一种高精度可调谐的瞬时频率测量系统,涉及微波光子学领域,连续波激光器(1)首先接第一偏振控制器(2),随后第一偏振控制器(2)接偏振调制器(3)的光输入端,射频信号源(4)接偏振调制器(3)的射频输入端(31),偏置电压源(5)接偏振调制器(3)的偏置输入端(32),偏振调制器(3)的输出接第二偏振控制器(6),第二偏振控制器(6)接偏振分束器(7),偏振分束器(7)的第一、第二输出端(71、72)经第一、第二单模光纤(8、9)分别进入第一、第二光电探测器(10、11),探测获得的信号分别输出到电处理模块(12)的第一、第二输入端(121、122),从而得到幅度比较函数。
1.一种高精度可调谐的瞬时频率测量系统,其特征在于:该测量系统包括,连续波激光器(1)、第一偏振控制器(2)、偏振调制器(3)、射频信号源(4)、偏置电压源(5)、第二偏振控制器(6)、偏振分束器(7)、第一单模光纤(8)、第二单模光纤(9),第一光电探测器(10)、第二光电探测器(11)、电处理模块(12);具体连接方式为:xa0连续波激光器(1)的光输出端接第一偏振控制器(2)的光输入端,第一偏振控制器(2)的光输出端接偏振调制器(3)的光输入端,射频信号源(4)的输出端接偏振调制器(3)的射频输入端(31),偏置电压源(5)的输出端接偏振调制器(3)的偏置输入端(32),偏振调制器(3)的光输出端接第二偏振控制器(6)的光输入端,第二偏振控制器(6)的光输出端接偏振分束器(7)的输入端,偏振分束器(7)的第一输出端(71)接第一单模光纤(8)的输入端,第一单模光纤(8)的输出端接第一光电探测器(10)的输入端,第一光电探测器(10)的输出端接电处理模块(12)的第一输入端(121),偏振分束器(7)的第二输出端(72)接第二单模光纤(9)的输入端,第二单模光纤(9)的输出端接第二光电探测器(11)的输入端,第二光电探测器(11)的输出端接电处理模块(12)的第二输入端(122)。xa0
2.根据权利要求1所述的一种高精度可调谐的瞬时频率测量系统,其特征在于:xa0第一偏振控制器(2)的输出角度α,α范围为5°≤α≤40°;xa0偏振调制器(3)具有互补相位调制深度,分别为+β和-β,其中β取值要满足小信号调制,0.1≤β≤0.3;xa0偏振调制器(3)的半波电压V_π,半波电压范围为2V≤V_π≤6Vxa0调节偏置电压源(5)的输出电压V_bias,使V_bias1=0.5V_π;xa0调节射频信号源(4)输出信号频率f,频率范围为2GHz≤f≤18.2GHz;xa0调节第二偏振控制器(6)的输出相位σ,σ=45°;xa0设定第一单模光纤(8)和第二单模光纤(9)的色散值D_w=16.75ps/km·nm,长度L=10km。xa0技术领域
本实用新型涉及微波光子学领域,具体地讲是一种高精度可调谐的瞬时频率测量系统。xa0
背景技术
引入微波光子学的瞬时微波频率测量(IFM,instantaneousxa0frequencyxa0measurement)系统相较传统电子学方法具有其独特优势:1)测量范围受带宽限制较小,可以实现小型化超宽带微波信号的分析和检测;2)具有抗电磁干扰特性,可以提高测量的隐秘性。因此,基于微波光子学的应用研究成为近年来国内外的一大研究热点。在设计一个瞬时频率测量系统时需要考虑以下几个因素:1.测量范围大;2.测量精度高;3.稳定性高。目前已提出的基于微波光子学的IFM系统按工作原理可大致分为频率-空间映射、频率-时间映射和频率-幅度映射三类。其中频率-幅度映射是目前研究中最有效的一种实现方式。