基於陣列波導光柵處理的毫米波頻譜分析儀的製作方法

2023-04-26 11:09:21

基於陣列波導光柵處理的毫米波頻譜分析儀的製作方法
【專利摘要】本發明提出了一種基於陣列波導光柵處理的毫米波頻譜分析儀。本發明通過將被測毫米波信號頻譜搬移到光波上，通過對該光波的頻譜分析來實現被測毫米波信號的頻譜分析。在本發明中：待測的毫米波信號通過高速電光調製被調製到窄線寬光波上；被調製後的光波通過光纖帶通濾波器，使得僅有第一級邊帶的信號光可以通過，其它部分被濾除；經過光纖濾波器的光信號進入陣列波導光柵，通過陣列波導光柵實現光信號在空間的色散；空間色散的光信號再通過物鏡分別聚焦到探測器陣列上，探測器的輸出結果再進入信號處理模塊中進行校正和處理，最終可以輸出被測毫米波信號的頻譜分布。
【專利說明】基於陣列波導光柵處理的毫米波頻譜分析儀
【技術領域】
[0001]本發明主要涉及基於陣列波導光柵處理的毫米波頻譜分析儀，通過將被測毫米波信號頻譜搬移到光波上，利用陣列波導光柵模塊實現光譜在空間上的分離和探測，以獲得被測毫米波頻譜分布。
【背景技術】[0002]陣列波導光柵是一種角色散型光無源器件，它基於平面光波迴路技術，在1988年由荷蘭Delf大學的M.K.Smit提出，之後日本的NTT公司正式將它命名為陣列波導光柵。陣列波導光柵由輸入波導、輸出波導、陣列波導和兩個平板波導(自由傳播區域)組成，併集成在同一襯底上。陣列波導光柵由於自身的多功能性能、低的製作成本、與半導體光器件的集成等優點，使之成為光纖通信和未來光子網絡中的重要元件。
[0003]陣列波導光柵的工作原理是:當多波長/寬頻帶的光信號被耦合到陣列波導光柵的輸入波導時，在羅蘭圓上，多波長/寬頻帶的光信號將聚焦在平板波導內並產生衍射的高斯束，衍射的高斯束投射到陣列波導的輸入口。在陣列波導內，由於任何相鄰陣列波導都有相等的長度差AL,這種結構將使陣列波導中傳輸的多波長/寬頻帶光信號產生與波長相關的不同相位差(相位延遲)，相應於△ L的相位偏移將強加在每個波導中傳輸的光信號上，使每個給定波長的信號以不同的波前傾斜聚焦在輸出平板波導的焦線上。如果通過設計正好把輸出波導的埠定位在輸出平板波導焦線上，則不同波前傾斜的光信號便耦合到輸出波導的不同信道中，從而實現了對不同波長/頻譜分量在空間上分離的功能。
[0004]毫米波頻譜分析儀是毫米波測量儀器中最為基礎、最常用的儀器之一，廣泛應用於電子對抗、航空航天、移動通信、廣播電視、科研生產等各種領域，是軍用和民用電子測試不可或缺的設備。隨著這些應用越來越向更高頻率發展，為解決頻率資源不足的問題，它的測量範圍已從RF頻段擴展到毫米波頻段。從原理上講，毫米波頻譜分析儀一般分為兩種類型。一種是快速傅立葉變換分析儀，它是一種動態信號分析儀，在一個特定時間周期內對信號進行快速傅立葉變換以獲得頻率、幅度和相位信息的，能夠分析周期和非周期信號，但是其工作頻譜範圍受到系統對毫米波信號的採樣率的限制，而無法實現對較高的毫米波信號進行頻譜的分析功能。另一種是毫米波掃頻調諧式分析儀，它是一種超外差接收機或是可調預選接收機，能對信號或由信號變換來的中頻信號進行實時分析，測量範圍一般可達50GHz以上。近年來，隨著對毫米波測量頻率範圍、靈敏度等指標不斷提高，超外差式頻譜分析儀以其較高的頻率解析度、較快的測量速度、相對較低的成本而得到廣泛應用。
[0005]頻譜儀在測量儀器中屬於高產值產品，開發投入較高，市場上的中高檔產品一直都為國外大公司所有。多數國產頻譜分析儀性能較低，適用頻段範圍窄，只能佔有部分低端市場。本發明中，採用基於陣列波導光柵處理，通過將被測毫米波信號調製到光波，利用陣列波導光柵實現調製光信號在空間分離和探測，最終獲得被測毫米波信號的頻譜分布圖。

