CN107144731A - 一种基于高非线性光纤受激布里渊散射效应和幅度比的微波频率测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于高非线性光纤受激布里渊散射效应和幅度比的微波频率测量方法及装置，属于微波光子学技术领域。由可调激光器、耦合器、相位调制器、强度调制器、矢量网络分析仪、光隔离器、高非线性光纤、环形器、掺铒光纤放大器、微波信号源、直流稳压电源、光电探测器组成。通过提高强度调制器和相位调制器的带宽以及矢量网络分析仪的扫描范围可以提高待测微波信号频率的范围，通过减小光链路中的噪声和提高受激布里渊散射效应能量转移的大小提高测量的精度。本发明基于高非线性光纤的受激布里渊散射效应构建幅度比函数曲线，通过幅度比函数曲线得到待测微波信号的频率值，提高了测量的精度。

Description

一种基于高非线性光纤受激布里渊散射效应和幅度比的微波 频率测量方法及装置

技术领域

本发明属于微波光子学技术领域，具体涉及一种基于高非线性光纤受激布里渊散射效应和幅度比的微波频率测量方法及装置。

背景技术

微波频率测量技术广泛应用于通讯、导航、雷达、电子战等系统中，具有极其重要的作用。由于电学技术固有的电子瓶颈问题，传统的电学微波频率测量技术逐渐不能满足现代宽带宽、高频率范围、高精度、瞬息多变环境的测量需求。微波光子学结合光子学理论和微波理论，兼顾了微波和光子学的优势，基于微波光子学的微波频率测量技术具有损耗低、工作带宽大、系统体积小、可重构性好、抗电磁干扰等固有优点，因此，利用微波光子学技术构建的微波频率测量系统能够很好的解决传统的电学微波频率测量系统遇到的电学瓶颈问题。

目前基于微波光子学的微波频率测量技术主要是频率到微波功率的映射、频率到时间的映射、频率到光功率的映射等。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于高非线性光纤受激布里渊散射效应和幅度比的微波频率测量方法及装置。

本发明所述的微波光子频率测量装置的结构如图1所示，由可调激光器、耦合器、相位调制器、强度调制器、矢量网络分析仪、光隔离器、高非线性光纤、环形器、掺铒光纤放大器、微波信号源、直流稳压电源、光电探测器组成。

可调激光器输出的光信号进入到耦合器中，耦合器将光信号分为上、下两个支路，上支路的光信号输入到相位调制器中，被网络分析仪发出的一系列等频率间隔的扫频微波信号调制，相位调制输出的信号经过光隔离器进入高非线性光纤中，作为受激布里渊散射效应的信号光。在光隔离器中，光信号从相位调制器到高非线性光纤传输方向的衰减比较小，而相反方向的衰减则很大，所以从高非线性光纤到相位调制器传输方向的光信号经过光隔离器后通过的光信号很少，不会对相位调制器产生影响，保证相位调制器处于稳定的工作状态。耦合器输出的下支路的光信号输入到强度调制器中，待测频率为f_x的微波信号由微波信号源输出，并作为强度调制器的微波信号输入。强度调制器的直流偏置端与直流稳压电源相连接，通过直流稳压电源给强度调制器施加直流偏置电压，使强度调制器工作在最小传输点，实现载波抑制双边带调制。强度调制器输出的载波抑制双边带调制光信号通过掺铒光纤放大器放大，放大后的光信号通过环形器的1端口输入2端口输出，进入高非线性光纤中，作为受激布里渊散射效应的泵浦光。

环形器的工作方向如图1中所示按顺时针方向工作，即光信号从1端口输入2端口输出，从2端口输入从3端口输出。当泵浦光与信号光即相位调制光信号之间的频率间隔相差布里渊频移量f_B时，受激布里渊散射效应发生，对应的信号光的幅度发生增益或者衰减，信号光的边带平衡被打破，实现相位调制到强度调制的转换。经受激布里渊散射效应处理的信号光从环形器3端口输出经过光电探测器拍频之后输入到矢量网络分析仪中去，由矢量网络分析仪测量出幅频特性。

