CN108832243A - 宽带可调谐微波光子衰减器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带可调谐微波光子衰减器，包括光信号输入端设备，光信号输入端设备连接有相位调制装置和光信号延迟装置；相位调制装置和光信号延迟装置一端均和光信号输入端连接，另一端均连接有光信号干涉叠加输出端设备。本发明采用光子技术来实现宽带可调谐微波衰减器，在提高可调谐微波衰减器的工作带宽的同时加强了其抗电磁干扰性。

Description

宽带可调谐微波光子衰减器及其使用方法

技术领域

本发明属于光通信与微波技术交叉领域，特别涉及一种基于光子技术的宽带、功率可调谐的微波衰减器。

背景技术

微波衰减器是一种能够对输入微波信号的功率进行调谐，使其功率值得到预期衰减的一种器件，作为一种基本的微波器件，被广泛应用于各种通信、电子与测量等系统。

随着微波技术的飞速发展，雷达、电子战、航海航空等领域对于超宽带微波器件的需求越来越急迫，而当前商用微波衰减器均采用微波技术，微波电路对于工作频率非常敏感，分布式电容、电感对于不同频率的响应差异较大，因此在传统微波衰减器的设计中难以在较宽频带内实现阻抗匹配，使其工作带宽受限，无法突破电子瓶颈；此外，传统可调微波衰减器基于电子技术，在高频段电磁干扰较为严重。

本发明专利针对当前微波技术的不足，涉及一种新型的微波衰减器，该衰减器基于先进的光子技术，能够突破传统技术的电子瓶颈，实现超宽带的可调谐微波衰减器；此外，该种新型微波衰减器基于光子技术，能很好地克服电磁干扰，具有较好的电磁兼容性。

发明内容

本发明的目的旨在突破当前微波衰减器的电子瓶颈，采用光子技术来实现宽带可调谐微波衰减器，在提高可调谐微波衰减器的工作带宽的同时加强了其抗电磁干扰性。

实现本发明上述目的的技术方案如下所示：

一种宽带可调谐微波光子衰减器，包括光信号输入端设备，光信号输入端设备连接有相位调制装置和光信号延迟装置；相位调制装置和光信号延迟装置一端均和光信号输入端连接，另一端均连接有光信号干涉叠加输出端设备。

进一步的改进，所述光信号输入端设备连接有调谐端设备；所述光信号输入端设备为第一光耦合器；所述相位调制装置为相位调制器，所述光信号延迟装置为色散光纤，所述光信号干涉叠加输出端设备为第二光耦合器，所述调谐端设备为激光器；激光器连接第一光耦合器，第一光耦合器连接相位调制器和色散光纤，相位调制器和色散光纤均与第二光耦合器相连，第二光耦合器连接光放大器，光放大器连接光电探测器。

进一步的改进，所述激光器为波长可调激光器。

一种宽带可调谐微波光子衰减器的使用方法，步骤如下：激光器发射单波长的激光信号通过第一光耦合器后均分为上下两支路光信号；上支路光信号通过相位调制器，被输入微波信号实现相位调制，下支路信号通过色散光纤实现光信号的延时处理；两支路光信号通过第二光耦合器实现光信号干涉叠加；干涉后的光信号通过光放大器实现放大，通过光电探测器实现光电转换，最终还原成微波信号。

进一步的改进，包括如下步骤：

步骤一、光波分流

令激光器输出的单波长激光信号即光信号为其中E₀为光信号的幅值，ω₀与t分别为光信号的频率与时间，e表示自然常数，，j为虚数单位，规定j²＝-1；ω₀与光信号的波长关系为：

其中，c为光速，λ(t)为单波长激光信号的波长；

单波长激光信号通过第一光耦合器实现功率均分，完成“光波分流”过程，分流后的光信号均表示为：

步骤二：相位调制和光信号延时

分流后的单波长激光信号分为上下两支路，分别对接相位调制器与色散光纤；

对于上支路：设输入微波信号V_mw为V_mw＝V₀cosωt，V₀为输入微波信号的幅值，ω为输入微波信号的频率，t为时间，输入微波信号的通过相位调制器对上支路的单波长激光信号相位进行调制，调制后的光信号表示为 为调制相角，其值为其中V_π为调制器的半波电压；

对于下支路：设色散光纤的色散系数为D，长度为L，光信号通过下支路色散光纤后表示为τ即为色散光纤产生的延时量，τ值可表示为τ＝τ₀+τ_a；τ₀为在光波频率ω₀下通过L长度色散光纤所产生的延时量，为n为光纤的有效折射率；τ_a为附加延时量，源于改变调谐端电压使得光波的波长发生变化而产生的附加延时，设波长的该变量为Δλ，此时通过色散光纤后的光波信号为τ_a＝Δλ·D·L；

