CN109813961B - 基于光学频率梳的微波瞬时测频装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于光学频率梳的微波瞬时测频装置，包括：光梳产生模块、信号调制及光梳移相模块和色散及波分模块；光梳产生模块包括：光梳发生器用于产生光学频率梳；信号调制及光梳移相模块与所述光梳产生模块相连；用于将待测信号调制到由所述光梳产生模块的输入光学频率梳的每一根梳齿上，并对光学频率梳的每一根梳齿引入不同的相移；色散及波分模块与所述信号调制及光梳移相模块相连；用于对所述信号调制及光梳移相模块输出的经待测信号调制的光学频率梳整体引入相移，将不同频率分量的光学频率梳以一波长间隔分开，分别测得待测信号频率值。本公开工作带宽有效扩大，响应速度快，测量精度高。

Description

基于光学频率梳的微波瞬时测频装置

技术领域

本公开涉及微波光子学领域，尤其涉及一种基于光学频率梳的微波瞬时测频装置。

背景技术

未来电子战环境里充斥着微波信号，这些信号在很宽的频谱范围内变化，并且持续时间很短。将这些信号截获，并将其频率、幅度等其他参量快速地识别，对后续解析信号中携带的信息有着重要的意义。因此，微波信号频率的快速测量在未来电子战中有着极为重要的地位。传统电学方案对于频率测量目前主要采用的还是超外差瞬时测频方法，典型的方法有搜索式超外差法。由天线、低噪放大、带通滤波器、混频器、调谐控制电路、调谐本振和中频放大器、检波器组成，其中带通滤波器和调谐本振同时被调谐控制电路的控制。通过改变本振频率，对整个工作频段进行频率搜索，实现频率测量。

虽然纯电学的方法有着不可替代的精度，但对于很多应用场景比如宽带和高速的信号，纯电学方案的由于速率和带宽的限制，无法完成对持续时间短、频率变化范围大的信号进行频率测量。传统电学方案所面临的问题主要包括：其一带宽问题，目前各种复杂的微波信号跳变范围已经达到了好几十吉赫兹范围，然而目前很多接收机系统还只是工作在某一或某些射频波段。其二测量时间问题，微波信号的持续时间越来越短，已经达到纳秒量级甚至更低，超外差扫描的方案显然已经不能适应这些应用场景。其三电磁干扰问题，大量电子元器件的使用会增加系统间的电磁干扰和信号串扰。

由于存在以上这些问题，如何在大带宽内进行高精度频率测量是当前的一大研究难题。现在也有一些基于微波光子的瞬时测频方案，但这些方案往往在测频范围较大的情形下精度会下降，无法适应于对精度要求较高的场景。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种基于光学频率梳的微波瞬时测频装置，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种基于光学频率梳的微波瞬时测频装置，包括：光梳产生模块，用于产生光学频率梳；信号调制及光梳移相模块，与所述光梳产生模块相连，用于将待测信号调制到所述光学频率梳的每一根梳齿上，并对光学频率梳的每一根梳齿引入不同的相移；色散及波分模块，与所述信号调制及光梳移相模块相连，用于对经待测信号调制的光学频率梳整体引入相移，将不同频率分量的光学频率梳以一波长间隔分开，分别测得待测信号频率值。

在本公开的一些实施例中，所述信号调制及光梳移相模块包括：光耦合器，用于将所述光梳产生模块输出的光信号均分为第一路光信号和第二路光信号，所述光耦合器的输入端与光梳产生模块连接；第一调制器，所述第一调制器的光输入端口与所述光耦合器的第一路光信号的输出端口连接；所述第一调制器的射频输入端口与待测微波信号连接，用于将待测信号调制于光学频率梳上；光隔离器，所述光隔离器的输入端口与所述第一调制器的输出端口连接；用于使通过所述第一调制器输出的光信号的单向传输；高非线性光纤，用于产生非线性效应；所述高非线性光纤第一端与所述光隔离器的输出端口连接；第二调制器，所述第二调制器的光输入端口与所述光耦合器的第二路光信号的输出端口连接，所述第二调制器的射频输入端口与可调微波源输出端连接，所述可调微波源用于提供频率可调的微波信号；光环形器，用于限制光信号的传输方向，所述光环形器包括：第一端口、第二端口和第三端口；所述第一端口与所述第二调制器的光输出端口连接；所述第二端口与所述高非线性光纤第二端连接；所述第三端口与所述色散及波分模块相连。

