可调谐光生微波源系统

1.本公开涉及光生微波技术领域，尤其涉及一种可调谐光生微波源系统。


背景技术：

2.微波源是指产生微波能量的装置称为微波源。光生微波技术是一种在光信号中携带微波毫米波信号，实现在光纤等光传输介质中传输射频信号的光学技术，在光载射频系统中，通过对激光信号的调控，实现射频信号的产生、转换和调制。高精度、宽带可调谐的微波源，是雷达、光载无线通信、卫星通信等系统中的关键技术之一，也是这些系统进行广泛应用的基础。
3.但是，目前所采用的一系列光生微波的系统都不能够实现在较大范围内产生高度稳定可调谐的微波信号，使得系统的应用受到了一定的限制。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本公开提供了一种可调谐光生微波源系统，以使微波源能够在较大范围内进行调谐，并产生频率稳定性高的微波信号。
5.本公开提供了一种可调谐光生微波源系统，包括：光外差模块，用于基于光外差法，利用输出的激光光束产生微波信号；稳频测频模块，用于将微波信号调制成含有负一阶边带的光波，再将光波分束成两路后测定两路光波的功率值，并通过预先测试得到两路光波之间的功率比值随频率的变化关系；反馈控制模块，用于根据功率比值随频率的变化关系及两路光波的功率值计算微波信号的实际频率值，将实际频率值与微波信号的预设频率值进行比较，根据比较结果调控激光光束频率，以使光外差模块输出的微波信号的实际频率值与预设频率值相等。
6.可选地，光外差模块还包括：第一激光模块，用于产生第一激光光束；第二激光模块，用于产生第二激光光束；分束器，用于将第二激光光束分成两路；耦合器，用于将第一激光光束和其中一路第二激光光束进行耦合，得到第三激光光束；探测模块，用于将第三激光光束转化为微波信号；功分器，用于将微波信号分成多路。
7.可选地，稳频测频模块包括：激光调制器，用于利用其中一路第二激光光束作为载波，将输入稳频测频模块的微波信号转化成包含频率分量为正负一阶边带的光波；光带通滤波器，用于将光波中的正一阶边带滤除；微环辅助的马赫-曾德尔干涉仪，用于将光带通滤波器输出的光波分成两路光波后分别测定两路光波对应的透射谱，根据两路光波的透射谱得到两路光波之间功率比值随频率变化的关系；功率探测模块，用于测量微环辅助的马赫-曾德尔干涉仪输出的两路光波的功率值，并反馈至反馈控制模块。
8.可选地，稳频测频模块还包括偏振控制器，偏振控制器的输入端与光带通滤波器的输出端连接，偏振控制器的输出端与微环辅助的马赫-曾德尔干涉仪的输入端相连接。
9.可选地，微环辅助的马赫-曾德尔干涉仪包括：马赫-曾德尔干涉仪；微环，设置有两个，两个微环分别设于马赫-曾德尔干涉仪的上臂和下臂；电极，设置有三个，其中两个电
极分别设于两个微环上，另一个电极设于马赫-曾德尔干涉仪的上臂/下臂。
10.可选地，微环的周长为2.5-3.5mm，且周长的误差小于1μm。
11.可选地，激光调制器为马赫-曾德尔调制器。
12.可选地，其中一路光波的透射谱中功率值在一定频率范围内先下降后上升，另一路光波的透射谱中功率值在同样的频率范围内先上升后下降，选取两路光波的透射谱中功率值呈反向变化的单调区间，进行功率比值的计算，得到功率比值随频率变化的单调关系。
13.可选地，预先设定的微波信号频率值为第一激光模块和第二激光模块产生两束激光光束的频率值之差。
14.可选地，比较结果为得到的实际频率值与预设频率值的误差值，根据误差值调控第一激光光束的频率值，以使得光外差模块输出的微波信号的实际频率值与预设频率值相等。
15.本公开实施例采用的上述至少一个技术方案至少包括以下有益效果：
16.通过在可调谐光生微波源系统中引入稳频测频模块和反馈控制模块，稳频测频模块能够实现微波信号频率的瞬时准确测量，将微波信号的实际频率值与预设频率值进行比较后，调控激光光束频率，使光外差模块输出的微波信号的实际频率值与预设频率值相等，从而使输出的微波信号频率具有较高的稳定性；同时也替代了传统光锁相中的鉴相部分，因此增加了系统的可调谐范围。
17.进一步地，通过在稳频测频模块中引入微环辅助的马赫-曾德尔干涉仪，利用微波光子技术，实现微波信号频率的瞬时准确测量，并根据实时的频率测量结果调控激光光束的频率，从而能够得到稳定的微波信号。
18.进一步地，该系统的光外差模块中采用光外差法产生微波信号，改变其中一个激光光束的频率，即可对微波信号频率进行调节，实现微波信号的可调谐性；同时微波信号的带宽仅受限于探测模块的响应带宽，因此使微波信号具有较宽的可调谐频率范围。
19.此外，该系统结构简单，便于进行器件的单片集成，有利于减小该系统的体积，便于推广和应用。
附图说明
20.为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
