CN113541780A - 一种基于光功率监控的瞬时频率测量装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于光功率监控的瞬时频率测量装置，涉及光电子器件、微波光子学领域。该装置包括连续波激光器(1)，偏振控制器(2)，信号发生器(3)，电功分器(4)，电延迟线(5)，光功分器(6)，电功分器(7)，电功分器(8)，I/Q调制器(9)，I/Q调制器(10)，光功率计(11)，光功率计(12)。通过监控两个光功率计的功率值，可计算得出射频信号的频率。通过改变电延迟线(5)的延迟量，可调节瞬时频率测量的测量范围和测量误差。

Description

一种基于光功率监控的瞬时频率测量装置
技术领域
本发明涉及一种基于光功率监控的瞬时频率测量装置，涉及光电子器件、微波光子学领域。
背景技术
瞬时频率测量在微波光子学领域是一个重要的研究方向，它在军事领域和民用领域都有很多重要的应用，例如雷达、通信系统、电子战系统等领域都有瞬时频率测量的应用。近些年来研究者提出了很多实现瞬时频率测量的方法。大致分为以下几种方法：频率-空间映射的方法，频率-时间映射的方法，频率-相位映射的方法，频率-功率映射的方法。研究者们用的比较多的方法为频率-功率映射的方法。通过调制器调制接收到的射频信号，将调制后的信号分为两路并在光域进行处理。通过监控处理后的两路信号的功率比来构建幅度比较函数，将频率信息转化为功率比信息，由信号的功率比可推出射频信号的频率。这种方法由于原理简单，成本较低，受到研究者的广泛关注。研究者们已经提出了很多基于频率-功率映射方法的瞬时频率测量方案。2009年，Junqiang Zhou等人利用相位调制器结合色散光纤和保偏光纤实现了瞬时频率测量(J.Zhou,S.Fu,P.P.Shum,S.Aditya,L.Xia,J.Li,X.Sun,K.Xu,Photonic measurement of microwave frequency based on phasemodulation,Opt.Express 17(9)(2009)7217-7221.)。2010年，Shilong Pan等人利用偏振调制器结合光子微波滤波器实现了瞬时频率测量(S.Pan,J.Yao,InstantaneousMicrowave Frequency Measurement Using a Photonic Microwave Filter Pair,IEEEPhotonics Technology Letters 22(19)(2010)1437-1439.)。2014年，Jing Li等人利用偏振调制器结合偏振器件实现了瞬时频率测量，通过调节偏振控制器的角度可实现对测量范围和测量精度的调节(J.Li,T.Ning,L.Pei,W.Jian,J.Zheng,H.You,H.Chen,C.Zhang,Performance analysis on an instantaneous microwave frequency measurement withtunable range and resolution based on a single laser source,Optics&LaserTechnology 63(2014)54-61.)。2018年，HOSSEIN EMAMI等人通过将相位调制器放入sagnac环中实现了瞬时频率的测量，测量范围可达：0.01GHz-40GHz(H.Emami,M.Hajihashemi,S.E.Alavi,A.S.M.Supaat,L.Bui,Microwave photonics instantaneous frequencymeasurement receiver based on a Sagnac loop,Opt.Lett.43(10)(2018)2233-2236.)。但这些方案的结构和原理还是比较复杂，相关的偏振器件容易受到环境扰动的影响。本发明提出一种结构和原理更为简单的方案，只需一个光源、一个偏振控制器、一个电延迟线、一个光功分器、三个电功分器、两个I/Q调制器、两个光功率计。只需测量两个调制器输出信号的功率，无需再对调制信号进行光域处理就可实现瞬时频率测量。方案中没有用到昂贵的电子器件，降低了方案的成本。通过改变电延迟线的延迟量，可调节瞬时频率测量的测量范围和测量误差。