步骤三、干涉叠加

通过上、下两支路的光信号输入至第二光耦合器，干涉叠加后实现输出，叠加后的输出信号表示为

即可化简为

因此通过相干叠加以后，输入微波信号制约了输出光信号的幅值，而与光信号的相位无关，实现了从相位调制到强度调制的过渡；

步骤四、光放大

电光转换会使得光信号产生固有衰减，因此通过光放大器实现补偿，设放大器的幅度增益为g,通过在光放大器后置一可调光衰减器来对g进行调节，则放大后的输出光信号为

步骤五、解调

微波信号通过相位调制器实现对上支路的光信号的相位调制，通过相位调制和光信号延时实现了从相位调制到强度调制的过渡，调制后的光信号通过光放大后进入光电探测器实现“包络检波”，完成强度调制的直接解调，设探测器的响应度为ρ，解调后的输出信号Io_ut表示为：

I_out＝ρ|E₂|²＝ρE₂·E₂ ^*； (5)

其中E₂ ^*表示E₂的共轭复数；

将式子(4)代入(5),得到频率为ω的信号项为：

I_out,ω＝k sin(ω₀τ)cos(ωt)， (6)

式中其中J₁为第一类一阶贝塞尔函数；根据式(6)求得输出信号功率P_out，ω为

其中R为输出阻抗，，将代入式(7)可得出输出信号功率的最终表达式为

输入微波信号功率为则系统的功率增益为进一步简化为

调节光放大器的增益g，使得的值为1，式(9)进一步简化为

此时除了Δλ，其余各参数均为已定参数，也就是说，可以通过调节Δλ来控制功率增益G的大小，使其从1到0变化，即实现从1到0的可调衰减目的。

本发明将波长可调谐激光器输出的激光信号分成上下支路两部分，上支路激光通过一电光相位调制器，被入射的微波信号进行相位调制，下支路激光通过一色散光纤传输，上、下两支路信号实现输出、叠加后通过光放大器实现放大，放大后的光信号通过光电探测器还原成微波信号并实现输出，通过调谐激光器的输出光信号波长来控制下支路光信号通过色散光纤的延时量，最终实现对输出信号的功率调控，完成输入微波信号的可调谐功率衰减。

具体而言，本发明专利所涉新型可调谐微波光子衰减器主要由波长可调谐激光器、第一光耦合器、相位调制器、色散光纤、第二光耦合器、光放大器以及光电探测器组成。波长可调谐激光器输出端连接第一光耦合器输入端；第一光耦合器有两个输出端，分别连接相位调制器的光输入端与色散光纤的输入端；相位调制器与色散光纤的输出端分别连接光耦合器的两个输入端；然后依次连接光放大器与光电探测器。

进一步，本发明所涉新型微波光子衰减器包含三个功能端，分别为“调谐端”、“输入端”与“输出端”，调谐端为一输入直流电压值，通过改变电压的大小来调谐激光器的波长，输入端与输出端分别为待衰减处理的输入与输出微波信号。

进一步，波长可调激光器可通过输入激光器的直流电压来调谐输入光信号的波长，作为本发明所涉衰减器的“调谐端”，该激光器发射单波长的激光信号通过第一光耦合器后均分为上下两支路光信号；上支路光信号通过相位调制器，被输入微波信号实现相位调制，下支路信号通过色散光纤实现光信号的延时处理；两支路光信号通过第二光耦合器实现光信号干涉叠加；干涉后的光信号通过光放大器实现放大，通过光电探测器实现光电转换，最终还原成微波信号。

进一步，光信号通过第一光耦合器实现分光，分别通过上下支路后实现合光，其功能上构成一“马赫-曾德尔干涉仪”，上下支路分别为干涉仪的两臂，该干涉仪旨在实现“输入端”的微波输入信号对光信号的强度调制；激光器提供强度调制的光载波，光放大器用于对已调光信号进行放大，光电探测器用于对已调光信号实现直接解调。

