CN116165433B - 一种基于光纤布拉格光栅的微波光子学测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤布拉格光栅的微波光子学测量装置和方法，属于微波光子学技术领域，包括激光光源、电光调制模块、电混频器、信号接收器、信号发生器、第一光环形器、光纤布拉格光栅、第二光环形器、单模光纤、光电探测器、数据收集器，通过电混频器生成与待测电信号线性相关且能够被参考电信号控制的中间电信号，将中间电信号调制到光信号上后利用光纤布拉格光栅的透射和反射特性将光信号分为上下两路并分别从两个相反方向进入单模光纤中产生受激布里渊散射效应。受激布里渊散射效应的增益放大特性帮助光电探测器准确地得到中间电信号的频率信息，完成了对待测电信号的测量。

Description

一种基于光纤布拉格光栅的微波光子学测量装置和方法

技术领域

本发明属于微波光子学技术领域，具体涉及一种基于光纤布拉格光栅的微波光子学测量装置和方法。

背景技术

随着光学技术的蓬勃发展，利用光学技术来解决微波领域问题的方法逐渐走进人们的视野，微波光子学技术开始被越来越多的研究，成为近年来的热点。以光信号为载体对微波信号进行传输、处理等操作的微波光子学技术，结合了光学领域和微波领域，将彼此的优点进行放大，衍生出了众多性能优异的工作在微波频段的光电器件和光子学微波信号处理系统。

光纤布拉格光栅是由于光纤材料的光敏性而在纤芯产生轴向周期性折射率调制的无源器件，具有插入损耗低、与光纤系统兼容、体积小、制作工艺成熟、成本低等优点，是常用的滤波、传感器件。同时，光纤中的受激布里渊散射效应具有高增益、窄带宽、易于实现等优异特性，在光通信、光传感、光放大、光谱分析、光学遥感、微波光子学等等多个领域都有着广泛的应用。

传统的纯电学电信号测量的装置和方法很难在简单结构、低成本的同时保持低噪声、高准确率的测量结果输出，而且很容易受到电磁干扰。

经检索，公布号为CN107144731A的专利文献公开了一种基于布里渊散射效应和幅度比的微波频率测量方法及装置，由可调激光器、耦合器、相位调制器、强度调制器、矢量网络分析仪、光隔离器、高非线性光纤、环形器、掺铒光纤放大器、微波信号源、直流稳压电源、光电探测器组成。通过提高强度调制器和相位调制器的带宽以及矢量网络分析仪的扫描范围可以提高待测微波信号频率的范围，通过减小光链路中的噪声和提高受激布里渊散射效应能量转移的大小提高测量的精度。

公布号为CN114285466A的专利文献公开了一种基于双光频梳及受激布里渊散射的微波频率测量方法，通过利用相同的激光器产生两路相干光频梳，作为光载波输入到两个双平行马赫曾德尔调制器中，并分别对待测微波信号和扫描信号进行抑制载波单边带调制。两路调制后的光信号分别作为信号光和泵浦光输入到受激布里渊散射效应结构中，再通过光解复用器分解出各个光梳齿，通过测量各信道输出光信号的功率值即可估计出待测信号的频率值。

以上两个微波光子学测量方案都需要利用两路不同的调制光分别作为受激布里渊散射效应中的探测光和泵浦光，系统有源器件多、结构复杂、噪声大。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光纤布拉格光栅的微波光子学测量装置和方法，旨在以简单的结构、低廉的成本实现对待测电信号的低噪声、高准确率测量。

为实现上述发明目的，实施例提供的一种基于光纤布拉格光栅的微波光子学测量装置，包括激光光源、电光调制模块、电混频器、信号接收器、信号发生器、第一光环形器、光纤布拉格光栅、第二光环形器、单模光纤、光电探测器、数据收集器；

激光光源输出的连续光作为光载波输入至电光调制模块，信号接收器接收的待测电信号与信号发生器产生的参考电信号于电混频器混频生成中间电信号，电光调制模块将待测电信号、参考电信号以及中间电信号调制到光载波上形成调制光，该调制光经过第一光环形器被光纤布拉格光栅反射和透射，反射光作为探测光再经过第一光环形器输入至单模光纤，透射光作为泵浦光经过第二光环形器从相反方向输入至单模光纤，探测光在单模光纤中受到泵浦光产生的布里渊增益谱放大，放大的探测光经过第二光环形器输入至光电探测器，转换成电信号后被数据收集器接收；

