无光学滤波器的18倍频光生毫米波/太赫兹波产生方法

1.本发明涉及毫米波产生技术领域，具体地说，涉及无光学滤波器的18倍频光生毫米波/太赫兹波产生方法。


背景技术：

2.5g的部署加快了人类社会将进入智能化时代，为人们的生活和工作方式、政治、经济都提供了前所未有的体验，从物联网、大数据、区块链、移动社交网络到互联网 、虚拟现实、增强现实再到人工智能等。6g时代，将使人类社会服务均衡化、高端化，社会治理科学化、精准化，社会发展绿色化、节能化，从移动互联，到万物互联，再到万物智联，以及6g将实现从服务于人、人与物，到支撑智能体高效联接的跃迁，通过人机物智能互联、协同共生，满足经济社会高质量发展需求，服务智慧化生产与生活，推动构建普惠智能的人类社会，这进而带来了对网络容量的极大需求，急剧增长的业务流量给移动通信造成了严峻的挑战。
3.毫米波(millimeter wave，mm-wave)，波长范围为0.1mm-1mm，相应频率范围为30ghz～300ghz，太赫兹波，波长范围为3mm-30μm，相应频率范围为0.1-10thz，带宽资源丰富，能够适应无线通信技术带宽快速增长的需求，为下一代无线通信技术提供了全新的解决方案。随着无线带宽需要的提高，就需要更高频率的毫米波来承载信息，然而，基于传统半导体器件的方式，由于带宽限制等瓶颈，已经很难产生适应业务需求的频段毫米波信号；同时随着频率升高，毫米波信号在大气中进行无线传输时也会伴随着更大的损耗，限制了传输距离从而降低了覆盖面积。
4.光载射频(radio over fiber，rof)技术，顾名思义，即是在光纤中传输射频信号，它把无线通信与光通信进行了融合，利用了两者的优势，克服了无线通信传输距离短，光纤通信接入不灵活的弊端，保留了光纤通信超大容量、微弱的损耗和对电磁干扰不敏感以及无线通信可以随时随地便捷接入等优势，一经提出，很快引起了研究者们的关注。借助光子辅助技术来实现毫米波信号的产生是rof通信系统的关键技术之一，可以有效地克服了传统电子器件的电子瓶颈的制约，产生高频率、高稳定性和低相位噪声的毫米波及矢量毫米波信号，同时还可以无需电光转换无缝实现光纤传输，拉远了毫米波信号的传输距离。
5.然而，现有毫米波产生方法系统结构复杂，倍频因子低以及稳定性低的问题，无法适用于当前及未来的无线和光纤通信系统，且在产生18倍频光生毫米波时，往往需要使用光滤波器来抑制不需要的边带，导致能产生的频率范围受限。鉴于此，我们提出了无光学滤波器的18倍频光生毫米波/太赫兹波产生方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供无光学滤波器的18倍频光生毫米波/太赫兹波产生方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为实现上述技术问题的解决，本发明的目的之一在于，提供了无光学滤波器的18倍频光生毫米波/太赫兹波产生方法，通过级联三个推挽模式的马赫曾德尔调制器mzm，设
为mzm-i(i＝1，2，3)，同时这三个mzm工作在最小传输点，分别实现奇数阶边带调制；利用射频信号驱动三个级联的马赫曾德尔调制器，同时控制射频驱动信号的电压，并配合移相器抑制掉偶数阶光电带和不理想奇数阶谐波，同时第二个射频驱动信号v
dc2
与第一个射频驱动信号v
dc1
之间存在π/3的相移，第三个射频驱动信号v
dc3
与第一个射频驱动信号v
dc1
之间存在2π/3的相位差，最后经三个级联mzm输出的光场信号中，仅包含纯净的
±
9阶光边带信号，最终通过光电探测器pd拍频光电转换后产生18倍频的毫米波/太赫兹波信号；具体包括如下步骤：
8.s1、外腔激光器发出连续光波，正弦射频源发出射频信号，共同进入推挽模式的mzm-1，并获得经mzm-1输出的光场a；
9.s2、驱动第二个mzm的射频驱动信号v
dc2
与第一个射频驱动信号v
dc1
的相位差相差π/3，以mzm-1的输出光场a作为mzm-2的输入光场，获得推挽模式的mzm-2输出的光场b；
10.s3、驱动第三个mzm的射频驱动信号v
dc3
与第一个射频驱动信号v
dc1
