CN102628893B - 一种光子集成微波频率测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光子集成技术的微波频率测量系统及方法，系统包括：微波接收天线、激光器、电光调制器、集成波导微环单元、光电探测器和数据采集与处理单元，上述各部分处于光子集成平台上。由微波接收天线接收的待测微波信号经电光调制器调制到激光器输出的光波上，产生正负一阶边带，光载微波进入集成波导微环单元，经集成波导微环单元两个输出端口输出的光载微波分别由光电探测器探测输出微波功率值，两路微波功率值输入至数据采集与处理单元，通过两路微波功率比值可以得到入射微波信号的频率。本发明解决了现有技术中微波频率测量系统测量范围小、误差大、系统结构复杂、体积大等问题，具有结构简单、集成度高、稳定性好、操作方便的优点。

Description

一种光子集成微波频率测量系统及方法

技术领域

本发明涉及微波信号处理领域中的微波频率测量方法，尤其涉及一种光子集成微波频率测量的系统及其使用方法。

背景技术

微波频率测量是射电天文学、电子战和通信等领域的一项重要技术，传统基于电子器件的微波频率测量方法由于受到采样速率电子瓶颈和处理带宽的限制，很难满足大范围、低误差微波频率测量要求。光子学与微波学相结合而产生的微波光子技术为微波频率的大范围准确测量提供了良好的手段，可以充分利用光的大带宽、低损耗、可调谐、可复用等优势，同时具有良好的抗电磁干扰性能。

目前基于光子学方法的微波频率测量技术按其功能实现方式可以分为两类，一类是基于光纤与分立光电子器件的测量系统与方法，另一类是基于集成波导结构的测量系统与方法。前者得益于光纤通信技术的进步而发展十分迅速，但在频率测量范围、测量准确度等方面存在较大局限，尤其是这些方法通常需要多个光源、多个调制器、长距离单模光纤、保偏光纤或高色散光纤等，使得测量系统庞大、结构复杂，在实际应用中存在较多限制。后者采用集成波导结构，可与激光器、调制器、光电探测器等平面集成，具有集成度高、体积小、重量轻的优点，具有广阔的应用前景。

在先技术[1](John M.Heaton,Chris D.Watson,Sylvia B.Jones,Michelle M.Bourke,Colin M.Boyne,Gilbert W.Smith and David R.Wight,“16-channel(1-to16-GHz)microwave spectrum analyzer device based on a phased array ofGaAs/AlGaAs electro-optic waveguide delay lines”,Proc.SPIE,1998,Vol.3278,pp.245-251)中利用集成波导相控阵列系统实现光载微波信道化，通过CCD相机记录衍射图样，从而获得待测微波信号的频率。但该集成波导相控阵列系统由多模干涉波导光分路器、电光载微波导相移器和波导延时线等组成，系统结构复杂，为了实现大范围微波频率测量，分路器数、相移器数和延时通道数将大大增加，很难实现波导相控阵列的单片集成。

在先技术[2](Steve T.Winnall,A.C.Lindsay,Michael W.Austin,JohnCanning,and Arnan Mitchell,“A microwave channelizer and spectroscope based onan integrated optical Bragg-grating Fabry–Perot”,IEEE Transactions on MicrowaveTechnology and Techniques,2006,Vol.54,No.2,pp.868-872.)中利用集成波导光栅法布里-珀罗腔(BGFP)和集成波导菲涅尔透镜将光载微波信号空间分开，然后用光电探测器阵列接收，从而实现微波频率测量。但由于受BGFP精细度所限，该系统测量分辨率较低。

在先技术[3](Honglei Guo,Gaozhi Xiao,Nezih Mrad,and Jianping Yao,“Measurement of microwave frequency using a monolithically integrated scannableechelle diffractive grating”,IEEE Photonics Technology Letters,2009,Vol.20,No.1,pp.45-47.)中利用集成波导阶梯衍射光栅(EDG)的分光特性来实现输出光载微波长与待测微波频率之间的映射关系。通过对EDG温度扫描测量输出光载微波长，从而获得与之对应的微波频率。由于受到EDG通道数限制，该系统测量微波频率范围窄；另外受EDG的最小带宽所限，该系统微波频率测量误差较高。

发明内容

本发明针对以上问题提出一种光子集成微波频率测量系统，具有：

光子集成平台；激光器，集成在光子集成平台上，用于发射光载微波；电光调制器，集成在光子集成平台上，通过第四直波导与激光器相连接；接收微波信号的微波接收天线与电光调制器相连；所述电光调制器将接收到的微波信号调制到所述由激光器发出的光载微波上，产生正负一阶边带；