在本公开的一些实施例中所述色散及波分模块包括：单模光纤，所述单模光纤第一端与所述信号调制及光梳移相模块相连；用于将所述单模光纤作为色散介质，将色散引入光信号；波分复用器，所述波分复用器的输入端口与所述单模光纤第二端连接；所述波分复用器用于将所述信号调制及光梳移相模块输出的光信号以固定波长分隔为多段；光电探测器阵列，用于将所述波分复用器输出的多段光信号分别转变为多段信号；微波功率计阵列，用于测量通过所述光电探测器阵列输出的多段信号的功率。

在本公开的一些实施例中所述波分复用器包括多个输出通道，相邻所述输出通道间的频率间隔相等。

在本公开的一些实施例中，所述光电探测器阵列包括多个光电探测器，所述波分复用器多个输出通道的输出端口分别与多个所述光电探测器的输入端对应连接；所述微波功率计阵列包括多个微波功率计，每个所述微波功率计的输入端与每个所述光电探测器的输出端连接。

在本公开的一些实施例中，所述光梳产生模块包括：光梳发生器；光滤波器，用于选择特定范围的光谱输出，所述光滤波器的输入端与所述光梳发生器的输出端连接。

在本公开的一些实施例中，所述第一调制器为相位调制器，所述第一调制器输出的光信号在所述光梳发生器产生的每根光学频率梳的梳齿两侧均产生正负一阶边带。

在本公开的一些实施例中，所述第二调制器为推挽式马赫曾德尔强度调制器，所述第二调制器工作在载波抑制状态，由所述第二调制器输出的光信号，在所述光梳发生器产生的每根光学频率梳的梳齿均被抑制，并且在梳齿两侧均产生正负一阶边带。

在本公开的一些实施例中，所述光环形器的第一端口和第二端口为输入端，所述光环形器的第二端口和第三端口为输出端。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开基于光学频率梳的微波瞬时测频装置至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本公开利用由信号调制及光梳移相模块产生的布里渊散射效应对激光波长的敏感性，对光学频率梳的每一根梳齿引入不同相移，改变波分复用器每个输出通道的响应，覆盖高至40GHz频率范围的微波测量结果，工作带宽有效扩大。

(2)本公开的色散及波分模块中频率值通过不同通道的功率值比较得出，能够同时得到粗测与精测结果，响应速度快，测量精度高。

附图说明

图1为本公开实施例基于光学频率梳的微波瞬时测频装置的结构示意图。

图2为图1中基于光梳发生器产生的超平坦光学频率梳频谱图。

图3为图1中信号调制及光梳移相模块中受激布里渊散射的泵浦光与信号光位置示意图。

图4为图3中受激布里渊散射频率与泵浦光的波长对应关系示意图。

图5(a)是激光波长与受激布里渊散射增益谱和损耗谱相对位置变化示意图。

图5(b)是激光波长与受激布里渊散射增益谱和损耗谱相对位置变化对激光引入的相移关系示意图。

图6是相位调制信号的功率衰弱曲线随载波相位变化示意图。

图7(a)相距最远两个信道获得的最大频率测量范围的幅度-频率对应曲线。

图7(b)通过相邻的信道获得的精确频率测量范围的幅度-频率对应曲线。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1-光梳发生器；

