超高速偏振复用光信号的移频产生装置及方法

本发明属于空间卫星激光通信、高速相干光通信，具体涉及超高速偏振复用光信号的移频产生装置及方法。

背景技术：

1、在对星间、星地高速光通信链路进行地面仿真与实验验证时，通常需要在实验室内对光信号引入精确的光学频移，以精确模拟卫星之间相对高速运动引起的时变多普勒频移效应。

2、现有光频移产生方式通常包括声光调制器移频或基于单偏振iq调制器的单偏振光信号单边带移频。上述方式在处理单偏振光信号时较为成熟，但面对100gbps dp-qpsk、200gbps dp-16qam、400gbps dp-64qam等超高速偏振复用（dual-polarization, dp）的双偏振光信号时，面临非常大的技术瓶颈。若仅对合并后的信号以单偏振器件进行处理，将直接导致正交偏振信息的混叠与丢失。

3、进一步地，传统技术方案若要实现偏振复用光信号的移频，通常采用偏振解复用后，利用两套相互独立的单偏振iq调制移频装置分别处理x偏振和y偏振，最后再进行两个偏振光信号合束。然而，该方案需要两套射频源、射频放大器、90度射频电桥、光学iq调制器和偏置控制器等。由于两套装置分别具有独立的射频电缆长度、放大器幅频响应、调制器半波电压、光纤连接长度、温度漂移系数和直流偏置漂移特性，导致两个偏振光信号在多个参数特性上会存在不一致。上述不一致会引入频移量偏差、相位噪声差异、偏振间群时延差、光功率不均衡、残余载波抑制深度不同以及边带抑制比不一致等问题，使输出偏振复用信号的星座图发生旋转、扩散或偏振串扰，难以满足超高速相干光通信系统对偏振正交性、相位连续性和频移一致性的要求，同时系统体积和硬件成本也呈倍数增加。

4、因此，突破单偏振移频方法限制，在同一光学链路与同一射频驱动基准下，实现两个正交偏振分量时间同步、功率等同、频移量等同的移频过程，且不破坏原始偏振复用信息的超高速偏振复用光信号移频产生装置及方法需要积极探索。具体而言，该装置应当使x偏振光与y偏振光共用同一个频移信号源和同一套正交射频驱动，从源头上保证二者的频移量均等；应当使两个偏振分量在同一正交光调制环路内沿相反方向通过相同的光学器件，从物理互易性上保证光学路径相等；还应当通过光纤放大器、射频衰减器、射频移相器以及调制器偏置电压控制对光功率、射频幅度、射频相位和调制器工作点进行统一平衡，使重构后的两个偏振分量在功率、相位和信息延迟上保持一致。

技术实现思路

1、本发明是为了克服现有技术中，现有实现偏振复用光信号的移频，通常采用双套独立调制装置，存在频移量、相位、时延和功率不一致，导致偏振串扰，且体积和成本成倍增加等问题，提供了一种具有偏振分集共路移频、物理互易性确保频移量和相位完全等同、且节约硬件成本和体积的超高速偏振复用光信号的移频产生装置及方法。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、超高速偏振复用光信号的移频产生装置，包括：

4、输入光放大处理单元、偏振分集共路移频环单元、正交射频驱动单元以及偏置电压发生器；

5、所述输入光放大处理单元，用于接收待处理的偏振复用光信号，并对所述偏振复用光信号进行功率放大、单向传输和端口路由选择；

6、所述偏振分集共路移频环单元包括光纤偏振分束/合束器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第一马赫-曾德尔调制器、第二马赫-曾德尔调制器、第一光移相器和第二光移相器；所述光纤偏振分束/合束器将输入的偏振复用光信号分解为x偏振光与y偏振光，并将所述x偏振光沿顺时针方向、所述y偏振光沿逆时针方向注入由第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第一马赫-曾德尔调制器、第二马赫-曾德尔调制器、第一光移相器和第二光移相器构成的正交光调制环路；

7、所述正交射频驱动单元，用于产生两路具有90度相位差的同频射频驱动信号，并分别馈入第一马赫-曾德尔调制器和第二马赫-曾德尔调制器的射频端口；

8、所述偏置电压发生器，用于分别向第一马赫-曾德尔调制器和第二马赫-曾德尔调制器施加偏置电压使所述第一马赫-曾德尔调制器和第二马赫-曾德尔调制器工作于载波抑制点；同时用于分别控制第一光移相器和第二光移相器产生所需的90度光学相位差，使得相向传输的x偏振光与y偏振光均发生单边带频移，随后经所述光纤偏振分束/合束器合成为移频后的偏振复用光信号。

9、作为优选，所述输入光放大处理单元包括依次连接的光纤放大器、光隔离器和光纤环形器；所述光纤环形器的第1端口连接输入光路，所述光纤环形器的第2端口连接所述光纤偏振分束/合束器并接收合束后的移频后信号，所述光纤环形器的第3端口作为频移后偏振复用光信号的输出端。