的相位差相差2π/3，以mzm-2的输出光场b作为mzm-3的输入光场，获得推挽模式的mzm-3输出的光场c；
11.s4、在光电探测器pd中对推挽模式的mzm-3输出的光场c进行平方率检测，通过计算从pd输出的光电流来判断是否产生了所需要的18倍射频本振频率的毫米波信号。
12.作为本技术方案的进一步改进，所述步骤s1中，获得经mzm-1输出的光场a的具体计算方法为：
13.外腔激光器发出的连续光波可以表示为：
14.e
in
＝ecexp(j2πfc)，
15.其中ec为连续光波的幅度，fc为连续光波的频率；
16.正弦射频源发出的射频信号为：
[0017]vrf
＝vmexp(j2πf
rf
)，
[0018]
其中vm为射频信号源的幅度；
[0019]
三个mzm均工作在最小传输点，即null点，则推挽模式的mzm-1传输函数表达式描述为：
[0020][0021]
式(1)中，jn(β)为第一类n阶贝塞尔函数，β为mzm的调制系数；
[0022]
通过式(1)可得：经mzm-1输出的光场a，偶数阶光边带被抑制，仅包含奇数阶光边带。
[0023]
作为本技术方案的进一步改进，所述步骤s2中，获得推挽模式的mzm-2输出的光场b的具体计算方法为：
[0024]
驱动第二个mzm的射频驱动信号v
dc2
与第一个射频驱动信号v
dc1
的相位差相差π/3，同时推挽模式的mzm-2也工作在最小传输点，则其输出的光场b可以表示为：
[0025][0026]
通过式(2)可得：推挽模式的mzm-2工作在最小传输点，仍实现的是奇数阶边带调制，mzm-2的输入是mzm-1的输出光场a，则经mzm-2输出的光场b中，仅包含偶数阶光边带。
[0027]
作为本技术方案的进一步改进，所述步骤s3中，获得推挽模式的mzm-3输出的光场c的具体计算方法为：
[0028]
驱动第三个mzm的射频驱动信号v
dc3
与第一个射频驱动信号v
dc1
的相位差相差2π/3，同时推挽模式的mzm-3也工作在最小传输点，则其输出的光场c可以表示为：
[0029][0030]
通过式(3)可得：推挽模式的mzm-3工作在最小传输点，仍实现的是奇数阶边带调制，mzm-2的输出光场b作为mzm-3的输入，则经mzm-3输出的光场c中，
±
1阶、
±
3阶、
±
5阶、
±
7阶光边带被抑制，仅包含阶
±
9阶光边带。
[0031]
作为本技术方案的进一步改进，所述步骤s4中，在光电探测器pd中对推挽模式的mzm-3输出的光场c进行平方率检测时，则从pd输出的光电流可以表示为：
[0032][0033]
由式(4)可知：基于上述步骤即产生了所需要的18倍射频本振频率的毫米波信号。
[0034]
本发明的目的之二在于，提供了无光学滤波器的18倍频光生毫米波/太赫兹波产生方法的方案架构，包括一个外腔激光器cw laser，射频信号rf source，两个移相器eps-1、eps-2，三个级联的推挽模式的马赫曾德尔调制器mzm-1、mzm-2和mzm-3以及一个光电探测器pd，其中，射频信号rf source经两个移相器eps-1、eps-2移相后分为三个射频驱动信号v
dc1
、v
dc2
、v
dc3
分别进入三个推挽模式的马赫曾德尔调制器mzm-1、mzm-2和mzm-3中。
[0035]
本发明的目的之三在于，提供了一种方法运行控制平台装置，包括处理器、存储器以及存储在存储器中并在处理器上运行的计算机程序，处理器用于执行计算机程序时实现上述的无光学滤波器的18倍频光生毫米波/太赫兹波产生方法的步骤。
[0036]
本发明的目的之四在于，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的无光学滤波器的18倍频光生毫米波/太赫兹波产生方法的步骤。
[0037]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0038]
1.该无光学滤波器的18倍频光生毫米波/太赫兹波产生方法中，基于三个马赫增德尔调制器产生可调谐18倍频毫米波/太赫兹波信号的方案结构简单，无需任何光学滤波器，所产生的毫米波/太赫兹波信号稳定，所产生信号的光边带抑制比(ossr)可达到38.02db，射频杂散抑制比(rfssr)可达到31.22db，所生成信号的质量更高，本方案弥补了现有毫米波产生方法系统结构复杂，倍频因低以及稳定性低的问题，适用于当前及未来的无线和光纤通信系统；
