两个调制器的直流偏置相位和调制系数，使两个调制器输出的光边带中，所需光边带同相而杂散光边带反相；两个调制器输出光边带偏振正交耦合起来，调整检偏器检偏角，使杂散光边带功率相等而完全抵消，得到所需光边带；经探测器拍频产生8、12倍频的线性调频信号，方案中杂散边带的抑制不需要光滤波处理和任意电移相处理，系统调谐性能好，适用于单频微波毫米波、线性调频、非线性啁啾等任意波形信号的倍频处理，应用前景十分广泛。

主权项

一种线性调频信号的微波光子倍频装置，包括连续波激光器(1)、光耦合器(2)、双平行马赫曾德尔调制器A(3)和双平行马赫曾德尔调制器B(4)、偏振耦合器(5)、检偏器(6)、探测器(7)，电学部分由功分器(8)、功率放大器(9)、宽带的90°Hybrid A(10)和带的90°Hybrid B(11)，其特征在于，激光器(1)同光耦合器(2)相连接,耦合器(2)分别与并联的双平行马赫曾德尔调制器A(3)和双平行马赫曾德尔调制器B(4)，相连接，输入信号经功分器(8)后，一路经过功率放大器(9)与宽带的90°Hybrid A(10)相连接，宽带的90°Hybrid A(10)输出分别与双平行马赫曾德尔调制器A(3)的两个射频输出端口相连接，功分器(8)的另一路输出经过带的90°Hybrid B(11)后分别与双平行马赫曾德尔调制器B(4)的两个射频输出端口相连接，双平行马赫曾德尔调制器A(3)和双平行马赫曾德尔调制器B(4)的输出分别与偏振耦合器(5)的两个输入端相连接，偏振耦合器(5)的输出端与检偏器(6)相连接，检偏器(6)还与探测器(7)相连接；所述的激光器(1)输出光信号经过光耦合器(2)分为两路，分别作为双平行马赫曾德尔调制器A(3)和双平行马赫曾德尔调制器B(4)的光载波信号，输入线性调频信号首先经过功分器(8)分为两部分，其中一路经过功率放大器(9)放大后再通过一个宽带90°Hybrid A(10)，产生两路等幅、具有90°相位差的信号，分别输入双平行马赫曾德尔调制器A(3)的两个射频输入端口，功分器(8)输出另一路电信号经过一个宽带90°Hybrid B(11)后分别输入双平行马赫曾德尔调制器B(4)的两个射频输入端口，单音调制信号时，当双平行马赫曾德尔调制器A(3)中的两个子调制器均处于最大传输点时，其输出光信号包络E₁(t)为公式(1)所示：$\begin{array}{c}{E}_1\left(t\right)=\frac{\sqrt{2}}{8}{E}_0\exp \left({\mathrm{j\ω}}_{c}t\right)\left\{\begin{array}{c}\[\exp \left({\mathrm{jm}}_1\cos \mathrm{\ω}t\right)+\exp (-{\mathrm{jm}}_1\cos \mathrm{\ω}t)\exp \left(j\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)\]\\ +\[\exp \left({\mathrm{jm}}_1\sin \mathrm{\ω}t\right)+\exp (-{\mathrm{jm}}_1\sin \mathrm{\ω}t)\exp (-j\frac{\mathrm{\θ}}{2})\]\end{array}\right\}\\ =\frac{\sqrt{2}}{8}{E}_0\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\mathrm{\Σ}}}{J}_n\left(m_1\right)\[1+{(-1)}^n\]\{\exp ({\mathrm{j\ω}}_{c}t+jn\mathrm{\ω}t+j\frac{\mathrm{\θ}}{2})\[\exp \left(j\frac{n\mathrm{\π}}{2}\right)+\exp (-j\mathrm{\θ})\]\}\\ =\frac{\sqrt{2}}{4}{E}_0\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\mathrm{\Σ}}}\[{(-1)}^n+\exp (-j\mathrm{\θ})\]J_{n2}\left(m_1\right)\left\{\exp ({\mathrm{j\ω}}_{c}t+j2n\mathrm{\ω}t+j\frac{\mathrm{\θ}}{2})\right\}\end{array}$式中，E₀和ω_c分别为激光器输出光信号振幅和频率，m₁为双平行马赫曾德尔调制器A调制系数，ω为输入射频本振频率，θ为双平行马赫曾德尔调制器A中主调制器直流偏置相位，J_n()为n阶一类贝塞尔函数，J_2n()为2n阶一类贝塞尔函数，t为时间；双平行马赫曾德尔调制器B(4)直流偏置与双平行马赫曾德尔调制器A(3)完全相同，但调制系数不同，调整调制系数，可以使双平行马赫曾德尔调制器A(3)与双平行马赫曾德尔调制器B(4)输出光边带中所需光边带同向而杂散光边带反相，输出调制光信号经过偏振耦合器(5)耦合为偏振态相互垂直的光信号，其输出端光信号为公式(2)所示：式中，m₂为双平行马赫曾德尔调制器B调制系数，x和y轴分别表示偏振耦合器的两个偏振轴方向；偏振正交的两路光信号经检偏器(6)后偏振方向透射到同一方向，且信号功率受到调整，其输出光信号E_Pol(t)为公式(3)所示：$E_{Pol}\left(t\right)=\frac{1}{4}{E}_0\exp \left(j\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\mathrm{\Σ}}}\[{(-1)}^n+\exp (-j\mathrm{\θ})\]\[J_{2n}\left(m_1\right)\cos \mathrm{\β}+J_{2n}\left(m_2\right)\sin \mathrm{\β}\]\exp ({\mathrm{j\ω}}_{c}t+j2n\mathrm{\ω}t)---\left(3\right)$式中，β为检偏器主轴与x轴方向夹角；设置双平行马赫曾德尔调制器A(3)和双平行马赫曾德尔调制器B(4)的主调制器为最大传输点，输出光载波和正负4阶光边带，当满足条件为公式(4)所示：J₀(m₁)cosβ+J₀(m₂)sinβ＝0         (4)光载波完全抵消，此时检偏器输出光信号E_Pol(t)为公式(5)所示：$E_{Pol}\left(t\right)=\frac{1}{2}\frac{E_0}{J_0\left(m_1\right)}\[J_0\left(m_1\right)J_4\left(m_2\right)-J_0\left(m_2\right)J_4\left(m_1\right)\]sin\mathrm{\β}\exp ({\mathrm{j\ω}}_{c}t\±j4\mathrm{\ω}t)---\left(5\right)$探测器7拍频后可得到8倍频信号；设置双平行马赫曾德尔调制器A(3)和双平行马赫曾德尔调制器B(4)的主调制器为最小传输点，输出正负2阶和正负6阶光边带，当满足条件为公式(6)所示：J₂(m₁)cosβ+J₂(m₂)sinβ＝0       (6)正负2阶光边带完全抵消，此时检偏器输出光信号E_Pol(t)为公式(7)所示：$E_{Pol}\left(t\right)=-\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{jE}}_0}{J_2\left(m_1\right)}\[J_2\left(m_1\right)J_6\left(m_2\right)-J_2\left(m_2\right)J_6\left(m_1\right)\]sin\mathrm{\β}\exp ({\mathrm{j\ω}}_{c}t\±j6\mathrm{\ω}t)---\left(7\right)$探测器7拍频后可得到12倍频信号。