CN103983846A - 基于光电振荡器的弱信号探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于光电振荡器的弱信号探测方法,该方法包括以下步骤：通过改变MZ调制器的偏置点使得多模光电振荡器工作在不同振荡模式上，提高用光电振荡器探测弱信号的频率范围，用光电振荡器探测弱信号的输入灵敏度达到-78dBm，可探测频率范围为4-9GHz。

Description

基于光电振荡器的弱信号探测方法

技术领域

本发明涉及微波光子学领域，尤其涉及一种基于光电振荡器的弱信号探测方法。

背景技术

探测弱信号在很多民用和军事系统中有很多应用。在现代战争中，雷达在信息获取和精确制导领域发挥着重要的作用，对截获的雷达信号频率进行高精度的测量，一直是研究的热点。

传统的瞬时测频接收机采用电子学的方法，可以提供0.5-18GHZ的频率测试(灵敏度不高于-50dBm)。近年来，电子战系统中，毫米波段(0.5-40GHz)的信号已投入使用，传统的探测手段难以实现如此巨大的宽带操作，微波光子技术为瞬时测频接收机性能的提升和改进提供了可能。

瞬时测频，是指对信号载波频率的“快速”测量。‘快速’是指在测频误差倒数数量级上的是时间段上的测量。频率测量方案可以分为：将待测频率转化为幅度来测量、将频率转化为时间来测量，最近出现的一种新的频率测量方案是利用光电振荡器进行频率测量。

将微波频率映射为幅度的测频原理是利用波的干涉(或相干)原理将频率测量转化为对幅度或者电压的测量。通过构建微波频率与功率的函数关系，然后通过光电探测出的电信号进行处理，最后获得频率信息。

频率-时域映射的测量机制,原理是利用色散，即不同频率的光载色散介质中的传播速度也不同的原理，是探测到的电信号根据输入光频的不同产生不同的上升沿，判决这些上升沿就可以得到待测的微波频率。

本专利通过调节MZ调制器的偏置点用光电振荡器实现两套互补模式频率的测量。

发明内容

本发明实例解决的技术问题是提供一种基于光电振荡器的弱信号探测方法，通过改变MZ调制器的偏置点用光电振荡器实现两套互补模式频率的测量。当MZ调制器偏置在0V和V_π时，光电振荡器的振荡模式是两套互补的模式。这样可探测的频率会加倍。

本发明是通过对光电振荡器原理的充分应用，通过调节MZ调制器的偏置点可以改变光电振荡器的振荡模式，将光电振荡器的这种特性应用于弱信号的探测，可以探测更多频率的弱信号探测，可探测的弱信号的灵敏度达到-78dBm

本发明在实现过程中，具体包括：

根据本发明，基于光电振荡器的弱信号探测的结构主要是连续激光器产生光信号经过电光调制器后再经过一段光纤传输后进入光电探测器，光电探测器把光信号转换为电信号后再经过放大后反馈给调制器的电输入端。

根据本发明，基于光电振荡器的弱信号探测的光电振荡器区别于传统的光电振荡器，因为此振荡器没有使用带通滤波器，光电振荡器的振荡模式不是只有一个振荡模式，会有很多振荡模式，这样注入信号的频率等于或接近光电振荡器的振荡的频率时，就会被注入锁定，注入的信号也被光电振荡器注入锁定。注入锁定的外部注入信号通过光电振荡器后被放大，这样能够提高系统探测弱信号的灵敏度。

附图说明

结合描述了本发明的各种实施例的附图，根据以下对本发明的各发明的详细描述，将更易于理解本发明的这些和其它特征，其中：

图1示意性示出了传统光电振荡器的基本结构；

图2示意性示出了多模光电振荡器的基本结构；

图3示意性示出了多模光电振荡器的注入锁定过程；

图4示意性示出了光电振荡器两套互补的振荡模式；

图5给出了光电振荡器的频率探测范围；

图6给出了光电振荡器的输入灵敏度图；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

图1示意性示出了传统光电振荡器的基本结构。连续激光器产生光信号经过电光调制器后再经过一段光纤传输后进入光电探测器，光电探测器把光信号转换为电信号后再经过放大滤波后反馈给调制器的电输入端。光电振荡器的可以振荡的模式有很多种，通过滤波器的滤波作用可以只有一种模式频率振荡。

图2示意性示出了多模光电振荡器基本结构。和传统的光电振荡器相比连续激光器输出的光信号经电光调制、EDFA放大、光纤传输后进入光电探测器，光电探测器把光信号转换为电信号后再经过电上的放大后反馈给调制器的电输入端。多模光电振荡器因为没有使用滤波器，振荡模式不只是单一的振荡模式。

图3示意性示出了多模光电振荡器的注入锁定过程。注入锁定过程是将一个基准参考信号做入到被锁振荡器时，被锁振荡器的振荡频率被稳定在注入信号频率之上，即与该信号同步，而振荡信号的相位和基准参考信号的相位之差保持恒定。这种现象叫称为注入锁定。

图4示意性示出了光电振荡器两套互补的振荡模式。假设引起光电振荡器振荡的噪声信号为Vin(t)，MZ调制器的输出功率为

$P_{\mathrm{out}}={\left|E_{\mathrm{out}}\right|}^2=\frac{{\mathrm{\αP}}_o}{2}\{1-\sin \frac{\mathrm{\π}[V_{\mathrm{in}}\left(t\right)+V_B]}{V_{\mathrm{\π}}}\}---\left(1\right)$

