专利摘要

专利摘要

本发明公开了一种光子型频率下转换装置，包括电光转换模块、下转换信号输出单元、偏振调制器、光耦合器、检偏器、光电探测器、微波带通滤波器、放大器、移相器；偏振调制器的光输入端、光输出端分别与电光转换模块的输出端、光耦合器的输入端相连；光耦合器的第二输出端与检偏器的输入端相连，检偏器、光电探测器、微波带通滤波器、放大器、移相器依次连接，移相器的输出端与偏振调制器的电输入端相连，构成一个光电振荡环路；下转换信号输出单元的输入端与光耦合器的第一输出端连接，可工作于光电振荡环路中振荡信号的2n倍频状态，n为自然数。本发明还公开了一种频率下转换方法。本发明结构简单，成本低廉，且频率下转换性能优良。

权利要求

1.一种光子型频率下转换装置，包括电光转换模块，用于将待下转换微波信号调制于连续光载波上，并输出调制后的光载微波；其特征在于，该装置还包括：下转换信号输出单元、偏振调制器、光耦合器、检偏器、光电探测器、微波带通滤波器、微波放大器、微波移相器；偏振调制器的光输入端、光输出端分别与电光转换模块的输出端、光耦合器的输入端相连；光耦合器的第二输出端与检偏器的输入端相连，检偏器、光电探测器、微波带通滤波器、微波放大器、微波移相器依次连接，微波移相器的输出端与偏振调制器的电输入端相连，构成一个光电振荡环路；所述下转换信号输出单元的输入端与光耦合器的第一输出端连接，可工作于光电振荡环路中振荡信号的2n倍频状态，n为自然数。

2.如权利要求1所述光子型频率下转换装置，其特征在于，所述下转换信号输出单元包括与光耦合器的第一输出端依次连接的检偏器、光陷波滤波器。

3.如权利要求2所述光子型频率下转换装置，其特征在于，还包括与所述光陷波滤波器的输出端连接的光电检测器。

4.使用如权利要求1所述光子型频率下转换装置的频率下转换方法，其特征在于，将所述检偏器与输入光的偏振方向调整为45度夹角，将所述微波带通滤波器的中心频率调整至接近待下转换微波信号载频的1/2n，并将下转换信号输出单元调整为光电振荡环路中振荡信号的2n倍频输出状态，n为自然数。

5.如权利要求4所述频率下转换方法，其特征在于，n的值为1、2或3。

说明书

技术领域

本发明涉及一种频率下转换装置，尤其涉及一种光子型频率下转换装置及方法。

背景技术

频率下转换是微波系统的基本功能单元。传统的频率下转换通常基于宽带电混频器和本振信号源来实现，但电混频器存在着工作频率较低、工作带宽较小、仅支持单通道混频、噪声系数较高等缺陷，电本振也存在着相位噪声高、频谱纯度低、难以调谐等缺点，且易受电磁干扰、不能并行处理。为了克服电子学方法的缺点，人们提出了光子型频率下转换方法。光子型频率下转换一般先通过电光调制器将电信号转换成光信号，然后将光信号和本振信号在第二个电光调制器处混频，最后利用光电探测器进行光电转换，恢复出转换后的电信号。图1显示了一种基于级联调制器的微波光子下转换装置。受益于光子器件的大带宽和低损耗，光子型频率下转换可实现大宽带、并行处理、无电磁干扰的高效率的频率变换。同时，光电器件具有很大的波长范围，因而可利用波分复用技术携带各路信号，实现无串扰的多通道下变频，减少昂贵毫米波器件的使用，提高整体系统的可靠性。此外，转换后的光信号可直接在光载无线（RoF:Radio over Fiber）网络中进行长距离传输，从而大幅增加毫米波系统的作用范围。

