高频微波与毫米波的光子学产生装置及馈送方法
【专利摘要】本发明公开一种高频微波与毫米波的光子学产生装置及馈送方法。该装置包括中心节点设备、中间节点设备和远端节点设备，中心节点设备和远端节点设备之间通过光纤连接，通过中间节点构成基于无源光网络的高频微波与毫米波的光子学产生与分配网络。该馈送方法基于无源光网络在多点、异地同时构成光电振荡器，并将光电振荡器锁定到中心节点的铷频标上，实现高频微波与毫米的光子学产生与分配，该方法可在多点之间同时产生高频微波与毫米波、相互之间频率可相同或不相同、产生信号的相噪低、频率稳定。可应用于空间受限的星上光子学转发、相控阵雷达和太空探测的大型天线阵列之间深空网络、时频基准网络等。
【专利说明】高频微波与毫米波的光子学产生装置及馈送方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高频微波与毫米波的光子学产生装置及馈送方法，该方法结合了光电振荡器产生高频微波与毫米波信号相噪低和无源光网络的结构优势，为实现高频稳低相噪高频微波与毫米波信号的异地产生、远距离传输和网络化分配提供具有竞争优势的解决方案。
【背景技术】
[0002]目前，电学高频微波与毫米波功率源（固态源）主要是由真空电子器件和固态功率源来承担。由于受到结电容等电气性能的影响，固态源的调谐范围较窄（小于10%)、幅频特性较差、相位噪声较高；更为不利的是，受载流子渡越时间等因素影响，固态源的振荡频率通常在IOOGHz以内。然而，基于光学方法产生的信号最高频率可达到360GHz，相位噪声可低到-140dBc / Hz，连续调谐范围可达到90%。因此，光子学方法有望成为突破现有固态源的局限、避开复杂半导体工艺来实现宽频带、大调谐范围、低相位噪声等高性能毫米波源的有效技术手段。
[0003]光电振荡器（OEO)是其中最具代表性、最早走向实用化的光子学微波与毫米波振荡器(源)。光电振荡器是由光源，光学调制器，光纤，探测器，电滤波器，移相器和放大器等组成的光电混合谐振器，其基本原理是调制器产生的边带信号经过一段光纤和放大进入光电探测器，光电探测器产生的微波经过滤波，移相，放大后反馈到调制器。经过多次反馈作用，只有位于滤波器带通范围内的微波谐振模式才能获得有效振荡。由于光纤的Q值非常高，所以光电振荡器产生的微波噪声非常低，远低于传统的微波源。
[0004]光电振荡器的储能元件是光纤，如要提高Q需用较长的光纤。光纤长度加长会带来微波振荡模式间隔变小，造成多模式输出，光纤受环境的温度、压力等因素的影响加剧，导致光电振荡器的输出稳定性变 差。同时，光电振荡器的结构中完成微波振荡模式选择功能的电滤波器限制了光电振荡输出的微波与毫米波信号频率受限，因为很高频率下很难找到合适的高频窄带通滤波器。为了解决光电振荡器遇到的技术问题需要提出新的原理与方法。
【发明内容】
[0005]技术问题：本发明的目的是提供一种高频微波与毫米波的光子学产生装置及馈送方法，其实现的装置包括中心节点设备、远端节点设备和中间节点设备，其实现高频微波与毫米波产生与分配的机理是基于无源光网络互连中心节点和远端节点，中心节点注入锁定远端节点的光电振荡器，远端节点输出高频微波与毫米波，从而实现高频微波与毫米波的光学产生与传输分配。
[0006]技术方案：本发明公开的闻频微波与晕米波的光子学产生装置与馈送方法，其工作机理是中心节点对多个远端节点的光电振荡器（OEO)进行远程注入锁定，远端节点各自输出相同或不同频率与相位延迟的微波与毫米波信号，远端节点与中心节点之间采用无源光分配网络（PON)。其特点是基于光电振荡器方式产生、频率与相位可调控、高频稳低相噪输出，可应用于空间受限的星上光子学转发、相控阵雷达和太空探测的大型天线阵列之间深空网络、时频基准网络等。
