CN113541789B - 基于双向光相位调制器的微波源相位噪声测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双向光相位调制器的微波源相位噪声测量装置，其包括：微波功分器、激光器、光环行器、第一支路、第二支路、光耦合器、光电探测器和信号分析装置，第一支路中依次设置有双向光相位调制器、第一光纤布拉格光栅、单模光纤，第二支路中依次设置有第二光纤布拉格光栅和可调光延时线，光环行器设置有三个端口，三个端口分别与激光器、双向光相位调制器、第二光纤布拉格光栅连接。本发明利用单个双向光相位调制器实现全光域混频功能，避免了电混频器的使用，减少了微波放大器等有源器件的使用。具有结构简单，成本低廉，工作带宽大，响应平坦的优点，降低了相位噪声测量系统噪底，提高了测量精度与灵敏度。

Description

基于双向光相位调制器的微波源相位噪声测量装置

技术领域

本发明涉及相位噪声测量技术领域，特别涉及一种基于双向光相位调制器的微波源相位噪声测量装置。

背景技术

随着微波振荡器技术的不断发展，特别是能直接产生超高频，超低相噪微波信号的光电振荡器的出现，对现有的相位噪声测量技术造成了极大的挑战。基于光延时线的鉴频法是一种具有极大潜力的微波源相位噪声测量方法，这种方法借助低损耗光纤提供的长延时，可以达到较高的相位噪声测量灵敏度。然而，在这种方案中，工作带宽通常受到电移相器、电放大器和电混频器等电子器件的限制，且在电混频器之前，通常需要电放大器来保证信号的功率水平满足测量需求，这一过程本质上降低了系统的测量灵敏度。

为了解决这些问题，研究人员提出了一系列光子辅助的相位噪声测量系统，包括在相位噪声测量系统中用微波光子移相器取代电移相器，以及用基于级联电光调制器结构避免了电混频器的使用。然而，级联调制器的使用增加了系统的成本与复杂度，并导致插入损耗较大，降低了系统的转换效率。因此，急需开发一种经济实用、转换效率高、工作带宽大的相位噪声测量方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种转换效率高、具有大工作带宽、高测量精度的基于双向光相位调制器的微波源相位噪声测量装置。

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于双向光相位调制器的微波源相位噪声测量装置，其包括：

微波功分器、激光器、光环行器、第一支路、第二支路、光耦合器、光电探测器和信号分析装置，所述第一支路中依次设置有双向光相位调制器、第一光纤布拉格光栅、单模光纤，所述第二支路中依次设置有第二光纤布拉格光栅和可调光延时线，所述光环行器设置有三个端口，三个端口分别与所述激光器、双向光相位调制器、第二光纤布拉格光栅连接；

所述激光器输出的光载波信号由光环行器进入所述双向光相位调制器，调制后的反射信号由所述光环行器进入所述第二光纤布拉格光栅，所述微波功分器设置有两个输出端且分别与双向光相位调制器的两个驱动端口连接，所述微波功分器用于与待测微波源连接并将待测微波源的待测微波信号分成两路电信号；

第一路电信号用于对光载波信号进行相位调制，调制后的光载波信号进入所述第一光纤布拉格光栅时，中心频率处的光信号被反射回所述双向光相位调制器，光边带信号则通过第一光纤布拉格光栅后经所述单模光纤引入长延时；

第二路电信号用于对反射回所述双向光相位调制器的反射光信号进行相位调制，调制后的反射光信号由所述光环行器进入所述第二光纤布拉格光栅，经过所述第二光纤布拉格光栅滤除中心频率，光边带信号则通过所述第二光纤布拉格光栅后通过所述可调光延时线引入可变相移，使得第一支路和第二支路中的光信号正交地进入所述光耦合器，耦合后的光信号由所述光电探测器进入所述信号分析装置，所述信号分析装置分析得到待测微波信号的相位噪声。

