一种相位稳定的光子微波信号产生方法及系统

摘要

本发明涉及一种提高光子微波信号相位稳定性的方法及系统，所述方法激光器输出的光被偏振光分束器分为两束垂直的偏振光，基准光被移频后与传输光经过偏振光合束器合束到一起，再经过光微波调制和光延时链路后经过偏振光分束器，最后基准光被法拉第旋光镜旋转偏振态后与传输光干涉，再经低速的光检测器检测出拍频信号；将该拍频信号与25MHz的参考信号进行相位比较获得传输系统相位扰动的情况，将鉴相器输出的信号处理后，作为微波光子移相器的控制信号。所述系统包括：DFB激光器、偏振光分束器、声光频移器、偏振光合束器、RF信号发生器、马赫曾德尔调制器、光子微波信号移相器、偏振光分束器、光干涉仪、低频光接收机鉴相器和比例积分器。

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高光子微波信号相位稳定性的方法，特别涉及通过两束偏振光 的干涉反馈来提高微波信号相位的稳定性。

背景技术

光控相控阵雷达系统中的移相微波信号的相位稳定技术是影响光控相控阵雷达系统 测量精确的关键因素之一，本发明涉及的正是提高移相微波信号的相位稳定的一种方 法。

光控相控阵雷达是将光电子技术应用在相控阵雷达中，用以传输、分配雷达信号和控 制信号，实现光波束控制。光控相控阵雷达相比较于以往的相控阵雷达，在尺寸、重 量、传输损耗、辐射干扰等问题得到了有效的改善；光延迟线作为移相器，可获得大 的瞬时带宽；采用光纤传输和分配技术，可减轻系统重量，减小体积，提高雷达可靠 性，增强抗电磁干扰的能力，改善线路传输特性；天线子系统与雷达子系统可分置不 光延迟线是光电子技术在光控相控阵雷达技术中的关键应用同位置，不仅带来结构上 的方便，还提高雷达和人员的生存能力。光延迟线是光电子技术在光控相控阵雷达技 术中的关键应用，然而光延迟线应用在光控相控阵雷达系统中的同时，引入了相位噪 声和相位漂移，使得微波信号的分配和传输受到干扰。从传输损耗、带宽以及抗电磁 干扰特性方面看，光纤是传送微波信号的理想介质，然而环境温度、压力以及弯曲均 会导致光纤折射率变化，积累的传输延迟变化将直接导致微波信号的相位噪声和相位 漂移。实验研究表明，光纤折射率随温度的变化率约为40ps/(km×℃)，对于长度为 100m的光纤，温度变化1℃相应的延迟约为4ps。压力对光纤传输相位的影响更为 明显，实验研究表明，光纤折射随压强的变化率约为70ps/(km×MPa)，对于长度为 100m的光纤，压强变化1MPa相应的延迟约为7ps。综上考虑，这些随机变化的附 加延时对于光控相控阵雷达系统中的微波信号来讲是无法接受的，必须采用相应的相 位稳定技术配合光延迟线才能实现移相微波信号的高质量传输。

目前，传统的光延迟线长度校准或者相位稳定问题的处理思路如下：在不考虑光纤非 线性和非互易性的情况下，同一光纤中同向传输的信号互相之间是独立的、经历的相 位扰动也是一致的。因此，通过比较基准信号与光信号的相位差，即可测得光纤的相 位扰动。利用该信号反馈控制光纤的延迟即可实现光纤的长度校准或相位稳定，具体 实现方式一般为非相干式。一般来说，首先将一个微波信号调制到两个光载波上(一 路为传输信号，一路为基准信号)，在远端分别接收两路微波信号，用锁相环比较基 准的微波信号和传输微波信号之间的相位差，获得光纤传输相位变化的信息，反馈控 制光纤相位，实现相位稳定的目的。但是，传统的这种非相干方式中基准信号与传输 信号的相位差是在光电转换之后的电域进行的，增加了系统的复杂度和不确定性，同 时稳定精度不够高。

因此，如何在不增加系统复杂度的情况下，能够提高光子微波信号相位稳定性的精度 和响应度成为本文的目标。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于：克服现有技术的缺陷，提供一种基于垂直偏振 态的相干光检测方案来提高光子微波信号相位稳定性。该方案基于两束相位相干的偏 振光同时在光子微波链路系统中传输，其中一束为基准光，一束为传输光，通过对两 束光在光纤链路末端的比较来反馈控制光子微波移相模块。

