通过引用波长扫描激光器(WSL),可有效提高微波光子的转换性能!

   电子分析员        

研究人员提出了一种基于波长扫波激光器(WSL)的可调性强、结构简单的微波光子变频技术,并通过实验验证了这种技术的可行性。在该频率转换系统中,利用宽带WSL产生频率啁啾光载波,并将其发送到马赫曾德尔调制器(MZM)中。将一个需要转换频率的微波信号应用到MZM中。调制信号然后被发送到一个色散装置,在那里波形被压缩或扩展取决于色散装置的色散。经过光电检测,产生频率上转换或下转换的微波信号。转换频率的调谐是通过调节光纤传感器的光载波啁啾率或色散器件的色散来实现的。实验证明了所提出的方法,将频率为5 GHz的微波信号上变频至5.577 GHz,下变频至4.936 GHz。并对频率转换微波信号的质量进行了评价,引入高占空比的WSL可以进一步提高转换性能。


相关论文以题为“Microwave Photonic Frequency Conversion Based on a Wavelength Swept Laser”发表在《Applied Sciences》上。


通过引用波长扫描激光器(WSL),可有效提高微波光子的转换性能!


微波变频器是微波和毫米波信号处理中的关键部件之一,包括射频光纤(RoF)的发射机和接收机、雷达系统和侦察对抗系统。微波变频器的基本功能是将输入的微波信号转换成所需的频率。例如,在高速铁路通信系统中,由于多普勒效应,移动端与基站接收端之间的信号频率不同。多普勒频移需要补偿,而微波变频器在这方面提供了很大的便利。传统的变频器可以通过将电子混频器与可调谐微波源或数字信号处理(DSP)系统相结合来实现。然而,电混频器存在电磁干扰(EMI)、有限的隔离和有限的带宽等问题。DSP系统成本高,在处理高频微波信号时面临着电子瓶颈的问题。为了克服传统变频器的不足,研究人员引入了光子询问技术来提高变频器的电磁兼容性能。


微波光子频率转换器得益于光学本振的宽频可调性。目前研究最多的微波光子频率转换器是基于外部调制的。转换原理类似于电动混频器。光LO是通过外部调制与可调谐射频(RF)源实现的。外部调制结构可以是级联调制结构和集成并行调制结构。然而,基于外部调制器的频率转换结构需要复杂的偏置优化、极化或色散控制。最近,研究人员提出使用锁模脉冲激光器作为频率上转换系统的光源。Lee等人采用混合锁模多段分布式反馈(MS-DFB)激光器作为光源,在不使用外部调制器的情况下实现亚谐波上变频。Huchard等人使用锁模激光器(MLL)实现了60ghz上转换。在这些基于MLL的结构中,采用脉冲序列对输入信号进行采样。因此,脉冲应该是窄的和超高的重复频率(45 GHz)大大增加了成本。除MLL外,波长扫光激光器(WSL)也是很好的选择。WSL广泛应用于光学传感和光学相干层析成像(OCT)中。WSL具有宽带质量,其频率随时间呈线性变化,这使得它与色散控制装置相结合时,是一种完美的变频载体。


变频原理


图1给出了所提出的微波光子变频系统的工作原理。采用波长扫掠光纤激光器(WSL)作为光源。WSL的输出是一系列长脉冲序列,其波长随时间呈周期性线性变化。然后将输入的微波信号由光强度调制器调制到WSL输出,以便将微波信号转换成光域。在强度调制过程中,微波信号塑造WSL脉冲,并将微波信号电压转换为光强,如图1所示。调制光信号然后注入色散控制元件(DCE)。由于宽带WSL的色散特性,在不同的波长分量上引入不同的时延,使得调制光信号的脉冲长度被拉长或压缩。在DCE的输出端,利用光电探测器(PD)检测光强振动,并从光域中恢复微波信号。这样,微波信号也被压缩或拉伸,加载的微波信号的频率漂移到高频率或低频率。脉冲长度的变化方向取决于WSL啁啾率和DCE指数的正负。当WSL啁啾率和DCE指数的符号相同时,对脉冲进行压缩,并对输入信号进行上转换。反之,则对脉冲进行拉伸,并对输入信号进行向下转换。光脉冲的压缩率与时延有关,时延可以通过离散器件的色散和WSL的光带宽来计算。


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图1. 介绍了微波光子变频系统的工作原理(红色箭头为光路;蓝色箭头是电子路径;具有渐变面颜色的曲线为光脉冲;蓝色曲线是微波信号;RFin为输入射频信号;RFout是输出的射频信号)。


