CN104849550A - 一种偏置电压控制的可调瞬时频率测量系统 - Google Patents
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Abstract
一种偏置电压控制的可调瞬时频率测量系统，涉及微波光子学领域，首先第一连续波激光器(11)和第二连续波激光器(12)分别接第一偏振控制器(21)和第二偏振控制器(22)，随后第一偏振控制器(21)和第二偏振控制器(22)分别接偏振分束器(3)，偏振分束器(3)接第三偏振控制器(23)，接下来，第三偏振控制器(23)、射频信号源(5)以及偏置电压源(6)分别接入偏振调制器(4)的光输入端(41)、射频输入端(42)以及偏置输入端(43)，偏振调制器(4)的输出接第四偏振控制器(24)，第四偏振控制器(24)接线偏振片(7)，线偏振片(7)接单模光纤(8)，并且通过波分复用器(9)进行分路，第一、第二光电探测器(101、102)分别探测分开的两路信号并输出到电处理模块(13)的第一、第二输入端(131、132)，从而获得幅度比较函数。
Description
技术领域
本实用新型涉及微波光子学领域，具体地讲是一种偏置电压控制的可调瞬时频率测量系统。
背景技术
将具有大带宽、低损耗和抗电磁干扰等重要优势的微波光子学应用到瞬时微波频率测量(IFM，instantaneous frequency measurement)领域中，可以大大提升瞬时频率测量系统的性能，因此，基于微波光子学的瞬时频率测量方法近年来受到越来越多国内外学者的关注。在设计一个瞬时频率测量系统时往往需要从以下几个因素进行考虑：1.具有较大并且可调的测量范围；2.尽可能提高测量精度；3.保证系统具有较强的稳定性。目前提出的基于微波光子的IFM方法主要有：采用相干光射频通道器来实现的方法；采用一对互补的光滤波器的方法以及利用光纤色散所致功率衰落函数的方法。其中利用色散所致功率衰落函数的方法可以获得较大的测量范围以及相对高的测量精度，所以应用最为普遍。在这一类方法中，大多数方案都面临一个权衡问题：无法同时获得高精度和大测量范围，两者只能取其一。因此，测量范围和精度可调的IFM方法被广泛提出，比如加拿大学者X.Zou等人提出的利用双波长调制及光滤波的测量范围及精度可调实现方案("An Optical Approach to Microwave Frequency Measurement WithAdjustable Measurement Range and Resolution",IEEE Photonic Technology Letters,20(2008)1989-1991)以及北京邮电大学李建强博士提出的采用双输出马赫增德尔调制器的IFM系统("Photonic-assisted microwave frequency measurement withhigher resolution and tunable range",Opt.Lett.,34(2009)743-745)，但是这些方案都要求两个光源具有很大的波长间隔，否则测量范围会受到限制。此外，中科院学者W.Li等人提出了基于一个双平行马赫曾德调制器和一个双驱动马赫曾德调制器的可重构IFM系统("Reconfigurable instantaneous frequency measurementsystem based on dual-parallel Mach-Zehnder modulator",IEEE Photonics Journal,4(2012)427-436.)，该方案能够获得较大测量范围和较高精度，但是采用的调制器数量多且复杂，系统成本增加。而利用偏振调制器的偏振敏感效应的方案的提出，为可调IFM方法打开了新思路。通过改变偏振角度可以调节测量的范围和精度。比如南京航空航天大学的H.Zhang等人提出的方案一("Instantaneousfrequency measurement with adjustable measurement range and resolution based onpolarisation modulator,"Electronics Letters,49(2013)277-279)以及本研究所的J.L等人提出的方案二("Performance analysis on an instantaneous microwavefrequency measurement with tunable range and resolution based on a single lasersource,"Optics&Laser Technology,63(2014)54-61)。然而，方案一存在稳定性降低，且需要对功率进行动态平衡的问题。而方案二虽然不需要考虑光功率的动态平衡问题。但是权衡问题没有得到很好地解决。而且采用调节偏振角的方式在实际操作中比较困难，为此，设计一种操作较为简单的偏置电压控制且精度能提高的瞬时频率测量系统是十分必要的。