技术方案：本发明提供的提高光子微波信号相位稳定性的方法，包括对两束分 别在光子微波链路系统中传输的相干偏振光进行相干检测来反馈光延时模块；其特性 在于，直接在光域内进行的，避免了微波接收再调制带来的一系列问题。主要实施原 理如下：激光器输出的光被偏振光分束器分为两束垂直的偏振光，其中一束被作为基 准光，被移频后，再与另外一束作为传输光的经过偏振光合束器合束到一起，再经过 光微波调制和光延时链路后被偏振光分束器后，基准光被法拉第旋光镜旋转偏振态后 与传输光干涉，再经低速的光检测器检测出拍频信号。根据干涉原理，两干涉臂的相 位差将直接反映在25MHz拍频信号的相位中，即25MHz拍频信号的相位反映了传 输光纤的相位变化。将该拍频信号与25MHz的参考信号进行相位比较，即可获得传 输系统相位扰动的情况，将鉴相器输出的信号处理后，作为微波光子移相器的控制信 号，达到反馈控制微波信号相位的目标。

有益效果：与背景技术相比，本发明具有如下的技术效果：

1、本相干方式相位稳定技术的相位检测是直接在光域内进行的，由于光波频率 非常高(在1550nm波段，193THz左右)，因此可以获得波长量级的稳定精度，从而满 足X波段微波信号的传送。

2、本方案检测模块光检测器只需要一个低速的，节约了成本。

3、通过光的干涉，代替了传统相位稳定技术上的高频电信号相位检测，使可行 性和系统稳定性大大提高。

附图说明

图1是本发明技术方案一的结构示意图。

图2是图1的详细器件连接图。

图3是相位稳定模块不工作的情况下系统输出相位图。

图4是相位稳定模块工作的情况下系统输出相位图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，本发明的目的和效果将变得更 加明显。

如图1所示，可将微波光子移相链路系统分为四个模块：光子微波信号发生模块、 光子微波信号移相模块、光子微波信号移相反馈控制模块以及光子微波移相信号接收 模块，这其中(2)和(3)如图2所示是相互关联的。

一种偏振相干光干涉反馈稳定微波信号相位的系统，如图2所示，包括：分布反 馈式(DFB)激光器1、偏振光分束器2、声光频移器3、25MHz信号发生器4、偏振光 合束器5、RF信号发生器(10GHZ)6、马赫曾德尔调制器7、光子微波信号移相器 8、偏振光分束器9、分路器(splitler)10、光环行器11、光干涉仪12、低频光接收机 13、法拉第旋光镜14、鉴相器15和比例积分器16。

如图2所示，窄线宽、频率稳定的分布反馈式(DFB)激光器1输出的连续光载波 被偏振光分束器2分离成TE波和TM波，其中TM波作为基准光经由25MHz的信 号声光频移器(AOFS)3移频后再与作为传输光的TE波经偏振光合束器5合束到一 起，经过由X波段微波信号6(以10GHz为例)驱动的单边带调制器7后，生成光强 度变化频率为10GHz的单边带光载波信号。单边带调制器输出的光信号经由光子微 波移相器送入偏振光分束器9(PBS)，重新被分为TE波和TM波输出，传输光TE波 经3dB保偏分路器10后分为两路。其中一路作为移相信号检测输出，另外一路为 Michelson干涉仪12参考臂的信号输入。PBS分离出的TM波经光环行器和法拉第 旋转镜后被转化成TE波，由Michelson干涉仪另外一臂输入。Michelson干涉仪的输 出光送入光电检测器13进行拍频，将该拍频信号与25MHz的参考信号通过鉴相器 15进行相位比较，即可获得传输系统相位扰动的情况，最后将鉴相器输出的信号经 比例积分器PID16处理后，作为微波光子移相器的控制信号，达到反馈控制微波信 号相位的目标。

图3是相位稳定模块不工作的情况下系统输出相位图，可以看到在预计180°相 位差输出的情况下，有大约10°左右的相位偏差。

图4是相位稳定模块工作的情况下系统输出相位图，相位误差被消除，得到了预 期的180°相位差。

因此，可以看到，在通过本专利要求保护偏振光反馈控制方案后，可以有效的改 善系统的相位偏差。