在微波光子下转换中，本振信号源是决定整体系统性能的关键设备之一。这是因为光子信号和本振信号混频后，本振信号中的噪声和边模也将同时下转换到基带或中频，从而影响转换信号的质量。通常，较高频率的微波本振信号是通过低频标准信号的多级复用和滤波来实现，所获得的微波信号具有较高的相位噪声和较低的频谱纯度。近年来，一种基于光电混合方法实现的新型振荡器—光电振荡器（OEO:Optoelectronic Oscillator）可以直接产生相位噪声在频偏10kHz处低于-140dBc/Hz、边模抑制比超过70dB的高品质微波信号，并具有光、电两种输出。更为重要的是光电振荡器可以被输入信号注入锁定，用于产生下转换的本振信号，因此非常适合应用于微波光子下转换。

图2显示了一种现有利用光电振荡器来进行下转换的装置（W.Shieh,S.Yao,G.Lutes,and L.Maleki,"Microwave signal mixing by using a fiber-based optoelectronic oscillator for wavelength-division multiplexed systems,"in Conference on Optical Fiber Communication.OFC 97.,1997,pp.358-359.）。如图所示，待下转换微波信号通过外调制器1加载到由激光器1输出的光波长上，和作为泵浦光源的激光器2输出的光波耦合后进入外调制器2，调节光电振荡环内的射频滤波器的中心频率，使得光电振荡环内被注入锁定在由外微波源提供的射频频率上；在输出臂处得到下转换信号输出。

传统光电振荡器中使用了微波耦合器、移相器、放大器和传输线等电子器件，其最高工作频率不可避免地受到电子瓶颈的限制。虽然已有少量毫米波器件可用于构建毫米波光电振荡器，但受设计理论、材料和工艺的限制，大都存在性能低下、价格昂贵的问题。

要对微波信号进行下转换，首先要进行载频提取。微波信号的频谱中包含有离散分量（载频）和连续分量（所携带信息），载频提取的目的是选出离散分量并抑制连续分量。对于利用传统的光电振荡器进行的频率下转换方法，腔内振荡频率与微波载频频率一致，由于其带通滤波器具有一定的带宽，部分连续分量也将进入光电振荡器的反馈环，并最终恶化所提取载频的质量，影响下转换的性能。对于微波信号来说，越接近载频，频率分量携带的功率越高，因而通过降低带通滤波器的带宽，并不能有效抑制载频处的噪声和干扰。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种光子型频率下转换装置及方法，能够以低成本和高性能的低频微波器件实现对高频微波信号的载频提取，使得腔内滤波器中心频率与微波载频频率不一致，从而避免连续分量直接进入光电振荡器的反馈环，大幅提高光电振荡器所提取载频的质量，实现高性能的频率下转换。

本发明的光子型频率下转换装置，包括电光转换模块，用于将待下转换微波信号调制于连续光载波上，并输出调制后的光载微波；该装置还包括：下转换信号输出单元、偏振调制器、光耦合器、检偏器、光电探测器、微波带通滤波器、微波放大器、微波移相器；偏振调制器的光输入端、光输出端分别与电光转换模块的输出端、光耦合器的输入端相连；光耦合器的第二输出端与检偏器的输入端相连，检偏器、光电探测器、微波带通滤波器、微波放大器、微波移相器依次连接，微波移相器的输出端与偏振调制器的电输入端相连，构成一个光电振荡环路；所述下转换信号输出单元的输入端与光耦合器的第一输出端连接，可将所述光电振荡环路中振荡信号调整为2n倍频状态输出，n为自然数。

优选地，所述下转换信号输出单元包括与光耦合器的第一输出端依次连接的检偏器、光陷波滤波器。

上述技术方案中，光陷波滤波器输出的即为频率下转换后的光载微波信号，可直接接入光载无线网络中进行长距离传输，也可通过设置一个与光陷波滤波器的输出端连接的光电探测器将频率下转换后的微波信号提取出来，供本地使用。

使用如上所述光子型频率下转换装置的频率下转换方法，将所述检偏器与输入光的偏振方向调整为45度夹角，将所述微波带通滤波器的中心频率调整至接近待下转换微波信号载频的1/2n，并将下转换信号输出单元调整为光电振荡环路中振荡信号的2n倍频输出状态，n为自然数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明进行了载频提取，避免使用外部本振源，且到达信号的相位与所提取载频相位严格锁定，无需复杂的锁相环装置或相位估计算法；