比如加拿大学者S.Pan等人提出的基于偏振调制器和偏振保持光纤构成微波光子滤波器的IFM系统("Instantaneousxa0Microwavexa0Frequencyxa0Measurementxa0Usingxa0axa0Photonicxa0Microwavexa0Filterxa0Pair,"IEEExa0Photonicsxa0Technologyxa0Letters,vol.22,pp.1437-1439,2010),但是该方案的测量范围相对固定且测量精度无法控制。加拿大学者X.Zou等人提出了一种利用双波长调制及光滤波的测量范围及精度可调实现方案("Anxa0Opticalxa0Approachxa0toxa0Microwavexa0Frequencyxa0Measurementxa0Withxa0Adjustablexa0Measurementxa0Rangexa0andxa0Resolution,"IEEExa0Photonicxa0Technologyxa0Letters,vol.20,pp.1989-1991,2008),但是存在测量范围太小的问题。中科院学者W.Li等人提出的基于一个双平行马赫曾德调制器和一个双驱动马赫曾德调制器的可重构IFM系统("Reconfigurablexa0instantaneousxa0frequencyxa0measurementxa0systemxa0basedxa0onxa0dual-parallelxa0Mach-Zehnderxa0modulator,"IEEExa0Photonicsxa0Journal,vol.4,pp.427-436,xa02012)虽然能获得较大测量范围和较高精度,但是需要解决调制器的偏置电压漂移问题。南京航空航天大学的H.Zhang等人则提出了一种利用光偏振调制及偏振敏感效应的方案一("Instantaneousxa0frequencyxa0measurementxa0withxa0adjustablexa0measurementxa0rangexa0andxa0resolutionxa0basedxa0onxa0polarisationxa0modulator,"Electronicsxa0Letters,vol.49,pp.277-279,2013),但是该方案较复杂,稳定性降低,且需要对功率进行动态平衡。本研究所的J.L等人在此研究基础上,提出了一种具有单光源无滤波结构的IFM方案二("Performancexa0analysisxa0onxa0anxa0instantaneousxa0microwavexa0frequencyxa0measurementxa0withxa0tunablexa0rangexa0andxa0resolutionxa0basedxa0onxa0axa0singlexa0laserxa0source,"Optics&Laserxa0Technology,vol.63,pp.54-61,2014.),简化了结构并且不需要考虑光功率的动态平衡问题。但是该系统采用的是一段短色散补偿光纤,否则会在光纤内部产生偏振干涉等,对测量结果造成影响。实际应用中,会经常面临传输距离较长的情况,并且单模光纤更为常见。为此,设计一种高精度可调谐的瞬时频率测量系统是十分必要的xa0实用新型内容本实用新型是提出一种结构较简单的高精度可调谐的瞬时频率测量系统。方案采用单光源以及后置的单模光纤,其结构与方案一、二有所区别,本系统采用偏置调制器作为关键器件,利用偏振控制器、偏置电压源和偏振分束器来控制光的偏振状态,通过控制单模光纤的色散参数,并对入射偏振角α进行调节,最终获得了输出功率比可调谐的ACF函数曲线,且可以最大限度降低IFM系统实现的难度:1)采用单光源可以消除光功率抖动的影响;2)去掉了滤波器的结构更加简化,也有助于消除光源中心波长漂移的影响;3)在测量范围和精度的调谐过程中不需要考虑光功率的动态平衡问题,调节效果更佳。