CN215222199U

CN215222199U - 一种微波源相位噪声测量装置

Info

Publication number: CN215222199U
Application number: CN202121794854.3U
Authority: CN
Inventors: 周沛; 江芝东; 李念强; 傅剑斌; 潘万胜
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2021-08-03
Filing date: 2021-08-03
Publication date: 2021-12-17
Anticipated expiration: 2031-08-03

Abstract

本申请提供一种微波源相位噪声测量装置。其包括：微波功分器、激光器、偏振复用平行光调制器、偏振分束器及第二偏振合束器，微波功分器分别连接待测微波源、电移相器的输入端及第二电光强度调制器，电移相器的输出端连接第一电光强度调制器；偏振分束器具有，具有：信号输入端、第一输出端及第二输出端，述信号输入端连接第一偏振控制器，第一输出端连接第二偏振控制器及第二偏振合束器，第二输出端连接单模光纤的一端，所述单模光纤的另一端连接第三偏振控制器及第二偏振合束器，第二偏振合束器后依次连接光带通滤波器、检偏器及光电探测器，光电探测器连接快速傅里叶变换分析仪。该装置利用单个偏振复用平行光调制器实现全光域混频功能。

Description

一种微波源相位噪声测量装置

技术领域

本申请属于微波源相位噪声测试、微波光子学技术领域，具体地涉及一种基于单调制器混频技术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[D.Eliyahu et al.,"Phase noise of a high performance OEOand an ultralow noise floor cross-correlation microwave photonic homodynesystem,"IEEE Symposium on Frequency Control Proceedings,811–814(2008).]，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目前应用最广的测量方法，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，例如，在[D.J.Zhu et al.,“Wideband phase noise measurement using a multifunctionalmicrowave photonic processor,”IEEE Photon.Technol.Lett.26(24),2434-2437(2014).]中，相位噪声测量系统中的电移相器被微波光子移相器取代，在[D.J.Zhu etal.,“Phase noise measurement of wideband microwave sources based on amicrowave photonic frequency down-converter,”Opt.Lett.40(7),1326-1329(2015).]中，提出了一种基于级联电光调制器结构的相位噪声测量系统，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。

实用新型内容

为克服上述缺陷点，本申请的目的在于：提出一种可提高转换效率，同时具有工作带宽大，测试精度高的基于单调制器混频技术的微波源相位噪声测量装置。

为实现上述目的，本申请采用如下的技术方案：

一种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、偏振复用平行光调制器、偏振分束器及第二偏振合束器，所述偏振复用平行光调制器具有：一个Y型光分束器，上下并联的第一电光强度调制器及第二电光强度调制器，与第二电光强度调制器相连的90°偏振旋转器，及第一偏振合束器；所述微波功分器具有：输入端、第一端及第二端，所述输入端用以连接待测微波源，所述第一端连接电移相器的输入端，所述电移相器的输出端连接第一电光强度调制器，所述第二端连接第二电光强度调制器；所述偏振分束器具有，具有：信号输入端、第一输出端及第二输出端，所述信号输入端连接第一偏振控制器，所述第一输出端连接第二偏振控制器及第二偏振合束器，所述第二输出端连接单模光纤的一端，所述单模光纤的另一端连接第三偏振控制器及第二偏振合束器，所述第二偏振合束器后依次连接光带通滤波器、检偏器及光电探测器，所述光电探测器连接快速傅里叶变换分析仪。该装置利用单个偏振复用平行光调制器实现全光域混频功能，且提高了测量精度与灵敏度。