[0039]
2.该无光学滤波器的18倍频光生毫米波/太赫兹波产生方法的目的在于产生适用于5g或6g通信技术的毫米波和太赫兹波，可以有效克服现有基于光学滤波器的外调制器毫米波产生方案倍频因子低、带宽可调范围窄的问题，采用三马赫曾德尔调制器级联，在适当的控制调制系数和直流偏置电压，产生了频率为本振信号频率18倍的光毫米波信号，使产生高频/极高频信号所需要的设备频率指标大大降低，进而降低了系统成本和射频本振信号的频率和调制器的响应频率要求，同时增加了系统的可调谐性能。
附图说明
[0040]
图1为本发明中示例性的基于三个推挽模式马赫曾德尔调制器无光学滤波器的18倍频毫米波信号产生方案架构图；
[0041]
图2为本发明中示例性的本发明中产生18倍频毫米波信号过程中，分别经3个调制器所输出的光谱图(其中，(a)为经mzm-1输出的光谱图，(b)为经mzm-2输出的光谱图，(c)为经mzm-3输出的光谱图)；
[0042]
图3为本发明中示例性的经光电探测器pd拍频后所产生的毫米波信号电谱图图；
具体实施方式
[0043]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
实施例1
[0045]
如图1-3所示，本实施例提供了无光学滤波器的18倍频光生毫米波/太赫兹波产生方法，通过级联三个推挽模式的马赫曾德尔调制器mzm，设为mzm-i(i＝1，2，3)，同时这三个mzm工作在最小传输点，分别实现奇数阶边带调制；利用射频信号驱动三个级联的马赫曾德尔调制器，同时控制射频驱动信号的电压，并配合移相器抑制掉偶数阶光电带和不理想奇数阶谐波，同时第二个射频驱动信号v
dc2
与第一个射频驱动信号v
dc1
之间存在π/3的相移，第
三个射频驱动信号v
dc3
与第一个射频驱动信号v
dc1
之间存在2π/3的相位差，最后经三个级联mzm输出的光场信号中，仅包含纯净的
±
9阶光边带信号，最终通过光电探测器pd拍频光电转换后产生18倍频的毫米波/太赫兹波信号；具体包括如下步骤：
[0046]
s1、外腔激光器发出连续光波，正弦射频源发出射频信号，共同进入推挽模式的mzm-1，并获得经mzm-1输出的光场a；
[0047]
s2、驱动第二个mzm的射频驱动信号v
dc2
与第一个射频驱动信号v
dc1
的相位差相差π/3，以mzm-1的输出光场a作为mzm-2的输入光场，获得推挽模式的mzm-2输出的光场b；
[0048]
s3、驱动第三个mzm的射频驱动信号v
dc3
与第一个射频驱动信号v
dc1
的相位差相差2π/3，以mzm-2的输出光场b作为mzm-3的输入光场，获得推挽模式的mzm-3输出的光场c；
[0049]
s4、在光电探测器pd中对推挽模式的mzm-3输出的光场c进行平方率检测，通过计算从pd输出的光电流来判断是否产生了所需要的18倍射频本振频率的毫米波信号。
[0050]
本实施例中，步骤s1中，获得经mzm-1输出的光场a的具体计算方法为：
[0051]
外腔激光器发出的连续光波可以表示为：
[0052]ein
＝ecexp(j2πfc)，
[0053]
其中ec为连续光波的幅度，fc为连续光波的频率；
[0054]
正弦射频源发出的射频信号为：
[0055]vrf
＝vmexp(j2πf
rf
)，
[0056]
其中vm为射频信号源的幅度；
[0057]
三个mzm均工作在最小传输点，即null点，则推挽模式的mzm-1传输函数表达式描述为：
[0058][0059]
式(1)中，jn(β)为第一类n阶贝塞尔函数，β为mzm的调制系数；
[0060]
通过式(1)可得：经mzm-1输出的光场a，偶数阶光边带被抑制，仅包含奇数阶光边带。
[0061]
进一步地，步骤s2中，获得推挽模式的mzm-2输出的光场b的具体计算方法为：
[0062]
驱动第二个mzm的射频驱动信号v
dc2
与第一个射频驱动信号v
dc1
