CN109946514B - 一种光学微波光子滤波芯片、微波频率测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学微波光子滤波芯片、微波频率测量系统及方法。通过在一片具有电光效应的基片表面设置两条互相平行、宽度相等但长度不相等的第一直波导和第二直波导；在基片的末端端面制作反射膜，在基片的输入端面进行抛光处理，即形成一种由两个微波光子滤波器组成的集成光学微波光子滤波芯片。以该微波光子滤波芯片为核心器件建立微波频率测量系统，通过调整电光强度调制器的偏置电压，使其工作在载波抑制状态，且使载波处在两微波光子滤波器的最大传输点，即可通过检测两滤波器的输出光功率的比值获得被测微波频率。微波光子滤波芯片具有结构简单、体积小、集成度高等优点，微波频率测量系统具有测量范围宽、实现容易、实用性强等特点。

Description

一种光学微波光子滤波芯片、微波频率测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种光学微波光子滤波芯片、微波频率测量系统及方法，属于微波光子技术领域。

背景技术

微波信号频率测量技术一直是电子对抗领域的重要研究内容之一。在现代复杂的电磁环境下，如何快速准确地对敌方雷达信号进行频率测量分析，对电子侦察和电子防御具有重要价值。随着电子对抗的发展，微波频率不断攀升，要求测频接收机能够覆盖高达0.5GHz至18GHz甚至更高的频率范围。但是，由于存在电子瓶颈，传统的电子测频范围通常被限制在18GHz以内，并且实时性差、易受外界电磁干扰。以光技术为基础的微波测频技术，具有测量带宽宽、实时性好、抗电磁干扰能力强等优点，目前受到了广泛研究，并且已经涌现出多种不同的基于微波光子技术的微波信号频率测量方案。

注意到现有的光学微波频率测量技术一般需要采用检偏器、微波光子滤波器、或者色散介质进行微波光子信号处理，但是这些分立的光学元件存在体积大、集成度不高、稳定性差的缺点。为此，近年来研究人员开始将目光投向以集成光电子技术为基础的集成微波光子频率测量技术。本发明提供一种新型集成光波导微波光子滤波器，并以此为核心器件构成一种微波信号频率测量系统，具有结构简单、紧凑，容易实现等优点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种光学微波光子滤波芯片、微波频率测量系统及方法，通过检测输出光功率实现对微波信号频率的实时测量，克服现有测量系统集成度不高、稳定性差的缺点。

本发明技术方案是：一种光学微波光子滤波芯片，包括具有电光效应的基片1、第一直波导2、第二直波导3、反射膜4；

在一片具有电光效应的基片1表面通过光刻技术设置两条互相平行、宽度相等、长度不相等的第一直波导2和第二直波导3；在具有电光效应的基片1的末端端面制作反射膜4；在具有电光效应的基片1的输入端面进行抛光处理形成反射镜面；

进一步地，所述具有电光效应的基片1是铌酸锂晶体或有机聚合物。

一种集成了所述光学微波光子滤波芯片的微波频率测量系统，还包括激光源5、单模光纤6、电光强度调制器7、单模光纤耦合器8、第一单模光环形器9、第二单模光环形器10、第一光电探测器11、第二光电探测器12、射频电缆13和数字信号处理单元14；

所述激光源5输出光由单模光纤6与电光强度调制器7相连接；强度调制器7输出光由单模光纤6与单模光耦合器8相连接；单模光纤耦合器8输出光由单模光纤6分别与第一单模光环形器9和第二光环形器10的端口1相连接；第一单模光环形器9和第二光环形器10端口2输出光由单模光纤6与微波光子滤波芯片的第一直波导2和第二直波导3相连接；微波光子滤波芯片反射输出光由第一单模光环形器9和第二光环形器10的端口2输入后由端口3输出，经过单模光纤6分别输入第一光电探测器11和第二光电探测器12；第一光电探测器11和第二光电探测器12输出电信号由射频电缆13与数字信号处理单元14相连接。

进一步地，所述的电光强度调制器7通过调整偏置电压，使其工作在载波抑制状态。

一种集成光学微波光子滤波芯片的微波频率测量方法，所述测量方法为：

设光载波恰好处在光学微波光子滤波芯片的最大传输点，忽略调制器的高阶边带，则光学微波光子滤波芯片的第一直波导2和第二直波导3输出光信号为：

式(1)和式(2)中，α₁和α₂分别为激光源5、单模光纤6、电光强度调制器7、单模光纤耦合器8、第一单模光环形器9、第一直波导2构成的第一光路系统以及激光源5、单模光纤6、电光强度调制器7、单模光纤耦合器8、第二单模光环形器9、第二直波导3构成的第二光路系统的光传输系数；J₁(.)为第一类一阶贝塞尔函数；δ＝πV_m/V_π；V_m为待测微波信号的幅度，V_π为电光调制器的半波电压；f_m为待测微波信号频率；FSR₁和FSR₂分别为第一直波导(2)和第二直波导3构成的微波光子滤波芯片的自由光谱区宽度；P_in为激光器输出光功率；