发明内容
本发明提出了一种基于光功率监控的瞬时频率测量装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于光功率监控的瞬时频率测量装置，其特征在于：该装置包括连续波激光器1，偏振控制器2，信号发生器3，电功分器4，电延迟线5，光功分器6，电功分器7，电功分器8，I/Q调制器9，I/Q调制器10，光功率计11，光功率计12，具体连接方式为：
连续波激光器1的输出端接偏振控制器2的输入端，偏振控制器2的输出端接光功分器6的输入端，光功分器6的输出端分别接I/Q调制器9的光输入端和I/Q调制器10的光输入端，信号发生器3的输出端接电功分器4的输入端，电功分器4的输出端分别接电功分器7的输入端和电延迟线5的输入端，电延迟线5的输出端接电功分器8的输入端，电功分器7的输出端分别接单驱动马赫曾德尔调制器91的射频输入端和单驱动马赫曾德尔调制器101的射频输入端，电功分器8的输出端分别接单驱动马赫曾德尔调制器92的射频输入端和单驱动马赫曾德尔调制器102的射频输入端。I/Q调制器9的输出端接光功率计11的输入端，I/Q调制器10的输出端接光功率计12的输入端。
连续波激光器1与偏振控制器2，偏振控制器2与光功分器6，光功分器6与I/Q调制器9，光功分器6与I/Q调制器10,I/Q调制器9与光功率计11,I/Q调制器10与光功率计12之间均采用光纤连接。信号发生器3与电功分器4，电功分器4与电功分器7，电功分器4与电延迟线5，电延迟线5与电功分器8,电功分器7与单驱动马赫曾德尔调制器91,电功分器7与单驱动马赫曾德尔调制器101,电功分器8与单驱动马赫曾德尔调制器92,电功分器8与单驱动马赫曾德尔调制器102之间均采用射频连接线连接。
连续波激光器1发出的光信号经过偏振控制器2后被光功分器6分为两路功率相等的光信号，两路光信号分别输入I/Q调制器9的光输入端和I/Q调制器10的光输入端。信号发生器3产生的射频信号经过电功分器4后分为两路功率相等的射频信号，其中一路射频信号经过电功分器7后分别加载在单驱动马赫曾德尔调制器91的射频输入端和单驱动马赫曾德尔调制器101的射频输入端。另一路射频信号先经过一个电延迟线5，后经过电功分器8，分别加载在单驱动马赫曾德尔调制器92的射频输入端和单驱动马赫曾德尔调制器102的射频输入端。单驱动马赫曾德尔调制器91,单驱动马赫曾德尔调制器92,单驱动马赫曾德尔调制器101,单驱动马赫曾德尔调制器102均偏置在最小传输点。I/Q调制器9偏置在最大传输点。I/Q调制器10偏置在最小传输点。光功率计11测量I/Q调制器9的输出光功率，光功率计12测量I/Q调制器10的输出光功率。通过调节电延迟线5的延迟量，可调节瞬时频率测量的测量范围和测量精度。
设连续波激光器1发出光信号的光场表达式为：Ein(t)＝Eoexp(jωot)，Eo和ωo分别代表光信号的幅度和角频率。信号发生器3发出的射频信号电场表达式为：VRF(t)＝VRFcos(Ωt),VRF和Ω分别代表电信号的幅度和角频率。电延迟线5的延迟量为τ，则I/Q调制器9和I/Q调制器10输出光场表达式为：
Figure BDA0002454051890000041
m为调制器的调制系数，
Figure BDA0002454051890000051
Vπ为调制器的半波电压。
由于接收到的射频信号功率很小，可只考虑电场表达式中的一阶项：
Figure BDA0002454051890000052