的相位差相差π/3，同时推挽模式的mzm-2也工作在最小传输点，则其输出的光场b可以表示为：
[0063][0064]
通过式(2)可得：推挽模式的mzm-2工作在最小传输点，仍实现的是奇数阶边带调制，mzm-2的输入是mzm-1的输出光场a，则经mzm-2输出的光场b中，仅包含偶数阶光边带。
[0065]
进一步地，步骤s3中，获得推挽模式的mzm-3输出的光场c的具体计算方法为：
[0066]
驱动第三个mzm的射频驱动信号v
dc3
与第一个射频驱动信号v
dc1
的相位差相差2π/3，同时推挽模式的mzm-3也工作在最小传输点，则其输出的光场c可以表示为：
[0067][0068]
通过式(3)可得：推挽模式的mzm-3工作在最小传输点，仍实现的是奇数阶边带调制，mzm-2的输出光场b作为mzm-3的输入，则经mzm-3输出的光场c中，
±
1阶、
±
3阶、
±
5阶、
±
7阶光边带被抑制，仅包含阶
±
9阶光边带。
[0069]
进一步地，步骤s4中，在光电探测器pd中对推挽模式的mzm-3输出的光场c进行平方率检测时，则从pd输出的光电流可以表示为：
[0070][0071]
由式(4)可知：基于上述步骤即产生了所需要的18倍射频本振频率的毫米波信号。
[0072]
具体地，本实施例基于三个马赫曾德尔调制器无需光学滤波器的十八倍频毫米波或太赫兹波产生方案的核心思想、工作流程及处理过程中，由于未使用光滤波器来抑制不需要的边带，使得能产生的频率范围更加灵活。
[0073]
如图1所示，本实施例还提供了无光学滤波器的18倍频光生毫米波/太赫兹波产生方法的方案架构，用于实现上述方案的运行，该架构包括一个外腔激光器cw laser，射频信号rf source，两个移相器eps-1、eps-2，三个级联的推挽模式的马赫曾德尔调制器mzm-1、mzm-2和mzm-3以及一个光电探测器pd，其中，射频信号rf source经两个移相器eps-1、eps-2移相后分为三个射频驱动信号v
dc1
、v
dc2
、v
dc3
分别进入三个推挽模式的马赫曾德尔调制器
mzm-1、mzm-2和mzm-3中。
[0074]
如图2-图3所示，本实施例还提供了一种有效性验证实验，用于验证上述无光学滤波器的18倍频光生毫米波/太赫兹波产生方法的有效性，具体验证如下：
[0075]
首先基于计算机光子模拟软件搭建了基于三个推挽模式马赫曾德尔调制器无需光学滤波器产生16倍频毫米波信号的仿真链路。系统中主要器件参数设置如下：cw激光器的中心频率为193.1thz，线宽为10mhz，输出功率为0dbm；rf信号频率为10ghz，射频驱动电压幅度为4.97v；电移相器eps-1的相位设置为π/3，电移相器eps-2的相位设置为π/3；三个马赫曾德尔调制器半波电压均为3.2v，插入损耗为5db；oa增益为20db，噪声为4db；pd响应度为0.8a/w，暗电流为10na。
[0076]
图2为本实施例中所提方案产生18倍频毫米波信号过程中，分别经3个调制器所输出的光谱图：
[0077]
图2(a)为经mzm-1输出的光谱图，可以发现偶数阶边带被抑制，仅包含
±
1阶、
±
3阶、
±
5阶、
±
7阶、
±
9阶等奇数阶光边带；
[0078]
图2(b)为经mzm-2输出的光谱图，可以发现mzm-2输出的光谱仅包含0阶、
±
2阶、
±
4阶、
±
6阶、
±
8阶、
±
10阶、
±
12阶、
±
14阶等偶数阶光边带；虽然mzm-2是奇数阶边带调制，但是其输入信号为mzm-1输出的奇数阶边带；
[0079]
图2(c)为经mzm-3输出的光谱图，可以发现mzm-3输出的光谱主要包含
±
9阶光边带，和杂散波
±
15阶光边带，其中
±
9阶功率远大于
±
15阶光边带，其实光边带抑制比(ossr)达到了38.02db。
[0080]
进而有，图3为经光电探测器平方率检测后所拍频产生18倍频毫米波信号，从图3中可以发现产生了180ghz的毫米波信号，射频边带抑制比(rfssr)可以达到31.22db。
[0081]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。