CN108616311B - 一种基于Mach-Zehnder型光滤波器频率测量的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微波及光通信技术领域，公开了一种基于Mach‑Zehnder型光滤波器频率测量的装置及方法，包括激光器光源(LD)、偏振调制器(PoLM)、偏振控制器(PC)、耦合器、起偏器(Pol)、光滤波器(Filter)、掺饵光纤放大器(EDFA)和光电探测器(PD)。该方案利用偏振调制器加偏振控制器及起偏器可以在上下两路分别等效出强度调制器和相位调制器，通过调节光滤波器的时延装置可以调节测频范围。上下两路的调制信号经过光滤波器后在光电探测器处发生光电转换，通过信号处理后可以得到与待测信号频率相关的幅度比较函数(ACF)，进而实现测频功能。此方案具有结构简单，测频范围和精度调谐方便，实用性较强等特点。

Description

一种基于Mach-Zehnder型光滤波器频率测量的装置及方法
技术领域
本发明属于微波及光通信技术领域，尤其涉及一种基于Mach-Zehnder型光滤波器频率测量的装置及方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：微波光子学是一门新兴的交叉学科，其研究范围包括微波信号的光子学产生、微波光子信号处理、基于光子技术的微波频率测量、工作于微波频率的光电子器件等。在传统微波系统中很难实现的功能很多都可以利用微波光子技术来实现。因此，微波光子学技术近年来受到了广泛关注，被广泛地应用于军事、医疗、通信及航空航天等诸多领域。随着信号速率的增加，传统的电子测频技术已逐渐不能适应瞬息多变的测量环境。瞬时频率测量技术在现代化电子战中是一项十分关键的技术，基于微波光子学的频率测量技术克服了传统测频技术中诸多瓶颈，具有低损耗、宽带宽、对电磁干扰免疫、小型便携等优点，成为当前研究的热点之一。目前实现基于微波光子学的频率测量技术主要有三种，分别为微波光子信道化接收技术、光子扫描接收技术和微波光子瞬时测频技术。其中微波光子瞬时测频技术中的频率-功率映射技术的研究一直属于热门方向，国内的众多研究机构包括北京邮电大学、浙江大学及西南交通大学等若干院校，同时国外的加拿大渥太华实验室等也在做相关方面的研究。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)对于现行的很多方案，其总体水平有待提高。当前的多数测频研究由于实验条件限制主要是进行理论推导和仿真验证，缺乏实际测量效果的检验。且实验中测量误差值相对较大，测量范围也相对较小。
(2)现行的很多方案主要是单频率测量，这在实战中是不足的。
解决上述技术问题的难度和意义：解决现有技术存在的问题，实现低测量误差，高灵敏度的要求具有重要的意义；且实战中对于复杂的电磁环境，接收端需要处理的信号往往是多个频率的综合体，这对现今的很多测频方案提出了较大的挑战，要想适应复杂的测频环境，现今的测频技术必须能适应更复杂的测量环境。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于Mach-Zehnder型光滤波器频率测量的装置及方法。
本发明是这样实现的，一种基于Mach-Zehnder型光滤波器频率测量的装置，所述基于Mach-Zehnder型光滤波器频率测量的装置包括激光器光源、偏振调制器、偏振控制器、耦合器、起偏器、光滤波器、掺饵光纤放大器、光电探测器；
第一个偏振控制器设置在光源的出射光路上，偏振调制器后面连接另一个偏振控制器，耦合器将光路分为上下两路，一路中经过起偏器后与光滤波器相连，另一路直接与光滤波器相连，光路的输出端都连接有光电探测器。
进一步，两个偏振控制器和偏振调制器及起偏器分别实现对入射信号的强度调制功能和相位调制功能；耦合器将一路光路信号等分为两路相同的子信号分别传输。