21.图1示意性示出了本公开实施例提供的一种可调谐光生微波源系统的框图；
22.图2示意性示出了本公开实施例提供的微环辅助的马赫-曾德尔干涉仪结构图。
具体实施方式
23.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
25.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
27.贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
28.类似地，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
29.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
30.本公开实施例提供一种可调谐光生微波源系统，参照图1，可调谐光生微波源系统包括：光外差模块，用于基于光外差法，利用输出的激光光束产生微波信号；稳频测频模块，用于将微波信号调制成含有负一阶边带的光波，再将光波分束成两路后测定两路光波的功率值，并通过预先测试得到两路光波之间的功率比值随频率的变化关系；反馈控制模块，用于根据功率比值随频率的变化关系及两路光波的功率值计算微波信号的实际频率值，将实际频率值与微波信号的预设频率值进行比较，根据比较结果调控激光光束频率，以使光外差模块输出的微波信号的实际频率值与预设频率值相等。
31.在一些实施例中，比较结果为得到的实际频率值与预设频率值的误差值，根据误差值调控第一激光光束的频率值，以使得光外差模块输出的微波信号的实际频率值与预设频率值相等。
32.在一些实施例中，继续参照图1，光外差模块还包括：第一激光模块，用于产生第一激光光束；第二激光模块，用于产生第二激光光束；分束器，用于将第二激光光束分成两路；耦合器，用于将第一激光光束和其中一路第二激光光束进行耦合，得到第三激光光束；探测模块，用于将第三激光光束转化为微波信号；功分器，用于将微波信号分成多路。
33.在一些实施例中，预先设定的微波信号频率值为第一激光模块和第二激光模块产
生两束激光光束的频率值之差。
34.在一些实施例中，继续参照图1，稳频测频模块包括：沿着光路依次布设的激光调制器、光带通滤波器、偏振控制器、微环辅助的马赫-曾德尔干涉仪和功率探测模块；激光调制器，用于利用其中一路第二激光光束作为载波，将输入稳频测频模块的微波信号转化成包含频率分量为正负一阶边带的光波；光带通滤波器，用于将光波中的正一阶边带滤除；偏振控制器，用于控制从光带通滤波器输出的光波的偏振特性；微环辅助的马赫-曾德尔干涉仪，用于将偏振控制器输出的光波分成两路光波后分别测定两路光波对应的透射谱，根据两路光波的透射谱得到两路光波之间功率比值随频率变化的关系；功率探测模块，用于测量微环辅助的马赫-曾德尔干涉仪输出的两路光波的功率值，并反馈至反馈控制模块。
35.在一些实施例中，继续参照图1和图2，微环辅助的马赫-曾德尔干涉仪包括：马赫-曾德尔干涉仪；微环，设置有两个，两个微环分别设于马赫-曾德尔干涉仪的上臂和下臂；电极，设置有三个，其中两个电极分别设于两个微环上，另一个电极设于马赫-曾德尔干涉仪的上臂/下臂。
36.在一些实施例中，继续参照图1和图2，微环的周长为2.5-3.5mm，且周长的误差小于1μm。
37.在一些实施例中，微环的周长为3mm，本公开对微环的周长不做具体的限定。当微环的周长改变1μm时，对于稳频测频模块得到的功率比值随频率变化关系曲线的影响比较大，可能会导致曲线的单调性改变或者失去单调性。微环和电极的作用主要是为了改变光波沿微环传输一周后的相位。整个系统制作完成后，需要先进行调试，以便确定三个电极的所需要施加的电压。微环的尺寸和电极的电压共同决定了频率测量的范围以及精度，通过对电极所施加的电压大小的调节来减小微环工艺制作中带来的误差，从而得到在某一频率范围内光波功率随频率的单调变化的趋势。
38.在一些实施例中，激光调制器为马赫-曾德尔调制器。
39.在一些实施例中，其中一路光波的透射谱中功率值在一定频率范围内先下降后上升，另一路光波的透射谱中功率值在同样的频率范围内先上升后下降，选取两路光波的透射谱中功率值呈反向变化的单调区间，进行功率比值的计算，得到功率比值随频率变化的单调关系。
40.本公开实施例提供的一种可调谐光生微波源系统具体工作过程为：第一激光模块产生第一激光光束，第二激光模块产生第二激光光束，第一激光光束和第二激光光束的频率不相同，分束器将第二激光光束分成频率相同的两路，耦合器将第一激光光束和其中一路第二激光光束进行耦合，得到第三激光光束，将第三激光光束入射到探测模块中，将第三激光光束转化为微波信号；将微波信号输入功分器后分成多路频率相同的微波信号。