I/Q调制器9和I/Q调制器10输出光强度表达式为
Figure BDA0002454051890000053
幅度比较函数(ACF)的表达式为:
Figure BDA0002454051890000054
f为射频信号的频率
可由测得的光功率的功率比推出射频信号的频率。
本发明的有益效果：
本发明结构简单，只需一个光源、一个偏振控制器、一个电延迟线、一个光功分器、三个电功分器、两个I/Q调制器、两个光功率计。只需测量两个调制器输出信号的光功率，无需再对调制信号进行光域处理就可实现瞬时频率测量。方案中没有用到昂贵的电子器件，降低了方案的成本。通过改变电延迟线的延迟量，可调节瞬时频率测量的测量范围和测量误差。相比其他方案，本方案在低频时的测量误差更小，低频测频范围为0-9.6GHz时的测量误差为-0.1GHz-+0.05GHz。
附图说明
图1为基于光功率监控的瞬时频率测量装置的结构示意图。
图2为实施例一中瞬时频率测量的测量范围和测量误差图。
图3为实施例二中瞬时频率测量的测量范围和测量误差图。
图4为实施例三中瞬时频率测量的测量范围和测量误差图。
图5为实施例四中瞬时频率测量的测量范围和测量误差图。
其中各图标为：连续波激光器1，偏振控制器2，信号发生器3，电功分器4，电延迟线5，光功分器6，电功分器7，电功分器8，I/Q调制器9，I/Q调制器10，光功率计11，光功率计12。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对发明做进一步的描述。
实施例一：
连续波激光器1的输出端接偏振控制器2的输入端，偏振控制器2的输出端接光功分器6的输入端，光功分器6的输出端分别接I/Q调制器9的光输入端和I/Q调制器10的光输入端，信号发生器3的输出端接电功分器4的输入端，电功分器4的输出端分别接电功分器7的输入端和电延迟线5的输入端，电延迟线5的输出端接电功分器8的输入端，电功分器7的输出端分别接单驱动马赫曾德尔调制器91的射频输入端和单驱动马赫曾德尔调制器101的射频输入端，电功分器8的输出端分别接单驱动马赫曾德尔调制器92的射频输入端和单驱动马赫曾德尔调制器102的射频输入端。I/Q调制器9的输出端接光功率计11的输入端，I/Q调制器10的输出端接光功率计12的输入端。
连续波激光器1与偏振控制器2，偏振控制器2与光功分器6，光功分器6与I/Q调制器9，光功分器6与I/Q调制器10,I/Q调制器9与光功率计11,I/Q调制器10与光功率计12之间均采用光纤连接。信号发生器3与电功分器4，电功分器4与电功分器7，电功分器4与电延迟线5，电延迟线5与电功分器8,电功分器7与单驱动马赫曾德尔调制器91,电功分器7与单驱动马赫曾德尔调制器101,电功分器8与单驱动马赫曾德尔调制器92,电功分器8与单驱动马赫曾德尔调制器102之间均采用射频连接线连接。
单驱动马赫曾德尔调制器91,单驱动马赫曾德尔调制器92,单驱动马赫曾德尔调制器101,单驱动马赫曾德尔调制器102均偏置在最小传输点。I/Q调制器9偏置在最大传输点。I/Q调制器10偏置在最小传输点。光功率计11测量I/Q调制器9的输出光功率，光功率计12测量I/Q调制器10的输出光功率。调制系数设置为1，调制器的消光比和插入损耗分别设置为30dB和5dB。连续波激光器输出光信号的波长和功率分别设为1550.12nm和10dBm。信号发生器输出射频信号的频率设置为0-25GHz扫描。
电延迟线5的延迟量设为20ps，测量范围和测量误差图如图2所示。
实施例二：
连续波激光器1的输出端接偏振控制器2的输入端，偏振控制器2的输出端接光功分器6的输入端，光功分器6的输出端分别接I/Q调制器9的光输入端和I/Q调制器10的光输入端，信号发生器3的输出端接电功分器4的输入端，电功分器4的输出端分别接电功分器7的输入端和电延迟线5的输入端，电延迟线5的输出端接电功分器8的输入端，电功分器7的输出端分别接单驱动马赫曾德尔调制器91的射频输入端和单驱动马赫曾德尔调制器101的射频输入端，电功分器8的输出端分别接单驱动马赫曾德尔调制器92的射频输入端和单驱动马赫曾德尔调制器102的射频输入端。I/Q调制器9的输出端接光功率计11的输入端，I/Q调制器10的输出端接光功率计12的输入端。
