CN108152582A - 一种集成光波导微波信号频率测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成光波导微波信号频率测量系统及测量方法。所述测量系统包括：波长可调谐的保偏激光源、微波信号频率传感器、单模光纤、保偏光纤、光分路器、光电探测器、微控制器和电信号处理单元。本发明一方面采用集成光学的制作工艺技术在一片电光效应晶片上制作集成光波导非对称马赫增德尔干涉仪结构和电极，实现将现有微波频率测量系统中的电光调制单元和电信号处理单元进行单片集成，具有传感器体积小、测量系统结构简单、集成度高、容易实现的优点；另一方面，采用微控制器控制波长可调谐的保偏激光源的输出波长，将集成光波导微波信号频率传感器的静态工作点锁定在π，使传感器工作稳定，可用于测量复杂环境中的微波信号频率。
Description
技术领域
本发明涉及微波测量技术领域，尤其涉及一种集成光波导微波信号频率测量系统及测量方法。
背景技术
现代国防科技的发展，使微波信号频率测量技术变得越来越重要。如何快速、准确地对微波信号频率进行测量，一直是国防等研究领域的热点。传统的微波信号频率瞬时测量技术大多采用电子学的方法，测量系统结构复杂、体积庞大、易受电磁干扰。面对当今日益复杂的电磁环境，微波信号频率不断提高(可达40GHz)，传统的测频手段已经很难满足测量需求。
以微波光子学技术为基础的微波信号频率测量系统具有响应快、带宽宽、抗干扰能力强、能够适应复杂电磁环境等优势，具有很好的应用前景。目前国内外已经研究报道了多种以微波光子技术为基础的微波信号频率测量系统。如图1所示，现有的基于微波光子学技术的微波信号频率测量系统一般包含激光源1，光纤2，电光调制器3，光信号处理单元4，传输电缆5，光电探测器6，以及电信号处理单元7，其中激光源1用于为测量系统提供光载波，电光调制器3将待测微波信号加载到光波上，再通过光信号处理单元4和电信号处理单元7，便可提取到被测微波信号的频率。
现有基于微波光子技术的微波信号频率测量系统存在的主要问题是：(1)由于测量系统包含偏振控制器、分束器、光滤波器、偏置电源等多个分离元件，造成测量系统结构复杂、体积大、集成度低、实现困难；(2)由于电光调制器的工作点容易受外界环境因素如温度的影响，致使测量系统性能很不稳定。因此，为了实现对复杂环境中微波信号频率进行准确测量，需要研究一种集成度更高、稳定性更好的微波信号频率测量技术。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种集成光波导微波信号频率测量系统及其测量方法，测量系统具有结构简单、集成度高、体积小、稳定性高的优点，尤其适合用于测量复杂环境中的微波信号频率。
本发明的技术方案如下：一种集成光波导微波信号频率测量系统，所述测量系统包括光电探测器、传输电缆、电信号处理单元、波长可调谐的保偏激光源、保偏光纤、微波信号频率传感器、单模光纤、光分路器和微控制器，
所述微波信号频率传感器输入端经保偏光纤与保偏激光源相连接，输出端经单模光纤与光分路器相连接；光分路器将微波信号频率传感器的输出光信号分成两部分分别传递至两个光电探测器转换为电信号，其中一个光电探测器转换输出的电信号输入微控制器中，另一个光电探测器转换输出的电信号输入电信号处理单元；所述电信号处理单元通过传输电缆与光电探测器相连接。
进一步地，所述保偏激光源的中心波长为1550nm，波长可调谐范围覆盖光纤通信用C波段，输出波长受微控制器任意调控。
进一步地，所述微波信号频率传感器包括具有电光效应的晶片、两臂长度非对称的集成光波导马赫增德尔干涉仪和金属电极；在具有电光效应的晶片表面使用质子交换方法制作集成光波导马赫增德尔干涉仪，其中集成光波导马赫增德尔干涉仪包括输入Y形光波导、输出Y形光波导以及连接输入/输出Y形光波导的弯曲波导和直波导；在输入Y形光波导输入端两侧制作金属电极。
进一步地，所述具有电光效应的晶片为任意一种具有电光效应的晶体。
进一步地，所述具有电光效应的晶片为铌酸锂晶体。
本发明第二方面，还提供一种采用所述集成光波导微波信号频率测量系统测量微波信号频率的方法，所述方法操作如下：波长可调谐的保偏激光源输出的线偏振光，经保偏光纤输入集成光波导马赫增德尔干涉仪型微波信号频率传感器；采用微控制器对波长可调谐的保偏激光源的输出波长进行调控，将集成光波导微波信号频率传感器的静态工作点锁点在π，当集成光波导微波信号频率传感器接收到微波信号时，传感器输出光功率将与微波信号频率之间具有稳定的关系，再由光电探测器进行光电转换，并输出电信号处理单元进行处理，即可得出被测微波信号的频率。
