利用双偏振调制器实现瞬时微波频率测量的装置及方法

摘要

本发明公开了一种利用双偏振调制器进行瞬时微波频率测量的装置及方法，该发明涉及微波技术领域以及光通信技术领域，主要应用于微波信号频率的测量。所述方法如附图所示，包括光源、信号源、双偏振调制器、单模光纤、耦合器、偏振控制器、起偏器以及光电探测器。利用双偏振调制器对信号源产生的未知频率的微波信号进行调制，得到偏振复用信号。通过光纤色散后分为两路，一路保持偏振态不变，一路通过偏振控制器和起偏器转化为线偏振信号。光电探测器对两路信号检测，测量其功率值并建立功率比较函数。根据对应关系，就可以估计出待测频率。本方案改变一路信号的偏振态可以调节测量范围，实现简单、分辨率高和测量误差小。

说明书

技术领域

本发明涉及光通信技术领域和微波技术领域，主要涉及光通信技术中基于双偏振调制器(DPol-MZM)实现瞬时微波频率测量的方法

背景技术

在电子战及雷达系统中，及时从接收机截获的微波信号中提取频率、幅度等各种特征参数至关重要。然而，随着毫米波段(0.4-40GHz)信号的投入使用，传统的电子接收机受到带宽限制，而且其结构复杂，体积庞大，易受电磁干扰等瓶颈问题，急需要提供一种新的解决方案。

微波光子技术兼具光子技术和微波技术的优点，可以弥补电子器件的不足，为瞬时频率测量提供一个大带宽，低损耗，抗干扰的解决方案。

微波光子技术进行频率测量的方法主要包括三种：基于频率-幅度映射；基于频率-时间映射；基于频率-空间映射。其中频率-幅度即频率-功率映射，由于系统结构简单、测频范围大、测量精度高而成为研究重点。该方法的原理是将待测的微波信号调制到光载波上，经过一定的光路结构，得到仅与待测微波频率有关的功率比值函数(幅度比较函数，ACF)。通过微波频率和功率比值函数的一一对应关系，可以计算出待测的微波频率。

目前，基于频率-功率映射的方法的频率测量技术主要利用强度调制器、相位调制器或者偏振调制器，调制信号经过不同的色散介质获得不同的功率响应曲线，从而建立功率比值函数。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的问题，本发明提出了一种利用DPol-MZM实现微波频率测量的方法。该方法具有结构简单、测量范围大且可调节、测频精度高等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述装置包括光源、信号源、双偏振调制器、耦合器、起偏器、偏振控制器、单模光纤以及光电探测器，其中DPol-MZM由两个并行的马赫增德尔调制器MZM1和MZM2以及尾部的偏振分束器集成；光源的输出端与双偏振调制器光输入端相连；信号源的输出端和MZM1的一个射频输入端相连，其它射频端口空载；双偏振调制器的输出端与单模光纤一端相连；单模光纤的另一端和耦合器输入端相连；耦合器的一个输出端与光电探测器1输入端口相连；耦合器的另一输出端与偏振控制器的一端相连；偏振控制器的另一端和起偏器的输入端口相连；起偏器的输出端和光电探测器2的输入端口相连；光电探测器1和光电探测器2输出两路电信号。

本发明在工作时包括以下步骤：

(1)从激光器发出波长为λ的光波作为载波注入到DPol-MZM中；

(2)在DPol-MZM内，光载波被分为两路，分别输入到MZM1和MZM2中，信号源产生未知频率的微波信号输入到MZM1的一个射频输入端口，其它射频端口无信号。将幅度为V_DC1的直流电压接入到MZM1的直流输入端，将幅度为V_DC2的直流电压接入到MZM2的直流输入端。

(3)设置V_DC1、V_DC2的大小，使MZM1和MZM2工作在最大传输点。在MZM1的输出端得到被待测微波信号相位调制的光信号和光载波，在MZM2的输出端只得到光载波；

(4)MZM1和MZM2输出的两路信号输入到偏振分束器实现偏振态正交化，在DPol-MZM的输出端得到偏振复用信号；

(5)DPol-MZM的输出信号经过一段单模光纤后接入到耦合器，耦合器将信号分为两路；

(6)上路将信号直接接入光电探测器1，光电探测器1对输入的偏振复用信号进行检测；

(7)下路将信号经过偏振控制器和起偏器后接入到光电探测器2。偏振控制器和起偏器实现偏振复用光信号向线偏振光信号的转化，在起偏器的输出端得到线偏振光信号。光电探测器2对输入的线偏振光信号进行检测；

