一种基于光功率监控的瞬时频率测量装置的制作方法

1.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：

2.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 phase modulation,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,instantaneous microwave frequency measurement using a photonic microwave filter pair,ieee photonics 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 with tunable range and resolution based on a single laser source,optics&laser technology 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 frequency measurement 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。


技术实现要素：

3.本发明提出了一种基于光功率监控的瞬时频率测量装置。
4.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
5.一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：
6.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。
7.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。
8.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。
9.设连续波激光器1发出光信号的光场表达式为：e
in
(t)＝e
o
exp(jω
o
t)，e
o
和ω
o
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：v
rf
(t)＝v
rf
cos(ωt),v
rf
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：
10.11.m为调制器的调制系数，v
π
为调制器的半波电压。
12.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：
[0013][0014]
i/q调制器9和i/q调制器10输出光强度表达式为
[0015][0016]
幅度比较函数(acf)的表达式为:
[0017][0018]
f为射频信号的频率
[0019]
可由测得的光功率的功率比推出射频信号的频率。
[0020]
本发明的有益效果：
[0021]
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
[0022]
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。
[0023]
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。
[0024]
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。
[0025]
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。
[0026]
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。
[0027]
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
[0028]
下面结合附图和实施例来对发明做进一步的描述。
[0029]
实施例一：
[0030]
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。
[0031]
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。
[0032]
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。
[0033]
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。
[0034]
实施例二：
[0035]
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。
[0036]
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。
[0037]
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。
[0038]
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。
[0039]
实施例三：
[0040]
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。
[0041]
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。
[0042]
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。
[0043]
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。
[0044]
实施例四：
[0045]
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。
[0046]
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。
[0047]
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。
[0048]
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。