系统连接好之后，打开所有设备开关，使设备处于工作状态。可调激光器输出频率为f_c的载波光信号，经耦合器后进入到强度调制器，频率为f_x的待测微波信号由微波信号源产生并作为强度调制器的微波输入信号，调节直流稳压电源的电压使强度调制器工作在载波抑制双边带调制状态，由于是小信号调制，只考虑一阶边带，所以强度调制器输出的信号如图2(1)所示，上、下一阶边带的频率值为f_c±f_x。强度调制器输出的载波抑制双边带调制信号经过掺铒光纤放大器放大后作为受激布里渊散射效应的泵浦光通过环形器输入到高非线性光纤中。上支路中网络分析仪发出频率间隔相等的一系列扫频微波信号进入相位调制器中实现相位调制，同样只考虑一阶边带，得到的一系列扫频相位调制信号如图2(2)所示。网络分析仪输出的扫频微波信号频率间隔设置为此实验条件下布里渊增益带宽(ΔV_B)的一半，这样能够保证之后测量时泵浦光产生的布里渊增益区和衰减区内至少存在两个相邻的扫频相位调制信号，并且这两个扫频相位调制信号的幅度改变量将比较明显如图2(3)所示，图3显示了扫频相位调制信号频率间隔等于布里渊增益带宽(图3(1))和大于布里渊增益带宽(图3(2))的情况。图3(1)图中的两个扫频信号f_s1、f_s2在布里渊增益带宽内，经过受激布里渊散射效应之后，二者的幅度明显增大。图3(2)中扫频信号f_s1在布里渊增益带宽内，f_s2不在布里渊增益带宽内，受激布里渊散射效应之后，f_s1的幅度值明显增大，而f_s2的幅度值没有变化。因此测量微波信号频率的时候扫频信号的频率间隔设为布里渊增益带宽的一半。相位调制器输出的信号经过光隔离器之后进入高非线性光纤中作为受激布里渊散射效应的信号光。

下支路的泵浦光和上支路的信号光在高非线性光纤中相向传输，当相位调制信号位于泵浦光的增益区时，它的幅度增加，当相位调制信号位于泵浦光的衰减区时，它的幅度减小，如图2(3)所示。相位调制信号幅度增加和减小的量与相位调制信号和泵浦光(图2(1)中的f_c±f_x)之间的频率间隔有关，从图2(3)可以看到，处于增益区和衰减区内的相位调制信号和泵浦光的频率间隔越接近布里渊频移量f_B，则幅度的改变量越大。f_s1和f_s2为网络分析仪输出的两个相邻的扫描微波信号，它们之间的频率间隔为且满足 即两个扫频微波信号f_s1和f_s2经过相位调制之后各产生上、下一阶边带信号f_c±f_s1和f_c±f_s2均处于泵浦光f_c±f_x的增益区或衰减区内。由于受激布里渊散射效应，频率为f_c+f_s1和f_c+f_s2的信号的幅度减小，而频率为f_c-f_s1和f_c-f_s2的信号的幅度增大。假设f_s1和f_x之间的频率差值比f_s2和f_x之间的频率差值更小，则频率为f_c±f_s1的信号的幅度变化量比频率为f_c±f_s2的信号的幅度变化量大。幅度被改变的边带信号f_c±f_s1和f_c±f_s2经过光电探测器拍频，由于相位调制信号的上、下一阶边带相位相反，上、下边带的变化量相叠加，即频率为f_c+f_s1的信号的幅度衰减量和频率为f_c-f_s1的信号的幅度增益量拍频时的变化量将会叠加。所以网络分析仪上幅频特性曲线中频率为f_s1的信号的幅度比频率为f_s2的信号的幅度大。逐渐增大泵浦光f_x的频率，同时保证也就是需要保证f_c±f_s1和f_c±f_s2四个边带信号一直处于泵浦光的增益区和衰减区内。随着泵浦光频率的增大，频率f_c±f_s1的调制信号远离增益谱的峰值频率，因此，f_c±f_s1处的幅度变化量逐渐变小，而频率为f_c±f_s2的信号接近增益谱的峰值频率，因此，f_c±f_s2处的幅度变化量逐渐变大。经过光电探测器之后网络分析仪显示增益谱，频率为f_s1的信号的幅度逐渐减小，而频率为f_s2的信号的幅度逐渐增大。频率为f_s1的信号的幅和频率为f_s2的信号间的幅度比值逐渐减小，即二者之间的幅度比值随着泵浦光的频率增大而单调减小。这样就构建了幅度比函数与泵浦光的频率值之间的一一对应关系。通过幅度比函数由一个幅度比值可以得到对应泵浦光的频率值。由于泵浦光携带了待测微波信号的频率信息，所以也就得到了待测信号的频率值。