进一步的，所述偏振复用平行光调制器为宽带电光调制器。

进一步的，所述电移相器为宽带电移相器。

进一步的，所述微波功分器为宽带微波功分器。

进一步的，所述光电探测器为宽带光电探测器。

进一步的，所述为光带通滤波器为可调、宽带、高滚降斜率的光带通滤波器。

进一步的，所述光电探测器探测的信号传输至快速傅里叶变换分析仪，

所述快速傅里叶变换分析仪以获得待测微波源的相位噪声。

进一步的，所述Y型光分束器的第一端连接第一电光强度调制器，

所述Y型光分束器的第二端连接第二电光强度调制器，且所述二电光强度调制器连接与90°偏振旋转器，

所述第一电光强度调制器及90°偏振旋转器分别连接第一偏振合束器。

有益效果

与现有位噪声测量装置相比，本申请提出的微波源相位噪声测量装置及方法，具有如下优点：

1.无需使用电混频器，相噪测量系统具有工作带宽大，响应平坦的特点。

2.减少了微波放大器等有源器件的使用，降低了相位噪声测量系统噪底，提高了测量精度与灵敏度。

3.利用单个偏振复用平行光调制器实现全光域混频功能，具有结构简单，成本低廉，转换效率高，工作带宽大等特点。

附图说明

图1为本申请实施例的微波源相位噪声测量装置的功能模块示意图；

图2为本申请实施例的偏振复用平行光调制器的结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本申请而不限于限制本申请的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

本申请提供一种微波源相位噪声测量装置(下称噪声测量装置)，其包括：微波功分器、激光器、偏振复用平行光调制器、偏振分束器及第二偏振合束器，所述偏振复用平行光调制器具有：一个Y型光分束器，上下并联的第一电光强度调制器及第二电光强度调制器，与第二电光强度调制器相连的90°偏振旋转器，和第一偏振合束器；微波功分器具有：输入端、第一端及第二端，输入端用以连接待测微波源，第一端连接电移相器的输入端，电移相器的输出端连接第一电光强度调制器，第二端连接第二电光强度调制器；偏振分束器具有，具有：信号输入端、第一输出端及第二输出端，信号输入端连接第一偏振控制器，所述第一输出端连接第二偏振控制器及第二偏振合束器，第二输出端连接单模光纤的一端，单模光纤的另一端连接第三偏振控制器及第二偏振合束器，第二偏振合束器后依次连接光带通滤波器、检偏器及光电探测器，所述光电探测器探测的信号传输至快速傅里叶变换分析仪，所述快速傅里叶变换分析仪以获得待测微波源的相位噪声。该噪声测量装置运行时的方法包括：基于微波功分器将测微波信号分成两路，其中第一路经电移相器移相后传输至第一电光强度调制器，第二路射频信号直接至第二电光强度调制，偏振复用电光强度调制器接收并正交偏振复用后，输出一个偏振复用光信号，并通过调节第一偏振控制器，使得偏振复用光信号能被偏振分束器光完全分开，x偏振态的光进入上支路，y偏振态的光进入下支路并通过单模光纤引入长延时；通过调节第二偏振控制器与第三偏振控制器，使上下两支路光的偏振态再次正交，并在偏振合束器中合束，合束后的信号通过光带通滤波器、检偏器、光电探测器，光电探测器输出的信号被引入到快速傅里叶变换分析仪中，通过处理快速傅里叶变换分析仪采集得到的数据，即可得到被测微波信号的相位噪声。该方法中利用单个偏振复用平行光调制器实现全光域混频功能，具有结构简单，成本低廉，转换效率高，工作带宽大等特点。