[0007]光纤的传输损耗小、信道稳定、温度系数较低以及通信信噪比高等优势为高频微波与毫米波信号的传递提供了优良的物理通道。光电振荡器Q值比现有振荡器高出几个数量级，输出信号的短期稳定性好，通过中心站对光电振荡器进行远程注入锁定，从而改善光电振荡器长期稳定性，实现高频微波与毫米波信号的远距离异地产生、多点分配。
[0008]本发明的一种基于高频微波与毫米波的光子学产生装置包括中心节点设备、中间节点设备和远端节点站设备，其中，
[0009]中心节点设备中，锁相倍频器的输入端接中心节点，输出端接光发送模块的输入端;
[0010]中间节点设备中，光分路器的输入端通过光纤接光发送模块的输出端，光分路器的输出端通过光纤接远端节点设备；
[0011] 远端节点设备中，包括N个并列的远端节点，N = 8、16、32*“，在每一个远端节点中，
[0012]光调制器、光分路器、光收模块I、放大器、电滤波器、移相器、功分器和光调制器顺序连接；光分路器的另一个输出端通过光滤波器与光收模块II连接，光收模块II输出端为倍频输出；功分器的另一个输出端为基频输出。
[0013]本发明的高频微波与毫米波的光子学产生装置的馈送方法基于无源光网络在多点、异地同时构成光电振荡器，并将光电振荡器锁定到中心节点的铷频标(铷原子频标）上，实现高频微波与毫米的光子学产生与分配，具体方法为：
[0014]在中心节点，锁相倍频器将铷频标输出的IOMHz信号锁相倍频到10GHz，输入光发送模块；
[0015]在中间节点，光分路器将中心节点输出的光信号分成N路，N = 8、16、32…，分别送到N个远端节点；
[0016]N个远端节点的内部结构相同，在每一个远端节点中，光调制器的输入端接收光分路器输出端光纤传输的光信号，光调制器的输出信号送光分路器分成二路，一路送光收模块I转换成电信号，经放大器放大后送电滤波器滤波、移相器移相，再经功分器送光调制器；光分路器输出的另一路经光滤波器滤出二个波长的光信号，送光收模块II差拍输出IOGHz的倍频信号即nX 10GHz, n = 2、3、4...;功分器输出IOGHz的基频信号。
[0017]有益效果：本发明公开一种高频微波与毫米波的光子学产生装置与馈送方法。相应的装置与方法由中心节点设备、中间节点设备和远端节点站设备构成，中心站和远站之间通过光缆连接，通过中间节点构成基于无源光网络的高频微波与毫米波的光子学产生与分配网络。由于将高Q值的光电振荡器锁定于中心铷频标，同时结合无源光网络的结构优势，该方法可在多点之间同时产生高频微波与毫米波、相互之间频率可相同或不相同、产生信号的相噪低、频率稳定。该方法可应用于空间受限的星上光子学转发、相控阵雷达和太空探测的大型天线阵列之间深空网络、时频基准网络等。
【专利附图】
【附图说明】[0018]图I是基于高频微波与毫米波的光子学产生装置与馈送方法的系统框图。
[0019]其中有：光发送模块I、锁相倍频器2、光分配器3、光调制器4、光分路器5、光滤波器6、光收模块I 7、光收模块II 8、功分器9、放大器10、移相器11、电滤波器12。
【具体实施方式】
[0020]光发送模块I采用直接宽带调制DFB激光器，
[0021]锁相倍频器2采用电锁相频率合成器，
[0022]光分配器3采用I X N的光分路器，
[0023]光调制器4采用MZM光调制器，
[0024]光分路器5采用I X 2的光分路器，
[0025]光滤波器6采用双波长的光纤光栅或FP标准具滤波器，
[0026]光收模块I 7采用带宽IOG的光接收组件，
[0027]光收模块II 8采用带宽60G以上的高速光接收组件，
[0028]功分器9采用I X 2的微波功分器，
[0029]放大器10采用IOG的点频放大器，
[0030]移相器11电压控制的微波移相器，
[0031]电滤波器12采用中心频率为IOG的窄带滤波器。
[0032]该装置包括中心节点设备、中间节点设备和远端节点设备，其中，