本发明选用波长为1530nm～1565nm的可调谐激光器作载波光源；高非线性光纤长度为500m～2000m，受激布里渊频移量f_B为9GHz～11GHz；光隔离器的隔离度大于40dB；光电探测器的带宽为40GHz；微波信号源的输出频率范围为1GHz～70GHz；直流稳压电源的输出电压的幅度在1V～20V可调。

强度调制器、相位调制器工作的光波长为1525nm～1605nm，带宽越大越好，带宽越大测量范围越大；矢量网络分析仪的扫描范围至少要大于一个布里渊频移量，且扫描范围越大测量的范围也越大。

通过提高强度调制器和相位调制器的带宽以及矢量网络分析仪的扫描范围可以提高待测微波信号频率的范围，通过减小光链路中的噪声和提高受激布里渊散射效应能量转移的大小提高测量的精度。

本发明所述的装置的特点：

(1)微波频率测量的测量范围大，且测量范围只取决于调制器、光电探测器的带宽和矢量网络分析仪的扫频范围，与测量系统的结构无关。测量系统测量范围方面的选取和提升比较方便。

(2)基于高非线性光纤的受激布里渊散射效应构建幅度比函数曲线，通过幅度比函数曲线得到待测微波信号的频率值，提高了测量的精度。

附图说明

图1：微波信号频率测量装置示意图；

图2：微波信号频率测量装置的频谱处理图；

图3：矢量网络分析仪扫描微波信号频率间隔设置为布里渊增益带宽一半的说明图曲线；

图4：0.47GHz时网络分析仪测得的幅频特性曲线；

图5：0.52GHz时网络分析仪测得的幅频特性曲线；

图6：待测微波信号频率为0.47GHz～0.52GHz范围内的幅度比曲线；

图7：待测微波信号频率为0.47GHz～0.52GHz范围内的测量误差示意图；

图8：待测微波信号频率为0.47GHz～23GHz范围内的测量误差示意图。

具体实施方式

实施例1：可调激光器为Santec公司的TSL-510可调激光器，激光器的波长范围为1510nm～1630nm；耦合器为5:5的耦合器；强度调制器采用马赫-曾德尔调制器，带宽为32GHz，实验前测得最小工作点偏置电压为6.7V；相位调制器带宽为40GHz；光隔离器的隔离度大于40dB；掺铒光纤放大器为WZEDFA-SO-B-S-17-1-2；默认恒功率输出17dBm。长飞科技有限公司的高非线性光纤，长度为1km，在光载波波长为1550nm时，和微波频率测量实验同样的实验条件下实验测得受激布里渊增益谱线宽测量为ΔV_B＝100MHz，受激布里渊频移量f_B＝9.2GHz；安捷伦公司的微波信号发生器E8257D，输出频率范围为100kHz～70GHz；光电探测器的带宽为40GHz；安立公司的矢量网络分析仪Anritsu 37269C，输出微波信号频率范围为40MHz～40GHz；直流稳压电源为固纬公司的GPS-4303C，输出电压幅度在1V～20V可调。