探测光的光功率达到最大时对应的参考电信号频率，与待测电信号频率之间存在线性关系，数据收集器根据该线性关系计算待测电信号的频率值。

优选地，所述线性关系为：f _x = f _s ´ + f _B /2，其中，f _x 为待测电信号频率，f _s ´表示探测光的光功率达到最大时对应的参考电信号频率，f _B 表示布里渊频移大小，与单模光纤本身性质有关，测得的电信号频率处于f _B /2- f _B 之间。

优选地，所述信号发生器产生的参考电信号的扫频范围为0 - f _B /2。

优选地，所述激光光源输出的连续光的波长为1500nm-1600nm。

优选地，所述信号接收器能够接收0.01GHz-40GHz频率范围内待测电信号；

优选地，所述信号发生器能够产生0.01GHz-40GHz频率范围内的参考电信号；

优选地，所述电光调制模块的电光调制带宽为0.01GHz-40GHz；

优选地，所述电混频器的响应带宽为0.01GHz-40GHz；

优选地，所述光电探测器的响应带宽为0.01GHz-40GHz。

优选地，所述光纤布拉格光栅为均匀光纤布拉格光栅、切趾型光纤布拉格光栅、相移光纤布拉格光栅或取样光纤布拉格光栅。

优选地，所述电光调制模块的调制类型包括单边带调制、双边带调制、载波抑制双边带调制、强度调制以及相位调制。

优选地，所述电光调制模块采用马赫曾德尔强度调制器，调制格式为载波抑制双边带调制。

优选地，所述单模光纤为长度在1-100km范围内的标准单模光纤。

为实现上述发明目的，实施例提供了一种基于光纤布拉格光栅的微波光子学测量方法，所述方法采用上述微波光子学测量装置，包括以下步骤：

激光光源输出连续光，该连续光作为光载波输入至电光调制模块；

信号接收器捕捉待测电信号并将其输入到电混频器；

信号发生器扫频产生参考电信号并将其输入至电混频器；

电混频器将待测电信号与参考电信号进行混频生成频率等于待测电信号与参考电信号频率差的中间电信号，并将该中间电信号、待测电信号以及参考电信号一起输出至电光调制模块；

电光调制模块将输入的电信号调制到光载波上形成调制光，并将调制光通过第一光环形器导入光纤布拉格光栅；

光纤布拉格光栅对输入调制光进行透射和反射，反射光作为探测光经过第一光环形器导入单模光纤，透射光作为泵浦光经过第二光环形器从相反方向导入单模光纤；

探测光在单模光纤中受到泵浦光产生的布里渊增益谱放大，放大的探测光经过第二光环形器输入至光电探测器得到不同参考电信号频率处的光功率，并被数据收集器接收；

数据收集器依据参考电信号频率与待测电信号频率之间存在线性关系，计算最大光功率对应的参考电信号频率在线性关系中对应的待测电信号频率。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果至少包括：

（1）基于光纤布拉格光栅的透射和反射特性，将一路调制光信号根据不同波长分成两路并作为探测光和泵浦光，有效地减少了有源器件的个数，不仅简化结构和降低噪声，还能够提高测量精度，实现对待测电信号的低噪声、高准确率测量。

（2）利用受激布里渊散射效应中不同频率的泵浦光对应相同的布里渊频移这一特性，本发明将参考电信号频率与待测电信号频率线性对应形成线性关系；利用探测光的最大光功率所对应的参考电信号频率和线性关系即可以通过简单计算得到待测电信号的频率，计算速度快，准确率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是本发明实施例提供的基于光纤布拉格光栅的微波光子学测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的电混频器输出的中间电信号频谱示意图；

图3是本发明实施例提供的基电光调制模块输出的调制光光谱示意图；

图4是本发明实施例提供的单模光纤中泵浦光及其对应的布里渊增益谱的光谱位置示意图；

图5是本发明实施例提供的单模光纤中探测光被放大到最大时的光谱位置示意图；

图中：101-激光光源、102-电光调制模块、103-电混频器、104-信号接收器、105-信号发生器、106-第一光环形器、107-光纤布拉格光栅、108-第二光环形器、109-单模光纤、110-光电探测器、111-数据收集器。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一光环形器也可以被称为第二光环形器，类似地，第二光环形器也可以被称为第一光环形器。