作为本发明的进一步改进，所述光电探测器和信号分析装置之间还设置有低通滤波器。

作为本发明的进一步改进，所述信号分析装置为快速傅里叶变换分析仪，所述快速傅里叶变换分析仪接收并分析经所述低通滤波器滤波的低频信号。

作为本发明的进一步改进，所述双向光相位调制器为宽带电光调制器。

作为本发明的进一步改进，所述微波功分器为宽带微波功分器。

作为本发明的进一步改进，所述光电探测器为宽带光电探测器。

作为本发明的进一步改进，所述第一光纤布拉格光栅为窄带光纤布拉格光栅。

作为本发明的进一步改进，所述第二光纤布拉格光栅为窄带光纤布拉格光栅。

本发明的有益效果：

本发明基于双向光相位调制器的微波源相位噪声测量装置通过双向光相位调制器、光环行器、第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅相互配合，实现了两个支路的并联结构，该并联结构有效避免了常规并联结构两个支路中的信号串扰问题，使通过第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅后获得相同的载波抑制的双边带光信号，频谱更加纯净，转换效率高，损耗小，有效提升测量精度和灵敏度。

本发明基于双向光相位调制器的微波源相位噪声测量装置利用单个双向光相位调制器实现全光域混频功能，避免了电混频器的使用，减少了微波放大器等有源器件的使用，增大了工作带宽，同时避免了多个相位调制器的使用带来的转换效率低、损耗大的问题。

本发明基于双向光相位调制器的微波源相位噪声测量装置具有结构简单、成本低廉、工作带宽大、响应平坦的优点，降低了相位噪声测量系统噪底，提高了测量精度与灵敏度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明优选实施例中基于双向光相位调制器的微波源相位噪声测量装置的示意图；

图2（a）是图1节点A处相应的光谱示意图；图2（b）是图1节点B处相应的光谱示意图；图2（c）是图1节点C处相应的光谱示意图；图2（d）是图1节点D处相应的光谱示意图；图2（e）是图1节点E处相应的光谱示意图；

图3是本发明中双向光相位调制器对双向传输光信号进行调制的示意图。

标记说明：1、第一驱动端口；2、第二驱动端口；11、待测微波信号；10、微波功分器；20、激光器；30、光环行器；31、端口一；32、端口二；33、端口三；41、双向光相位调制器；42、第一光纤布拉格光栅；43、单模光纤；51、第二光纤布拉格光栅；52、可调光延时线；60、光耦合器；70、光电探测器；80、低通滤波器；90、信号分析装置。

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，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，为本发明优选实施例中的基于双向光相位调制器的微波源相位噪声测量装置，包括：

微波功分器10、激光器20、光环行器30、第一支路、第二支路、光耦合器60、光电探测器70和信号分析装置90，所述第一支路中依次设置有双向光相位调制器41、第一光纤布拉格光栅42、单模光纤43，所述第二支路中依次设置有第二光纤布拉格光栅51和可调光延时线52，所述光环行器30设置有三个端口，三个端口分别与所述激光器20、双向光相位调制器41、第二光纤布拉格光栅51连接。其中，光环行器30设置有三个端口分别为端口一31、端口二32和端口三33，端口一31、端口二32、端口三33分别与所述激光器20、双向光相位调制器41、第二光纤布拉格光栅51连接。

所述激光器20输出的光载波信号由光环行器30进入所述双向光相位调制器41，调制后的反射信号由所述光环行器30进入所述第二光纤布拉格光栅51，所述微波功分器10设置有两个输出端且分别与双向光相位调制器41的两个驱动端口连接，所述微波功分器10用于与待测微波源连接并将待测微波源的待测微波信号11分成两路电信号。其中，双向光相位调制器41的两个驱动端口分别为第一驱动端口1和第二驱动端口2，参照图3。

第一路电信号用于对光载波信号进行相位调制，调制后的光载波信号进入所述第一光纤布拉格光栅42时，中心频率处的光信号被反射回所述双向光相位调制器41，光边带信号则通过第一光纤布拉格光栅42后经所述单模光纤43引入长延时。

第二路电信号用于对反射回所述双向光相位调制器41的反射光信号进行相位调制，调制后的反射光信号由所述光环行器30进入所述第二光纤布拉格光栅51，经过所述第二光纤布拉格光栅51滤除中心频率，光边带信号则通过所述第二光纤布拉格光栅51后通过所述可调光延时线52引入可变相移，使得第一支路和第二支路中的光信号正交地进入所述光耦合器60，耦合后的光信号由所述光电探测器70进入所述信号分析装置90，所述信号分析装置90分析得到待测微波信号11的相位噪声。

本发明基于双向光相位调制器的微波源相位噪声测量装置通过双向光相位调制器41、光环行器30、第一光纤布拉格光栅42、第二光纤布拉格光栅51相互配合，实现了两个支路的并联结构，该并联结构有效避免了常规并联结构两个支路中的信号串扰问题，使通过第一光纤布拉格光栅42和第二光纤布拉格光栅51后获得相同的载波抑制的双边带光信号，频谱更加纯净，转换效率高，插入损耗小，有效提升测量精度和灵敏度。