(8)测量光电探测器1和光电探测器2输出电信号的功率。将上下路得到的功率值进行比值计算，根据功率比较函数和待微波测频率的一一对应关系，可计算出待测微波频率；

(9)改变信号源产生的未知微波信号的功率，重复步骤8；

(10)调节下路偏振控制器来改变起偏器和双偏振调制器的主轴之间的夹角，重复步骤8，实现频率测量范围的调谐；

本发明提出了一种新型的微波频率测量方法，该方案利用DPol-MZM和一段单模光纤，实现微波频率到功率的映射，得到了ACF。为了避免频率测量的模糊性，选取从零频到ACF曲线的第一个陷波点位置的单调区间作为频率测量范围。根据待测微波频率和功率比值的一一对应关系，实现微波频率的测量。本发明设备简单，具有很强的实际可操作性。

由于上路和下路得到具有近似互补的功率衰落曲线，ACF的斜率陡峭，测量分辨率高。

频率测量的最大范围取决于上路和下路功率衰落曲线中的第一个陷波点的位置。由于上路固定不可调，调节下路偏振控制器，下路功率衰落曲线的第一个陷波点的位置随之改变，实现测量范围改变。

图1为本发明利用DPol-MZM实现微波频率测量的原理图，图2为使用长度为5km的单模光纤实验结果图，其中：

(a)为不同θ得到的一组ACF曲线图；

(b)为选取频率测量范围为2-28GHz，上路、下路功率曲线和实际ACF、理论ACF图；

(c)为选取频率测量范围为2-28GHz、微波信号功率为-3dBm时，测量误差图；

(d)为选取频率测量范围为2-28GHz、微波信号功率为-20dBm时，测量误差图；

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作流程，但本发明的保护范围不限于下属的实施例：

图1为本发明利用DPol-MZM实现微波频率测量的原理图。其中DPol-MZM用于对信号源产生的频率未知的微波信号进行调制，产生偏振复用信号，经过5km的单模光纤引入色散后，一路直接接入光电探测器检测，一路通过偏振控制器和起偏器转化为线偏振信号后，接入光电探测器进行检测。将上下两路得到的的功率值相比，得到ACF函数，根据对应关系计算出待测频率。

如图1所示，本实施例中，装置包括：光源、DPol-MZM、信号源、单模光纤、耦合器、起偏器、偏振控制器、光电探测器，其中双偏振调制器由MZM1，MZM2和尾部的偏振分束器组成。光源的输出端和双偏振调制器的输入端相连；信号源的输出端和MZM1的一个射频输入端相连；双偏振调制器的输出端与一段5km的单模光纤相连，光纤的另一端和耦合器的输入端相连；耦合器的一个输出端口和光电探测器1相连，另一个输出口经偏振控制器和起偏器后接入光电探测器2；测量光电探测器1和光电探测器2输出电信号的功率。将上下路得到的功率值进行比值计算，根据功率比较函数和待微波测频率的一一对应关系，可估计出待测微波频率。

本实例中，具体的微波频率测量方法和原理包括以下步骤：

步骤一：光源产生工作波长为1552nm，功率为11dBm的连续光波，其中将光波的工作角频率记为ω_c，幅度记为E₀，连续光波输入到DPol-MZM。

步骤二：将信号源产生的频率未知的微波信号输入到MZM1的一个射频输入端，其它射频端口不加载信号，MZM1和MZM2均偏置在最大传输点。MZM1输出的信号包含被待测信号相位调制的光信号和部分光载波。待测信号较小时，可以忽略高阶项，只保留一阶成分。可以表示为下式：

$\frac{1}{\sqrt{2}}{E}_0\exp \left({\mathrm{j\omega }}_{c}t\right)[J_0\left(m\right)+J_1\left(m\right)\exp \left(j\Omega t\right)-J_1\left(m\right)\exp (-j\Omega t)+\exp \left(j0\right)]$