发明内容
本发明是提出一种操作简单且精度提高的偏置电压控制的可调瞬时频率测量系统。方案采用小波长间隔的双光源以及偏置电压控制方式，其结构与方案一、二有所区别，本系统以偏振调制器作为关键器件，利用偏振控制器、偏振分束器来控制光的偏振状态，采用单模光纤来引入色散，并对偏置电压V0进行调节，然后用波分复用器分路来获得两路不同的功率衰落函数，在电处理模块中将这两路函数作比，最终可以得到可调的幅度比较函数(ACF)曲线。系统只需要可精确调节得直流电压源，相对偏振角度的调节方式来说更容易实现，调节效果也更好。并且，系统所获得的ACF曲线从低频部分开始就一直比较陡，这样利于获得高精度的测量结果。即使测量范围扩大，测量的精度也不会急剧降低，能保证在整个测量范围内满足较高的测量精度要求，在一定程度上解决了权衡问题的不良影响。本瞬时频率测量系统可以对频率范围2GHz～20.2GHz的微波信号频率进行高精度的测量，具有很高的商用价值。
本发明的技术方案：
一种偏置电压控制的可调瞬时频率测量系统，其特征在于：该测量系统包括，第一连续波激光器、第二连续波激光器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器、第四偏振控制器、偏振分束器、偏振调制器、射频信号源、偏置电压源、线偏振片、单模光纤、波分复用器，第一光电探测器、第二光电探测器、电处理模块；具体连接方式为：
第一连续波激光器的光输出端接第一偏振控制器的光输入端，第二连续波激光器的光输出端接第二偏振控制器的光输入端，第一偏振控制器的光输出端接偏振分束器的第一光输入端，第二偏振控制器的光输出端接偏振分束器的第二光输入端，偏振分束器的光输出端接第三偏振控制器的光输入端，第三偏振控制器的光输出端接偏振调制器的光输入端，射频信号源的输出端接偏振调制器的射频输入端，偏置电压源的输出端接偏振调制器的偏置输入端，偏振调制器的光输出端接第四偏振控制器的光输入端，第四偏振控制器的光输出端接线偏振片的输入端，线偏振片的输出端接单模光纤的输入端，单模光纤的输出端接波分复用器的输入端，波分复用器的第一输入端接第一光电探测器的输入端，波分复用器的第二输入端接第二光电探测器的输入端，第一光电探测器的输入端接电处理模块的第一输入端，第二光电探测器的输出端接电处理模块的第二输入端。
第一偏振控制器的输出角度α和第二偏振控制器的输出角度β满足正交偏振关系，使α+β＝90°；
第三偏振控制器的输出角度θ，θ＝45°；
偏振调制器具有互补相位调制深度，分别为+m和-m,其中m取值要满足小信号调制，0.1≤m≤0.3；
偏振调制器的半波电压Vπ，半波电压范围为2V≤Vπ≤6V
调节射频信号源输出信号频率f，频率范围为2GHz≤f≤20.2GHz；
调节第四偏振控制器的输出相位σ，σ＝10°；
设定单模光纤的色散值Dw＝17ps/km·nm,长度L＝2km。
经过上述设置，由电处理模块输出的幅度比较函数与偏置电压V0有关，V0为偏置电压源的输出电压值，电压值范围为0<V0<Vπ.通过改变V0可以得到不同的幅度比较函数。
本发明的具体工作原理如下：
两个正交且波长间隔很小的光载波与输入的射频微波信号共同作用，在小信号调制条件下，从调制器输出后得到的光场表达式为
其中E1和E2分别代表两个光载波的幅度，ω1和ω1分别代表光载波的角频率,Jn为贝塞尔函数的n阶系数,m＝πVRF/√2Vπ是调制系数(其中Vπ表示PolM的半波电压，Ω＝2πfRF表示未知微波信号的角频率.则是直流偏置电压V0所引起的相移角。然后信号在偏振控制器和线偏振片的作用下，偏振状态发生改变，偏振角度为σ，并且信号经过单模光纤后引入色散，输出表达式为：
其中λ1和λ2分别为两个光载波的波长,D是色散参数，L是光纤长度，c是真空光速.