2.本发明避免引入任何非线性器件，光电振荡器腔内滤波器中心频率仅为待转换信号载频的1/2n，使得待转换信号不能直接进入光电振荡环路，避免了待转换信号对载频提取质量的严重影响，大幅提高所提取载频的质量，实现高性能的频率下转换；

3.本发明克服了传统微波元件工作频率受限的缺陷，本发明装置中的下转换信号输出单元进行了微波光子倍频操作，使得光电振荡环路中各器件的工作频率上限仅需为待转换信号载频的1/2n，实现了以低成本和高性能的低频微波器件对高频微波信号的载频提取和下转换，大幅降低了装置的成本和复杂度。

附图说明

图1为一种基于级联调制器的微波光子下转换装置的结构示意图；

图2为一种现有利用光电振荡器来进行下转换的装置的结构示意图；

图3为本发明的光子型频率下转换装置的结构框图；

图4为具体实施例1的光子型频率下转换装置进行载频提取时，干扰和载频信号的幅度比值计算曲线；

图5为具体实施例1中提取的载频和基于传统基频光电振荡器提取的载频的单边带(SSB)相位噪声曲线对比；

图6为具体实施例1的光子型频率下转换装置的下转换后信号的背对背的误码率（BER）曲线和基于传统基频光电振荡器下转换后信号的背对背误码率(BER)曲线对比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的基于倍频光电振荡器的光子型频率下转换装置的一种优选结构如图3所示，包括：激光器，马赫-增德尔调制器，偏振调制器，光耦合器，检偏器1，检偏器2，光陷波滤波器，光电探测器，可调带通滤波器，微波放大器，微波移相器。

激光器与马赫-增德尔调制器的光输入端相连，马赫-增德尔调制器的光输出端与偏振调制器的光输入端相连，偏振调制器的输出端与光耦合器相连，光耦合器的第一输出端与检偏器1的输入端相连，光耦合器的第二输出端与检偏器2的输入端相连，检偏器1的输出端与光陷波滤波器相连，检偏器2的输出端与光电探测器相连，光电探测器、微波带通滤波器、微波放大器、微波移相器依次连接，微波移相器的输出端与偏振调制器的电输入端相连。陷波滤波器的输出端可以直接接入光载无线网络中进行下转换后光载微波信号的长距离传输；也与一个光电探测器连接，将频率下转换后的微波信号提取出来，供本地使用。

在偏振调制器中，由电输入端口输入的电信号将输入光的偏振态旋转一定的角度。在偏振器后放置检偏器形成对输入光的强度调制，该强度调制的偏置点由检偏器的偏振选择方向决定：

当检偏器与输入光的偏振方向平行时，相当于强度调制偏置在调制曲线的最高透过率点；

当检偏器与输入光的偏振方向垂直时，相当于强度调制偏置在调制曲线的最低透过率点；

当检偏器与输入光的偏振方向成45度夹角时，该强度调制偏置在调制曲线的线性点。

下面以三个具体实施例来进一步说明本发明光子型频率下转换装置是如何实现频率下转换的。

具体实施例1：

激光器输出光连续波，在马赫-增德尔调制器处将待下转换的微波信号（载频设为f_m）加载到光载波上，实现光载微波输出；在偏振调制器中，由微波端口输入的电平信号将输入光的偏振态旋转一定的角度；调节光电振荡环路中的可调带通滤波器的中心频率使之接近待下转换的微波信号载频的1/2(f_m/2）；检偏器2与输入光的偏振方向成45度夹角，强度调制偏置在线性点，经过光电振荡环路，振荡器从噪声开始启动；噪声中的f_m/2频率分量将与注入信号的载频f_m在光电调制器处混频，产生的f_m/2频率分量被光电振荡环路中的滤波机制选中，放大后反馈到光电调制器，再次与注入信号的载频混频，加强f_m/2频率分量；这个过程不断重复，直到实现光电振荡环路的稳定振荡频率注入锁定在f_m/2频率处，此时光电振荡环路实现了f_m/2的载频提取。