其中Ω＝2πf_s，f_s为待测频率，m为调制指数，J_n(·)为第一类n阶贝塞尔函数。MZM2的输出信号只包含光载波，可以表示为下式：

$\frac{1}{\sqrt{2}}{E}_0\exp \left({\mathrm{j\omega }}_{c}t\right)$

MZM1和MZM2的输出信号进入偏振分束器实现偏振态正交化，DPol-MZM的输出光信号可表示为：

$\left(\begin{array}{c}{E}_X\\ E_Y\end{array}\right)=\frac{1}{\sqrt{2}}{E}_0\exp \left({\mathrm{j\omega }}_{c}t\right)\left(\begin{array}{c}{J}_0\left(m\right)+J_1\left(m\right)\exp \left(j\Omega t\right)-J_1\left(m\right)\exp (-j\Omega t)+1\\ 1\end{array}\right)$

步骤三：将DPol-MZM的输出信号通过长度L为5km，色散系数D为17×10^-6s/m²的单模光纤引入色散量输出的信号可表示为：

其中β₂＝-λ²D/2πc；

步骤四：将光纤输出的信号经耦合器分为两路，上路信号直接接入光电探测器1进行检测，光电检测器的1输出信号可表示为：

其中ξ为光电探测器的响应度。下路信号经过偏振控制器和起偏器后，偏振复用信号转化为线偏振信号，起偏器输出信号表示为：

$E_{pol}\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{2}}[E_{X}cos\alpha +E_{Y}sin\alpha \exp \left(j\theta \right)]$

其中α为偏振分束器主轴和起偏器主轴的夹角，实例中设置其为75°，θ为偏振控制器引入的附加相移。起偏器的输出信号接入光电探测器2，光电检测器2的输出信号可表示为：

步骤五：将光电探测器1和光电探测器2得到的电信号进行功率测量并进行比值计算，得到和频率相关的ACF曲线，可以表示为下式：

$ACF=\frac{i_2^2\left(t\right)}{i_1^2\left(t\right)}={\cos }^4\alpha {[1+\frac{tan\alpha sin(\frac{{\beta }_2{\Omega }^{2}L}{2}-\theta )}{\left(J_0\right(m)+1)\sin \frac{{\beta }_2{\Omega }^{2}L}{2}}]}^2$

为了避免频率测量的模糊性，在ACF曲线上，选取从零频到的第一个陷波点的位置作为频率测量范围。

步骤六：实例中，最大测量范围取决于上下路得到的功率曲线中最先出现第一个陷波点的位置。上路得到的功率曲线是固定的，下路通过调节偏振控制器来改变角度θ，实现下路功率曲线第一个陷波点位置的移动，从而实现频率测量范围的可调谐。当-180°≤θ≤0°，下路功率曲线的第一个陷波点f_max的位置可表示为：

$f_{max}=\sqrt{\frac{{\cot }^{-1}[\cot \theta +\frac{J_0\left(m\right)+1}{\sin \theta tan\alpha }]}{2{\beta }_2{\pi }^{2}L}}$

步骤七：改变信号源产生的微波信号的功率为-20dB，重复步骤五。

图2(a)为不同角度θ下得到的一组功率比曲线图。由图中可以看出，当θ为-0.27π，-0.4π，-0.57π，-0.72π时，测量范围分别为0-16GHz，0-20GHz，0-24GHz，0-28GHz。通过偏振控制器改变角度θ时，可以实现频率测量范围的可调谐。图2(b)为选取频率测量范围为2-28GHz时，上路、下路功率曲线以及实际ACF和理论ACF图。可以看出，上下路得到的功率曲线近似互补，所以得到ACF曲线斜率大，测量精度很高。同时可以看到实际得到的ACF曲线和理论的ACF曲线近似吻合。图2(c)为选取频率测量范围为2-28GHz、微波信号功率为-3dBm时，频率测量结果误差图。可以看出，测量误差在±0.3GHz。图2(d)为选取频率测量范围为2-28GHz、微波信号功率为-20dBm，测量误差图。与微波信号功率为-3dB时的测量误差相比，可以看到误差变化不明显，频率测量和微波信号的功率无关。

综上，本发明利用双偏振调制器实现了2-28GHz的频率测量范围。由于上下两路得到的功率曲线近似互补，得到的ACF曲线斜率大，测量精度高。通过控制偏振控制器的角度，改变下路信号的偏振态，可以实现测量范围的调节。在实际工程应用中，为了获得更好的分辨率，可以减小频率测量范围。调节简单，易于实现。

总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同的变形和替换，单模光纤的长度不限5km，如果使用25km的单模光纤，该系统的频率测量范围为0-16GHz。此外，偏振分束器主轴和起偏器的夹角α不局限于75°。这些等同变形和替换也相应视为本发明的保护的范围。