本发明的另一目的在于提供一种所述的基于Mach-Zehnder型光滤波器频率测量的装置的基于Mach-Zehnder型光滤波器频率测量的方法，基于Mach-Zehnder型光滤波器频率测量的方法两路信号输出端都进入光电探测器，经过转换后得到与待测频率相关的函数，通过建立振幅比较函数得到微波信号的频率；通过调整光滤波器可调谐装置的差分时延值调整所产生的输出信号的形式，实现测频范围的动态变化。
进一步，所述基于Mach-Zehnder型光滤波器频率测量的方法具体包括以下步骤：
步骤一，连续波激光器产生工作波长为1550nm、线宽为10MHZ、功率控制在-7.2dBm，连续光波输入到偏振调制器；从0GHz到20GHz的射频信号由正弦波生成器产生，产生一个在恒定偏差上叠加的电子正弦波形，产生的射频信号输入到调制器中与光波信号发生调制，偏振调制器输出的调制信号通过偏振控制器调节偏振角度；
步骤二，调制信号经过理想3dB耦合器后实现信号的分路，上路信号进入到起偏器中，输出信号通过滤波器进行滤波，经过滤波的信号通过掺饵光纤放大器进行信号补偿；
步骤三，下路信号直接进入光滤波器中，选择马赫增德尔干涉仪作为一个光滤波器使用，两个马赫增德尔干涉仪具有相同的差分时延值，经过滤波的信号通过掺饵光纤放大器进行信号补偿；
步骤四，上下两路的光信号最后都进入光电探测器进行光电转换；
步骤五，从光电探测器输出的微波信号分别进入到功率计中计算功率大小。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于Mach-Zehnder型光滤波器频率测量的光子学产生系统。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于Mach-Zehnder型光滤波器频率测量的微波光子信号处理系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：与传统技术相比，微波光子技术结合了微波和光通信的各自优势，具有抗电磁干扰强、带宽大、损耗低、系统结构相对简单等特点，具有很大的发展潜力。基于微波光子学的频率测量技术克服了传统测频技术中诸多瓶颈，具有低损耗、宽带宽、对电磁干扰免疫、小型便携等优点，成为当前研究的热点之一。
本发明实现微波频率测量，利用偏振调制器，结合偏振控制器以及起偏器和光滤波器，在光电探测器后建立输入信号的振幅比较函数，从而根据功率比得到待测微波信号频率。只需要通过偏振控制器调节光路的偏振方向就可以实现强度调制和相位调制的功能，避免了同时使用多个调制器。因此本发明设备简单，具有很强的实际可操作性。只需要调节Mach-Zehnder型光滤波器的差分时延装置就可以实现测频范围和精度的动态变化，因此测频响应性能得到很大的提高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于Mach-Zehnder型光滤波器频率测量的装置示意图；
图2是本发明实施例提供的理论测试结果示意图；
图中：(a)为上下两路的频率-功率响应图；(b)为上下两路振幅比较函数图。
图3是本发明实施例提供的仿真测试结果与理论结果对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明利用Mach-Zehnder型光滤波器频率测量的装置原理图；其中通过偏振调制器对入射微波信号进行调制，生成调制信号；利用偏振控制器调节光波的偏振方向，通过耦合器实现光波信号分成两路相同的子信号；结合起偏器实现强度调制的功能，通过滤波器，最后经光电探测器实现光电转换得到电信号。其中光滤波器使用马赫增德尔干涉仪实现。激光源的输出端口与偏振控制器相连；射频信号源与偏振调制器的射频端口相连，偏振调制器的输出端与另一个偏振控制器相连；经耦合器分路的两路信号一路经起偏器后进入滤波器，另一路直接进入滤波器，两路信号最后都通过光电探测器；光电探测器输出电信号。图中：激光器光源(LD)、偏振调制器(PoLM)、偏振控制器(PC)、耦合器、起偏器(Pol)、光滤波器(Filter)、掺饵光纤放大器(EDFA)和光电探测器(PD)。
本发明利用Mach-Zehnder型光滤波器频率测量的具体实施步骤是：