下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，本发明可以用许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本发明公开透明且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。此外，下面所描述的各实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的技术构思为：针对现有微波光子学测量方案中利用两路不同的调制光分别作为受激布里渊散射效应中的探测光和泵浦光，系统有源器件多、结构复杂、噪声大的问题，本发明实施例提供了一种基于光纤布拉格光栅的微波光子学测量装置和方法，结合光纤布拉格光栅和受激布里渊散射效应，能够以简单的结构、低廉的成本实现对待测电信号低噪声、高准确率的测量。

本发明实施例所提供的基于光纤布拉格光栅的微波光子学测量装置，其结构示意图如图1所示，包括：激光光源101、电光调制模块102、电混频器103、信号接收器104、信号发生器105、第一光环形器106、光纤布拉格光栅107、第二光环形器108、单模光纤109、光电探测器110、数据收集器111。

实施例中，激光光源101能够产生波长为1500nm-1600nm的连续光。电光调制模块102为可进行单边带调制、双边带调制、载波抑制双边带调制、强度调制、相位调制或其他任意调制模式的电光调制模块，其电光调制带宽为0.01GHz-40GHz，具体可以为马赫曾德尔强度调制器，调制格式为载波抑制双边带调制。信号接收器104为可捕获0.01GHz-40GHz频率范围内待测电信号的高频信号接收器。信号发生器105为可扫频输出0.01GHz-40GHz频率范围内电信号的高频信号发生器。电混频器103为响应带宽为0.01GHz-40GHz的高频电混频器。单模光纤109为长度在1-100km范围内的标准单模光纤。光电探测器110为响应带宽为0.01GHz-40GHz的高频光电探测器。

实施例中，光纤布拉格光栅107为光纤纤芯存在轴向周期性折射率调制的无源光学器件，可以将一些特定波长的入射光反射，其余波长的入射光则直接透射。具体地，光纤布拉格光栅107为均匀光纤布拉格光栅、切趾型光纤布拉格光栅、相移光纤布拉格光栅、取样光纤布拉格光栅或其他任意不同折射率调制格式的光纤布拉格光栅。

激光光源101产生的连续光作为光载波进入到电光调制模块102。信号接收器104与电混频器103的第一电学输入端口相连，用于将捕获的频率为f _x 的待测电信号输入至电混频器103。信号发生器105与电混频器103的第二电学输入端口相连，用于将扫频产生的频率为f _s 的参考电信号输入至电混频器103。电混频器103将输入的待测电信号与参考电信号进行混频，生成中间电信号，该中间电信号的频率等于待测电信号与参考电信号的频率差，即为f _x - f _s ，电混频器103的电学输出端口与电光调制模块102相连，电混频器103通过电学输出端口待测电信号、参考电信号以及中间电信号一起输出至电光调制模块102，其中，电混频器103的电学输出端口输出电信号的频谱示意图如图2所示。

电光调制模块102将电混频器103输出的电信号调制到光载波上形成调制光，调制光会在光载波的上下两边产生两个对称的边带，对应光谱如图3所示。图3中0表示光载波的位置，其频率简化为0；f _s 、-f _s 分别表示参考电信号调制到光载波上后产生的上下两个边带的位置；f _x 、-f _x 分别表示待测电信号调制到光载波上后产生的上下两个边带的位置；f _x -f _s 、-(f _x - f _s )分别表示中间电信号调制到光载波上后产生的上下两个边带的位置。

调制光从第一光环形器106的第一端口输入，再从第一光环形器106的第二端口输出，进入到光纤布拉格光栅107中，由于光纤布拉格光栅107具有特殊的透射和反射特性，调制光中特定波长的光会被反射，而其余波长的光则会直接透射。具体地，光纤布拉格光栅107会将调制光的上边带，也就是图3中的f _s 、f _x - f _s 、f _x 边带透射过去形成透射光，该透射光通过第二光环形器108的第一端口和第二端口进入单模光纤109中作为泵浦光产生受激布里渊散射效应，而将调制光的下边带，也就是图3中的-f _s 、-(f _x - f _s )、-f _x 边带，反射回去形成反射光，该反射光通过第一光环形器106的第二端口和第三端口以相反的反向进入单模光纤109中作为探测光。