最后，波分复用器将光波分成两路，送入光电探测器中进行进行平方律检测，可以不考虑直流分量，因此得到光电流的交流项为：
其中Φ1＝-λ1 2DLΩ2/4πc和Φ2＝-λ2 2DLΩ2/4πc分别表示色散所致的相移角。
在电处理模块中比较两个探测器输出的功率衰落函数，由于在本专利中，采用偏置电压控制的方式来调节ACF曲线，因此将偏振角固定为σ＝10°来进行分析，所以得到的幅度比较函数(ACF)为：
η＝(E1/E2)4表示两个光源的功率比，通过调节光源输出功率，可以使η＝1。由式子(5)可知，ACF曲线与直流偏置电压所致相移有关。而该系统所能获得的最大频率取决于ACF曲线的凹陷点位置，其值可由式子(6)得到
从式子(6)可以看出，系统的最大测量频率与载波波长λ2、色散值DL和直流偏置电压所致相移有关。因此，将载波波长和色散值固定之后，可以只改变来调节ACF曲线及其凹陷点位置。又因为是由直流偏置电压V0引起的相移，所以归根结底是通过改变偏置电压V0来调节系统输出的ACF以及最大测量频率fMAX，fMAX与V0的关系可以参考图2给出的系统的最大测量频率fMAX与偏置电压V0的关系曲线。综合以上考虑，改变偏置电压V0，可以方便地对ACF曲线及其凹陷点位置进行调节，最终实现测量范围和精度的可调。
本发明的有益效果具体如下：
本发明充分利用光偏振调制和色散所致功率衰落原理，以微波光子学方法实现了偏置电压控制的可调瞬时频率测量，并且操作相对简单，稳定性好，测量范围增大的同时还能保证较高精度，因此具有极高的应用价值。
附图说明
图1一种偏置电压控制的可调瞬时频率测量系统示意图。
图2系统的最大测量频率fMAX与偏置电压V0的关系曲线。
图3偏置电压控制的可调频率测量系统对射频信号(2GHz≤f≤8.2GHz)ACF曲线图。
图4偏置电压控制的可调频率测量系统对射频信号(2GHz≤f≤11.4GHz)ACF曲线图。
图5偏置电压控制的可调频率测量系统对射频信号(2GHz≤f≤15.7GHz)ACF曲线图。
图6偏置电压控制的可调频率测量系统对射频信号(2GHz≤f≤20.2GHz)ACF曲线图。
具体实施方式
下面结合附图1至6对一种偏置电压控制的可调瞬时频率测量系统作进一步描述。
实施例一
一种偏置电压控制的可调瞬时频率测量系统，如图1所示，其特征在于：该测量系统包括，第一连续波激光器11、第二连续波激光器12、第一偏振控制器21、第二偏振控制器22、第三偏振控制器23、第四偏振控制器24、偏振分束器3、偏振调制器4、射频信号源5、偏置电压源6、线偏振片7、单模光纤8、波分复用器9，第一光电探测器101、第二光电探测器102、电处理模块13；具体连接方式为：
第一连续波激光器11的光输出端接第一偏振控制器21的光输入端，第二连续波激光器12的光输出端接第二偏振控制器22的光输入端，第一偏振控制器21的光输出端接偏振分束器3的第一光输入端31，第二偏振控制器22的光输出端接偏振分束器3的第二光输入端32，偏振分束器3的光输出端接第三偏振控制器23的光输入端，第三偏振控制器23的光输出端接偏振调制器4的光输入端41，射频信号源5的输出端接偏振调制器4的射频输入端42，偏置电压源6的输出端接偏振调制器4的偏置输入端43，偏振调制器4的光输出端接第四偏振控制器24的光输入端，第四偏振控制器24的光输出端接线偏振片7的输入端，线偏振片7的输出端接单模光纤8的输入端，单模光纤8的输出端接波分复用器9的输入端，波分复用器9的第一输入端91接第一光电探测器101的输入端，波分复用器9的第二输入端92接第二光电探测器102的输入端，第一光电探测器101的输入端接电处理模块13的第一输入端131，第二光电探测器102的输出端接电处理模块13的第二输入端132。