接下来结合附图来描述本申请提出的噪声测量装置，

如图1所示，为噪声测量装置的功能模块示意图。

该噪声测量装置包括：

微波功分器、电移相器，

微波功分器(一分二微波功分器)的输入侧连接待测微波源，第一端连接电移相器、输出的第二端连接第二电光强度调制器，经电移相器移项后输出至连接的第一电光强度调制器，

第一偏振控制器，

偏振分束器，其具有第一输出端及第二输出端，该第一输出端连接第二偏振控制器，该第二输出端连接单模光纤的一侧端，单模光纤的另一端连接第三偏振控制器，

第二偏振控制器的输出及第三偏振控制器的输出分别连接第二偏振合束器，

第二偏振合束器的输出依次相连的光带通滤波器，检偏器，光电探测器；光电探测器的信号以传输至FFT分析仪(快速傅里叶变换分析仪)，

这样待测微波源的输出信号从其输出端传输至一分二微波功分器(下称微波功分器)，

经微波功分器后，

第一路信号经电移相器后输入至第一电光强度调制器，

第二路信号直接输入至第二电光强度调制器。

下面结合图2来描述偏振复用平行光调制器，

如图2所示，在本申请一实施例中，一种微波源相位噪声测量装置，其中：第一电光强度调制器为第一马赫曾德调制器，第二电光强度调制器为第二马赫曾德调制器，Y形光分束器的两臂分别连接第一马赫曾德调制器及第二马赫曾德调制器，第一马赫曾德调制器的输出光信号与经90°偏振旋转的第二马赫曾德调制器输出光信号在第一偏振合束器中进行偏振复用。本实施方式中，第一马赫曾德调制器及第二马赫曾德调制器均为宽带强度调制器。

该噪声测量装运行时，

待测微波信号被微波功分器分成两路，

微波功分器

输出的一路(射频)信号经电移相器移相

后对第一马赫曾德调制器中的光载波进行强度调制，

输出的另一路(射频)信号直接对第二马赫曾德调制器中的光载波进行强度调制，调制器内部正交偏振复用后，

偏振复用平行光调制器输出一个偏振复用光信号，分别记为x偏振态(Ex)与y偏振态(Ey)，通过第一偏振控制器的控制，使得正交偏振态的光信号被偏振分束器将不同偏振态的光完全分开：

x偏振态的光进入上支路，y偏振态的光进入下支路，下支路中通过单模光纤引入长延时τ，调节电移相器，改变

使

N为整数，ω_c和ω分别为光载波和待测信号的角频率；

分别通过调节第二偏振控制器与第三偏振控制器，使上下两支路光的偏振态再次正交，并在第二偏振合束器中合束，合束后的信号通过可调光带通滤波器选出两个偏振态正交的+1阶边带，再通过45°检偏器对两个+1阶边带进行检偏合并，然后用光电探测器将这两个信号拍频，实现光电转换，光电探测器输出的信号被引入到快速傅里叶变换分析仪中进行数据采集，通过处理采集得到的数据，即可得到被测微波信号的相位噪声。

本实施方式中，微波功分器优选宽带微波功分器；电移相器优选宽带电移相器；电光强度调制器优选宽带电光强度调制器；光电探测器优选宽带光电探测器；光带通滤波器优选可调、宽带、高滚降斜率的光带通滤波器从而使系统的工作带宽提高。

上述测试装置的测试原理：

激光器输出的光信号表示为E_in(t)＝E₀exp(jω_ct)，

其中，E₀是光信号的电场幅度，ω_c是光信号的角频率，

经电移相器后，输入第一马赫曾德调制器的信号可表示为

输入第二马赫曾德调制器的信号为

其中，V₁，V₂分别为输入射频信号的幅度，ω为待测信号的角频率，

为待测信号的相位，

为电移相器引入的相移；

则工作在推挽模式的偏振复用平行光调制器输出信号可表示为：

其中，V_π为偏振复用平行光调制器的半波电压；

小信号调制下，根据第一类贝塞尔函数级数展开为：

其中，m₁，m₂分别为偏振复用平行光调制器上下臂的调制系数；

偏振分束器将x偏振态与y偏振态的光信号分开，分束后上支路中信号可表示为：

下支路中，E_y通过单模光纤引入延时，输出光场可表示为：

其中，τ为单模光纤引入的延时；

通过第二偏振控制器，第三偏振控制器调整E_x'，E_y'的偏振态，使其在第二偏振合束器中正交输出，后有可调光带通滤波器选出偏振态正交的两个+1阶边带，可得到：

通过45°检偏器检偏，光电探测器拍频后，忽略直流项，则输出电信号为：

其中，k为转换系数；

通过调节电移相器，改变

可使得

N为整数；

则电信号可表示为：

待测微波源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：

其中，S_o(f)是待测微波信号的双边带相位噪声功率谱密度，则根据定义，单边带功率谱密度(相位噪声)可以写成:

经过FFT分析仪进行信号功率谱采集，即可通过式(9)计算得到被测微波源的相位噪声。

上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡如本申请精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。