一种基于保偏光纤双折射效应的单支路探测瞬时频率测量系统

1.本发明涉及微波光子学、光电子器件领域，具体地讲是一种基于单支路探测的瞬时频率测量系统。


背景技术：

2.瞬时频率测量(ifm，instantaneous frequency measurement)技术作为微波检测技术的一门分支，由于其基于电子学的实现方式遭遇电子瓶颈，已经无法满足日益增长的需求。而微波光子技术的发展为ifm提供了新的视角，相较传统电子学方法而言具有宽工作频段、大瞬时带宽、远程式分布采集以及强抗电磁干扰的特性。因此，基于微波光子学的测频研究逐渐成为该领域下的一大研究热点。目前基于光子技术实现的ifm系统按实现方式可大致分为频率-空间映射、频率-相位斜率映射、频率-时间映射和频率-功率映射四类。研究发现,采用频率-功率映射法易于在较宽的频段范围内实现对待测微波信号频率的实时检测,且利用该方法实现的系统结构紧凑、易于集成,受到了国内外学者的广泛关注。2019年，chengwu yang等人利用一个相位调制器和一个强度调制器结合色散光纤提出了一个可级联的ifm系统("photonic-assisted instantaneous frequency measurement system based on a scalable structure,"ieee photonics journal,vol.11,pp.5501411-1439,2019)，但是该方案的测量精度受射频功率波动影响较大。2020年，hao zhang等人提出了一种基于氮化硅环辅助的马赫曾德尔干涉仪的大范围高精度实现方案("a microwave frequency measurement system based on si3n
4 ring-assisted mach-zehnder interferometer,"ieee photonic journal,vol.12,pp.7102213,2020)，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。2020年，本研究所的j.l等人提出了一种基于双偏振强度调制器的光功率检测ifm方案("measurement of instantaneous microwave frequency by optical power monitoring based on polarization interference,"journal of lightwave technology,vol.38,pp.2285-2291,2020.)，实现了频率范围和精度可调的ifm方案，该系统优点在于不受射频功率影响并且不需要考虑光源波长漂移的问题。但是该方案采用了一个复杂的调制器，需要考虑多个偏置漂移问题，稳定性降低。除此之外，事实上目前大多数基于频率-功率映射方法的ifm系统大多为双支路探测从而得到振幅比较函数，这会使得引入过多重复的光电设备，从而给系统带来更大的扰动。