在单模光纤109中，当泵浦光的光功率足够大到可以产生受激布里渊散射效应时，在与泵浦光频率相差布里渊频移的位置处会存在一个布里渊增益谱，布里渊增益谱的中心位置就是布里渊增益最大的频率位置。单模光纤109中泵浦光及其对应的布里渊增益谱的光谱位置示意图如图4所示，其中，f _B 表示布里渊频移的大小，布里渊增益谱的谱线线型为洛伦兹线型。图4中泵浦光边带f _s 产生的布里渊增益谱的中心位于f _s - f _B 频率处，泵浦光边带f _x - f _s 产生的布里渊增益谱的中心位于f _x - f _s - f _B 频率处，泵浦光边带f _x 产生的布里渊增益谱的中心位于f _x - f _B 频率处。

实施例中，信号发生器105产生的参考电信号会扫频输出，即参考电信号的频率f _s 从初始值开始，以不变的频率间隔和时间间隔进行变化，达到终止值时停止输出。随着f _s 的扫频，图3中的调制光边带f _s 、f _x - f _s 、-f _s 、-(f _x - f _s )也会以相同的频率间隔和时间间隔扫频。在这个过程中，当f _s 的扫频到某个频率值f _s ´时，泵浦光边带f _x - f _s ´产生的布里渊增益谱的中心，位于f _x - f _s ´ - f _B 频率处，刚好与探测光边带-(f _x -f _s ´)重合，将探测光放大到最大。探测光被放大到最大时的光谱位置示意图如图5所示。被放大的探测光通过第二光环形器108的第二端口、第三端口输入到光电探测器110中进行探测，得到的光功率就会由数据收集器111收集处理。数据收集器111会记录f _s 扫频过程中不同f _s 频率对应的探测光光功率。当探测光功率出现一个峰值，即探测光被放大到最大时，布里渊增益谱的中心f _x - f _s ´- f _B 与-(f _x - f _s ´)刚好重合，计算能够得出待测电信号频率f _x = f _s ´ + f _B /2，这样通过已知的参考电信号频率和布里渊频移就可以得到待测电信号的频率值。布里渊频移的大小与泵浦光频率的大小无关，只于单模光纤109本身的性质有关，因此计算式f _x = f _s ´ + f _B /2中，f _s 与f _x 是线性相关的，f _s ´为探测光光功率峰值对应的参考电信号频率。

实施例中，待测电信号频率f _x 需要在f _B /2 - f _B 范围内才能被准确地测量出来，其他频率范围内f _x 会使得探测光中不止一个边带被泵浦光放大到最大，导致一个f _x 对应多个探测光功率峰值和不同的计算式，从而无法唯一确定f _x 的值。根据计算式f _x = f _s ´ + f _B /2和待测电信号f _x 的f _B /2 - f _B 测量范围可得出，参考电信号的扫频范围为0 - f _B /2。

基于上述基于光纤布拉格光栅的微波光子学测量装置，实施例还提供一种基于光纤布拉格光栅的微波光子学测量方法，包括以下步骤：

激光光源101输出连续光，该连续光作为光载波输入至电光调制模块102；

信号接收器104捕捉待测电信号并将其输入到电混频器103；

信号发生器105扫频产生参考电信号并将其输入至电混频器103；

电混频器103将待测电信号与参考电信号进行混频生成频率等于待测电信号与参考电信号频率差的中间电信号，并将该中间电信号、待测电信号以及参考电信号一起输出至电光调制模块102；

电光调制模块102将输入的电信号调制到光载波上形成调制光，并将调制光通过第一光环形器106导入光纤布拉格光栅107；

光纤布拉格光栅107对输入调制光进行透射和反射，反射光作为探测光经过第一光环形器106导入单模光纤，透射光作为泵浦光经过第二光环形器108从相反方向导入单模光纤109；

探测光在单模光纤109中受到泵浦光产生的布里渊增益谱放大，放大的探测光经过第二光环形器108输入至光电探测器110得到不同参考电信号频率处的光功率，并被数据收集器111接收；

数据收集器111依据参考电信号频率与待测电信号频率之间存在线性关系，计算最大光功率对应的参考电信号频率在线性关系中对应的待测电信号频率。

上述装置和方法中，电混频器生成了一个与待测电信号线性相关且能够被参考电信号控制的中间电信号，将中间电信号调制到光信号上后利用光纤布拉格光栅的透射和反射特性将光信号分为上下两路并分别从两个相反方向进入单模光纤中产生受激布里渊散射效应。受激布里渊散射效应的增益放大特性帮助光电探测器准确地得到中间电信号的频率信息，完成了对待测电信号的测量。本发明通过将光子学技术应用到微波领域中，具有结构简单、成本低、噪声低、准确度高等优点，在生物医学、无线通信、传感、雷达探测等多个领域中都有着重要的应用。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于光纤布拉格光栅的微波光子学测量装置，其特征在于，包括激光光源、电光调制模块、电混频器、信号接收器、信号发生器、第一光环形器、光纤布拉格光栅、第二光环形器、单模光纤、光电探测器、数据收集器；