转换性能模拟


转换系数可以由L或r调节。这里,研究人员模拟了Sinc函数在L和r分别改变时的变化趋势,如图2所示。


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图2.(a) Sinc函数当κ的趋势增加了调优L和r开关的符号;(b)的趋势Sinc函数当κ增加固定L r的调优。


在仿真中,输入频率是20 GHz,κ转换系数从0.9增加到1.1的步骤0.04。图2a显示了仅改变L且r的绝对值固定在50 GHz/ns时Sinc函数的变化趋势。通过切换r的符号来实现转换方向,通过切换光纤阵列的不同通道来实现L的调谐。L改变后,Sinc函数的中心频率由18ghz改变为22ghz, 3-dB带宽不变。图2b显示了L固定在10 km, r从- 87 GHz/ns调到71 GHz/ns时Sinc函数的变化趋势。谐振腔内的色散控制元件或波长扫描元件可以实现r的调谐。Sinc函数的中心频移和L调优时一样。然而,3-dB带宽很窄κ接近1时,成为大当κ离开1。因此,通过改变Lκ的调优是更可靠而改变r,特别是当频率变化范围大。另一方面,更小的啁啾率r会对侧模产生更大的抑制。因此,脉冲重复频率ωr的影响也应该注意。


脉冲重复频率ωr确定移频转换系统的准确性,因为离散脉冲信号的性质。固定重复的角频率ωr和κ转换系数,增加τSinc函数可以大大缩小,sidemodes镇压,有占主导地位的模式。图3显示了下变频模拟频谱(输入:20ghz;输出:18.8 GHz)和上转换模拟频谱(输入:20 GHz;输出:21.4 GHz)当ωr将20 MHz,τ是增加。


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图3.(a)低转换模拟光谱;(b)上转换模拟光谱,如:蓝线为离散的纵向模;绿色曲线是Sinc函数的包络线)。


实验结果


在以上仿真和讨论的基础上,研究人员进行了相应的实验来验证该变频系统的性能。图4显示了所提出的微波光子变频系统的实验装置。研究人员在实验室中构建了一个基于正、负色散的波长扫掠激光器作为光源,腔内的正、负色散分量为两个啁啾的光纤布拉格光栅(CFBGs, Proximion),色散量相反(±1321 ps/nm)。使用偏振控制器(PC)后,将WSL的输出送入一个强度调制器(PHOTLINE, MX-LN-40, 40ghz带宽)。微波源(Hittite HMC-T2240)提供微波信号。使用一个长度可切换的SMF (YOFC G625)数组作为DCE。调制光信号被发射到一个SMF阵列作为可切换色散器件。最后用PD 检测到分散的信号。使用高速示波器和电子频谱分析仪测量PD的拍频信号。


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图4. 所提出的微波光子变频系统的实验装置(红色曲线为光信号;黑色的曲线是电信号)。


图5a显示了由光学光谱分析仪(OSA, YOKOGAWA, AQ6370C, Tokyo, Japan)测量的WSL的光谱。WSL的中心波长为1553 nm,带宽为4.02 nm。图5b为直接由PD和示波器检测到的时域WSL脉冲序列和详细波形。WSL的啁啾率为±99.6 GHz/ns,重复频率为6.7 MHz。单个脉冲的波形近似矩形,脉冲宽度约为5.284 ns,如图所示。由于目前实验室条件的限制,计算出的占空比为3.5%,远低于模拟的单模态。在未来的工作中,需要研究一个大占空比的MLL,以满足前一部分系统仿真的要求。图6为输入频率为5 GHz时,不同SMF长度下变频系统的时域脉冲波形和电谱(r =−99.6 GHz/ns)。


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图5. (a) WSL的光谱;(b)局部放电后WSL拍频信号的时域信号(嵌入的是脉冲形状从0.349 ns放大到0.362 ns)。


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图6. (a) SMF长度分别为0 km和1.04 km时的脉冲波形;(b)变频系统的电气频谱。


结论


本文提出了一种基于WSL结构简单、可调性强的全光新型微波光子转换问询器并进行了实验验证。该变频系统采用WSL和色散控制装置相结合,实现输入信号的上下转换。在该变频系统中,采用WSL作为光载波对输入信号进行采样。研究人员模拟了WSL对转换系统的影响,发现通过调节色散控制装置的数值,输入的微波信号可以任意地进行上下转换。实验表明,通过切换啁啾率的符号和调整SMF阵列的长度,可以将5 GHz的微波信号上转换为5.577GHz,下转换为4.936 GHz。16ghz高频微波信号可上转换为16.62 GHz。由于WSL脉冲占空比较低,转换频谱具有多纵波模式。转换性能可以通过引入高占空比的WLS进一步提高。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/11/3813/htm



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