集成波导微环单元，其谐振频率与所述激光器发出的光载微波频率重合，其具有：第一直波导，其输入端与所述电光调制器相连接，接收所述光载微波；

波导环，位于第一直波导的一侧，与第一直波导靠近，形成耦合器；

第二直波导，与第一直波导平行，与波导环靠近，位于所述波导环与第一直波导相对的一侧，该第二直波导与波导环形成耦合器；

所述第一直波导、波导环和第二直波导均集成在光子集成平台上；

第一光电探测器与第二光电探测器：

第一光电探测器与第一直波导的输出端相连接，接收由第一直波导输出的光载微波，输出微波功率；第二光电探测器与第二直波导的输出端相连接，接收由第二直波导输出的光载微波，输出微波功率；

数据采集与处理单元，通过第一电路和第二电路分别与所述光电探测器和光电探测器相连接，接收两路微波功率数据，计算微波频率；

所述第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集与处理单元、第一电路和第二电路均集成在所述光子集成平台上。

所述第二直波导的一端连接弯曲波导，该弯曲波导的另一端连接一与所述第二直波导相平行的第三直波导；所述第一直波导和第三直波导的输出端分别连接有第一光电探测器和第二光电探测器。

波导环为圆形、椭圆形、跑道形或多边形。

一种光子集成微波频率测量方法，具有如下步骤：

a.接收待测微波，将待测微波调制在光载微波上，产生正负一阶边带；

b.将光载微波输入如权利要求1所述的集成波导微环单元中，光载微波频率与集成波导微环单元的谐振频率重合；

c.检测由所述波导微环单元输出的两路微波功率，其中由第一直波导输出的微波功率记作P_RF1，由所述第三直波导输出的微波功率记作P_RF2；

d.根据公式(1)、(2)和(3)计算接收到的微波频率：

$\frac{P_{\mathrm{RF}1}}{P_{\mathrm{RF}2}}=A+B\cos \left({\mathrm{\ω}}_i{T}_r\right)---\left(1\right)$

$A=\frac{{[\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_1}-\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_2}\sqrt{\mathrm{\γ}}]}^2[(1-{\mathrm{\κ}}_1)+(1-{\mathrm{\κ}}_2)\mathrm{\γ}]}{{\left({\mathrm{\κ}}_1{\mathrm{\κ}}_2\sqrt{\mathrm{\γ}}\right)}^2}---\left(2\right)$

$B=\frac{{[\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_1}-\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_2}\sqrt{\mathrm{\γ}}]}^2[2(1-{\mathrm{\κ}}_1)+(1-{\mathrm{\κ}}_2)\sqrt{\mathrm{\γ}}]}{{\left({\mathrm{\κ}}_1{\mathrm{\κ}}_2\sqrt{\mathrm{\γ}}\right)}^2}---\left(3\right)$

其中κ₁是第一直波导与波导环构成耦合器的交叉强度耦合系数，κ₂是第二直波导与波导环构成耦合器的交叉强度耦合系数，γ是环波导的周损耗系数，T_r是波导环的周时延，FSR＝1/T_r为波导环的自由光谱范围，ω_i＝2πf_i，f_i是微波频率。所述微波以小信号调制方式调制在光载微波上。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的光子集成微波频率测量系统及方法具有以下突出的有益效果：

(1)本发明光子集成微波频率测量系统及方法，采用集成波导微环作为微波信号处理单元，微波频率测量范围与微环的自由光谱范围成正比，而微环的自由光谱范围与其弯曲半径成反比，采用光子集成技术的波导微环其弯曲半径可以小至十几甚至几微米，对应的自由光谱范围可达几百吉至几太赫兹，因此微波频率测量范围极大提高。

(2)本发明光子集成微波频率测量系统及方法，采用集成波导微环作为微波信号处理单元，其两个输出端口的微波功率比值与天线接收的微波信号频率在0～FSR/2范围内存在一一对应的关系，且对应关系曲线斜率可以通过微环耦合系数与损耗因子进行调谐，因此测量分辨率提高，测量误差减小。

(3)本发明光子集成微波频率测量系统及方法，采用集成波导微环作为微波信号处理单元，其两个输出端口的滤波响应函数互补，两个端口的输出微波功率的比值只与集成波导微环结构参数以及微波信号的频率有关，而与激光器的输出光功率、输入微波信号功率等因素无关，因此可以极大提高测量系统的稳定度。

(4)本发明光子集成微波频率测量系统及方法，其集成波导微环单元、激光器、调制器、光电探测器、信号采集与处理单元等共同处于光子集成平台之上，该光子集成平台可采用目前较为成熟的聚合物、二氧化硅、半导体、硅，或它们之中的混合材料来制备，具有结构简单、集成度高、稳定性好、操作方便的优点。