本发明的有益效果在于：一是系统采用全光结构，避免了电磁干扰，具有很好的电磁兼容性；二是系统所涉的光电器件均具有大的带宽，确保了衰减器的大带宽性。

附图说明

图1是可调微波光子衰减器的信号流程图；

图2是可调微波光子衰减器结构图；

图3是可调微波光子衰减器的理论仿真与实测数据对比。

其中，1-激光器；2-第一光耦合器；3-相位调制器；4-色散光纤；5-第二光耦合器；6-光放大器；7-光电探测器。

具体实施方式

图1是本发明所涉可调微波光子衰减器的信号流程图，该图将整个信号流程分为五个阶段，分别为：1、光波分流；2、相位调制和光信号延时；3、干涉叠加；4、光放大；5、解调。基于图1所述信号流程，图2给出了实现该信号流程的具体可调微波光子衰减器的详细结构，其原理为：1、采用波长可调激光器提供光波，输入至耦合器1，该耦合器将输入光波分为功率相等的上下两支路信号，即所谓“光波分流”；2、采用相位调制器将输入微波信号调制至上支路光波相位，同时采用色散光纤对下支路光波的实现延时，即实现了“相位调制和光信号延时”信号处理过程；3、上、下两支路信号输入至耦合器2，此时两路光波信号实现“干涉叠加”的信号处理过程；4、采用光放大器实现“光放大”功能；5、采用光电探测器对已调光信号进行包络检波，实现微波信号还原处理，即所谓的“解调”。

结合上述信号流程与衰减器的基本结构，实现宽带可调微波光子衰减器的具体实施步骤如下：

1、光波分流

令激光器输出的单波长激光信号为其中E₀为光信号幅值，ω₀与t分别为光信号频率与时间，ω₀与激光器的波长关系为

c为光速，λ(t)为光信号波长，可通过衰减器的“调谐端”提供的直流电压来调节。

该信号通过第一光耦合器实现功率均分，完成“光波分流”过程，分流后的信号均可表示为

2、相位调制和光信号延时

分流后的光信号分为上下两支路，分别对接相位调制器与色散光纤。

对于上支路：设输入微波信号为V_mw＝V₀cosωt，V₀为微波信号幅值，ω为频率，t为时间，该微波信号通过相位调制器对上支路的光信号相位进行调制，调制后的光信号可表示为 为调制相角，其值为其中V_π为调制器的半波电压。

对于下支路：设色散光纤的色散系数为D，长度为L，光信号通过下支路色散光纤后可表示为τ即为色散光纤产生的延时量，其值可表示为τ＝τ₀+τ_a。τ₀为在光波频率ω₀下通过L长度色散光纤所产生的延时量，其值为n为光纤的有效折射率；τ_a为附加延时量，源于改变调谐端电压使得光波的波长发生变化而产生的附加延时，设其该变量为Δλ，此时通过色散光纤后的光波信号可表示为τ_a＝Δλ·D·L。

3、干涉叠加

通过上下两支路的光信号输入至第二光耦合器，干涉叠加后实现输出，叠加后的输出信号可表示为

进一步化简为

基于上式不难看出，通过相干叠加以后，输入微波信号制约了输出光信号的幅值，而与光信号的相位无关，即通过“马赫-增德尔干涉仪”实现了从相位调制到强度调制的过渡。

4、光放大

电光转换会使得光信号产生固有衰减，可通过光放大器实现补偿，设放大器的幅度增益为g,该增益可通过后置一可调光衰减器来对该增益进行调节，则放大后的输出光信号为

5、解调

微波信号通过相位调制器实现对上支路的光信号的相位调制，通过“马赫-增德尔干涉仪”实现了从相位调制到强度调制的过渡，调制后的信号通过光放大后进入光电探测器实现“包络检波”，完成强度调制的直接解调，设探测器的响应度为ρ，解调后的输出信号可表示为

I_out＝ρ|E₂|²＝ρE₂·E₂ ^*。 (5)

将式子(4)代入(5),去除直流项与高频项，仅保留频率为ω的信号项可得

I_out,ω＝k sin(ω₀τ)cos(ωt)， (6)

式中其中J₁(x)为第一类一阶贝塞尔函数。根据式(6)求得输出信号功率为

其中R为输出阻抗，一般采用50欧姆。将代入式(7)可得出输出信号功率的最终表达式为

输入微波信号功率为则系统的功率增益为进一步简化为

调节光放大器的增益g，使得的值为1，式(9)进一步简化为

此时除了Δλ，其余各参数均为已定参数，也就是说，可以通过调节Δλ来控制功率增益G的大小，使其从1到0变化，即实现从1到0的可调衰减目的。

为进一步验证该种新型可调衰减器的实用性，基于图2构建可调微波光子衰减器实验结构。其主要器件包括Agilent型号为N7711A的波长可调激光器，EOSPACE 40GHz电光相位调制器以及Optilab PD-30电光探测器，其他器件均采用国产。依据公式(10)来微波功率增益G与波长变化Δλ的关系，并采用实验对该理论进行验证。可调微波光子衰减器的理论仿真与实测数据对比如图3所示，由图不难看出，实验数据能够与理论仿真曲线较好地吻合，验证了本发明所涉新型宽带可调微波光子衰减器的有效性。

此外，结合公式(10)与图3不难看出，微波功率增益G与波长变化Δλ程周期性分布，在实际使用中可取半个周期作为使用区间，如图3标定一使用区间所示，当波长的变化范围在0.05nm—0.075nm时，微波功率的增益范围可在1—0区间调谐，即为一测量区间。