41.由于系统会受到外界环境的干扰，因此产生的微波信号频率会在一定的范围内波动，造成微波信号的不稳定。为了稳定输出的微波信号，引入了稳频测频模块。
42.将其中一路微波信号和其中一路第二激光光束输入马赫-曾德尔调制器，利用第二激光光束作为载波，通过马赫-曾德尔调制器对微波信号进行调制。为马赫-曾德尔调制器设定适当的直流偏置电压，使得马赫-曾德尔调制器工作在载波抑制双边带调制模式，微波信号经过马赫-曾德尔调制器调制后，得到载波抑制双边带调制后的光波，忽略掉光波高阶边带的情况下，光波包含的频率分量为正负一阶边带，负一阶边带频率值与载波的频率
值之间的差值，等于输入到调制器中微波信号的频率值。将调制后的光波输入光带通滤波器，以将光波的正一阶边带滤除，只保留负一阶边带。将光带通滤波器输出的光波通过偏振控制器，控制光波的偏振特性后，输出至微环辅助的马赫-曾德尔干涉仪。
43.微环辅助的马赫-曾德尔干涉仪主体为一个2
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2的马赫-曾德尔干涉仪结构，分别在马赫-曾德尔干涉仪结构的上、下两臂增加一个微环进行光波传输的控制，同时分别在两个微环和马赫-曾德尔干涉仪结构的上臂上设置一个电极进行光波附加相移的控制(三个电极的位置分别为图2中a、b和c标示的位置)，其中一个电极的位置可以为马赫-曾德尔干涉仪结构的上臂和下臂中的任意一个位置，本技术实施例中不对电极在马赫-曾德尔干涉仪结构的上臂或下臂做具体的位置限定；光波通过微环辅助的马赫-曾德尔干涉仪的下输入口进入，经微环辅助的马赫-曾德尔干涉仪内的定向耦合器分束后分别通过上、下两臂进行传播，在微环处产生谐振现象，通过系统设计时微环的尺寸结构的设计，以及对三个电极施加电压的调节来控制传播过程中光波的相位变化，最终两束光波经定向耦合器后分别由上、下两臂的输出端输出。由于微环的引入以及附加相移的控制，在上、下两臂的输出端可以得到两个变化相反的透射谱，上臂输出的光波的透射谱中功率值在一定频率范围内先下降后上升，下臂输出的光波的透射谱中功率值在同样的频率范围内先上升后下降，选取两路光波的透射谱中功率值呈反向变化的单调区间，进行功率比值的计算，得到功率比值随频率变化的单调关系。将得到的功率比值随频率变化的单调关系预先输入反馈控制模块。最后将微环辅助的马赫-曾德尔干涉仪上、下两臂输出的光波输入功率探测模块，测定出微环辅助的马赫-曾德尔干涉仪上、下两臂输出的光波的功率值，并反馈至反馈控制模块。
44.反馈控制模块先根据预微环辅助的马赫-曾德尔干涉仪上、下两臂输出的光波的功率值计算出两者的功率比值，再根据预先输入的功率比值随频率变化的单调关系，计算出频率值，该频率值即为微波信号的实际频率值，将实际频率值与微波信号的预设频率值进行比较，得到比较结果为得到的实际频率值与预设频率值的误差值，根据误差值调控第一激光光束的频率值，以使得光外差模块输出的微波信号的实际频率值与预设频率值相等，产生一个稳定的微波信号。
45.该系统的调谐性通过调节第二激光模块的输出第二激光光束的频率进行调控。由于产生的微波信号的频率等于第一激光光束与第二激光光束的频率之差，因此通过第二激光光束的频率，即可对输出的微波信号频率进行调节。
46.其中微环辅助的马赫-曾德尔干涉仪输出的两个光波的透射谱呈反向单调变化的频率区间仅在7ghz左右，可测频率范围较小，也即可得到的微波频率范围较小，但是针对该问题，本系统的设计可以解决这一缺陷。考虑带通滤波器的通频带范围是不会发生变化，当预增加(或减小)输出微波信号的频率时，需要增加(或减小)第二激光光束的频率，同时也意味着增加(或减小)了稳频测频模块的载波频率，经过马赫-曾德尔调制器调制后，因为同时增加(或减小)了载波频率和微波信号频率，使得负一阶边带的频率值能够稳定出现在带通滤波器的通频带内，而不受微波信号和第二激光光束频率改变的影响。同样，也会使得最终的光波频率维持在微环辅助的马赫-曾德尔干涉仪输出的两路光波的透射谱呈反向单调变化的区间内，因此可以扩大频率的测量范围。只需要在反馈控制模块，将功率与频率的对应关系进行相应的变化，即可得到新的微波信号实际频率值。反馈控制模块可以直接对同一功率所映射的频率根据光外差模块频率的变化量进行相应的加或减，从而得到新的映
射。基于此，可以有效扩大稳频测频模块频率的有效范围，从而增加生成微波信号的频率调节范围，从原来的0-7ghz增加到0-40ghz左右，扩大了微波信号的测定频率范围。
47.以上所述的具体实施例，对本发明的技术方案进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。