连续波激光器1与偏振控制器2，偏振控制器2与光功分器6，光功分器6与I/Q调制器9，光功分器6与I/Q调制器10,I/Q调制器9与光功率计11,I/Q调制器10与光功率计12之间均采用光纤连接。信号发生器3与电功分器4，电功分器4与电功分器7，电功分器4与电延迟线5，电延迟线5与电功分器8,电功分器7与单驱动马赫曾德尔调制器91,电功分器7与单驱动马赫曾德尔调制器101,电功分器8与单驱动马赫曾德尔调制器92,电功分器8与单驱动马赫曾德尔调制器102之间均采用射频连接线连接。
单驱动马赫曾德尔调制器91,单驱动马赫曾德尔调制器92,单驱动马赫曾德尔调制器101,单驱动马赫曾德尔调制器102均偏置在最小传输点。I/Q调制器9偏置在最大传输点。I/Q调制器10偏置在最小传输点。光功率计11测量I/Q调制器9的输出光功率，光功率计12测量I/Q调制器10的输出光功率。调制系数设置为1，调制器的消光比和插入损耗分别设置为30dB和5dB。连续波激光器输出光信号的波长和功率分别设为1550.12nm和10dBm。信号发生器输出射频信号的频率设置为0-16.7GHz扫描。
电延迟线5的延迟量设为30ps，测量范围和测量误差图如图3所示。
实施例三：
连续波激光器1的输出端接偏振控制器2的输入端，偏振控制器2的输出端接光功分器6的输入端，光功分器6的输出端分别接I/Q调制器9的光输入端和I/Q调制器10的光输入端，信号发生器3的输出端接电功分器4的输入端，电功分器4的输出端分别接电功分器7的输入端和电延迟线5的输入端，电延迟线5的输出端接电功分器8的输入端，电功分器7的输出端分别接单驱动马赫曾德尔调制器91的射频输入端和单驱动马赫曾德尔调制器101的射频输入端，电功分器8的输出端分别接单驱动马赫曾德尔调制器92的射频输入端和单驱动马赫曾德尔调制器102的射频输入端。I/Q调制器9的输出端接光功率计11的输入端，I/Q调制器10的输出端接光功率计12的输入端。
连续波激光器1与偏振控制器2，偏振控制器2与光功分器6，光功分器6与I/Q调制器9，光功分器6与I/Q调制器10,I/Q调制器9与光功率计11,I/Q调制器10与光功率计12之间均采用光纤连接。信号发生器3与电功分器4，电功分器4与电功分器7，电功分器4与电延迟线5，电延迟线5与电功分器8,电功分器7与单驱动马赫曾德尔调制器91,电功分器7与单驱动马赫曾德尔调制器101,电功分器8与单驱动马赫曾德尔调制器92,电功分器8与单驱动马赫曾德尔调制器102之间均采用射频连接线连接。
单驱动马赫曾德尔调制器91,单驱动马赫曾德尔调制器92,单驱动马赫曾德尔调制器101,单驱动马赫曾德尔调制器102均偏置在最小传输点。I/Q调制器9偏置在最大传输点。I/Q调制器10偏置在最小传输点。光功率计11测量I/Q调制器9的输出光功率，光功率计12测量I/Q调制器10的输出光功率。调制系数设置为1，调制器的消光比和插入损耗分别设置为30dB和5dB。连续波激光器输出光信号的波长和功率分别设为1550.12nm和10dBm。信号发生器输出射频信号的频率设置为0-12.5GHz扫描。
电延迟线5的延迟量设为40ps，测量范围和测量误差图如图4所示。
实施例四：
连续波激光器1的输出端接偏振控制器2的输入端，偏振控制器2的输出端接光功分器6的输入端，光功分器6的输出端分别接I/Q调制器9的光输入端和I/Q调制器10的光输入端，信号发生器3的输出端接电功分器4的输入端，电功分器4的输出端分别接电功分器7的输入端和电延迟线5的输入端，电延迟线5的输出端接电功分器8的输入端，电功分器7的输出端分别接单驱动马赫曾德尔调制器91的射频输入端和单驱动马赫曾德尔调制器101的射频输入端，电功分器8的输出端分别接单驱动马赫曾德尔调制器92的射频输入端和单驱动马赫曾德尔调制器102的射频输入端。I/Q调制器9的输出端接光功率计11的输入端，I/Q调制器10的输出端接光功率计12的输入端。