由(1)、(2)式分析可知，微波光子滤波芯片输出光信号经过第一光电探测器11和第二光电探测器12转换成电信号，再由数字信号处理单元14计算得出二者的比值K为

由(3)式分析可得，K与被测微波信号频率具有一一对应的关系，因此，根据两光电探测器输出电信号的比值K，计算得出被测微波信号频率f_m。

本发明的有益效果是：通过在一片具有电光效应的基片表面设置两条宽度相等、长度不相等的互相平行的光波导，在基片末端端面设置反射膜，在基片输入端面进行抛光处理，即构成一种由两个光学滤波器组成的单片集成微波光子滤波芯片。采用本发明提供的单片集成微波光子滤波芯片构建的微波信号频率测量系统具有结构简单、容易实现、体积小等优点。

附图说明

图1是本发明提供的一种单片集微波光子滤波芯片结构示意图；

图2是采用本发明提供的一种单片集成微波光子滤波芯片构成的微波频率测量系统实施框图；

图3是本发明提供的单片集成微波光子滤波芯片第一直波导与第二直波导输出光谱曲线；

图4是第一光电探测器11和第二光电探测器12输出电信号的比值与被测微波信号频率之间的关系曲线。

图1至图3中各标号为：1-具有电光效应的基片、2-第一直波导、3-第二直波导、4-反射膜、5-激光源、6-单模光纤、7-电光强度调制器、8-单模光纤耦合器、9-第一单模光环形器、10-第二单模光环形器、11-第一光电探测器、12-第二光电探测器、13-射频电缆、14-数字信号处理单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1-4所示，一种光学微波光子滤波芯片，包括具有电光效应的基片1、第一直波导2、第二直波导3、反射膜4；

在一片具有电光效应的基片1表面通过光刻技术设置两条互相平行、宽度相等、长度不相等的第一直波导2和第二直波导3；在具有电光效应的基片1的末端端面制作反射膜4；在具有电光效应的基片1的输入端面进行抛光处理形成反射镜面；

进一步地，所述具有电光效应的基片1是铌酸锂晶体或有机聚合物。

进一步地，如图3所示为本发明提供的单片集成微波光子滤波芯片第一直波导2与第二直波导3输出光谱。此实例中采用铌酸锂晶体作为电光效应的基片1，采用光刻技术在基片1表面设置的第一直波导2和第二直波导3的宽度为6微米、两波导间距为100微米、长度分别为0.5毫米和1毫米；从图2中可以得出，由第一直波导2和第二直波导3构成的两微波光子滤波芯片的自由光谱区范围分别为142.9GHz和71.4GHz，并且当光载波为1549.8nm时，输入光信号处在微波光子滤波芯片的最大传输点。

一种集成了所述光学微波光子滤波芯片的微波频率测量系统，还包括激光源5、单模光纤6、电光强度调制器7、单模光纤耦合器8、第一单模光环形器9、第二单模光环形器10、第一光电探测器11、第二光电探测器12、射频电缆13和数字信号处理单元14；图3所示为采用本发明提供的一种单片集成微波光子滤波芯片构成的微波频率测量系统实施框图；

所述激光源5输出光由单模光纤6与电光强度调制器7相连接；强度调制器7输出光由单模光纤6与单模光耦合器8相连接；单模光纤耦合器8输出光由单模光纤6分别与第一单模光环形器9和第二光环形器10的端口1相连接；第一单模光环形器9和第二光环形器10端口2输出光由单模光纤6与微波光子滤波芯片的第一直波导2和第二直波导3相连接；微波光子滤波芯片反射输出光由第一单模光环形器9和第二光环形器10的端口2输入后由端口3输出，经过单模光纤6分别输入第一光电探测器11和第二光电探测器12；第一光电探测器11和第二光电探测器12输出电信号由射频电缆13与数字信号处理单元14相连接。

进一步地，所述的电光强度调制器7通过调整偏置电压，使其工作在载波抑制状态。

采用图2所示的微波信号频率测量系统测量微波频率的方法为：

调整电光强度调制器，使其工作在载波抑制状态，设光载波恰好处在光学微波光子滤波芯片的最大传输点，忽略调制器的高阶边带，则光学微波光子滤波芯片的第一直波导2和第二直波导3输出光信号为：