技术实现要素：

3.本发明提出了一种基于保偏光纤双折射效应的单支路探测的瞬时频率测量系统。在本方案中，仅采用一个简单的马赫曾德尔调制器对来自连续波光源的光进行调制以后注入保偏光纤中，利用保偏光纤的双折射效应使得调制信号的两个偏振态正交且引入一个固定时延。在通过光电探测器后直接由电信号处理模块获得其交流功率和直流功率的值，从
而构建振幅比较函数。在固定的时延下，基于振幅比较函数的关系，不同频率的微波信号其振幅比较函数的值不同，从而实现对未知微波信号的瞬时频率测量。本发明：1改进了大多数方案使用双支路构建频率映射关系的方法，采用单支路检测避免引入过多设备引入系统噪声；2避免使用光滤波以及干涉结构，有助于抵消光源中心波长漂移的影响；3通过更换不同长度的保偏光纤，可以实现系统测频范围的调谐。本发明可应用于微波检测领域，对实现简单化大带宽高精度的瞬时频率测量具有重要的参考价值。
4.本发明的技术方案：
5.一种基于保偏光纤双折射效应的单支路探测瞬时频率测量系统，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、马赫曾德尔调制器、射频信号源、偏置电压源、第二偏振控制器、保偏光纤、光电探测器、电处理模块；具体连接方式为：
6.连续波激光器的光输出端与第一偏振控制器的光输入端相连，第一偏振控制器的光输出端接马赫曾德尔调制器的光输入端，射频信号源的输出端接马赫曾德尔调制器的射频输入端，偏置电压源的输出端接马赫曾德尔调制器的偏置输入端，马赫曾德尔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保偏光纤的输入端，保偏光纤的输出端接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端接电处理模块的输入端。
7.偏置电压源输出直流电压，使马赫曾德尔调制器工作于最小传输点。
8.第二偏振控制器对马赫曾德尔调制器输出激光的偏振态进行调节，使其与保偏光纤的快慢轴呈45度角。
9.马赫曾德尔调制器的调制系数m取值要满足小信号调制，0.1≤m≤0.3。
10.设定保偏光纤的拍长lb＝3mm,长度l的取值范围应满足以下条件，6m≤l≤12m。
11.本发明的具体工作原理如下：
12.在小信号调制条件下，可以获得调制信号表达式为
13.eo(t)＝e
inejωt
sin[mcos(ωt)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0014]
其中e
in
和ω分别代表光载波的幅度和角频率,是调制系数(其中v
π
表示马赫曾德尔调制器的半波电压，ω＝2πf
rf
表示未知微波信号的角频率)。为了保证调制器工作在最小偏置点，需设置偏置电压源使得输出电压v
bias
＝v
π
。之后调制信号经第二偏振控制器的偏振角度45
°
对准后注入保偏光纤，调制信号在此保偏光纤内完成了偏振复用，且两个正交的偏振信号之间产生了相对时延。保偏光纤的光信号输出为：
[0015][0016]
其中τ≈λl/clb是保偏光纤双折射效应所引起(其中λ是波长,l是光纤长度，lb是保偏光纤拍长，c是真空光速)。
[0017]
从保偏光纤中出来的光信号送入光探测器进行探测,得到光电流。光电流的大小与探测器的输入光信号功率呈正比。由于待测微波信号功率很小，可直接考虑一次谐波项与直流项:
[0018][0019]
其中r为光探测器的灵敏度,最终在电处理模块中获得光电流信号的交流功率和直流功率：
[0020][0021]
通过比较交流功率与直流功率，可以得到振幅比较函数(acf)为：
[0022][0023]
利用该数学关系，可以得到微波信号功率与频率之间的具体关系，通过检测光电流交直流功率的方式实现对待测微波信号频率的瞬时测量。
[0024]
本发明的有益效果具体如下：
[0025]
本发明充分利用保偏光纤的双折射效应，以微波光子学方法实现了基于单支路探测的瞬时频率测量，该系统仅采用单支路检测光电流的交直流分量，获得幅度比较函数与待测信号频率的函数关系，避免引入过多设备，从而有效提高系统精度。本系统结构结构简单，稳定性高，不受光源波长漂移的影响，且更换不同长度的保偏光纤可以调节系统的测频范围和测量误差。
附图说明
[0026]
图1一种基于保偏光纤双折射效应的单支路探测瞬时频率测量系统示意图。
[0027]
图2为实施例一固定保偏光纤的长度l＝6m对应的功率频率映射曲线。
[0028]
图3为实施例二固定保偏光纤的长度l＝9m对应的功率频率映射曲线。
[0029]
图4为实施例三固定保偏光纤的长度l＝12m对应的功率频率映射曲线。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图和实施例来对本发明做进一步描述。
[0031]
实施例一：
[0032]
一种基于保偏光纤双折射效应的单支路探测瞬时频率测量系统如图1所示，包括连续波激光器1、第一偏振控制器2、马赫曾德尔调制器3、射频信号源4、偏置电压源5、第二偏振控制器6、保偏光纤7、光电探测器8、电处理模块9；
[0033]
具体连接方式为：
[0034]