本发明基于双向光相位调制器的微波源相位噪声测量装置利用单个双向光相位调制器41实现全光域混频功能，避免了电混频器的使用，减少了微波放大器等有源器件的使用，增大了工作带宽，同时避免了多个相位调制器的使用带来的转换效率低、插入损耗大的问题。

进一步的，所述光电探测器70和信号分析装置90之间还设置有低通滤波器80进行滤波。

参照图1-2，经光环行器30进入上支路（第一支路）的光载波信号被输入双向光相位调制器41第一驱动端口1的电信号相位调制，输出信号通过图1的节点A，此时的光谱示意图如图2(a)，调制后的信号输入第一光纤布拉格光栅42，输出信号通过图1的节点B，此时光谱示意图如图2(b)，图中虚线表示中心频率的光信号及第一光纤布拉格光栅42的透射频率响应，图中实线表示光边带信号。第一光纤布拉格光栅42后的投射边带信号经过单模光纤43引入长延时；中心频率的信号被第一光纤布拉格光栅42反射回双向光相位调制器41，受输入双向光相位调制器41第二驱动端口2的电信号相位调制，随后经光环行器30进入下支路（第二支路），通过图1的节点C，此处光谱如图2(c)，随后被第二光纤布拉格光栅51滤除光信号的中心频率，输出信号通过图1的节点D，进入可调光延时线52的光信号对应图2(d)中实线，虚线代表被反射的中心频率信号及第二光纤布拉格光栅51的透射频率响应，调节可调光延时线52的长度改变引入的相移

，使其满足

，N为整数，

为待测微波源的角频率；从而使上、下两支路信号彼此相位正交地进入光耦合器60。合波后的光信号通过节点E，其光谱图如图2（e）所示，依次经过光电探测器70、低通滤波器80后输入信号分析装置90，经计算可得到待测微波源信号的相位噪声。

参照图3，双向光相位调制器41中双向传输光的相位调制过程如下：

如图中实线所示，从左至右传输的光仅受来自第一驱动端口1的驱动信号的相位调制，由于速度失配效应，第二驱动端口2的驱动信号对该光信号的调制可忽略不计；同样地，如图中虚线所示，从右至左传输的光仅受来自第二驱动端口2的驱动信号的相位调制，由于速度失配效应，第一驱动端口1的驱动信号对该光波信号的调制可忽略不计。因此，在双向光相位调制器41中，可以独立地对双向传输的光信号分别通过第一驱动端口1和第二驱动端口2实现相位调制。

其中，双向光相位调制器41优选宽带电光调制器；微波功分器10优选宽带微波功分器；光电探测器70优选宽带光电探测器从而提高系统的工作带宽；第一光纤布拉格光栅42及第二光纤布拉格光栅51优选窄带光纤布拉格光栅从而提高系统的转换效率和测量精度；信号分析装置90优选快速傅里叶变换分析仪，从而提高相位噪声的计算速度。

本发明的原理如下：

激光器20输出的光信号表示为

；

其中，

是光信号的电场幅度，

是光信号的角频率，j是虚数单位，t是时间。

若输入双向光相位调制器41第一驱动端口1的信号表示为：

，输入第二驱动端口2的信号为：

；

其中，

和

分别为输入驱动信号的幅度，

为待测微波源的角频率，

为待测微波信号11的相位；

由于速度失配效应，

对光载波的调制效率极低，可忽略不计，则仅考虑

驱动时双向光相位调制器41的输出信号可表示为：

(1)

其中，

为双向光相位调制器41的半波电压；

根据雅可比-安格尔恒等式将式(1)展开，并在小信号调制时忽略二阶及以上高阶边带，则可将其表示为：

(2)

其中，

为双向光相位调制器41第一驱动端口1的调制系数，表达式为

；

是第一类零阶贝塞尔函数，

是第一类一阶贝塞尔函数；

调制后的信号输入第一光纤布拉格光栅42，中心频率信号被反射回双向光相位调制器41，光边带信号则通过第一光纤布拉格光栅42并由单模光纤43引入延时

，输出光场可表示为：

(3)

同样地，由于速度失配效应，被反射回双向光相位调制器41的光信号可认为仅受到驱动信号

的调制，展开后的输出信号可表示为：

(4)