进一步地，所述被测微波信号频率与微波信号频率测量传感器输出光信号功率之间的关系如下：Pout(t)＝2PinαJ2 1(δ)[sin2(2πfmneffΔL/c)] (4)
式(4)中：Pin为微波信号频率测量传感器输入光功率，fm为被测微波信号频率，neff为光波导的有效折射率，c为真空中的光速，ΔL为两臂长度差，α为器件插入损耗，δ为电光调制系数。
根据式(4)可得光电探测器输出电信号为
Vout(t)＝2GPinαJ2 1(δ)[sin2(2πfmneffΔL/c)] (5)
式(5)中G为光电探测器的光电转换系数，单位为V/W；式中α,J2 1(δ),neff,ΔL,c都为常数，因此可得光电探测器转换输出的电信号Vout和待测微波信号频率fm之间具有确定的关系，采用电信号处理单元对该电信号Vout进行计算处理即可得出待测微波信号的频率fm。
本发明提供的集成光波导微波信号频率测量系统中，采用集成光学的制作工艺技术在一片电光晶体表面制作两臂长度非对称的马赫增德尔干涉仪型集成光波导结构，并在干涉仪输入Y形光波导输入端两侧制作金属电极，形成一个集成光波导微波信号频率传感器，实现将现有基于微波光子技术的微波信号频率测量系统中的电光调制单元和光信号处理单元进行单片集成，使测量系统结构简单、体积小、集成度高、容易实现。本发明在测量微波信号频率时通过控制波长可调谐的保偏激光源的输出波长，将集成光波导微波信号频率传感器的静态工作点锁定在π，克服了环境因素对传感器的影响，提高了测量系统的稳定性，使其能够适应复杂环境中的微波频率测量。
所述微波信号频率测量的工作原理为：设输入两臂长度非对称的马赫增德尔干涉仪型集成光波导微波信号频率传感器的微波信号为
V(t)＝Vmsin(ωmt) (1)
式(1)中Vm为输入微波信号的幅度，ωm为输入微波信号的角频率，则集成光波导微波信号频率传感器输出光信号功率为
Pout(t)＝Pinα{J2 0(δ)cos2(Δφ/2)+J2 1(δ)[cos2(Δφ/2+2πfmneffΔL/c)+cos2(Δφ/2-2πfmneffΔL/c)]} (2)
式(2)中Pin为传感器输入光功率，α为器件插入损耗，Jn(δ)为n阶贝塞尔函数，δ为电光调制系数，fm为被测微波信号频率，neff为光波导的有效折射率，c为真空中的光速，Δφ为集成光波导马赫增德尔干涉仪的固有相位差即静态工作点。对于本发明提供的两臂长度差为ΔL的非对称马赫增德尔干涉仪型集成光波导微波信号频率传感器，Δφ可表示为
Δφ＝neffΔL2π/λ+Δφ0 (3)
式(3)中λ为光波长，Δφ0为外界环境变化引起的传感器工作点漂移量。由(3)式分析可知，本发明提供的集成光波导微波信号频率测量系统中，通过采用微控制器对波长可调谐的保偏激光源的输出光波长λ进行调控，可将传感器的静态工作点Δφ锁定在π，并且不受外界环境因素的影响。由此将(2)式简化为
Pout(t)＝2PinαJ2 1(δ)[sin2(2πfmneffΔL/c)] (4)
分析式(4)可知，待测微波信号频率与集成光波导微波信号频率测量传感器输出光信号功率之间具有固定关系。因此，本发明提供的集成光波导微波信号频率测量系统中，使用光电探测器对传感器输出光信号进行光电转换，在由电信号处理单元进行处理，即可得出被测微波信号的频率。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明一方面采用集成光学的制作工艺技术在一片电光效应晶片上制作集成光波导非对称马赫增德尔干涉仪结构和电极，实现将现有微波频率测量系统中的电光调制单元和电信号处理单元进行单片集成，具有传感器体积小、测量系统结构简单、集成度高、容易实现的优点；另一方面，采用微控制器控制波长可调谐的保偏激光源的输出波长，将集成光波导微波信号频率传感器的静态工作点锁定在π，使传感器工作稳定，可用于测量复杂环境中的微波信号频率。
附图说明
图1为现有的基于微波光子技术的微波信号频率测量系统结构示意图；
图2为本发明提供的集成光波导微波信号频率测量系统结构示意图；
图3为本发明提供的集成光波导微波信号频率测量系统中的两臂长度非对称的马赫增德尔干涉仪型集成光波导微波信号频率传感器10的结构示意图；