设置检偏器1的偏振选择方向，使之与输入光的偏振方向垂直，强度调制偏置在调制曲线的最低点，这时得到的光输出只包含奇次阶边频，适当控制振荡功率，使经过检偏器1后的光信号仅含有±1阶边带，设置光陷波滤波器的阻带偏离输出光信号（设置激光器输出波长不在光陷波滤波器阻带内即可），光载微波信号和频率为f_m的本振信号进行了混频，从而得到了下转换信号输出。

具体实施例2：

激光器输出光连续波，在马赫-增德尔调制器处将待下转换的微波信号（载频设为f_m）加载到光载波上，实现光载微波输出；在偏振调制器中，由微波端口输入的电平信号将输入光的偏振态旋转一定的角度；调节光电振荡环路中的可调带通滤波器的中心频率使之接近待下转换的微波信号载频的1/4(f_m/4）；检偏器2与输入光的偏振方向成45度夹角，强度调制偏置在线性点，经过光电振荡环路，振荡器从噪声开始启动；调节光电振荡环路的功率，使得工作在大信号调制状态。噪声中的3f_m/4频率分量将与注入信号的载频f_m在光电调制器处混频，产生的f_m/4频率分量被光电振荡环路中的滤波机制选中，放大后反馈到光电调制器，大信号调制状态，产生3f_m/4频率分量，再次与注入信号的载频混频，加强f_m/4频率分量；这个过程不断重复，直到实现光电振荡环路的稳定振荡频率注入锁定在f_m/4频率处，此时光电振荡环路实现了f_m/4的载频提取。

设置检偏器1的偏振选择方向，使之与输入光的偏振方向平行，强度调制偏置在调制曲线的最高点，这时得到的光输出只包含偶次阶边频，通过光陷波滤波器滤除光载波后，得到的光信号仅含有±2阶边带，光载微波信号和频率为f_m的本振信号进行了混频，从而得到了下转换信号输出。

具体实施例3：

激光器输出光连续波，在马赫-增德尔调制器处将待下转换的微波信号（载频设为f_m）加载到光载波上，实现光载微波输出；在偏振调制器中，由微波端口输入的电平信号将输入光的偏振态旋转一定的角度；调节光电振荡环路中的可调带通滤波器的中心频率使之接近待下转换的微波信号载频的1/6(f_m/6）；检偏器2与输入光的偏振方向成45度夹角，强度调制偏置在线性点，经过光电振荡环路，振荡器从噪声开始启动；调节光电振荡环路的功率，使得工作在大信号调制状态。噪声中的5f_m/6频率分量将与注入信号的载频f_m在光电调制器处混频，产生的f_m/6频率分量被光电振荡环路中的滤波机制选中，放大后反馈到光电调制器，大信号调制状态，产生5f_m/6频率分量，再次与注入信号的载频混频，加强f_m/6频率分量；这个过程不断重复，直到实现光电振荡环路的稳定振荡频率注入锁定在f_m/6频率处，此时光电振荡环路实现了f_m/6的载频提取。

设置检偏器1的偏振选择方向，使之与输入光的偏振方向垂直，强度调制偏置在调制曲线的最低点，这时得到的光输出只包含奇次阶边频，通过光陷波滤波器滤除正负一次边频后，得到的光信号仅含有±3阶边带，光载微波信号和频率为f_m的本振信号进行了混频，从而得到了下转换信号输出。

本发明的光子型频率下转换装置中，由于光电振荡环路内滤波器的中心频率仅为待转换信号载频的1/2n，使得待转换信号不能直接进入光电振荡环路，避免其对提取载频质量的影响，因此实现了高质量的载频提取，进而实现高性能的下转换。以光电振荡环路内中心频率为待转换信号载频的1/2为例进行理论说明如下。