系统连接好之后，打开所有设备开关，使设备处于工作状态，首先可调谐激光器输出频率为f_c＝193.414THz(对应波长为1550nm)的光信号，光信号经过5:5耦合器一分为二之后，下支路进入到强度调制器中，直流稳压电源的电压设置6.7V为调制器最小传输点，使强度调制器工作在载波抑制的双边带状态，耦合器发出的下支路光信号被微波信号源产生的待测微波信号实现载波抑制双边带调制，得到的抑制载波双边带调制信号经过掺饵光纤放大器放大之后由环形器的1端口输入，2端口输出进入高非线性光纤中，作为受激布里渊散射效应的泵浦光。耦合器输出的上支路光信号进入相位调制器，被矢量网络分析仪发射的一系列扫频微波信号实现相位调制。矢量网络分析仪产生的扫频微波信号的频率间隔设置为50MHz，即为高非线性光纤布里渊增益带宽的一半。相位调制输出的信号经过光隔离器之后进入到高非线性光纤中，作为受激布里渊散射效应的信号光。在高非线性光纤中，信号光和泵浦光相向传输，当信号光在泵浦光的增益区和衰减区内，发生受激布里渊散射效应，信号光的幅度增大或者衰减。实现相位调制向强度调制的转换，经过光电探测器拍频后，在矢量网络分析仪上观察处理后的信号的幅频特性。

将微波信号源产生的待测信号频率值从0.47GHz以2MHz的频率步进逐渐增加到0.52GHz。并且保存每个待测信号对应的矢量网络分析仪上显示的幅频特性对应的数据。因为所用高非线性光纤在泵浦光波长为1550nm时的布里渊频移量为9.2GHz，所以待测信号频率在0.47GHz-0.52GHz内时，网络分析仪上频率为9.67GHz和9.72GHz的两个扫描信号分别对应图2(3)中的f_s1和f_s2，图4和图5分别对应待测信号频率为0.47GHz和0.52GHz时网络分析仪上显示的幅频特性曲线。图4(1)和图5(1)显示的是完整的幅频特性曲线，图4(2)和图5(2)则是第二个峰值附近具体的幅频特性曲线情况，即我们所需要的9.67GHz和9.72GHz附近的情况。待测信号频率值从0.47GHz到0.52GHz中间每隔2MHz的各个频率点都会得到对应的幅频特性曲线。在图4(2)中，计算峰值频率9.67GHz处的幅度和频率9.72GHz处的幅度的比值，即得到待测信号频率为0.47GHz时幅度比，同理，从图5(2)得到对应待测信号频率为0.52GHz时的幅度比，对待测信号频率值从0.47GHz到0.52GHz内得到的其它待测信号对应的幅频特性曲线也做同样的处理，就可以得到图6中的各个点，对图6中的点进行拟合得到幅度比曲线。得到幅度比函数后，频率在0.47GHz～0.52GHz内的待测微波信号的频率值都能够通过图6的功率比曲线求得，对应的测量误差如图7所示。0.47-0.52GHz内的测量过程和测量结果说明了提出的频率测量系统能够精确的测量未知微波信号的频率。重复上述的测量步骤，测量其它未知微波信号的频率，网络分析仪扫频信号间隔为50MHz，待测信号步进增大为5MHz(方法在前面得到验证，此处增大步进频率值是为了能够更快的构建幅度比函数曲线)，得到其它各点的幅度比和幅度比曲线，通过实验可知能够达到的测量范围为0.47GHz～23GHz，测量精度为8MHz，如图8所示。

Claims (3)