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的光输出端接马赫曾德尔调制器3的光输入端，射频信号源4的输出端接马赫曾德尔调制器3的射频输入端31，偏置电压源5的输出端接马赫曾德尔调制器3的偏置输入端32，马赫曾德尔调制器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的光输出端接保偏光纤7的输入端，保偏光纤7的输出端接光电探测器8的输入端，光电探测器8的输出端接电处理模块9的输入端。
[0035]
偏置电压源5输出直流电压，使马赫曾德尔调制器3工作于最小传输点。
[0036]
第二偏振控制器6对马赫曾德尔调制器3输出激光的偏振态进行调节，使其与保偏光纤7的快慢轴呈45度角。
[0037]
马赫曾德尔调制器3的调制系数m＝0.1。
[0038]
设定保偏光纤7的拍长lb＝3mm,长度l＝6m。
[0039]
上述条件设置后，由射频信号源4输出待测微波信号，角频率为ω，通过马赫曾德尔调制器3调制，后经第二偏振控制器6和保偏光纤7进行偏振延时复用，经光电探测器8得到光电流，最后送入电处理模块9分别得到其交流功率和直流功率的比值，即振幅比较函数为acf＝1/2cos2(ωτ)。利用该数学关系，可以得到射频功率与频率之间的具体关系，如图2所示，如图所示单调关系所对应的频率范围0～25ghz，该频率范围为保偏光纤7引入延迟τ＝10ps条件下本系统的实际频率范围，通过采用单支路探测检测光电流交直流功率的方式实现对待测微波频率0～25ghz信号的瞬时测量。
[0040]
实施例二：
[0041]
一种基于保偏光纤双折射效应的单支路探测瞬时频率测量系统如图1所示，包括连续波激光器1、第一偏振控制器2、马赫曾德尔调制器3、射频信号源4、偏置电压源5、第二偏振控制器6、保偏光纤7、光电探测器8、电处理模块9；
[0042]
具体连接方式为：
[0043]
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的光输出端接马赫曾德尔调制器3的光输入端，射频信号源4的输出端接马赫曾德尔调制器3的射频输入端31，偏置电压源5的输出端接马赫曾德尔调制器3的偏置输入端32，马赫曾德尔调制器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的光输出端接保偏光纤7的输入端，保偏光纤7的输出端接光电探测器8的输入端，光电探测器8的输出端接电处理模块9的输入端。
[0044]
偏置电压源5输出直流电压，使马赫曾德尔调制器3工作于最小传输点。
[0045]
第二偏振控制器6对马赫曾德尔调制器3输出激光的偏振态进行调节，使其与保偏光纤7的快慢轴呈45度角。
[0046]
马赫曾德尔调制器3的调制系数m＝0.2。
[0047]
设定保偏光纤7的拍长lb＝3mm,长度l＝9m。
[0048]
上述条件设置后，由射频信号源4输出待测微波信号，角频率为ω，通过马赫曾德尔调制器3调制，后经第二偏振控制器6和保偏光纤7进行偏振延时复用，经光电探测器8得到光电流，最后送入电处理模块9分别得到其交流功率和直流功率的比值，即振幅比较函数为acf＝1/2cos2(ωτ)。利用该数学关系，可以得到射频功率与频率之间的具体关系，如图3所示，如图所示单调关系所对应的频率范围0～16.7ghz，该频率范围为保偏光纤7引入延迟τ＝15ps条件下本系统的实际频率范围，通过采用单支路探测检测光电流交直流功率的方式实现对待测微波频率0～16.7ghz信号的瞬时测量。
[0049]
实施例三：
[0050]
一种基于保偏光纤双折射效应的单支路探测瞬时频率测量系统如图1所示，包括连续波激光器1、第一偏振控制器2、马赫曾德尔调制器3、射频信号源4、偏置电压源5、第二偏振控制器6、保偏光纤7、光电探测器8、电处理模块9；
[0051]
具体连接方式为：
[0052]
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的光输出端接马赫曾德尔调制器3的光输入端，射频信号源4的输出端接马赫曾德尔调制器3的射频输入端31，偏置电压源5的输出端接马赫曾德尔调制器3的偏置输入端32，马赫曾德尔调制器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的光输出端接保偏光纤7的输入端，保偏光纤7的输出端接光电探测器8的输入端，光电探测器8的输出端接电处理模块9的输入端。
[0053]
偏置电压源5输出直流电压，使马赫曾德尔调制器3工作于最小传输点。
[0054]
第二偏振控制器6对马赫曾德尔调制器3输出激光的偏振态进行调节，使其与保偏光纤7的快慢轴呈45度角。
[0055]
马赫曾德尔调制器3的调制系数m＝0.3。
[0056]
设定保偏光纤7的拍长lb＝3mm,长度l＝12m。
[0057]
上述条件设置后，由射频信号源4输出待测微波信号，角频率为ω，通过马赫曾德尔调制器3调制，后经第二偏振控制器6和保偏光纤7进行偏振延时复用，经光电探测器8得到光电流，最后送入电处理模块9分别得到其交流功率和直流功率的比值，即振幅比较函数为acf＝1/2cos2(ωτ)。利用该数学关系，可以得到射频功率与频率之间的具体关系，如图4所示，如图所示单调关系所对应的频率范围0～12.5ghz，该频率范围为保偏光纤7引入延迟τ＝20ps条件下本系统的实际频率范围，通过采用单支路探测检测光电流交直流功率的方式实现对待测微波频率0～12.5ghz信号的瞬时测量。