[0033]中心节点设备中，锁相倍频器2的输入端接中心节点，输出端接光发送模块I的输入端；中间节点设备中，光分路器3的输入端通过光纤接光发送模块I的输出端，光分路器3的输出端通过光纤接远端节点设备；远端节点设备中，包括N个并列的远端节点，N = 8、16、32···,在每一个远端节点中,光调制器4、光分路器5、光收模块I 7、放大器10、电滤波器12、移相器11、功分器9和光调制器4顺序连接；光分路器5的另一个输出端通过光滤波器6与光收模块II 8连接，光收模块II 8输出端为倍频输出；功分器9的另一个输出端为基频输出。
[0034]该产生装置与馈送方法基于无源光网络在多点、异地同时构成光电振荡器，并将光电振荡器锁定到中心节点的铷频标上，实现高频微波与毫米的光子学产生与分配，具体为：
[0035]在中心节点，锁相倍频器2将铷频标输出的IOMHz信号锁相倍频到10GHz，输入光发送模块I ;
[0036]中间节点，光分路器3将中心节点输出的光信号分成N路（N = 8、16、32…)送到N个远端节点；
[0037]N个远端节点的内部结构相同，以第I个远端节点为例介绍，光调制器4的输入端接收光纤传输的光信号，输出端送光分路器5分成二路，一路送光收模块I 7转换成电信号，放大器10放大后送电滤波器12滤波、移相器11移相，经功分器9送光调制器4，另一路经光滤波器6滤出二个波长的光信号，送光收模块II 8差拍输出IOGHz的倍频信号即ηX IOGHz (η = 2、3、4…），功分器输出IOGHz的信号。
【权利要求】
1.一种基于高频微波与毫米波的光子学产生装置，其特征是该装置包括中心节点设备、中间节点设备和远端节点站设备，其中， 中心节点设备中，锁相倍频器（2)的输入端接中心节点，输出端接光发送模块（I)的输入端; 中间节点设备中，光分路器（3)的输入端通过光纤接光发送模块（I)的输出端，光分路器（3)的输出端通过光纤接远端节点设备； 远端节点设备中，包括N个并列的远端节点，N = 8、16、32*“，在每一个远端节点中， 光调制器（4)、光分路器（5)、光收模块I (7)、放大器（10)、电滤波器（12)、移相器(11)、功分器（9)和光调制器（4)顺序连接；光分路器（5)的另一个输出端通过光滤波器（6)与光收模块II (8)连接,光收模块II (8)输出端为倍频输出；功分器（9)的另一个输出端为基频输出。
2.一种如权利要求1所述的高频微波与毫米波的光子学产生装置的馈送方法，其特征在于该馈送方法基于无源光网络在多点、异地同时构成光电振荡器，并将光电振荡器锁定到中心节点的铷频标上，实现高频微波与毫米的光子学产生与分配，具体方法为： 在中心节点，锁相倍频器（2)将铷频标输出的IOMHz信号锁相倍频到10GHz，输入光发送模块（I); 在中间节点，光分路器（3 )将中心节点输出的光信号分成N路，N = 8、16、32…，分别送到N个远端节点； N个远端节点的内部结构相同，在每一个远端节点中，光调制器（4)的输入端接收光分路器（3)输出端光纤传输的光信号,光调制器（4)的输出信号送光分路器（5)分成二路，一路送光收模块I (7)转换成电信号，经放大器（10)放大后送电滤波器（12)滤波、移相器(11)移相，再经功分器（9)送光调制器（4);光分路器（5)输出的另一路经光滤波器（6)滤出二个波长的光信号，送光收模块II (8)差拍输出IOGHz的倍频信号即nX10GHz，n = 2、3、4…；功分器（9)输出IOGHz的基频信号。
【文档编号】H04Q11/00GK103490817SQ201310460850
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月30日 优先权日:2013年9月30日
【发明者】张宝富, 苏洋, 汪井源, 李建华, 吴传信 申请人:中国人民解放军理工大学