2-光滤波器；

3-光耦合器；

4-第一调制器；

5-可调微波源；

6-第二调制器；

7-光隔离器；

8-高非线性光纤；

9-光环形器；

10-单模光纤；

11-波分复用器；

12-光电探测器阵列；

121-光电探测器；

13-微波功率计阵列；

131-微波功率计。

具体实施方式

本公开提供了一种基于光学频率梳的微波瞬时测频装置，包括：光梳产生模块、信号调制及光梳移相模块和色散及波分模块；光梳产生模块包括：光梳发生器用于产生光学频率梳；信号调制及光梳移相模块与所述光梳产生模块相连；用于将待测信号调制到由所述光梳产生模块的输入光学频率梳的每一根梳齿上，并对光学频率梳的每一根梳齿引入不同的相移；色散及波分模块与所述信号调制及光梳移相模块相连；用于对所述信号调制及光梳移相模块输出的经待测信号调制的光学频率梳整体引入相移，将不同频率分量的光学频率梳以一波长间隔分开，分别测得待测信号频率值。本公开工作带宽有效扩大，响应速度快，测量精度高。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种基于光学频率梳的微波瞬时测频装置。图1为本公开实施例基于光学频率梳的微波瞬时测频装置的结构示意图。如图1所示，本公开基于光学频率梳的微波瞬时测频装置，包括：光梳产生模块、信号调制及光梳移相模块和色散及波分模块；光梳产生模块包括：光梳发生器1用于产生光学频率梳。其中光学频率梳优选为基于量子点锁模激光器产生的宽带平坦光学频率梳，其输出的典型光谱图如图2所示。选定其中一根光梳梳齿的角频率为ω₀，则其余光梳梳齿的频率可以写为(...ω₀-nω_Δ，...，ω₀-1ω_Δ，ω₀，ω₀+1ω_Δ，...，ω₀+nω_Δ，...)，其中ω_Δ为光梳梳齿的间隔，如图2所示。信号调制及光梳移相模块与所述光梳产生模块相连；用于将待测信号调制到由所述光梳产生模块的输入光学频率梳的每一根梳齿上，并对光学频率梳的每一根梳齿引入不同的相移。色散及波分模块与所述信号调制及光梳移相模块相连；用于对所述信号调制及光梳移相模块输出的经待测信号调制的光学频率梳整体引入相移，将不同频率分量的光学频率梳以一波长间隔分开，分别测得待测信号频率值。进一步地，光梳产生模块还包括光滤波器2。信号调制及光梳移相模块包括：光耦合器3、第一调制器4、光隔离器7、高非线性光纤8、第二调制器6、光环形器9、可调微波源5和待测信号。具体的，色散及波分模块包括：单模光纤10、波分复用器11、光电探测器阵列12和微波功率计阵列13。

光学频率梳的每一根梳齿都在第一调制器4中被待测信号进行相位调制，在第二调制器6中被载波抑制调制。第二调制器6产生的载波抑制信号由正负一阶边带组成，在高非线性光纤8中作为对应光学频率梳梳齿的泵浦光，如图3所示。

通过信号调制及光梳移相模块中的受激布里渊散射效应，会对光梳产生模块产生的光学频率梳的梳齿引入相移，并且这个相移是波长线性相关的，即对于不同的波长，受激布里渊散射频率不同，如图4所示。由不同的受激布里渊散射频率，泵浦光的增益区和损耗区在对应梳齿处的相对位置不同，最终会导致对光学频率梳的不同梳齿所引入的相移不同，如图5(a)和(b)所示。对于相位调制的激光信号，经过单模光纤10等色散元件之后会由光电探测器阵列12的探测会产生功率衰弱现象，即光电探测器阵列12的输出功率随着调制信号频率的变化呈现周期性起伏的现象。而载波的相位变化会让功率衰弱曲线与相位调制信号的频率之间的相对关系发生平移，如图6所示。

波分复用器11的不同通道会把不同的光学频率梳梳齿送入光电探测器阵列12对应的光电探测器中，即光电探测器阵列12中的每个光电探测器121对应不同的光学频率梳梳齿功率衰弱响应。每两个通道之间可以构建一个待测信号频率与光电探测器功率之间的单调相关关系，即读出光电探测器的功率值就可以获得待测信号的频率值。由于测量曲线，斜率大的地方测频精度高，因此，通过相隔最远的两个通道获得信号大致频率，如图7(a)所示，再通过临近的两个通道获得信号更加精确的频率值，如图7(b)所示。

