一种基于光电振荡器的射频信号感知装置的制作方法

本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种基于光电振荡器的射频信号感知装置。

背景技术：

随着对高速通信的迫切需求，高频、宽带的频谱资源被充分利用，携带各种信息的信号频段的覆盖范围广、信号参数复杂。高密集和复杂的信号环境要求电子设备收机具备大接收带宽、大动态范围、高效率、高分辨率以及能够对多频点，多形式信号进行统一接收以及统一处理能力。传统电学接收机面临着带宽窄、链路损耗大的缺点，其对高频宽带信号接收处理能力已经受到极大限制。

光子学技术具有高传输容量，在微波和毫米波频段响应平坦、抗电磁干扰、低损耗、低色散等方面的优势，同时其还具有超宽带调谐的特点，在射频和微波领域具有广阔的应用前景，其中包括光域的上下变频及光子的射频电场接收。光子学下变频常使用串联或并联电光调制器的方法，最终通过光电探测器拍频实现下变频，而外置的高质量本振源可调性能不佳，增加系统成本。已有提出的基于光电振荡器方法的本振生成方案，可以省去外置本振，如文献《z.tang,f.zhang,s.pan,photonicmicrowavedownconverterbasedonanoptoelectronicoscillatorusingasingledual-drivemach-zehndermodulator,optexpress22(1)(2014)305.》和《h.yu,m.chen,h.gao,c.lei,h.zhang,s.yang,h.chen,s.xie,simplephotonic-assistedradiofrequencydown-converterbasedonoptoelectronicoscillator,photonicsres.2(4)(2014)》中提出的技术方案，但该方案中光电振荡器的输出包含本振信号和射频信号分量，本振信号和射频信号隔离度较差，当频率间隔较近时，射频信号会对本振信号造成较大干扰。

集成光学电场传感器是光子射频电场接收的应用之一，其具有灵敏度高、带宽大、体积小等优点，相比于传统金属探头，其对待测电场干扰很小，测量误差小。如文献《j.zhang,f.chen,andb.sun,"integratedopticale-fieldsensorforintensenanosecondelectromagneticpulsemeasurement"ieeephoton.technol.lett.vol.26,no.3,pp.275-277.jan,2014.2.》和《t.meier,c.kostrzewa,k.petermannandb.schuppert,"integratedopticale-fieldprobeswithsegmentedmodulatorelectrodes"ieeej.lightw.technol.vol.12,no.8,pp.1497-1503,1994》中提出的技术方案，其中集成光学电场传感器是基于马赫曾德尔波导结构，其偏置点容易受到周围环境如温度、湿度的变化而产生漂移，从而导致调制效率和动态范围的变化，最终导致中频信号功率的波动。

技术实现要素：

为了提高本振和射频信号隔离度，克服传统光子下变频多使用马赫曾德尔波导类型的集成光学电场传感器偏置点易漂移的劣势，本发明提供了一种基于光电振荡器的射频信号感知装置，使用了相位调制类型的传感器，实现了无需外置本振直接在光域接收及实现下变频的功能，具有本振和射频信号高隔离度的优势。

一种基于光电振荡器的射频信号感知装置，包括：激光源、偏振控制器、马赫增德尔调制器、电磁场传感器、光纤耦合器、可调射频带通滤波器、射频放大器、光滤波器、中频带通滤波器以及两个光电探测器d1和d2，激光源、偏振控制器、马赫增德尔调制器、电磁场传感器、光纤耦合器以及光电探测器d1通过光纤依次连接，光电探测器d1、可调射频带通滤波器、射频放大器以及马赫增德尔调制器通过射频线依次连接，光纤耦合器、光滤波器以及光电探测器d2通过光纤依次连接，光电探测器d2与中频带通滤波器通过射频线连接，其中：

所述激光源用于产生光载波信号；

所述偏振控制器用于控制光载波信号的偏振态；

所述马赫增德尔调制器用于将偏振控制器输出的光载波信号调制上微波本振信号后，输出第一光信号；

所述电磁场传感器用于将第一光信号调制上输入的微波射频信号后，输出第二光信号；

所述光纤耦合器用于将第二光信号分为两路光信号l1和l2；

所述光电探测器d1用于将光信号l1转换成电信号e1；

所述可调射频带通滤波器用于对电信号e1进行带通滤波；

所述射频放大器用于对滤波后的电信号e1进行放大，从而得到所述的微波本振信号；

所述光滤波器用于对光信号l2进行滤波；

所述光电探测器d2用于将滤波后的光信号l2转换成电信号e2；

所述中频带通滤波器用于对电信号e2进行带通滤波，从而得到输出结果。

进一步地，所述电磁场传感器为一种相位调制器件，其包括铌酸锂基底、设置在铌酸锂基底上的光波导以及敷设在光波导上的偶极子天线，所述光波导两端通过光纤分别与马赫增德尔调制器和光纤耦合器连接。

优选地，所述偶极子天线采用锥型结构。

进一步地，所述电磁场传感器为一种相位调制器件，其包括相位调制器、射频线和外置天线；所述射频线的一端与相位调制器的射频接口相连，另一端与外置天线相连，相位调制器的输入输出端口通过光纤分别与马赫增德尔调制器和光纤耦合器连接。

进一步地，所述可调射频带通滤波器采用窄带高q滤波器，如yig滤波器。

进一步地，所述光滤波器采用光带通滤波器。

进一步地，所述激光源采用高稳定性光源，输出为线偏振光，如半导体激光源。

本发明通过使用相位调制结构的射频信号接收器件，结合频率可调的电滤波器，简化了集成光学电场传感器结构，提高了本振信号和射频信号的隔离度，并可动态调节本振信号频率，实现了未知射频信号的探测和感知。此外，本发明射频信号感知装置能够实现无需外置本振的高频、宽带射频信号的中频接收，降低了接收端高频信号处理的昂贵成本，其中的电磁场传感器结构紧凑，制作工艺成熟，适用于高频宽带射频信号的接收和测量。