激光光源输出的连续光作为光载波输入至电光调制模块，信号接收器接收的待测电信号与信号发生器产生的参考电信号于电混频器混频生成中间电信号，电光调制模块将待测电信号、参考电信号以及中间电信号调制到光载波上形成调制光，该调制光经过第一光环形器被光纤布拉格光栅反射和透射，反射光作为探测光再经过第一光环形器输入至单模光纤，透射光作为泵浦光经过第二光环形器从相反方向输入至单模光纤，探测光在单模光纤中受到泵浦光产生的布里渊增益谱放大，放大的探测光经过第二光环形器输入至光电探测器，转换成电信号后被数据收集器接收；

探测光的光功率达到最大时对应的参考电信号频率，与待测电信号频率之间存在线性关系，数据收集器根据该线性关系计算待测电信号的频率值；

所述线性关系为：f _x = f _s ´ + f _B /2，其中，f _x 为待测电信号频率，f _s ´表示探测光的光功率达到最大时对应的参考电信号频率，f _B 表示布里渊频移大小，与单模光纤本身性质有关，测得的电信号频率处于 f _B /2- f _B 之间。

2.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的微波光子学测量装置，其特征在于，所述信号发生器产生的参考电信号的扫频范围为0 - f _B /2。

3.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的微波光子学测量装置，其特征在于，所述激光光源输出的连续光的波长为1500nm-1600nm。

4.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的微波光子学测量装置，其特征在于，所述信号接收器能够接收0.01GHz-40GHz频率范围内待测电信号；

所述信号发生器能够产生0.01GHz-40GHz频率范围内的参考电信号；

所述电光调制模块的电光调制带宽为0.01GHz-40GHz；

所述电混频器的响应带宽为0.01GHz-40GHz；

所述光电探测器的响应带宽为0.01GHz-40GHz。

5.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的微波光子学测量装置，其特征在于，所述光纤布拉格光栅为均匀光纤布拉格光栅、切趾型光纤布拉格光栅、相移光纤布拉格光栅或取样光纤布拉格光栅。

6.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的微波光子学测量装置，其特征在于，所述电光调制模块的调制类型包括单边带调制、双边带调制、载波抑制双边带调制、强度调制以及相位调制。

7.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的微波光子学测量装置，其特征在于，所述电光调制模块采用马赫曾德尔强度调制器，调制格式为载波抑制双边带调制。

8.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的微波光子学测量装置，其特征在于，所述单模光纤为长度在1-100km范围内的标准单模光纤。

9.一种基于光纤布拉格光栅的微波光子学测量方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1-8任一项所述的微波光子学测量装置，包括以下步骤：

激光光源输出连续光，该连续光作为光载波输入至电光调制模块；

信号接收器捕捉待测电信号并将其输入到电混频器；

信号发生器扫频产生参考电信号并将其输入至电混频器；

电混频器将待测电信号与参考电信号进行混频生成频率等于待测电信号与参考电信号频率差的中间电信号，并将该中间电信号、待测电信号以及参考电信号一起输出至电光调制模块；

电光调制模块将输入的电信号调制到光载波上形成调制光，并将调制光通过第一光环形器导入光纤布拉格光栅；

光纤布拉格光栅对输入调制光进行透射和反射，反射光作为探测光经过第一光环形器导入单模光纤，透射光作为泵浦光经过第二光环形器从相反方向导入单模光纤；

探测光在单模光纤中受到泵浦光产生的布里渊增益谱放大，放大的探测光经过第二光环形器输入至光电探测器得到不同参考电信号频率处的光功率，并被数据收集器接收；

数据收集器依据参考电信号频率与待测电信号频率之间存在线性关系，计算最大光功率对应的参考电信号频率在线性关系中对应的待测电信号频率；

所述线性关系为：f _x = f _s ´ + f _B /2，其中，f _x 为待测电信号频率，f _s ´表示探测光的光功率达到最大时对应的参考电信号频率，f _B 表示布里渊频移大小，与单模光纤本身性质有关，测得的电信号频率处于 f _B /2- f _B 之间。