步骤一：连续波激光器产生工作波长为1550nm、线宽为10MHZ、功率控制在-7.2dBm，连续光波输入到偏振调制器。从0GHz到20GHz的射频信号由正弦波生成器产生，此模块产生一个在恒定偏差上叠加的电子正弦波形，产生的射频信号输入到调制器中与光波信号发生调制，偏振调制器输出的调制信号通过偏振控制器调节其偏振角度。
步骤二：调制信号经过理想3dB耦合器后实现信号的分路，上路信号进入到起偏器中，然后输出信号通过滤波器进行滤波，经过滤波的信号通过掺饵光纤放大器进行信号补偿。在实验中，马赫增德尔干涉仪作为一个光滤波器使用，其差分延迟时间参数设定为94ps。其滤波性能通过光谱仪得到验证。
步骤三：下路信号直接进入光滤波器中，选择马赫增德尔干涉仪作为一个光滤波器使用，为了避免马赫增德尔干涉仪的差分延迟给系统精度造成的影响，设定两个马赫增德尔干涉仪具有相同的差分时延值，经过滤波的信号通过掺饵光纤放大器进行信号补偿。
步骤四：上下两路的光信号最后都进入光电探测器进行光电转换。
步骤五：从光电探测器输出的微波信号分别进入到功率计中计算其功率大小，由于输入到偏振调制器的微波信号的频率从0GHz到20GHz改变，因此得到待测微波在0GHz到20GHz上的频率-功率响应。实验结果趋势如图2(a)所示，通过计算上下两路功率比值，可以得到频率相关的振幅比较函数响应，实验结果趋势如图2(b)，最后可以得到理论和仿真的对比图，实验结果如图3所示，发现符合预期，理论值和测量值具有很高的吻合性。
综上，本发明利用偏振调制器、偏振控制器以及起偏器和Mach-Zehnder型光滤波器实现微波频率测量，突破电子瓶颈的限制，结构简单，测频的可调谐性和响应性能有所提高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于Mach-Zehnder型光滤波器频率测量的装置，其特征在于，所述基于Mach-Zehnder型光滤波器频率测量的装置包括激光器光源、偏振调制器、偏振控制器、耦合器、起偏器、光滤波器、掺饵光纤放大器、光电探测器；
第一个偏振控制器设置在光源的出射光路上，偏振调制器后面连接另一个偏振控制器，耦合器将光路分为上下两路，一路中经过起偏器后与光滤波器相连，另一路直接与光滤波器相连，光路的输出端都连接有光电探测器；
两个偏振控制器和偏振调制器及起偏器分别实现对入射信号的强度调制功能和相位调制功能；耦合器将一路光路信号等分为两路相同的子信号分别传输；
所述基于Mach-Zehnder型光滤波器频率测量的方法，包括：
两路信号输出端都进入光电探测器，经过转换后得到与待测频率相关的函数，通过建立振幅比较函数得到微波信号的频率；通过调整光滤波器可调谐装置的差分时延值调整所产生的输出信号的形式，实现测频范围的动态变化。
2.如权利要求1所述的基于Mach-Zehnder型光滤波器频率测量的装置 的方法，其特征在于，所述基于Mach-Zehnder型光滤波器频率测量的装置 的方法具体包括以下步骤：
步骤一，连续波激光器产生工作波长为1550nm、线宽为10MHZ、功率控制在-7.2dBm，连续光波输入到偏振调制器；从0GHz到20GHz的射频信号由正弦波生成器产生，产生一个在恒定偏差上叠加的电子正弦波形，产生的射频信号输入到调制器中与光波信号发生调制，偏振调制器输出的调制信号通过偏振控制器调节偏振角度；
步骤二，调制信号经过理想3dB耦合器后实现信号的分路，上路信号进入到起偏器中，输出信号通过滤波器进行滤波，经过滤波的信号通过掺饵光纤放大器进行信号补偿；
步骤三，下路信号直接进入光滤波器中，选择马赫增德尔干涉仪作为一个光滤波器使用，两个马赫增德尔干涉仪具有相同的差分时延值，经过滤波的信号通过掺饵光纤放大器进行信号补偿；
步骤四，上下两路的光信号最后都进入光电探测器进行光电转换；
步骤五，从光电探测器输出的微波信号分别进入到功率计中计算功率大小。
3.一种应用权利要求1所述基于Mach-Zehnder型光滤波器频率测量的装置 的光子学产生系统。
4.一种应用权利要求1所述基于Mach-Zehnder型光滤波器频率测量的装置 的微波光子信号处理系统。
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