第一偏振控制器21的输出角度α和第二偏振控制器22的输出角度β满足正交偏振关系，使α+β＝90°；
第三偏振控制器23的输出角度θ，θ＝45°；
偏振调制器3具有互补相位调制深度，分别为+m和-m,其中m取值要满足小信号调制，所以使m＝0.1；
偏振调制器3的半波电压Vπ＝2V；
调节射频信号源4输出信号频率f，频率范围为2GHz≤f≤8.2GHz；
调节第四偏振控制器24的输出相位σ，σ＝10°；
设定单模光纤8的色散值Dw＝17ps/km·nm,长度L＝2km。
经过上述设置，由电处理模块13输出的幅度比较函数与偏置电压V0有关，V0为偏置电压源5的输出电压值，本实例取电压值V0＝0.05Vπ，对应的幅度比较函数如图3所示。
实施例二
一种偏置电压控制的可调瞬时频率测量系统，如图1所示，其特征在于：该测量系统包括，第一连续波激光器11、第二连续波激光器12、第一偏振控制器21、第二偏振控制器22、第三偏振控制器23、第四偏振控制器24、偏振分束器3、偏振调制器4、射频信号源5、偏置电压源6、线偏振片7、单模光纤8、波分复用器9，第一光电探测器101、第二光电探测器102、电处理模块13；具体连接方式为：
第一连续波激光器11的光输出端接第一偏振控制器21的光输入端，第二连续波激光器12的光输出端接第二偏振控制器22的光输入端，第一偏振控制器21的光输出端接偏振分束器3的第一光输入端31，第二偏振控制器22的光输出端接偏振分束器3的第二光输入端32，偏振分束器3的光输出端接第三偏振控制器23的光输入端，第三偏振控制器23的光输出端接偏振调制器4的光输入端41，射频信号源5的输出端接偏振调制器4的射频输入端42，偏置电压源6的输出端接偏振调制器4的偏置输入端43，偏振调制器4的光输出端接第四偏振控制器24的光输入端，第四偏振控制器24的光输出端接线偏振片7的输入端，线偏振片7的输出端接单模光纤8的输入端，单模光纤8的输出端接波分复用器9的输入端，波分复用器9的第一输入端91接第一光电探测器101的输入端，波分复用器9的第二输入端92接第二光电探测器102的输入端，第一光电探测器101的输入端接电处理模块13的第一输入端131，第二光电探测器102的输出端接电处理模块13的第二输入端132。
第一偏振控制器21的输出角度α和第二偏振控制器22的输出角度β满足正交偏振关系，使α+β＝90°；
第三偏振控制器23的输出角度θ，θ＝45°；
偏振调制器3具有互补相位调制深度，分别为+m和-m,其中m取值要满足小信号调制，所以使m＝0.15；
偏振调制器3的半波电压Vπ＝3V；
调节射频信号源4输出信号频率f，频率范围为2GHz≤f≤11.4GHz；
调节第四偏振控制器24的输出相位σ，σ＝10°；
设定单模光纤8的色散值Dw＝17ps/km·nm,长度L＝2km。
经过上述设置，由电处理模块13输出的幅度比较函数与偏置电压V0有关，V0为偏置电压源5的输出电压值，本实例取电压值V0＝0.9Vπ，对应的幅度比较函数如图4所示。
实施例三
一种偏置电压控制的可调瞬时频率测量系统，如图1所示，其特征在于：该测量系统包括，第一连续波激光器11、第二连续波激光器12、第一偏振控制器21、第二偏振控制器22、第三偏振控制器23、第四偏振控制器24、偏振分束器3、偏振调制器4、射频信号源5、偏置电压源6、线偏振片7、单模光纤8、波分复用器9，第一光电探测器101、第二光电探测器102、电处理模块13；具体连接方式为：