光信号经过PD探测转化为电信号，电信号通过放大器之后为

$V_{\mathrm{out}}=\mathrm{\ρP}\left(t\right)R{G}_A{=V}_{\mathrm{ph}}\{1-\sin \frac{\mathrm{\π}[V_{\mathrm{in}}\left(t\right)+V_B]}{V_{\mathrm{\π}}}\}---\left(2\right)$

其中ρ是探测器的响应度，R是探测器的负载阻抗，G_A是放大器的电压增益，V_ph是光电压V_ph＝(αP_oρ/2)RG_A＝I_phRG_A，I_ph＝αP_oρ/2是光电流。光电振荡器的小信号开环增益为

$G_S=\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{out}}}{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{in}}}{|}_{V_{\mathrm{in}}=0}=-\frac{{\mathrm{\η\πV}}_{\mathrm{ph}}}{V_{\mathrm{\π}}}\cos \left(\frac{{\mathrm{\πV}}_B}{V_{\mathrm{\π}}}\right)---\left(3\right)$

当V_B＝0或V_B＝V_π时有最大的小信号增益。V_B＝0时G_S<0，V_B＝V_π时G_S>0

假设V_out(t)＝G(V₀)V_in(t)

$G\left(V_0\right)=G_S\frac{{2V}_{\mathrm{\&pi;}}}{{\mathrm{\&pi;V}}_0}{J}_1\left(\frac{{\mathrm{\&pi;V}}_0}{V_{\mathrm{\&pi;}}}\right)---\left(4\right)$

对于光电振荡器，频率为ω的功率为

光电振荡器振荡的频谱模式与FP型振荡器相似，频率起振的条件为

振荡频率f_osc≡f_k＝ω_k/2π

当G(V_o)<0时，f_osc≡f_k＝(k+1/2)/t

当G(V_o)>0时，f_osc≡f_k＝k/t

在不同的偏置点，光电振荡器的振荡模式是互补的。当MZ调制器偏置在0V时，光电振荡器工作在模式1，当MZ调制器偏置在5.4V时，光电振荡器工作在模式2。

图5给出了光电振荡器的频率探测范围。受限于系统中耦合器的带宽(1-18GHZ)和电放大器的带宽(6-12GHZ)，该弱信号探测系统的工作带宽是4-9GHz

图6给出了光电振荡器的输入灵敏度图。减少输入信号的功率直到输入信号的功率不能被探测。可以看出，在此系统中，当注入信号的功率低于-78dBm时，不能被系统识别。

本发明不限于上述实施例，在脱离本发明范围的情况下，可以进行各种变形和修改。

Claims (4)

1.基于光电振荡器的弱信号探测方法，其特征在于包括以下内容： 

基于光电振荡器的弱信号探测系统的设备结构； 

基于光电振荡器的弱信号探测实现两种互补模式探测的MZ调制器偏置点的设置； 

基于光电振荡器的弱信号探测实现两种互补模式探测的理论推导和结论。 

2.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的弱信号的探测方法，其特征在于实现弱信号探测的设备结构，具体包括： 

单电极MZ调制器； 

掺铒光纤放大器； 

光电探测器。 

3.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的弱信号的探测的方法，其特征在于系统中MZ调制器偏置点的设置，该集成调制器是单电极调制器，单电极调制器只有一个射频输入电极和一个直流输入电极，而且通常使用的是推拉式MZ调制器，即两臂引入的附加相位的符号相反。单电极MZ调制器共有四个电极，中间的射频电极和直流电极处于高电位，两边的电极则接地，在外加电场的作用下，波导的输入光经过分支波导中传播后受到大小相等，符号相反的电场的作用，分别产生等值异号的相位变化，再经另一端的分支汇合处相干形成强度调制。这相当于双电极MZ调制器的两个射频电极上的射频驱动信号幅度相等，相位差为π，而偏置也是大小相等，符号相反。因此，单 电极MZ调制器可看作是双电极MZ调制器的一种特殊情形。设输入的驱动信号形式为： 

V(t)＝V_DC+V_RFcos(ω_RFt)       (1) 

等效为双电极MZM的两电极驱动信号分别为： 

调制器的输出光场为 

MZ调制器偏置点的大小影响调制器输出光场的大小。 

4.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的弱信号探测实现两种互补模式探测的理论推导和结论，具体包括： 

假设引起光电振荡器振荡的噪声信号为V_in(t)，MZ调制器的输出功率为 

光信号经过PD探测转化为电信号，电信号通过放大器之后为 

其中ρ是探测器的响应度，R是探测器的负载阻抗，G_A是放大器的电压增益，V_ph是光电压V_ph＝(αP_oρ/2)RG_A＝I_phRG_A，I_ph＝αP_oρ/2是光电流。光电振荡器的小信号开环增益为 

当V_B＝0或V_B＝V_π时有最大的小信号增益。V_B＝0时G_S<0，V_B＝V_π时G_S>0 

假设V_out(t)＝G(V₀)V_in(t) 

对于光电振荡器，频率为ω的功率为 

光电振荡器振荡的频谱模式与FP型振荡器相似，频率起振的条件为 

振荡频率f_osc≡f_k＝ω_k/2π 

当G(V_o)<0时，f_osc≡f_k＝(k+1/2)/t 

当G(V_o)>0时，f_osc≡f_k＝k/t 

在不同的偏置点，光电振荡器的振荡模式是互补的。