图中标记：1-激光源，2-光纤，3-微波信号频率传感器，4-光信号处理单元，5-光电探测器，6-传输电缆，7-电信号处理单元，8-波长可调谐的保偏激光源，9-保偏光纤，10-两臂长度非对称的马赫增德尔干涉仪型集成光波导微波信号频率传感器，11-单模光纤，12-光分路器，13-微控制器，14-具有电光效应的晶片，15-两臂长度非对称的光波导马赫增德尔干涉仪，16-金属电极。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明，但本发明并不局限于以下技术方案。
实施例1
如图2和图3所示，一种集成光波导微波信号频率测量系统，包括：
一个波长可调谐的保偏激光源8，用于产生波长可受微控制器13调控的线偏振光；
一个两臂长度非对称的马赫增德尔干涉仪型集成光波导微波信号频率传感器10，用于接收空间微波信号。微波信号频率传感器输入端经保偏光纤9与波长可调谐的保偏激光源8相连接，输出端经单模光纤11与光分路器12相连接；
一个光分路器12，用于将集成光波导微波信号频率传感器10输出光信号分成两部分；
两个光电探测器5，用于将光分路器输出的两部分光信号转换为电信号，其中一个光电探测器5转换输出的电信输入微控制器13作为反馈控制信号，另一个光电探测器5转换输出的电信号输入电信号处理单元7；
一个微控制器13，用于调控波长可调谐的保偏激光源8的输出波长，从而将集成光波导微波信号频率传感器10的静态工作点锁定在π；
一个电信号处理单元7，通过传输电缆6与光电探测器5相连接，用于对光电探测器5输出电信号进行处理，从而获得被测微波信号的频率。
所述的波长可调谐的保偏激光源8的中心波长为1550nm，波长可调谐范围为光纤通信用C波段，输出波长可受微控制器13任意调控。
所述的两臂长度非对称的马赫增德尔干涉仪型集成光波导微波信号频率传感器10包括具有电光效应的晶片14、两臂长度非对称的集成光波导马赫增德尔干涉仪15、金属电极16；在具有电光效应的晶片14表面使用质子交换方法制作两臂长度非对称的集成光波导马赫增德尔干涉仪14，并且集成光波导马赫增德尔干涉仪14包括输入Y形光波导、输出Y形光波导以及连接输入/输出Y形光波导的弯曲波导和直波导；在输入Y形光波导输入端两侧制作金属电极16。本实施例中所述的具有电光效应的晶片14为铌酸锂晶体。
本实施例提供的集成光波导微波信号频率测量系统中，波长可调谐的保偏激光源8可采用Oclaro公司生产的TL5000系列可调谐激光模块，其波长调谐范围为1530nm至1565nm，输出波长可受微控制器13任意调控。保偏光纤9和单模光纤11可采用中心波长1550nm的光纤通信用标准光纤。两臂长度非对称的马赫增德尔干涉仪型集成光波导电场传感器10的衬底采用具有电光效应的晶体(如铌酸锂)，并采用质子交换或钛扩散技术在电光晶体上制作两臂长度非对称的集成光波导马赫增德尔干涉仪15，然后在干涉仪输入Y形光波导输入端两侧制作金属电极16。光分路器12可采用中心波长1550nm的光纤通信用单模光纤分路器。光电探测器5可根据实际测频需求选择商业化产品或自主研制。微控制器13可选用单片机、ARM等作为主控芯片。电信号处理单元7可根据实际测频需求进行自主研制或选用商业化产品。
实施例2
一种采用所述的集成光波导微波信号频率测量系统测量微波信号频率的方法，波长可调谐的保偏激光源8输出的线偏振光，经保偏光纤9输入集成光波导马赫增德尔干涉仪型微波信号频率传感器10。当集成光波导微波信号频率传感器10接收到微波信号时，传感器的输出光功率与接收到的微波信号频率相关。通过采用微控制器13对波长可调谐的保偏激光源8的输出波长进行调控，将集成光波导微波信号频率传感器10的静态工作点锁点在π，使集成光波导微波信号频率传感器10输出的光功率与微波信号频率之间具有稳定的、不受外部环境影响的关系，再由光电探测器5进行光电转换后由电信号处理单元7进行处理，即可得出被测微波信号的频率。
所述待测微波信号频率与微波信号频率测量传感器输出光信号功率之间的关系如下：
Pout(t)＝2PinαJ2 1(δ)[sin2(2πfmneffΔL/c)] (4)
式(4)中：Pin为微波信号频率测量传感器输入光功率，fm为被测微波信号频率，neff为光波导的有效折射率，c为真空中的光速，ΔL为两臂长度差，α为器件插入损耗，δ为电光调制系数。
根据(4)式可得光电探测器5输出电信号为
Vout(t)＝2GPinαJ2 1(δ)[sin2(2πfmneffΔL/c)] (5)
式(5)中G为光电探测器的光电转换系数，单位为V/W。考虑到式中α,J2 1(δ),neff,ΔL,c都为常数，因此可得光电探测器5转换输出的电信号Vout和待测微波信号频率fm之间具有确定的关系，进一步采用电信号处理单元7对该电信号Vout进行计算处理即可得出待测微波信号的频率fm。