第一连续波激光器11的光输出端接第一偏振控制器21的光输入端，第二连续波激光器12的光输出端接第二偏振控制器22的光输入端，第一偏振控制器21的光输出端接偏振分束器3的第一光输入端31，第二偏振控制器22的光输出端接偏振分束器3的第二光输入端32，偏振分束器3的光输出端接第三偏振控制器23的光输入端，第三偏振控制器23的光输出端接偏振调制器4的光输入端41，射频信号源5的输出端接偏振调制器4的射频输入端42，偏置电压源6的输出端接偏振调制器4的偏置输入端43，偏振调制器4的光输出端接第四偏振控制器24的光输入端，第四偏振控制器24的光输出端接线偏振片7的输入端，线偏振片7的输出端接单模光纤8的输入端，单模光纤8的输出端接波分复用器9的输入端，波分复用器9的第一输入端91接第一光电探测器101的输入端，波分复用器9的第二输入端92接第二光电探测器102的输入端，第一光电探测器101的输入端接电处理模块13的第一输入端131，第二光电探测器102的输出端接电处理模块13的第二输入端132。
第一偏振控制器21的输出角度α和第二偏振控制器22的输出角度β满足正交偏振关系，使α+β＝90°；
第三偏振控制器23的输出角度θ，θ＝45°；
偏振调制器3具有互补相位调制深度，分别为+m和-m,其中m取值要满足小信号调制，所以使m＝0.2；
偏振调制器3的半波电压Vπ＝4V；
调节射频信号源4输出信号频率f，频率范围为2GHz≤f≤15.7GHz；
调节第四偏振控制器24的输出相位σ，σ＝10°；
设定单模光纤8的色散值Dw＝17ps/km·nm,长度L＝2km。
经过上述设置，由电处理模块13输出的幅度比较函数与偏置电压V0有关，V0为偏置电压源5的输出电压值，本实例取电压值V0＝0.2Vπ，对应的幅度比较函数如图5所示。
实施例四
一种偏置电压控制的可调瞬时频率测量系统，如图1所示，其特征在于：该测量系统包括，第一连续波激光器11、第二连续波激光器12、第一偏振控制器21、第二偏振控制器22、第三偏振控制器23、第四偏振控制器24、偏振分束器3、偏振调制器4、射频信号源5、偏置电压源6、线偏振片7、单模光纤8、波分复用器9，第一光电探测器101、第二光电探测器102、电处理模块13；具体连接方式为：
第一连续波激光器11的光输出端接第一偏振控制器21的光输入端，第二连续波激光器12的光输出端接第二偏振控制器22的光输入端，第一偏振控制器21的光输出端接偏振分束器3的第一光输入端31，第二偏振控制器22的光输出端接偏振分束器3的第二光输入端32，偏振分束器3的光输出端接第三偏振控制器23的光输入端，第三偏振控制器23的光输出端接偏振调制器4的光输入端41，射频信号源5的输出端接偏振调制器4的射频输入端42，偏置电压源6的输出端接偏振调制器4的偏置输入端43，偏振调制器4的光输出端接第四偏振控制器24的光输入端，第四偏振控制器24的光输出端接线偏振片7的输入端，线偏振片7的输出端接单模光纤8的输入端，单模光纤8的输出端接波分复用器9的输入端，波分复用器9的第一输入端91接第一光电探测器101的输入端，波分复用器9的第二输入端92接第二光电探测器102的输入端，第一光电探测器101的输入端接电处理模块13的第一输入端131，第二光电探测器102的输出端接电处理模块13的第二输入端132。
第一偏振控制器21的输出角度α和第二偏振控制器22的输出角度β满足正交偏振关系，使α+β＝90°；
第三偏振控制器23的输出角度θ，θ＝45°；