10、作为优选，所述正交光调制环路包含互相平行的上臂与下臂，所述上臂设置有所述第一马赫-曾德尔调制器和所述第一光移相器，所述下臂设置有所述第二马赫-曾德尔调制器和所述第二光移相器；所述上臂的一端与所述下臂的一端耦合于所述第一光纤耦合器，所述上臂的另一端与所述下臂的另一端耦合于所述第二光纤耦合器。

11、作为优选，所述正交射频驱动单元包括依次串联的频移信号源、射频放大器以及90°射频电桥；所述90°射频电桥的两个正交输出分支上分别串接有用于平衡幅相的射频衰减器和射频移相器。

12、本发明还提供了超高速偏振复用光信号的移频产生方法包括如下步骤：

13、s1，将待移频的超高速偏振复用光信号输入所述光纤放大器，经所述光纤放大器进行功率放大后输出至所述光隔离器，再由所述光纤环形器注入所述光纤偏振分束/合束器；

14、s2，所述光纤偏振分束/合束器将偏振复用光信号正交分解为x偏振光与y偏振光，并将所述x偏振光沿顺时针方向、所述y偏振光沿逆时针方向送入所述正交光调制环路；

15、s3，所述正交射频驱动单元产生两路具有90度相位差的同频射频驱动信号，用于分别驱动所述第一马赫-曾德尔调制器和所述第二马赫-曾德尔调制器；

16、s4，所述偏置电压发生器将所述第一马赫-曾德尔调制器和所述第二马赫-曾德尔调制器锁定在载波抑制偏置点，并控制所述第一光移相器和所述第二光移相器使所述正交光调制环路的光学相差稳定在90度，使得相向传输的x偏振光与y偏振光同时发生载波抑制单边带调制，获得等量同向的光学频移；

17、s5，移频后的x偏振光与y偏振光经所述光纤偏振分束/合束器合成为移频后的偏振复用光信号，并经所述输入光放大处理单元输出。

18、作为优选，所述输入光放大处理单元包括依次连接的光纤放大器、光隔离器和光纤环形器；所述光纤放大器对输入信号进行功率放大以补偿后续链路插入损耗，所述光隔离器抑制后级反射光；所述光纤环形器使输入偏振复用光信号由其第1端口进入第2端口，并使移频后的偏振复用光信号由第2端口经第3端口输出。

19、作为优选，在步骤s2中，所述x偏振光和所述y偏振光在正交光调制环路中沿相反方向通过同一组光学器件，共用相同的光学路径。

20、作为优选，在步骤s3中，所述正交射频驱动单元中的频移信号源输出角频率为的射频信号，经射频放大器放大后由90°射频电桥分为两路正交信号，两路正交信号分别经射频衰减器和射频移相器进行幅度及相位校正后，馈入所述第一马赫-曾德尔调制器和所述第二马赫-曾德尔调制器的射频端口，使两个调制器获得幅值相等、相位相差90度的驱动条件。

21、作为优选，在步骤s4中，所述偏置电压发生器通过偏置电压反馈使所述第一马赫-曾德尔调制器和所述第二马赫-曾德尔调制器各自的两臂直流相位差均保持在π附近以抑制原始光载波；所述偏置电压发生器还用于配合正交射频驱动单元中射频衰减器、射频移相器以及所述第一光移相器、所述第二光移相器，使电学90度相位差和光学90度相位差共同满足单边带选择条件。

22、作为优选，在步骤s5中，经过移频的x偏振光和y偏振光分别携带原始电场复包络信息，且所述x偏振光和所述y偏振光的角频率由统一平移至或，合束后的偏振复用光信号保持两正交偏振通道的偏振正交性和原始调制信息。

23、本发明与现有技术相比，有益效果是：（1）结构巧妙，实现偏振分集共路移频：本发明巧妙地将偏振分集环路架构与正交光调制结构相结合，利用双向传播特性，使x偏振和y偏振光束在同一套物理硬件中相向传播；这种偏振共光学路径的设计，从物理底层确保了两路信号所经历的器件性能、路径损耗及外部扰动完全一致，结构简洁；（2）物理互易，确保频移量与相位完全等同：基于光学路径的物理互易性，两个偏振分量在同一套射频驱动基准下同步调制；从根本上消除了传统双套装置方案中因射频源差异、偏置点漂移及光纤路径抖动带来的随机误差，实现了频移量、初始相位差恒定不变，极大地提升了移频的一致性和稳定性；（3）规模减半，显著降低系统体积与成本：通过单器件实现双偏振同步移频，使核心的光学iq调制器、射频放大器、90度射频电桥及偏置控制器等关键硬件数量全部减少一半；降低了硬件成本和工程造价，具有较高的工程实用价值。