将注入锁定信号简化为含有直流分量和ω₀和ω₁频率成分，表达式如下：

p(t)＝p₀[1+m₀sin(ω₀t)+m₁sin(ω₁t)]     (1)

其中ω₀和ω₁分别表示微波载频频率和干扰频率（如噪声、载频所携带的数据信息等），m₀和m₁分别表示调制深度。

对于基于传统基频光电振荡器的下转换，当ω₀非常接近OEO的自由振荡频率时，OEO将被注入锁定在ω₀处。由于带通滤波器具有一定的带宽，且对于微波信号而言，越接近载频，频率分量携带的功率越高，因此部分连续分量将进入光电振荡器的反馈环，位于带通滤波器通带内的干扰频率也将出现在OEO的输出当中。在小信号调制情况下，高阶项(如2ω₀-ω₁和2ω₁-ω₀项)也将出现，但功率很小，因此可以忽略。因此在PolM（Plorization Modulator,偏振调制器）的电输入端的稳定振荡信号为：

V(t)=V₂sin(ω₀t+φ₀)+V₃sin(ω₁t+φ₁)    (2)

V₂，V₃分别为ω₀和ω₁频率成份的幅度，φ₀，φ₁分别为ω₀和ω₁频率成份的相位，OEO环内基于PolM的IM的传输函数形式为：

h(t)=1+m₂sin(ω₀t+φ₀)+m₃sin(ω₁t+φ₁)       (3)

其中m₂=πV₂/V_π，m₃=πV₃/V_π，V_π是偏振调制器的半波电压。

该信号和在基于PolM的等效强度调制器处和注入的光信号进行混频，在光电探测器处转换成电信号，被电放大器放大，并经过电带通滤波器进行滤波。经过一个循环周期后，得到信号的表达式为：

V₁(t)=g[(m₀+m₂cosφ₀)sin(ω₀t)+m₂sinφ₀cos(ω₀t)]

+kg[(m₁+m₃cos φ₀)sin(ω₁t)+m₃sinφ₁cos(ω₁t)](4)

其中g是开环电压增益，k是由电带通滤波器所产生的对ω₁频率成份的相对电压损耗，0<k＜1。

在稳态振荡模式下，(2)式和(4)式两信号应当相等，可以得到：

V2=g[m0+m2cosφ0]2+[m2sinφ0]2φ0=arctanm2sinφ0m0+m2cosφ0V3=kg[m1+m3cosφ1]2+[m3sinφ1]2φ1=arctanm3sinφ1m1+m3cosφ1---(5)]]>

V₃/V₂为干扰/载频信号的幅度比值，考虑到在小信号调制模型下，V₃/V₂应当为正(0<k＜1)，且当k＝1时，V₃/V₂应当等于m₁/m₀，由上式可以基于基频光电振荡器进行载频提取，干扰/载频信号的幅度比值表达式如下：

φ₀=0,φ₁=0,V₃/V₂=km₁/[m₀+(1-k)m₂]    (6a)

φ₀=π,φ₁=π,V₃/V₂=km₁/[m₀+(k-1)m₂]

if{(m₁>m₃andm₀>m₂)or(m₁<m₃andm₀<m₂)}(6b)

对于本发明中具体实施例1中的基于二次倍频光电振荡器的光子微波下转换，当ω₀/2非常接近OEO光电振荡环路的自由振荡频率时，OEO光电振荡环路将被注入锁定在ω₀/2处，干扰频率将被下转换至ω₁-ω₀/2。其余的高阶项，如3ω₀/2-ω₁，其频率成份功率很小，可被忽略。因此在PolM电输入处的稳定振荡信号为：

V(t)＝V₂sin(0.5ω₀t+φ₀)+V₃sin[(ω₁-0.5ω₀)t+φ₁]      (7)

该信号和在基于偏振调制器的等效强度调制器处和注入的光信号进行混频，在光电探测器处转换成电信号，被电放大器放大，并经过电带通滤波器进行滤波。经过一个循环周期后，得到信号的表达式为：