Claims (5)

1.一种宽带可调谐微波光子衰减器，其特征在于，包括光信号输入端设备，光信号输入端设备连接有相位调制装置和光信号延迟装置；相位调制装置和光信号延迟装置一端均和光信号输入端连接，另一端均连接有光信号干涉叠加输出端设备。

2.如权利要求1所述的宽带可调谐微波光子衰减器，其特征在于，所述光信号输入端设备连接有调谐端设备；所述光信号输入端设备为第一光耦合器；所述相位调制装置为相位调制器，所述光信号延迟装置为色散光纤，所述光信号干涉叠加输出端设备为第二光耦合器，所述调谐端设备为激光器；激光器连接第一光耦合器，第一光耦合器连接相位调制器和色散光纤，相位调制器和色散光纤均与第二光耦合器相连，第二光耦合器连接光放大器，光放大器连接光电探测器。

3.如权利要求2所述的宽带可调谐微波光子衰减器，其特征在于，所述激光器为波长可调激光器。

4.一种宽带可调谐微波光子衰减器的使用方法，其特征在于，步骤如下：激光器发射单波长的激光信号通过第一光耦合器后均分为上下两支路光信号；上支路光信号通过相位调制器，被输入微波信号实现相位调制，下支路信号通过色散光纤实现光信号的延时处理；两支路光信号通过第二光耦合器实现光信号干涉叠加；干涉后的光信号通过光放大器实现放大，通过光电探测器实现光电转换，最终还原成微波信号。

5.如权利要求4所述的宽带可调谐微波光子衰减器的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、光波分流

令激光器输出的单波长激光信号即光信号为其中E₀为光信号的幅值，ω₀与t分别为光信号的频率与时间，e表示自然常数，，j为虚数单位，规定j²＝-1；ω₀与光信号的波长关系为：

其中，c为光速，λ(t)为单波长激光信号的波长；

单波长激光信号通过第一光耦合器实现功率均分，完成“光波分流”过程，分流后的光信号均表示为：

步骤二：相位调制和光信号延时

分流后的单波长激光信号分为上下两支路，分别对接相位调制器与色散光纤；

对于上支路：设输入微波信号V_mw为V_mw＝V₀cosωt，V₀为输入微波信号的幅值，ω为输入微波信号的频率，t为时间，输入微波信号的通过相位调制器对上支路的单波长激光信号相位进行调制，调制后的光信号表示为 为调制相角，其值为其中V_π为调制器的半波电压；

对于下支路：设色散光纤的色散系数为D，长度为L，光信号通过下支路色散光纤后表示为τ即为色散光纤产生的延时量，τ值可表示为τ＝τ₀+τ_a；τ₀为在光波频率ω₀下通过L长度色散光纤所产生的延时量，为n为光纤的有效折射率；τ_a为附加延时量，源于改变调谐端电压使得光波的波长发生变化而产生的附加延时，设波长的该变量为Δλ，此时通过色散光纤后的光波信号为τ_a＝Δλ·D·L；

步骤三、干涉叠加

通过上、下两支路的光信号输入至第二光耦合器，干涉叠加后实现输出，叠加后的输出信号表示为

即可化简为

因此通过相干叠加以后，输入微波信号制约了输出光信号的幅值，而与光信号的相位无关，实现了从相位调制到强度调制的过渡；

步骤四、光放大

电光转换会使得光信号产生固有衰减，因此通过光放大器实现补偿，设放大器的幅度增益为g,通过在光放大器后置一可调光衰减器来对g进行调节，则放大后的输出光信号为

步骤五、解调

微波信号通过相位调制器实现对上支路的光信号的相位调制，通过相位调制和光信号延时实现了从相位调制到强度调制的过渡，调制后的光信号通过光放大后进入光电探测器实现“包络检波”，完成强度调制的直接解调，设探测器的响应度为ρ，解调后的输出信号I_out表示为：

I_out＝ρ|E₂|²＝ρE₂·E₂ ^*； (5)

其中E₂ ^*表示E₂的共轭复数；

将式子(4)代入(5),得到频率为ω的信号项为：

I_out,ω＝ksin(ω₀τ)cos(ωt)， (6)

式中其中J₁为第一类一阶贝塞尔函数；根据式(6)求得输出信号功率P_out，ω为

其中R为输出阻抗，，将代入式(7)可得出输出信号功率的最终表达式为

输入微波信号功率为则系统的功率增益为进一步简化为

调节光放大器的增益g，使得的值为1，式(9)进一步简化为

此时除了Δλ，其余各参数均为已定参数，也就是说，可以通过调节Δλ来控制功率增益G的大小，使其从1到0变化，即实现从1到0的可调衰减目的。