以下分别对本实施例基于光学频率梳的微波瞬时测频装置的各个组成部分进行详细描述。

光滤波器2，用于选择特定范围的光谱输出，所述光滤波器2的输入端与所述光梳发生器1的输出端连接。本领域技术人员应该了解的是可调带通滤波器的带宽决定了光学频率梳的梳齿数目，本实施例中仅选用十一根连续梳齿作为示例说明，并不用于限定。

光耦合器3，用于将所述光梳产生模块输出的光信号均分为第一路光信号和第二路光信号，所述光耦合器3的输入端与光梳产生模块连接。

第一调制器4，用于将待测信号调制于光学频率梳上。第一调制器4的光输入端口与所述光耦合器3第一路光信号的输出端口连接；所述第一调制器4的射频输入端口与待测微波信号连接。其中，所述第一调制器4为相位调制器，所述第一调制器4输出的光信号在所述光梳发生器1产生的每根光学频率梳的梳齿两侧均产生正负一阶边带。具体的，第一调制器4的射频输入端与角频率为ω_m的待测微波信号连接，第一调制器4输出的光信号在每根光学频率梳的梳齿(ω₀)的两侧都会产生正负一阶边带(ω₀+ω_m，ω₀-ω_m)。

光隔离器7，用于使通过所述第一调制器4输出的光信号的单向传输，防止光信号反向进入第一调制器4。光隔离器7的输入端口与所述第一调制器4的输出端口连接。

可调微波源5，用于提供频率可调的微波信号。第二调制器6的光输入端口与所述光耦合器3第二路光信号的输出端口连接，所述第二调制器6的射频输入端口与可调微波源5输出端连接。进一步地，所述第二调制器6为推挽式马赫曾德尔强度调制器，所述第二调制器6工作在载波抑制状态，由所述第二调制器6输出的光信号，在所述光梳发生器1产生的每根光学频率梳的梳齿(ω₀)均被抑制，并且在梳齿两侧均产生正负一阶边带(ω₀+ω_s，ω₀-ω_s)。其中，可调微波源5用于产生角频率可变的微波信号，输出频率具体数值选择为角频率为ω₀的光学频率所对应的受激布里渊散射频率值，如图4所示，可调微波源5的频率可以选为10.68GHz，记为ω_s。

光环形器9，用于限制光信号的传输方向。所述光环形器9包括：第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口与所述第二调制器6的光输出端口连接；所述第二端口与所述高非线性光纤第二端连接；所述第三端口与所述色散及波分模块相连。其中，光环形器9的第一端口和第二端口为光信号输入端，所述光环形器9的第二端口和第三端口为光信号输出端。

高非线性光纤8，由于其非线性系数较大，容易产生受激布里渊散射效应。所述高非线性光纤8第一端与所述光隔离器7的输出端口连接；所述第二端口与所述高非线性光纤8第二端连接。

单模光纤10，用于作为色散介质，将色散引入光信号。单模光纤10第一端与所述信号调制及光梳移相模块相连。

所述波分复用器11，用于将所述信号调制及光梳移相模块输出的光信号以固定波长分隔为多段。波分复用器11的输入端口与所述单模光纤10第二端连接。进一步地，所述波分复用器11包括多个输出通道，每个所述输出通道的中心波长各不相同，相邻所述输出通道间的频率间隔相等。

光电探测器阵列，用于将所述波分复用器11输出的多段光信号分别转变为多段信号。进一步地，所述光电探测器阵列包括多个光电探测器121，所述波分复用器11多个输出通道的对应的多个输出端口分别与每个所述光电探测器121的输入端连接。

微波功率计阵列13，用于测量通过所述光电探测器阵列输出的多段信号的功率。进一步地，所述微波功率计阵列13包括多个微波功率计131，每个所述微波功率计131的输入端与每个所述光电探测器的输出端连接。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于光学频率梳的微波瞬时测频装置有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供一种利用由信号调制及光梳移相模块产生的布里渊散射效应对激光波长的敏感性，对光学频率梳的每一根梳齿引入不同相移，改变波分复用器每个输出通道的响应扩大工作带宽、提高响应速度和测量精度。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于光学频率梳的微波瞬时测频装置，包括：