1.一种基于高非线性光纤受激布里渊散射效应和幅度比的微波频率测量装置，其特征在于：由可调激光器、耦合器、相位调制器、强度调制器、矢量网络分析仪、光隔离器、高非线性光纤、环形器、掺铒光纤放大器、微波信号源、直流稳压电源和光电探测器组成；

可调激光器输出的光信号进入到耦合器中，耦合器将光信号分为上、下两个支路，上支路的光信号输入到相位调制器中，被网络分析仪发出的一系列等频率间隔的扫频微波信号调制，相位调制输出的信号经过光隔离器进入高非线性光纤中，作为受激布里渊散射效应的信号光；

耦合器输出的下支路的光信号输入到强度调制器中，待测频率为f_x的微波信号由微波信号源输出，并作为强度调制器的微波信号输入；强度调制器的直流偏置端与直流稳压电源相连接，通过直流稳压电源给强度调制器施加直流偏置电压，使强度调制器工作在最小传输点，实现载波抑制双边带调制；

强度调制器输出的载波抑制双边带调制光信号通过掺铒光纤放大器放大，放大后的光信号通过环形器的1端口输入2端口输出，进入高非线性光纤中，作为受激布里渊散射效应的泵浦光；

泵浦光与信号光之间的频率间隔相差布里渊频移量f_B时，受激布里渊散射效应发生，对应的信号光的幅度发生增益或者衰减，信号光的边带平衡被打破，实现相位调制到强度调制的转换；经受激布里渊散射效应处理的信号光从环形器3端口输出经过光电探测器拍频之后输入到矢量网络分析仪中去，由矢量网络分析仪测量出幅频特性。

2.如权利要求1所述的一种基于高非线性光纤受激布里渊散射效应和幅度比的微波频率测量装置，其特征在于：选用波长为1530nm～1565nm的可调谐激光器作载波光源；高非线性光纤长度为500m～2000m，受激布里渊频移量f_B为9GHz～11GHz；光隔离器的隔离度大于40dB；光电探测器的带宽为40GHz；微波信号源的输出频率范围为1GHz～70GHz；直流稳压电源的输出电压的幅度在1V～20V可调。

3.一种基于高非线性光纤受激布里渊散射效应和幅度比的微波频率测量方法，其特征在于：将权利要求1或2所述的装置连接好之后，打开设备开关，使设备处于工作状态；可调激光器输出频率为f_c的载波光信号，经耦合器后进入到强度调制器，频率为f_x的待测微波信号由微波信号源产生并作为强度调制器的微波输入信号，调节直流稳压电源的电压使强度调制器工作在载波抑制双边带调制状态，由于是小信号调制，只考虑一阶边带，所以强度调制器输出的信号上、下一阶边带的频率值为f_c±f_x；强度调制器输出的载波抑制双边带调制信号经过掺铒光纤放大器放大后作为受激布里渊散射效应的泵浦光通过环形器输入到高非线性光纤中；

上支路中网络分析仪发出频率间隔相等的一系列扫频微波信号进入相位调制器中实现相位调制，同样只考虑一阶边带，得到的一系列扫频相位调制信号；网络分析仪输出的扫频微波信号频率间隔设置为布里渊增益带宽ΔV_B的一半，这样能够保证之后测量时泵浦光产生的布里渊增益区和衰减区内至少存在两个相邻的扫频相位调制信号；相位调制器输出的信号经过光隔离器之后进入高非线性光纤中作为受激布里渊散射效应的信号光；

下支路的泵浦光和上支路的信号光在高非线性光纤中相向传输，当相位调制信号位于泵浦光的增益区时，它的幅度增加，当相位调制信号位于泵浦光的衰减区时，它的幅度减小；相位调制信号幅度增加和减小的量与相位调制信号和泵浦光之间的频率间隔有关，从而构建了幅度比函数与泵浦光的频率值之间的一一对应关系；由于泵浦光携带了待测微波信号的频率信息，所以也就得到了待测信号的频率值。