偏振调制器3具有互补相位调制深度，分别为+m和-m,其中m取值要满足小信号调制，所以使m＝0.3；
偏振调制器3的半波电压Vπ＝6V；
调节射频信号源4输出信号频率f，频率范围为2GHz≤f≤20.2GHz；
调节第四偏振控制器24的输出相位σ，σ＝10°；
设定单模光纤8的色散值Dw＝17ps/km·nm,长度L＝2km。
经过上述设置，由电处理模块13输出的幅度比较函数与偏置电压V0有关，V0为偏置电压源5的输出电压值，本实例取电压值V0＝0.5Vπ，对应的幅度比较函数如图6所示。
Claims (2)
1.一种偏置电压控制的可调瞬时频率测量系统，其特征在于：该测量系统包括，第一连续波激光器(11)、第二连续波激光器(12)、第一偏振控制器(21)、第二偏振控制器(22)、第三偏振控制器(23)、第四偏振控制器(24)、偏振分束器(3)、偏振调制器(4)、射频信号源(5)、偏置电压源(6)、线偏振片(7)、单模光纤(8)、波分复用器(9)，第一光电探测器(101)、第二光电探测器(102)、电处理模块(13)；具体连接方式为：
第一连续波激光器(11)的光输出端接第一偏振控制器(21)的光输入端，第二连续波激光器(12)的光输出端接第二偏振控制器(22)的光输入端，第一偏振控制器(21)的光输出端接偏振分束器(3)的第一光输入端(31)，第二偏振控制器(22)的光输出端接偏振分束器(3)的第二光输入端(32)，偏振分束器(3)的光输出端接第三偏振控制器(23)的光输入端，第三偏振控制器(23)的光输出端接偏振调制器(4)的光输入端(41)，射频信号源(5)的输出端接偏振调制器(4)的射频输入端(42)，偏置电压源(6)的输出端接偏振调制器(4)的偏置输入端(43)，偏振调制器(4)的光输出端接第四偏振控制器(24)的光输入端，第四偏振控制器(24)的光输出端接线偏振片(7)的输入端，线偏振片(7)的输出端接单模光纤(8)的输入端，单模光纤(8)的输出端接波分复用器(9)的输入端，波分复用器(9)的第一输入端(91)接第一光电探测器(101)的输入端，波分复用器(9)的第二输入端(92)接第二光电探测器(102)的输入端，第一光电探测器(101)的输入端接电处理模块(13)的第一输入端(131)，第二光电探测器(102)的输出端接电处理模块(13)的第二输入端(132)。
2.根据权利要求1所述的一种电压控制的可调瞬时频率测量系统，其特征在于：
第一偏振控制器(21)的输出角度α和第二偏振控制器(22)的输出角度β满足正交偏振关系，使α+β＝90°；
第三偏振控制器(23)的输出角度θ，θ＝45°；
偏振调制器(3)具有互补相位调制深度，分别为+m和-m,其中m取值要满足小信号调制，0.1≤m≤0.3；
偏振调制器(3)的半波电压Vπ，半波电压范围为2V≤Vπ≤6V；
调节射频信号源(4)输出信号频率f，频率范围为2GHz≤f≤20.2GHz；
调节第四偏振控制器(24)的输出相位σ，σ＝10°；
设定单模光纤(8)的色散值Dw＝17ps/km·nm,长度L＝2km。
经过上述设置，由电处理模块(13)输出的幅度比较函数与偏置电压V0有关，V0为偏置电压源(5)的输出电压值，电压值范围为0<V0<Vπ.通过改变V0可以得到不同的幅度比较函数。
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2015
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