光梳产生模块，用于产生光学频率梳；其中，所述光梳产生模块包括：

光梳发生器；

光滤波器，用于选择特定范围的光谱输出，所述光滤波器的输入端与所述光梳发生器的输出端连接；

信号调制及光梳移相模块，与所述光梳产生模块相连，用于将待测信号调制到所述光学频率梳的每一根梳齿上，并对光学频率梳的每一根梳齿引入不同的相移；其中，所述信号调制及光梳移相模块包括：

光耦合器，用于将所述光梳产生模块输出的光信号均分为第一路光信号和第二路光信号，所述光耦合器的输入端与光梳产生模块连接；

第一调制器，所述第一调制器的光输入端口与所述光耦合器的第一路光信号的输出端口连接；所述第一调制器的射频输入端口与待测微波信号连接，用于将待测信号调制于光学频率梳上；

光隔离器，所述光隔离器的输入端口与所述第一调制器的输出端口连接；用于使通过所述第一调制器输出的光信号的单向传输；

高非线性光纤，用于产生非线性效应；所述高非线性光纤第一端与所述光隔离器的输出端口连接；

第二调制器，所述第二调制器的光输入端口与所述光耦合器的第二路光信号的输出端口连接，所述第二调制器的射频输入端口与可调微波源输出端连接，所述可调微波源用于提供频率可调的微波信号；

光环形器，用于限制光信号的传输方向，所述光环形器包括：第一端口、第二端口和第三端口；所述第一端口与所述第二调制器的光输出端口连接；所述第二端口与所述高非线性光纤第二端连接；所述第三端口与色散及波分模块相连；

所述色散及波分模块，与所述信号调制及光梳移相模块相连，用于对经待测信号调制的光学频率梳整体引入相移，将不同频率分量的光学频率梳以一波长间隔分开，分别测得待测信号频率值；其中，所述色散及波分模块包括：

单模光纤，所述单模光纤第一端与所述信号调制及光梳移相模块相连；用于将所述单模光纤作为色散介质，将色散引入光信号；

波分复用器，所述波分复用器的输入端口与所述单模光纤第二端连接；所述波分复用器用于将所述信号调制及光梳移相模块输出的光信号以固定波长分隔为多段；

光电探测器阵列，用于将所述波分复用器输出的多段光信号分别转变为多段信号；

微波功率计阵列，用于测量通过所述光电探测器阵列输出的多段信号的功率；

其中，所述波分复用器包括多个输出通道，相邻所述输出通道间的频率间隔相等；

其中，所述波分复用器多个输出通道的输出端口分别与多个所述光电探测器的输入端对应连接；

所述微波功率计阵列包括多个微波功率计，每个所述微波功率计的输入端与每个所述光电探测器的输出端连接；

波分复用器的不同通道会把不同的光学频率梳梳齿送入光电探测器阵列对应的光电探测器中，即光电探测器阵列中的每个光电探测器对应不同的光学频率梳梳齿功率衰弱响应；

每两个通道之间可以构建一个待测信号频率与光电探测器功率之间的单调相关关系，即读出光电探测器的功率值就可以获得待测信号的频率值；

波分复用器通过相隔最远的两个通道获得信号大致频率，再通过临近两个通道获得信号更加精确的频率值。

2.根据权利要求1所述的微波瞬时测频装置，其中，所述第一调制器为相位调制器，所述第一调制器输出的光信号在所述光梳发生器产生的每根光学频率梳的梳齿两侧均产生正负一阶边带。

3.根据权利要求1所述的微波瞬时测频装置，其中，所述第二调制器为推挽式马赫曾德尔强度调制器，所述第二调制器工作在载波抑制状态，由所述第二调制器输出的光信号，在所述光梳发生器产生的每根光学频率梳的梳齿均被抑制，并且在梳齿两侧均产生正负一阶边带。

4.根据权利要求1所述的微波瞬时测频装置，其中，所述光环形器的第一端口和第二端口为输入端，所述光环形器的第二端口和第三端口为输出端。

Images