本瞬时频率测量系统可以对频率范围2GHz~18.2GHz的微波信号频率测量,具有很高的商用价值。xa0本实用新型的技术方案:xa0一种高精度可调谐的瞬时频率测量系统,其特征在于:该测量系统包括,连续波激光器、第一偏振控制器、偏振调制器、射频信号源、偏置电压源、第二偏振控制器、偏振分束器、第一单模光纤、第二单模光纤,第一光电探测器、第二光电探测器、电处理模块;具体连接方式为:xa0连续波激光器的光输出端接第一偏振控制器的光输入端,第一偏振控制器的光输出端接偏振调制器的光输入端,射频信号源的输出端接偏振调制器的射频输入端,偏置电压源的输出端接偏振调制器的偏置输入端,偏振调制器的光输出端接第二偏振控制器的光输入端,第二偏振控制器的光输出端接偏振分束器的输入端,偏振分束器的第一输出端接第一单模光纤的输入端,第一单模光纤的输出端接第一光电探测器的输入端,第一光电探测器的输出端接电处理模块的第一输入端,偏振分束器的第二输出端接第二单模光纤的输入端,第二单模光纤的输出端接第二光电探测器的输入端,第二光电探测器的输出端接电处理模块的第二输入端。xa0第一偏振控制器(2)的输出角度α,α范围为5°≤α≤40°;xa0偏振调制器(3)具有互补相位调制深度,分别为+β和-β,其中β取值要满足小信号调制,0.1≤β≤0.3;xa0偏振调制器(3)的半波电压V_π,半波电压范围为2V≤V_π≤6Vxa0调节偏置电压源(5)的输出电压V_bias,使V_bias1=0.5V_π;xa0调节射频信号源(4)输出信号频率f,频率范围为2GHz≤f≤18.2GHz;xa0调节第二偏振控制器(6)的输出相位σ,σ=45°;xa0设定第一单模光纤(8)和第二单模光纤(9)的色散值D_w=16.75ps/km·nm,长度L=10km;xa0本实用新型的具体工作原理如下:xa0在小信号调制条件下,可以获得光场表达式为xa0 E x E y = E 0 e jw c t Σ k = - 1 1 cos α J k ( β ) exp ( jkΩt + j ψ k + jφ ) Σ k = - 1 1 sin α ( - 1 ) k J k ( β ) exp ( jkΩt + j ψ k ) - - - ( 1 ) ]]>其中E_o和ω_c分别代表光载波的幅度和角频率,J_k为贝塞尔函数的k阶系数,β=πV_RF/√2V_π是调制系数(其中V_π表示PolM的半波电压,Ω=2πf_RF表示未知微波信号的角频率).ψ_k=-k²λD_WLΩ²/4πc是色散所致相移(其中λ是波长,D_W是色散参数,L是光纤长度,c是真空光速).φ=πV_bias/V_π则是直流偏置电压V_bias所引起的相移角。xa0从单模光纤中出来的光信号分成两路进入到光探测器进行后续处理,本专利中,偏置电压源的输出电压V_bias1=0.5V_π,即φ=π/2,则两路光信号可以表示为:xa0 E 1 ( t ) = 2 2 E 0 e jw c t Σ k = - 1 1 [ ( j cos α + sin α ( - 1 ) k ] J k ( β ) exp ( jkΩt + j ψ k ) - - - ( 2 ) ]]> E 2 ( t ) = 2 2 E 0 e jw c t Σ k = - 1 1 [ ( j cos α - sin α ( - 1 ) k ] J k ( β ) exp ( jkΩt + j ψ k ) ]]> i 1 ( t ) ∝ [ η 1 | E 0 | 2 J 1 ( β ) J 0 ( β ) sin ( ψ 1 + 2 α ) ] sin Ωt - - - ( 3 ) ]]> i 2 ( t ) ∝ [ η 2 | E 0 | 2 J 1 ( β ) J 0 ( β ) sin ( ψ 1 - 2 α ) ] sin Ωt ]]>其中ψ₁=-²λD_WLΩ²/4πcxa0假设两个光探测器具有相同的灵敏度η₁=η₂,在电处理模块中比较两个探测器输出的微波功率,可以得到幅度比较函数(ACF)为:xa0 ACF = P 2 P 1 sin 2 ( ψ 1 - 2 α ) sin 2 ( ψ 1 + 2 α ) = sin 2 ( - λ 2 D w L Ω 2 / 4 πc + 2 α ) sin 2 ( - λ 2 D w L Ω 2 / 4 πc - 2 α ) - - - ( 4 ) ]]>由式子(4)可知,幅度比较函数(ACF)与光源功率和调制系数无关。xa0而该系统所能获得的最大频率可由式子(5)得到xa0ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>从式子(5)可以看出,α分别在0°~45°和45°~90°两个范围内取值时,ACF曲线会发生翻转,即陷波点会变成峰值。因此,将α控制在0°~45°范围内,为了保证发生干涉,α≠0°或者45°,并且D_wL也设为固定值,然后只改变α来观察ACF响应的特征。xa0本实用新型的有益效果具体如下:xa0本实用新型充分利用光偏振调制和偏振分束原理,以微波光子学方法实现了高精度可调谐瞬时频率测量,并且结构简单,稳定性高,因此具有极高的应用价值。xa0
附图说明
图1一种高精度可调谐的瞬时频率测量系统示意图。xa0图2高精度可调谐的瞬时频率测量系统对射频信号(2GHz≤f≤6.4GHz)ACF曲线图。xa0图3图2高精度可调谐的瞬时频率测量系统对射频信号(2GHz≤f≤11.2GHz)ACF曲线图。xa0图4图2高精度可调谐的瞬时频率测量系统对射频信号(2GHz≤f≤14.5GHz)ACF曲线图。xa0图5图2高精度可调谐的瞬时频率测量系统对射频信号(2GHz≤f≤17GHz)ACF曲线图。xa0图6图2高精度可调谐的瞬时频率测量系统对射频信号(2GHz≤f≤18.2GHz)ACF曲线图。xa0
具体实施方式
下面结合附图1至6对一种高精度可调谐的瞬时频率测量系统作进一步描述。xa0实施例一xa0一种高精度可调谐的瞬时频率测量系统,如图1所示,其特征在于:该测量系统包括,连续波激光器1、第一偏振控制器2、偏振调制器3、射频信号源4、偏置电压源5、第二偏振控制器6、偏振分束器7、第一单模光纤8、第二单模光纤9,第一光电探测器10、第二光电探测器11、电处理模块12;具体连接方式为:xa0连续波激光器1的光输出端接第一偏振控制器2的光输入端,第一偏振控制器2的光输出端接偏振调制器3的光输入端,射频信号源4的输出端接偏振调制器3的射频输入端32,偏置电压源5的输出端接偏振调制器3的偏置输入端33,偏振调制器3的光输出端接第二偏振控制器6的光输入端,第二偏振控制器6的光输出端接偏振分束器7的输入端,偏振分束器7的第一输出端71接第一单模光纤8的输入端,第一单模光纤8的输出端接第一光电探测器10的输入端,第一光电探测器10的输出端接电处理模块12的第一输入端121,偏振分束器7的第二输出端72接第二单模光纤9的输入端,第二单模光纤9的输出端接第二光电探测器11的输入端,第二光电探测器11的输出端接电处理模块12的第二输入端122。xa0第一偏振控制器(2)的输出角度α=5°;xa0偏振调制器(3)具有互补相位调制深度,分别为+β和-β,其中β取值要满足小信号调制,β=0.1;xa0偏振调制器(3)的半波电压V_π=2Vxa0调节偏置电压源(5)的输出电压V_bias=0.5V_π=1V;xa0调节射频信号源(4)输出信号频率f,频率范围为2GHz≤f≤6.4GHz;xa0调节第二偏振控制器(6)的输出相位σ=45°;xa0设定第一单模光纤(8)和第二单模光纤(9)的色散值D_w=16.75ps/km·nm,长度L=10km;xa0通过调节偏振相位α我们可以对ACF曲线的陷波点频率f进行调节。