其中，

为双向光相位调制器41第二驱动端口2的调制系数，表达式为

；

二次调制后的信号通过光环行器30进入下支路，经第二光纤布拉格光栅51滤除中心频率，并由可调光延时线52引入可变相移，可得到：

(5)

其中，

为可调光延时线52引入的可变相移。

上下支路信号通过光耦合器60耦合入一路，经光电探测、低通滤波后，忽略直流项，可得到输入快速傅里叶变换分析仪的信号为：

(6)

其中，

为转换系数；

通过改变可调光延时线52长度，调节可变相移

，可使得

，

为整数；

则输入快速傅里叶变换分析仪的信号可表示为：

(7)

待测微波信号11的相位噪声信息就包含于上式，则该输出信号的功率谱可表示为：

(8)

其中，f是频率，

是待测微波信号11的双边带相位噪声功率谱密度，

是相位关于频率的函数的平方，则根据定义，单边带功率谱密度（相位噪声）可以写成:

(9)

经过快速傅里叶变换分析仪进行信号功率谱采集，即可通过式(9)计算得到待测微波信号11的相位噪声。

本发明基于双向光相位调制器的微波源相位噪声测量装置具有结构简单，成本低廉，工作带宽大，响应平坦的优点，降低了相位噪声测量系统噪底，提高了测量精度与灵敏度。

以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1.基于双向光相位调制器的微波源相位噪声测量装置，其特征在于，包括：

微波功分器、激光器、光环行器、第一支路、第二支路、光耦合器、光电探测器和信号分析装置，所述第一支路中依次设置有双向光相位调制器、第一光纤布拉格光栅、单模光纤，所述第二支路中依次设置有第二光纤布拉格光栅和可调光延时线，所述光环行器设置有三个端口，三个端口分别与所述激光器、双向光相位调制器、第二光纤布拉格光栅连接；

所述激光器输出的光载波信号由光环行器进入所述双向光相位调制器，调制后的反射信号由所述光环行器进入所述第二光纤布拉格光栅，所述微波功分器设置有两个输出端且分别与双向光相位调制器的两个驱动端口连接，所述微波功分器用于与待测微波源连接并将待测微波源的待测微波信号分成两路电信号；

第一路电信号用于对光载波信号进行相位调制，调制后的光载波信号进入所述第一光纤布拉格光栅时，中心频率处的光信号被反射回所述双向光相位调制器，光边带信号则通过第一光纤布拉格光栅后经所述单模光纤引入长延时；

第二路电信号用于对反射回所述双向光相位调制器的反射光信号进行相位调制，调制后的反射光信号由所述光环行器进入所述第二光纤布拉格光栅，经过所述第二光纤布拉格光栅滤除中心频率，光边带信号则通过所述第二光纤布拉格光栅后通过所述可调光延时线引入可变相移，调节所述可调光延时线的长度改变引入的相移φ，使其满足

N为整数，ω_o为待测微波源的角频率，使得第一支路和第二支路中的光信号正交地进入所述光耦合器，耦合后的光信号由所述光电探测器进入所述信号分析装置，所述信号分析装置分析得到待测微波信号的相位噪声。

2.如权利要求1所述的基于双向光相位调制器的微波源相位噪声测量装置，其特征在于，所述光电探测器和信号分析装置之间还设置有低通滤波器。

3.如权利要求2所述的基于双向光相位调制器的微波源相位噪声测量装置，其特征在于，所述信号分析装置为快速傅里叶变换分析仪，所述快速傅里叶变换分析仪接收并分析经所述低通滤波器滤波的低频信号。

4.如权利要求1所述的基于双向光相位调制器的微波源相位噪声测量装置，其特征在于，所述双向光相位调制器为宽带电光调制器。

5.如权利要求1所述的基于双向光相位调制器的微波源相位噪声测量装置，其特征在于，所述微波功分器为宽带微波功分器。

6.如权利要求1所述的基于双向光相位调制器的微波源相位噪声测量装置，其特征在于，所述光电探测器为宽带光电探测器。

7.如权利要求1所述的基于双向光相位调制器的微波源相位噪声测量装置，其特征在于，所述第一光纤布拉格光栅为窄带光纤布拉格光栅。

8.如权利要求1所述的基于双向光相位调制器的微波源相位噪声测量装置，其特征在于，所述第二光纤布拉格光栅为窄带光纤布拉格光栅。

Images