CN103676217A - 高频微波光子移相器 - Google Patents

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孙东宁
董毅
王锶惟
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Abstract

本发明公开了一种高频微波光子移相器，所述移相器包括依次相连的微波-光信号转换模块、光子移相模块和宽带光接收机模块，所述微波-光信号转换模块将高频微波转换为具有相同偏振态的相位锁定的两光信号，两光信号频率差等于待移相微波信号的频率，所述两光信号通过所述光子移相模块后相位发生改变，然后再通过所述宽带光接收机模块，将两光信号拍频得到相位偏移量由直流电压源控制的微波信号。本发明的高频微波光子移相器可实现26.75GHz的、单电压控制的、360°范围的任意相位移动。

Description

高频微波光子移相器
技术领域
本发明涉及一种微波光子学领域，尤其涉及一种高频微波光子移相器。
背景技术
光相控阵雷达系统中微波移相器是影响光相控阵雷达系统精度的关键器件之一，光相控阵雷达系统是以光为载波，把射频和微波信号调制到光载波上，通过光纤传输实现信号的低损耗，长距离传输，并通过分配网络分配传送至各个天线阵元，然后利用光电接收机解调恢复射频或微波信号实现信号在天线单元间的发送。然而，由于受环境温度，压力和弯曲应力等的影响，使得微波信号在光纤中传输时，引入了相位噪声和相位漂移，造成微波传输过程中的相位变化。这些随机的相位变化对于光相控阵雷达系统是无法容忍的，需要对传输信号的相位进行实时监测和校正，以确保微波信号传输的相位稳定性。
目前，传统的微波延迟线相位校正或相位稳定方法是基于这一思路：在不考虑光纤非互易性的情况下，同一光纤中相向传输的信号之间是独立的、经历的相位扰动也是一致的。因此，如果将传输到远端受到相位干扰的信号再发射回发送端，发送端接收到的返回信号将经历两倍的相位扰动，通过比较返回信号与原始信号的相位差，即可测得光纤的相位扰动。利用该相位差信号反馈控制微波延迟线给发送端的微波信号一个相位预补偿，则信号传输到远端后微波信号的相位就是稳定的，这样就实现了微波信号的长距离稳相传输。但是，这种传统的获得链路相位扰动的方法是回传到本地端的远端信号进行光电转换之后，与本地端基准信号鉴相获得的，这不仅增加了系统的复杂度和不确定性，而且，当本振频率较高达到毫米波时，系统就要求有更高的相位稳定性，现有的微波延迟线带宽不能满足更高频率的要求，同时系统的稳定精度也不够高。
发明内容
鉴于上述现有技术上的缺陷，本发明提供一种高频微波光子移相器，能在光域对微波信号相位进行直接移相预补偿，并且在不增加系统复杂度的情况下，获得光波长量级的相位补偿精度，进而实现对微波信号高相位稳定度的传输，本发明可实现26.75GHz的、单电压控制的、360°范围的任意相位移动。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种高频微波光子移相器，所述移相器包括依次相连的微波-光信号转换模块、光子移相模块和宽带光接收机模块，所述微波-光信号转换模块将高频微波转换为具有相同偏振态的相位锁定的两光信号，两光信号频率差等于待移相微波信号的频率，所述两光信号通过所述光子移相模块后相位发生改变，然后再通过所述宽带光接收机模块，将两光信号拍频得到相位偏移量由直流电压源控制的微波信号。
所述微波-光信号转换模块由一个1/2分频器，一个驱动器，一个激光器，一个马赫曾德光调制器组成，激光器的输出与马赫曾德光调制器的光输入端口相连，待移相的微波信号经1/2分频器二分频后输入驱动器，经驱动器将微波幅度放大后送入马赫曾德光调制器的微波输入端口，调节马赫曾德光调制器的直流偏置电压，使其输出是载波受到抑制的、具有相同偏振态的相位锁定的两光信号，两光信号频率差等于待移相微波信号的频率。
所述光子移相模块由一个波分解复用器件，一个偏振光合束器，一个光相位调制器和一个直流电压源组成，所述两光信号经波分解复用器件分开，被分开的光信号分别送入偏振光合束器的两输入端，在偏振光合束器的输出端得到了偏振态相互垂直的相位锁定的两光信号，即TE波和TM波，偏振光合束器的输出端连接到光相位调制器的输入端，通过调节连接到光相位调制器的直流电压来改变光信号的相位。
所述宽带光接收机模块由一个偏振态偏转45°熔接点，一个检偏器，和一个宽带的光电检测器组成，所述相位调制器的输出通过偏振态偏转45°熔接点，使TE波和TM波的偏振态偏转45°，经过偏转的TE波和TM波通过检偏器，检偏器的输出端连接到宽带的光电检测器的输入端，两不同波长的光信号在光电检测器内拍频得到了相位偏移量由直流电压源控制的微波信号。
所述马赫增德光调制器的直流偏置设置在其传输曲线最低点，输入到马赫增德光调制器的微波信号幅度放大至马赫增德光调制器半波驱动电压的两倍，所述高频微波光子移相器的工作波段为1550nm。
所述波分解复用器件为光延迟干涉仪，其自由谱范围是输入微波信号频率的两倍。
所述偏振态偏转45°熔接点是由两根保偏光纤的偏振轴成45°夹角的情况下熔接而成的。
与现有技术相比，本发明的微波光子移相是在光域直接进行的，由于光波频率较高（工作在1550nm波段，193THz左右），因此可以获得光波长量级的移相精度。另外，本方案是通过对光信号的处理达到微波信号移相目的的，代替了传统的微波延时线的方法，避免了受微波延时线带宽的限制，因此系统带宽可以大大提高。
附图说明
通过阅读参照以下附图的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例的高频微波光子移相器的结构框图；
图2为本发明实施例的详细器件连接图；
图3为本发明实施例的控制电压与相位移动关系图；
图4为本发明实施例的实施效果图一；
图5为本发明实施例的实施效果图二。
具体实施方式：
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步的说明，以充分了解本发明的目的、特征和效果。
如图1所示，本发明所提供的高频微波光子移相器系统分为三个模块：微波-光信号转换模块、光子移相模块、宽带光接收机模块。图中θ表示任意相位偏移量。
微波-光信号转换模块由一个1/2分频器1、一个驱动器2、一个激光器3、一个马赫曾德光调制器组成4。光移相模块由一个波分解复用器件，本发明采用延迟干涉仪5、一个偏振光合束器6、一个光相位调制器7和一个直流电压源9组成。宽带光接收机模块由一个偏振态偏转45°熔接点8、一个检偏器10和一个宽带的光电检测器11组成。
如图2所示，待移相微波信号经1/2分频器1二分频，分频后的微波信号经驱动器2放大后输入马赫增德光调制器4，微波信号的幅度被放大至马赫增德光调制器半波驱动电压的两倍。窄线宽激光器3的输出作为系统的光载波输入马赫增德光调制器，调节马赫增德光调制器的偏置电压使其输出是频率差等于待移相微波信号频率的两束光，这两束光经光延迟干涉仪5分开后分别输入偏振光合束器6的两个输入端。当然，本发明并不限于延迟干涉仪，还可以采用其他波分解复用器件。这样就得到了波长不同的TE波和TM波，由于相位调制器7对TE波和TM波的移相效率不同，使得TE波和TM波之间产生了由直流电压9决定的相位差。相位调制器7的输出与偏振态偏转45°熔接点8直接相连，使得TE波和TM波的偏振态同时偏转了45°，偏振态经偏转的输出光送入检偏器10，在检偏器的输出端获了相位经过偏移的频率差为待移相微波信号频率的两束光，将这两束光送入宽带光电检测器11拍频便得到了相位经过偏移的微波信号。图中θ表示任意相位偏移量。
如图3所示，为本发明实施例的控制电压与微波相位偏移关系图。可以看到该移相器具有360°的移相范围，且移相线性度较好。
如图4所示，为本发明实施例的直流控制电压情况下相位偏移90°效果图。
如图5所示，为本发明实施例的直流控制电压情况下相位偏移180°控制效果图。