连续波激光器1与偏振控制器2，偏振控制器2与光功分器6，光功分器6与I/Q调制器9，光功分器6与I/Q调制器10,I/Q调制器9与光功率计11,I/Q调制器10与光功率计12之间均采用光纤连接。信号发生器3与电功分器4，电功分器4与电功分器7，电功分器4与电延迟线5，电延迟线5与电功分器8,电功分器7与单驱动马赫曾德尔调制器91,电功分器7与单驱动马赫曾德尔调制器101,电功分器8与单驱动马赫曾德尔调制器92,电功分器8与单驱动马赫曾德尔调制器102之间均采用射频连接线连接。
单驱动马赫曾德尔调制器91,单驱动马赫曾德尔调制器92,单驱动马赫曾德尔调制器101,单驱动马赫曾德尔调制器102均偏置在最小传输点。I/Q调制器9偏置在最大传输点。I/Q调制器10偏置在最小传输点。光功率计11测量I/Q调制器9的输出光功率，光功率计12测量I/Q调制器10的输出光功率。调制系数设置为1，调制器的消光比和插入损耗分别设置为30dB和5dB。连续波激光器输出光信号的波长和功率分别设为1550.12nm和10dBm。信号发生器输出射频信号的频率设置为0-10GHz扫描。
电延迟线5的延迟量设为50ps，测量范围和测量误差图如图5所示。

Claims (4)

1.一种基于光功率监控的瞬时频率测量装置，其特征在于：该装置包括连续波激光器(1)，偏振控制器(2)，信号发生器(3)，电功分器(4)，电延迟线(5)，光功分器(6)，电功分器(7)，电功分器(8)，I/Q调制器(9)，I/Q调制器(10)，光功率计(11)，光功率计(12)；其中I/Q调制器(9)由单驱动马赫曾德尔调制器(91)和单驱动马赫曾德尔调制器(92)组成，I/Q调制器(10)由单驱动马赫曾德尔调制器(101)和单驱动马赫曾德尔调制器(102)组成；具体连接方式为：
连续波激光器(1)的输出端接偏振控制器(2)的输入端，偏振控制器(2)的输出端接光功分器(6)的输入端，光功分器(6)的输出端分别接I/Q调制器(9)的光输入端和I/Q调制器(10)的光输入端，信号发生器(3)的输出端接电功分器(4)的输入端，电功分器(4)的输出端分别接电功分器(7)的输入端和电延迟线(5)的输入端，电延迟线(5)的输出端接电功分器(8)的输入端，电功分器(7)的输出端分别接单驱动马赫曾德尔调制器(91)的射频输入端和单驱动马赫曾德尔调制器(101)的射频输入端，电功分器(8)的输出端分别接单驱动马赫曾德尔调制器(92)的射频输入端和单驱动马赫曾德尔调制器(102)的射频输入端，I/Q调制器(9)的输出端接光功率计(11)的输入端，I/Q调制器(10)的输出端接光功率计(12)的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种基于光功率监控的瞬时频率测量装置，其特征在于：单驱动马赫曾德尔调制器(91)、单驱动马赫曾德尔调制器(92)、单驱动马赫曾德尔调制器(101)、单驱动马赫曾德尔调制器(102)均偏置在最小传输点，I/Q调制器(9)偏置在最大传输点，I/Q调制器(10)偏置在最小传输点。
3.根据权利要求1所述的一种基于光功率监控的瞬时频率测量装置，其特征在于：通过调节电延迟线(5)的延迟量，可调节瞬时频率测量的测量范围和测量误差。
4.根据权利要求1所述的一种基于光功率监控的瞬时频率测量装置，其特征在于：在低频时瞬时频率测量的测量误差是低的，测量范围为0-9.6GHz时测量误差为-0.1GHz-+0.05GHz。
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