对应的ACF曲线如图2所示。xa0实施例二xa0一种高精度可调谐的瞬时频率测量系统,如图1所示,其特征在于:该测量系统包括,连续波激光器1、第一偏振控制器2、偏振调制器3、射频信号源4、偏置电压源5、第二偏振控制器6、偏振分束器7、第一单模光纤8、第二单模光纤9,第一光电探测器10、第二光电探测器11、电处理模块12;具体连接方式为:xa0连续波激光器1的光输出端接第一偏振控制器2的光输入端,第一偏振控制器2的光输出端接偏振调制器3的光输入端,射频信号源4的输出端接偏振调制器3的射频输入端32,偏置电压源5的输出端接偏振调制器3的偏置输入端33,偏振调制器3的光输出端接第二偏振控制器6的光输入端,第二偏振控制器6的光输出端接偏振分束器7的输入端,偏振分束器7的第一输出端71接第一单模光纤8的输入端,第一单模光纤8的输出端接第一光电探测器10的输xa0入端,第一光电探测器10的输出端接电处理模块12的第一输入端121,偏振分束器7的第二输出端72接第二单模光纤9的输入端,第二单模光纤9的输出端接第二光电探测器11的输入端,第二光电探测器11的输出端接电处理模块12的第二输入端122。xa0第一偏振控制器(2)的输出角度α=15°;xa0偏振调制器(3)具有互补相位调制深度,分别为+β和-β,其中β取值要满足小信号调制,β=0.15;xa0偏振调制器(3)的半波电压V_π=3Vxa0调节偏置电压源(5)的输出电压V_bias=0.5V_π=1.5V;xa0调节射频信号源(4)输出信号频率f,频率范围为2GHz≤f≤11.2GHz;xa0调节第二偏振控制器(6)的输出相位σ=45°;xa0设定第一单模光纤(8)和第二单模光纤(9)的色散值D_w=16.75ps/km·nm,长度L=10km;xa0通过调节偏振相位α我们可以对ACF曲线的陷波点频率f进行调节。对应的ACF曲线如图3所示。xa0实施例三xa0一种高精度可调谐的瞬时频率测量系统,如图1所示,其特征在于:该测量系统包括,连续波激光器1、第一偏振控制器2、偏振调制器3、射频信号源4、偏置电压源5、第二偏振控制器6、偏振分束器7、第一单模光纤8、第二单模光纤9,第一光电探测器10、第二光电探测器11、电处理模块12;具体连接方式为:xa0连续波激光器1的光输出端接第一偏振控制器2的光输入端,第一偏振控制器2的光输出端接偏振调制器3的光输入端,射频信号源4的输出端接偏振xa0调制器3的射频输入端32,偏置电压源5的输出端接偏振调制器3的偏置输入端33,偏振调制器3的光输出端接第二偏振控制器6的光输入端,第二偏振控制器6的光输出端接偏振分束器7的输入端,偏振分束器7的第一输出端71接第一单模光纤8的输入端,第一单模光纤8的输出端接第一光电探测器10的输入端,第一光电探测器10的输出端接电处理模块12的第一输入端121,偏振分束器7的第二输出端72接第二单模光纤9的输入端,第二单模光纤9的输出端接第二光电探测器11的输入端,第二光电探测器11的输出端接电处理模块12的第二输入端122。xa0第一偏振控制器(2)的输出角度α=25°;xa0偏振调制器(3)具有互补相位调制深度,分别为+β和-β,其中β取值要满足小信号调制,β=0.2;xa0偏振调制器(3)的半波电压V_π=4Vxa0调节偏置电压源(5)的输出电压V_bias=0.5V_π=2V;xa0调节射频信号源(4)输出信号频率f,频率范围为2GHz≤f≤14.5GHz;xa0调节第二偏振控制器(6)的输出相位σ=45°;xa0设定第一单模光纤(8)和第二单模光纤(9)的色散值D_w=16.75ps/km·nm,长度L=10km;xa0通过调节偏振相位α我们可以对ACF曲线的陷波点频率f进行调节。