Claims (7)

1.一种高频微波光子移相器，其特征在于，所述移相器包括依次相连的微波-光信号转换模块、光子移相模块和宽带光接收机模块，所述微波-光信号转换模块将高频微波转换为具有相同偏振态的相位锁定的两光信号，两光信号频率差等于待移相微波信号的频率，所述两光信号通过所述光子移相模块后相位发生改变，然后再通过所述宽带光接收机模块，将两光信号拍频得到相位偏移量由直流电压源控制的微波信号。
2.根据权利要求1所述的高频微波光子移相器，其特征在于，所述微波-光信号转换模块由一个1/2分频器，一个驱动器，一个激光器，一个马赫曾德光调制器组成，激光器的输出与马赫曾德光调制器的光输入端口相连，待移相的微波信号经1/2分频器二分频后输入驱动器，经驱动器将微波幅度放大后送入马赫曾德光调制器的微波输入端口，调节马赫曾德光调制器的直流偏置电压，使其输出是载波受到抑制的、具有相同偏振态的相位锁定的两光信号，两光信号频率差等于待移相微波信号的频率。
3.根据权利要求2所述的高频微波光子移相器，其特征在于，所述光子移相模块由一个波分解复用器件，一个偏振光合束器，一个光相位调制器和一个直流电压源组成，所述两光信号经波分解复用器件分开，被分开的光信号分别送入偏振光合束器的两输入端，在偏振光合束器的输出端得到了偏振态相互垂直的相位锁定的两光信号，即TE波和TM波，偏振光合束器的输出端连接到光相位调制器的输入端，通过调节连接到光相位调制器的直流电压来改变光信号的相位。
4.根据权利要求3所述的高频微波光子移相器，其特征在于，所述宽带光接收机模块由一个偏振态偏转45°熔接点，一个检偏器，和一个宽带的光电检测器组成，所述相位调制器的输出通过偏振态偏转45°熔接点，使TE波和TM波的偏振态偏转45°，经过偏转的TE波和TM波通过检偏器，检偏器的输出端连接到宽带的光电检测器的输入端，两不同波长的光信号在光电检测器内拍频得到了相位偏移量由直流电压源控制的微波信号。
5.根据权利要求2所述的高频微波光子移相器，其特征在于，所述马赫增德光调制器的直流偏置设置在其传输曲线最低点，输入到马赫增德光调制器的微波信号幅度放大至马赫增德光调制器半波驱动电压的两倍，所述高频微波光子移相器的工作波段为1550nm。
6.根据权利要求3所述的高频微波光子移相器，其特征在于，所述波分解复用器件为光延迟干涉仪，其自由谱范围是输入微波信号频率的两倍。
7.根据权利要求4所述的高频微波光子移相器，其特征在于，所述偏振态偏转45°熔接点是由两根保偏光纤的偏振轴成45°夹角的情况下熔接而成的。
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