综上，本发明提供的集成光波导微波信号频率测量系统，采用微控制器控制可调谐保偏激光源的输出波长，使集成光波导微波信号频率传感器的静态工作点锁定在π，提高了测量系统的稳定性，使其能够适用于复杂环境中的微波信号频率测量。本发明供的集成光波导微波信号频率测量系统中所述的集成光波导微波信号频率传感器，通过采用集成光学的制作工艺技术在一片电光晶体表面制作两臂长度非对称的马赫增德尔干涉仪型集成光波导结构，并在干涉仪输入端直波导两侧制作金属电极，实现了电光调制和光滤波器的单片集成，使测量系统体积减小、结构简单、实用性增强。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种集成光波导微波信号频率测量系统，其特征在于，所述测量系统包括光电探测器(5)、传输电缆(6)、电信号处理单元(7)、波长可调谐的保偏激光源(8)、保偏光纤(9)、微波信号频率传感器(10)、单模光纤(11)、光分路器(12)和微控制器(13)，
所述微波信号频率传感器(10)输入端经保偏光纤(9)与保偏激光源(8)相连接，输出端经单模光纤(11)与光分路器(12)相连接；光分路器(12)将微波信号频率传感器(10)的输出光信号分成两部分分别传递至两个光电探测器(5)转换为电信号，其中一个光电探测器(5)转换输出的电信号输入微控制器(13)中，另一个光电探测器(5)转换输出的电信号输入电信号处理单元(7)；所述电信号处理单元(7)通过传输电缆(6)与光电探测器(5)相连接。
2.如权利要求1所述的集成光波导微波信号频率测量系统，其特征在于，所述保偏激光源(8)的中心波长为1550nm，波长可调谐范围覆盖光纤通信用C波段，输出波长受微控制器(13)任意调控。
3.如权利要求1所述的集成光波导微波信号频率测量系统，其特征在于，所述微波信号频率传感器(10)包括具有电光效应的晶片(14)、两臂长度非对称的集成光波导马赫增德尔干涉仪(15)和金属电极(16)；在具有电光效应的晶片(14)表面使用质子交换方法制作集成光波导马赫增德尔干涉仪(15)，其中集成光波导马赫增德尔干涉仪(15)包括输入Y形光波导、输出Y形光波导以及连接输入/输出Y形光波导的弯曲波导和直波导；在输入Y形光波导输入端两侧制作金属电极(16)。
4.根据权利要求3所述的集成光波导微波信号频率测量系统，其特征在于，所述具有电光效应的晶片为任意一种具有电光效应的晶体。
5.根据权利要求4所述的集成光波导微波信号频率测量系统，其特征在于，所述具有电光效应的晶片(14)为铌酸锂晶体。
6.一种采用权利要求1～5任一所述的集成光波导微波信号频率测量系统测量微波信号频率的方法，其特征在于，所述方法操作如下：波长可调谐的保偏激光源(8)输出的线偏振光，经保偏光纤(9)输入集成光波导马赫增德尔干涉仪型微波信号频率传感器(10)；采用微控制器(13)对波长可调谐的保偏激光源(8)的输出波长进行调控，将集成光波导微波信号频率传感器(10)的静态工作点锁点在π，当集成光波导微波信号频率传感器(10)接收到微波信号时，传感器输出光功率将与微波信号频率之间具有稳定的关系，再由光电探测器(5)进行光电转换，并输出电信号处理单元(7)进行处理，即可得出被测微波信号的频率。
7.如权利要求6所述的集成光波导微波信号频率测量系统测量微波信号频率的方法，其特征在于，所述被测微波信号频率与微波信号频率测量传感器(10)输出光信号功率之间的关系如下：Pout(t)＝2PinαJ2 1(δ)[sin2(2πfmneffΔL/c)] (4)
式(4)中：Pin为微波信号频率测量传感器输入光功率，fm为被测微波信号频率，neff为光波导的有效折射率，c为真空中的光速，ΔL为两臂长度差，α为器件插入损耗，δ为电光调制系数；
根据式(4)可得光电探测器(5)输出电信号为
Vout(t)＝2GPinαJ2 1(δ)[sin2(2πfmneffΔL/c)] (5)
式(5)中G为光电探测器的光电转换系数，单位为V/W；式中α,J2 1(δ),neff,ΔL,c都为常数，因此可得光电探测器(5)转换输出的电信号Vout和待测微波信号频率fm之间具有确定的关系，采用电信号处理单元(7)对该电信号Vout进行计算处理即可得出待测微波信号的频率fm。
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