附图说明

图1是本发明光子集成微波频率测量系统示意图；

图2是本发明实施例中输出微波功率比值与天线接收的微波信号频率之间对应的关系曲线图；

图3是本发明实施例中不同微环结构参数下输出微波功率比值与天线接收的微波信号频率之间对应的关系曲线图。

图中：1-光子集成平台；2-激光器；3-电光调制器；4-微波接收天线；5-集成波导微环单元；61-第一光电探测器；62-第二光电探测器；7-数据采集与处理单元；81-第一电路；82-第二电路；9-第四直波导；51-第一直波导；52-波导环；53-第二直波导；54-弯曲波导；55-第三直波导。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示：本发明所述的光子集成微波频率测量系统包括：用于集成各相关测量元器件的光子集成平台1，该光子集成平台1可以是聚合物、二氧化硅、半导体、硅，或它们之中的混合材料的集成平台。

在光子集成平台1上集成激光器2，激光器2用于发射承载待测微波的光载微波。激光器2可以是半导体激光器、有机聚合物激光器、硅基混合激光器或其它集成波导激光器，只要保证其输出光载微波频率与集成波导微环单元5的谐振频率重合即可。由激光器2发出的光载微波，经第四直波导9，传送至电光调制器3。电光调制器3与用于接收待测微波的微波接收天线4相连。工作状态下，电光调制器3将微波接收天线4接收到的微波，以小信号调制方式，调制到由激光器2发出的光载微波上，并且产生正负一阶边带，将光载微波传送至集成波导微环单元5中进行下一步处理。

所述集成波导微环单元5，集成在光子集成平台1上。集成波导微环单元5的谐振频率与激光器2发出的光载微波频率重合。具有两个相互平行的直波导，第一直波导51和第二直波导53。在所述的两直波导之间设有一波导环52，所述的两个直波导与波导环52靠近，形成两个耦合器。其中第一直波导51与所述的电光调制器3相连接，接收光载微波。

由于光载微波在所述第二直波导53中的传播方向与其在第一直波导51中的传播方向相反，作为一个较佳的实施方式，如图1所示，在所述第二直波导53的一端连接弯曲波导54，该弯曲波导54的另一端连接一与所述第二直波导53相平行的第三直波导55，保证从第三直波导55输出的光载微波方向与第一直波导51输出的光载微波方向一致。

所述第一直波导51和第三直波导55的输出端分别连接有第一光电探测器61和第二光电探测器62，所述的两光电探测器输出两路微波功率值，分别经第一电路81和第二电路82输入至数据采集与处理单元7，获得两路微波功率的比值。

得到两路微波功率的比值为：

$\frac{P_{\mathrm{RF}1}}{P_{\mathrm{RF}2}}=A+B\cos \left({\mathrm{\ω}}_i{T}_r\right)---\left(1\right)$

$A=\frac{{[\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_1}-\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_2}\sqrt{\mathrm{\γ}}]}^2[(1-{\mathrm{\κ}}_1)+(1-{\mathrm{\κ}}_2)\mathrm{\γ}]}{{\left({\mathrm{\κ}}_1{\mathrm{\κ}}_2\sqrt{\mathrm{\γ}}\right)}^2}---\left(2\right)$

$B=\frac{{[\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_1}-\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_2}\sqrt{\mathrm{\γ}}]}^2[2(1-{\mathrm{\κ}}_1)+(1-{\mathrm{\κ}}_2)\sqrt{\mathrm{\γ}}]}{{\left({\mathrm{\κ}}_1{\mathrm{\κ}}_2\sqrt{\mathrm{\γ}}\right)}^2}---\left(3\right)$

其中κ₁是第一直波导51与波导环52构成耦合器的交叉强度耦合系数，κ₂是第二直波导53与波导环52构成耦合器的交叉强度耦合系数，γ是环波导的周损耗系数，T_r是波导环52的周时延，FSR＝1/T_r为波导环52的自由光谱范围，ω_i＝2πf_i，f_i是微波频率。

两路微波功率的比值与天线接收的微波信号频率之间在0～FSR/2范围内存在一一对应的关系，将两路微波功率的比值和与之对应微波频率存储于数据采集与处理单元，当进行微波频率测量时，由数据采集与处理单元采集第一光电探测器61和第二光电探测器62输出的微波功率值，做比值处理，得到两路微波功率的比值，在数据采集与处理单元中查找出与测量得到的微波功率比值相同的已有微波功率比值，其对应的微波频率即为待测微波信号的频率。