附图说明

图1为本发明射频信号感知装置的结构示意图。

图2为本发明射频信号感知装置中电磁场传感器的一种实施结构示意图。

图3为本发明射频信号感知装置中电磁场传感器的另一种实施结构示意图。

图4为本发明射频信号感知装置中通过光滤波器之前的光谱示意图。

图5为本发明射频信号感知装置中通过光滤波器之后的光谱示意图。

图中：1-激光源，2-偏振控制器，3-马赫增德尔调制器，4-电磁场传感器，5-光纤耦合器，6-光电探测器，7-可调射频带通滤波器，8-射频放大器，9-光滤波器，10-光电探测器，11-中频带通滤波器，12-铌酸锂基底，13-偶极子天线，14-光波导，15-相位调制器，16-射频线，17-外置天线。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明基于光电振荡器的射频信号感知装置如图1所示，该装置包括激光源1、偏振控制器2、马赫增德尔调制器3、电磁场传感器4、光纤耦合器5、光电探测器6、可调射频带通滤波器7、射频放大器8、光滤波器9、光电探测器10、中频带通滤波器11。

其中激光源1、偏振控制器2、马赫增德尔调制器3、电磁场传感器4、光纤耦合器5、光电探测器6通过光纤依次相连；光电探测器6、可调射频带通滤波器7、射频放大器8、马赫增德尔调制器3的射频输入口通过射频线依次相连；光纤耦合器5的另一路输出、光滤波器9以及光电探测器10通过光纤依次连接，光电探测器10与中频带通滤波器11通过射频线连接。

激光源1用于产生光载波信号；偏振控制器2用于控制光载波信号的偏振态；马赫增德尔调制器3用于将偏振控制器2输出的光载波信号调制上微波本振信号后，输出第一光信号；电磁场传感器4用于将第一光信号调制上输入的微波射频信号后，输出第二光信号；光纤耦合器5用于将第二光信号分为两路光信号l1和l2；光电探测器6用于将光信号l1转换成电信号e1；可调射频带通滤波器7用于对电信号e1进行带通滤波；射频放大器8用于对滤波后的电信号e1进行放大，从而得到微波本振信号；光滤波器9用于对光信号l2进行滤波；光电探测器10用于将滤波后的光信号l2转换成电信号e2；中频带通滤波器11用于对电信号e2进行带通滤波，从而得到输出结果。

如图2所示，电磁场传感器4是一种相位调制器件，包括铌酸锂基底12、设置在铌酸锂基底12上的光波导14、敷设在光波导14上的偶极子天线13，光波导14两端通过光纤分别与马赫增德尔调制器3和光纤耦合器5连接，偶极子天线13选用锥型结构。

如图3所示，作为另一种实施方式，电磁场传感器4包括相位调制器15、射频线16和外置天线17，射频线16的一端与相位调制器15的射频接口相连，另一端与外置天线17相连，相位调制器15的输入输出端口通过光纤分别与马赫增德尔调制器3和光纤耦合器5连接。

本实施方式中调射频带通滤波器7选用窄带高q滤波器，如yig滤波器；光滤波器9选用光带通滤波器；激光源1采用高稳定性光源，输出为线偏振光，如半导体激光源。

本实施方式中射频信号感知装置的工作原理如下：

激光源1输出的线偏振光经过偏振控制器2调节偏振态，耦合进入马赫增德尔调制器3，传输经过电磁场传感器4和光纤耦合器5，送入光电探测器6进行光电转换，光电探测器6输出的电信号经过射频耦合器、可调射频带通滤波器7、射频放大器8，最终经过滤波和放大后的射频信号输入马赫增德尔调制器3的射频口，从而构成光电环路，即光电振荡器结构。

当环增益大于损耗时，光电振荡器起振，起振频率取决于环路长度和可调射频带通滤波器7的通带频率，调制器偏置在正交点，此时调制器工作在双边带调制状态，当电磁场传感器4接收到高频电磁场后，小信号调制下，忽略高阶边带，输出的光谱如图4所示，光滤波器9的通带如虚线部分所示，光滤波器9的截止频率和激光器的输出波长相等。光信号经过光滤波器9后，光谱如图5所示，光边带中的负一阶本振lo边带和负一阶射频rf边带经过光电探测器10，拍频可得所需的中频信号fif，光电振荡器环路中光电探测器6输出的电信号经过可调射频带通滤波器7后，只保留本振lo的频率flo成分，经过放大后重新注入马赫增德尔调制器3，由于射频信号rf相位调制原因，光电探测器10输出没有射频信号frf频率成分。

当未知频率的射频信号被接收时，可以通过扫描可调射频带通滤波器7的通带频率，从而改变光电振荡器10的振荡频率，由于中频带通滤波器11的频率固定不变，当接收端有固定中频的信号输出时，可以通过frf＝fif+flo计算出未知射频信号的频率。高频射频信号调制在电磁场传感器4后，经过结合的光电振荡器结构，最终变为中频的电信号，更便于信号的分析，也降低了使用高频分析设备的成本。同时，光电探测器10的输出信号中没有射频信号frf成分，即使高频电磁场信号和光电振荡器的振荡频率相近，或者可调射频带通滤波器7的q值不足够高，高频电磁场信号也不会进入光电振荡回路，造成对光电振荡器产生的本振信号的干扰，增加了本振信号和射频信号的隔离度。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。