式(1)和式(2)中，α₁和α₂分别为激光源5、单模光纤6、电光强度调制器7、单模光纤耦合器8、第一单模光环形器9、第一直波导2构成的第一光路系统以及激光源5、单模光纤6、电光强度调制器7、单模光纤耦合器8、第二单模光环形器9、第二直波导3构成的第二光路系统的光传输系数；J₁(.)为第一类一阶贝塞尔函数；δ＝πV_m/V_π；V_m为待测微波信号的幅度，V_π为电光调制器的半波电压；f_m为待测微波信号频率；FSR₁和FSR₂分别为第一直波导(2)和第二直波导3构成的微波光子滤波芯片的自由光谱区宽度；P_in为激光器输出光功率；

由(1)、(2)式分析可知，微波光子滤波芯片输出光信号经过第一光电探测器11和第二光电探测器12转换成电信号，再由数字信号处理单元14计算得出二者的比值K为

由(3)式分析可得，K与被测微波信号频率具有一一对应的关系，因此，根据两光电探测器输出电信号的比值K，计算得出被测微波信号频率f_m。

进一步地，根据图2所示的微波光子滤波芯片的技术参数，代入(3)式中，可得第一光电探测器11和第二光电探测器12输出电信号的比值K与被测微波信号频率f_m之间的关系曲线如图4所示。从图4中可以得出，当被测频率由0Hz变化到35GHz时，比值K从0dB变化到54.7dB，二者具有一一对应的关系，即采用本发明提供的技术方案可实现微波信号频率的测量。

本发明基于集成光学技术，通过在一片基底表面设置两条长度不相等的光波导，构成一种由两个微波光子滤波器组成的新型单片集成微波光子滤波器。以该微波光子滤波器为基础，构建了一种微波信号频率测量系统，并给出相应的测量方法，系统具有结构简单、紧凑，实现容易、测量范围宽等优点。

上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，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 (1)

1.一种集成了光学微波光子滤波芯片的微波频率测量系统，其特征在于：集成了光学微波光子滤波芯片，所述光学微波光子滤波芯片具有电光效应的基片(1)、第一直波导(2)、第二直波导(3)、反射膜(4)；

在一片具有电光效应的基片(1)表面设置两条互相平行、宽度相等、长度不相等的第一直波导(2)和第二直波导(3)；在具有电光效应的基片(1)的末端端面制作反射膜(4)；在具有电光效应的基片(1)的输入端面进行抛光处理形成反射镜面；

所述具有电光效应的基片(1)是铌酸锂晶体或有机聚合物；

所述微波频率测量系统还包括激光源(5)、单模光纤(6)、电光强度调制器(7)、单模光纤耦合器(8)、第一单模光环形器(9)、第二单模光环形器(10)、第一光电探测器(11)、第二光电探测器(12)、射频电缆(13)和数字信号处理单元(14)；

所述激光源(5)输出光由单模光纤(6)与电光强度调制器(7)相连接；电光 强度调制器(7)输出光由单模光纤(6)与单模光纤 耦合器(8)相连接；单模光纤耦合器(8)输出光由单模光纤(6)分别与第一单模光环形器(9)和第二单模 光环形器(10)的端口1相连接；第一单模光环形器(9)和第二单模 光环形器(10)端口2输出光由单模光纤(6)与微波光子滤波芯片的第一直波导(2)和第二直波导(3)相连接；微波光子滤波芯片反射输出光由第一单模光环形器(9)和第二单模 光环形器(10)的端口2输入后由端口3输出，经过单模光纤(6)分别输入第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)；第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)输出电信号由射频电缆(13)与数字信号处理单元(14)相连接；

所述的电光强度调制器(7)工作在载波抑制状态；

集成光学微波光子滤波芯片的微波频率测量方法为：

设光载波恰好处在光学微波光子滤波芯片的最大传输点，忽略调制器的高阶边带，则光学微波光子滤波芯片的第一直波导(2)和第二直波导(3)输出光信号为：

式(1)和式(2)中，α₁和α₂分别为激光源(5)、单模光纤(6)、电光强度调制器(7)、单模光纤耦合器(8)、第一单模光环形器(9)、第一直波导(2)构成的第一光路系统以及激光源(5)、单模光纤(6)、电光强度调制器(7)、单模光纤耦合器(8)、第二单模光环形器(10 )、第二直波导(3)构成的第二光路系统的光传输系数；J₁(.)为第一类一阶贝塞尔函数；δ＝πV_m/V_π；V_m为待测微波信号的幅度，V_π为电光调制器的半波电压；f_m为待测微波信号频率；FSR₁和FSR₂分别为第一直波导(2)和第二直波导(3)构成的微波光子滤波芯片的自由光谱区宽度；P_in为激光器输出光功率；

由(1)、(2)式分析可知，微波光子滤波芯片输出光信号经过第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)转换成电信号，再由数字信号处理单元(14)计算得出二者的比值K为

由(3)式分析可得，K与被测微波信号频率具有一一对应的关系，因此，根据两光电探测器输出电信号的比值K，计算得出被测微波信号频率f_m。

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