对应的ACF曲线如图4所示。xa0实施例四xa0一种高精度可调谐的瞬时频率测量系统,如图1所示,其特征在于:该测量系统包括,连续波激光器1、第一偏振控制器2、偏振调制器3、射频信号源4、偏置电压源5、第二偏振控制器6、偏振分束器7、第一单模光纤8、第二单xa0模光纤9,第一光电探测器10、第二光电探测器11、电处理模块12;具体连接方式为:xa0连续波激光器1的光输出端接第一偏振控制器2的光输入端,第一偏振控制器2的光输出端接偏振调制器3的光输入端,射频信号源4的输出端接偏振调制器3的射频输入端32,偏置电压源5的输出端接偏振调制器3的偏置输入端33,偏振调制器3的光输出端接第二偏振控制器6的光输入端,第二偏振控制器6的光输出端接偏振分束器7的输入端,偏振分束器7的第一输出端71接第一单模光纤8的输入端,第一单模光纤8的输出端接第一光电探测器10的输入端,第一光电探测器10的输出端接电处理模块12的第一输入端121,偏振分束器7的第二输出端72接第二单模光纤9的输入端,第二单模光纤9的输出端接第二光电探测器11的输入端,第二光电探测器11的输出端接电处理模块12的第二输入端122。xa0第一偏振控制器(2)的输出角度α=5°;xa0偏振调制器(3)具有互补相位调制深度,分别为+β和-β,其中β取值要满足小信号调制,β=0.25;xa0偏振调制器(3)的半波电压V_π=5Vxa0调节偏置电压源(5)的输出电压V_bias=0.5V_π=2.5V;xa0调节射频信号源(4)输出信号频率f,频率范围为2GHz≤f≤17GHz;xa0调节第二偏振控制器(6)的输出相位σ=45°;xa0设定第一单模光纤(8)和第二单模光纤(9)的色散值D_w=16.75ps/km·nm,长度L=10km;xa0通过调节偏振相位α我们可以对ACF曲线的陷波点频率f进行调节。对应的ACF曲线如图5所示。xa0实施例五xa0一种高精度可调谐的瞬时频率测量系统,如图1所示,其特征在于:该测量系统包括,连续波激光器1、第一偏振控制器2、偏振调制器3、射频信号源4、偏置电压源5、第二偏振控制器6、偏振分束器7、第一单模光纤8、第二单模光纤9,第一光电探测器10、第二光电探测器11、电处理模块12;具体连接方式为:xa0连续波激光器1的光输出端接第一偏振控制器2的光输入端,第一偏振控制器2的光输出端接偏振调制器3的光输入端,射频信号源4的输出端接偏振调制器3的射频输入端32,偏置电压源5的输出端接偏振调制器3的偏置输入端33,偏振调制器3的光输出端接第二偏振控制器6的光输入端,第二偏振控制器6的光输出端接偏振分束器7的输入端,偏振分束器7的第一输出端71接第一单模光纤8的输入端,第一单模光纤8的输出端接第一光电探测器10的输入端,第一光电探测器10的输出端接电处理模块12的第一输入端121,偏振分束器7的第二输出端72接第二单模光纤9的输入端,第二单模光纤9的输出端接第二光电探测器11的输入端,第二光电探测器11的输出端接电处理模块12的第二输入端122。xa0第一偏振控制器(2)的输出角度α=40°;xa0偏振调制器(3)具有互补相位调制深度,分别为+β和-β,其中β取值要满足小信号调制,β=0.3;xa0偏振调制器(3)的半波电压V_π=6Vxa0调节偏置电压源(5)的输出电压V_bias=0.5V_π=3V;xa0调节射频信号源(4)输出信号频率f,频率范围为2GHz≤f≤18.2GHz;xa0调节第二偏振控制器(6)的输出相位σ=45°;xa0设定第一单模光纤(8)和第二单模光纤(9)的色散值D_w=16.75ps/km·nm,长度L=10km;xa0通过调节偏振相位α我们可以对ACF曲线的陷波点频率f进行调节。对应的ACF曲线如图6所示。xa0