本发明中所采用的波导环51可以是圆形、椭圆形、跑道形或多边形。

实施例1，采用跑道形波导环：

集成波导微环单元5采用SOI波导跑道型微环，其弯曲半径为R＝5μm，耦合器区直波导长度L_c＝3μm，微环工作在1550nm波段，其自由光谱范围FSR＝14nm≈1748GHz，微环周延时为T_r＝1/FSR≈0.572ps，微环耦合系数κ₁＝κ₂＝0.3，环波导周损耗γ＝0.4dB。微环自由光谱范围为FSR＝1748GHz，则该系统可以对0～874GHz范围内的微波进行测量。图2给出了0～40GHz范围内微波频率与集成波导微环两端口输出微波功率比值之间对应的关系曲线。将测量得到的集成波导微环两端口输出微波功率比值与图2中的纵坐标相对应，其对应的横坐标值即为待测微波信号的频率。

为了在一定频率范围内获得更高的测量分辨率，可以通过改变微环的结构参数来调谐集成波导微环两端口输出微波功率比值与微波频率对应关系曲线的斜率，从而获得高测量分辨率，达到对微波频率更为准确的测量。图3给出了环波导周损耗因子γ分别为0.2dB、0.6dB和1.0dB的情况下微环其它结构参数与图2中相同，集成波导微环两端口输出微波功率比值与微波频率的对应关系曲线。可以看出随着环波导周损耗的减小，其曲线斜率增加，从而可以获得更高的测量分辨率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明阐述的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种光子集成微波频率测量系统，其特征在于具有： 

光子集成平台(1)； 

激光器(2)，集成在光子集成平台(1)上，用于发射光载微波； 

电光调制器(3)，集成在光子集成平台(1)上，通过第四直波导(9)与激光器(2)相连接；该电光调制器(3)与接收微波信号的微波接收天线(4)相连；所述电光调制器(3)将接收到的微波信号调制到所述由激光器(2)发出的光载微波上，产生正负一阶边带； 

集成波导微环单元(5)，其谐振频率与所述激光器(2)发出的光载微波频率重合，其具有： 

第一直波导(51)，其输入端与所述电光调制器(3)相连接，接收所述光载微波； 

波导环(52)，位于第一直波导(51)的一侧，与第一直波导(51)靠近，形成耦合器； 

第二直波导(53)，与第一直波导(51)平行，与波导环(52)靠近，位于所述波导环(52)与第一直波导(51)相对的一侧，该第二直波导(53)与波导环(52)形成耦合器； 

所述第一直波导(51)、波导环(52)和第二直波导(53)均集成在光子集成平台(1)上； 

第一光电探测器(61)与第二光电探测器(62)： 

第一光电探测器(61)与第一直波导(51)的输出端相连接，接收由第一直波导(51)输出的光载微波，输出微波功率；第二光电探测器(62)与第二直波导(53)的输出端相连接，接收由第二直波导(53)输出的光载微波，输出微波功率； 

或者，所述第二直波导(53)的一端连接弯曲波导(54)，该弯曲波导(54)的另一端连接一与所述第二直波导(53)相平行的第三直波导(55)；所述第一直波导(51)和第三直波导(55)的输出端分别连接有第一光电探测器(61)和第二光电探测器(62)； 

数据采集与处理单元(7)，通过第一电路(81)和第二电路(82)分别与所述光电探测器(61)和光电探测器(62)相连接，接收两路微波功率数据，计算微波频率； 

所述第一光电探测器(61)、第二光电探测器(62)、数据采集与处理单元(7)、第一电路(81)和第二电路(82)均集成在所述光子集成平台(1)上。 

2.根据权利要求1所述的一种光子集成微波频率测量系统，其特征还在于：所述波导环(52)为圆形、椭圆形、跑道形或多边形。 

3.一种光子集成微波频率测量方法，其特征在于具有如下步骤 

a.接收待测微波，将待测微波调制在光载微波上，产生正负一阶边带； 

b.将光载微波输入如权利要求2所述的集成波导微环单元(5)中，光载微波频率与集成波导微环单元(5)的谐振频率重合； 

c.检测由所述波导微环单元(5)输出的两路微波功率，其中由第一直波导(51)输出的微波功率记作P_RF1，由所述第三直波导(55)输出的微波功率记作P_RF2； 

d.根据公式(1)、(2)和(3)计算接收到的微波频率： 

其中κ₁是第一直波导(51)与波导环(52)构成耦合器的交叉强度耦合系数，κ₂是第二直波导(53)与波导环(52)构成耦合器的交叉强度耦合系数，γ是环波导的周损耗系数，T_r是波导环(52)的周时延，FSR＝1/T_r为波导环(52)的自由光谱范围，ω_i＝2πf_i，f_i是微波频率。 

4.根据权利要求3所述的一种光子集成微波频率测量方法，其特征还在于：所述微波以小信号调制方式调制在光载微波上。