V₁(t)=g[(m₂cosφ₀+0.5m₀m₂sinφ₀)sin(0.5ω₀t)

+(m₂sinφ₀+0.5m₀m₂cosφ₀)cos(0.5ω₀t)]

+kg{(m₃cosφ₁+0.5m₁m₂sinφ₀)sin[(ω₁-0.5ω₀)t+φ₁ ]

+(m₃sinφ₁+05m₁m₂cosφ₀)cos[(ω₁-0.5ω₀)t+φ₁]}  (8)

稳定振荡情况下，公式(7)和(8)中的两信号应当相等，可以得到：

V2=g(m2cosφ0+0.5m0m2sinφ0)2+(m2sinφ0+0.5m0m2cosφ0)2φ0=arctanm2sinφ0+0.5m0m2cosφ0m2cosφ0+0.5m0m2sinφ0V3=kg(m3cosφ1+0.5m1m2sinφ0)2+(m3sinφ1+0.5m1m2cosφ0)2φ1=arctanm3sinφ1+0.5m1m2cosφ0m3cosφ1+0.5m1m2sinφ0---(9)]]>

考虑到V₃/V₂应当为正(0<k＜1)，可以得到(9)式的解为：

φ₀=π/4,φ₁=π/4orφ₀=5π/4,φ₁=5π/4,

V₃/V₂=km₁/(2+m₀-2k)      (10a)

φ₀=π/4,φ₁=5π/4or φ₀=5π/4,φ₁=π/4,

V₃/V₂=km₁/(2+m₀+2k)，ifm₃<0.5m₁m₂(10b)

φ₀=3π/4,φ₁=3π/4,V₃/V₂=km₁/(2-m₀+2k)

if{(m₀<2and m₃<0.5m₁m₂)}(10c)

V₃/V₂表示提取载频的光电振荡环路中，干扰和载频信号的幅度比值大小。

在实际当中，一般干扰的幅度比载频信号幅度低10dB，给出m₀=0.4，m₁=0.04为例；装置中光电振荡环内所选用的低噪声电放大器具有低饱和功率，因此给出m₂=0.3为例。基于(6)式和(10)式，以及给定的具体例的数值，给出V₃/V₂的数值计算比较。图4给出了光电振荡环路中进行载频提取时，干扰和载频信号的幅度比值随k变化的计算曲线。从图中可以看出，基于二次倍频光电振荡器提取载频时，干扰和载频信号的幅度比值比基于传统光电振荡器进行载频提取时要小，从而表明基于二次倍频光电振荡器能够实现高质量的载频提取。

图5给出了具体实施例1的基于二次倍频光电振荡器提取的载频和基于传统基频光电振荡器提取的载频的单边带(SSB)相位噪声曲线；对于调制了1Gb/s PRBS数据的20GHz和10GHz的微波信号分别基于倍频光电振荡器和传统基频光电振荡器进行了10GHz的载频提取，基于倍频光电振荡器提取的载频在频偏10kHz处的相位噪声有14dB的改善。

下转换后的信号的背对背的误码率（BER）曲线如图6所示，在误码率为10^-10处，基于传统基频光电振荡器的下转换相对于基于本发明的基于二次倍频光电振荡器的下转换引入了1.173dB的功率损耗，从而表明本发明的基于倍频光电振荡器的光子型频率下转换装置实现了高性能的下转换。

综上，本发明提供的基于倍频光电振荡器的光子型频率下转换装置进行了载频提取，避免引入外部本振源；避免引入任何非线性器件，光电振荡器腔内滤波器中心频率与所提取的微波载频频率不一致，从而避免载频附近的连续分量直接进入光电振荡器的反馈环，大幅提高光电振荡器所提取载频的质量；克服了传统微波元件工作频率受限的缺陷，实现了以低成本和高性能的低频微波器件实现对高频微波信号的高质量载频提取和高性能的下转换，是一种体积小、可靠性高、无电磁干扰的下转换装置。这使得本发明可广泛用于通信、遥感、航空航天和电子对抗等领域。

一种光子型频率下转换装置及方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。