【發明內容】
[0006]本發明提出了一種基於陣列波導光柵處理的毫米波頻譜分析儀:具有高達數十GHz的工作帶寬，但卻可以用很低帶寬的光子探測器來提取所需的被測毫米波信號的頻譜分布；通過將毫米波調製到光波上，利用陣列波導光柵進行光信息的不同頻譜分量在空間上的分離和探測，可極大降低毫米波頻譜分析儀對毫米波硬體處理的要求。
[0007]在本發明中:待測的毫米波信號通過高速電光調製被調製到窄線寬光波上；被調製後的光波通過光纖帶通濾波器，使得僅有第一級邊帶的信號光可以通過，其它部分被濾除；經過光纖濾波器的光信號此時進入陣列波導光柵，通過陣列波導光柵實現光信號在空間的色散；空間色散的光信號再通過物鏡分別聚焦到探測器陣列上，每個探測器的輸出對應一個波長/頻率的光強；探測器的輸出結果再進入信號處理模塊中進行校正和處理，最終可以輸出被測毫米波信號的頻譜分布。
[0008]本發明主要採陣列波導光柵實現對被測毫米波信號的頻譜分析功能，具體採用如下技術方案:
[0009]發明提出如圖1所示的基於陣列波導光柵處理的毫米波頻譜分析儀，由窄線寬雷射器，電光調製器，光纖濾波器，陣列波導光柵模塊，物鏡，光電探測器陣列，信號處理器組成。
[0010]在本發明中，系統各個部分說明如下:
[0011](I)所述的窄線寬雷射器產生頻率恆定的光載波信號，被測毫米波信號通過電光調製器對所述的光載波信號進行調製，使得電光調製器輸出的調製光信號中含有被測毫米波信號頻譜分布信息；
[0012](2)所述的電光調製器，其調製方式為相位調製，其工作頻率範圍必須包括被測毫米波信號的頻率範圍，且經過電光調製器的調製光信號包括了調製載波光信號，第一級邊帶光信號，第二級及以上邊帶光信號；
[0013](3)所述的光纖濾波器，是一個帶通濾波器，其通帶範圍為第一級邊帶光信號所包含的頻率範圍，其作用是只允許第一級邊帶光信號可以通過，而調製載波光信號和第二級及以上邊帶光信號無法通過；
[0014](4)所述的陣列波導光柵模塊，主要實現對第一級邊帶光信號所包含的各頻率分量在空間上分離，使得各頻率分量分別聚焦到陣列波導光柵模塊的輸出端面的不同位置；
[0015](5)所述的光電探測器陣列，用於探測陣列波導光柵模塊輸的出經過物鏡重新聚焦的各頻率分量；
[0016](6)所述的信號處理器，獲得光電探測器陣列輸出信號，進行分析和處理即可獲得被測毫米波信號的頻譜分布圖。
[0017](7)所述的第一級邊帶光信號與被測毫米波信號在頻譜分布上是一一對應的，測量第一級邊帶光信號的頻譜分布即可獲得被測毫米波信號的頻譜分布。
[0018](8)所述的基於陣列波導光柵處理的毫米波頻譜分析儀，其頻譜解析度為所述的陣列波導光柵模塊的信道間隔，其測量頻譜範圍受到所述的陣列波導光柵模塊的自由光譜範圍的約束。
[0019]本發明的主要特色:運用陣列波導光柵處理技術，實現對被測毫米波調製光信號頻譜的在空間上的分離和探測，最終實現毫米波信號頻譜測量與分析目的。
[0020]本發明的效益與應用前景:可應用於遙感、精密測量、安全監測，寬帶無線接入網絡、傳感網絡、雷達、衛星通信、儀表儀器測量和國防軍事等領域實現毫米波信號頻譜分析的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發明基於陣列波導光柵處理的毫米波頻譜分析儀組成圖【具體實施方式】
[0022]如圖1所示，窄線寬雷射器I可採用Koheras公司的Adjustik E15連續波窄線寬光纖雷射器，所產生的光束進入高速相位型的電光調製器2，並被測毫米波信號3所調製，被測毫米波信號3的最大頻率不超過電光調製器2的調製帶寬。電光調製器2輸出的調製後的光束經一個帶通型的光纖濾波器4。光纖濾波器4的輸出光譜只包含有調製後的光束的第一級邊帶光信號，該光信號被輸入到一個陣列波導光柵模塊5中。陣列波導光柵模塊5是一個單端輸入型的器件，其作用是使得輸入光信號的各個頻譜分離在空間上分離和探測，以實現對輸入光譜的分析，進而實現對被測毫米波信號3的頻譜的分析。陣列波導光柵模塊5的通道間隔決定了本發明光譜儀的頻譜解析度，其自有光譜範圍決定了本發明光譜儀的測量範圍。經過陣列波導光柵模塊5處理後輸出的光信號經過物鏡6後最終進入光電探測器陣列7，被探測輸出到信號處理器8中。在信號處理器8中，通過結合各器件參數，最終計算獲得被測毫米波信號3的頻譜分布圖。
[0023]選擇窄線寬雷射器I的中心波長為1536.6100nm，被測毫米波信號3的頻譜範圍為30GHfl50GHz，則電光調製器2的調製帶寬應該選擇大於150GHz的器件，光纖濾波器4的通帶範圍選擇為1535.4303nnTl536.3739nm。若根據輸入波長設計的陣列波導光柵模塊5的通帶間隔為0.5GHz,自由光譜範圍為160GHz，則最的頻譜解析度為0.5GHz。
【權利要求】
1.一種基於陣列波導光柵處理的毫米波頻譜分析儀，包括: 窄線寬雷射器(1)，電光調製器(2)，光纖濾波器(4)，陣列波導光柵模塊(5)，物鏡(6)，光電探測器陣列(7)，信號處理器(8)； 所述的基於陣列波導光柵處理的毫米波頻譜分析儀，其特徵在於: (a)所述的窄線寬雷射器產生頻率恆定的光載波信號，被測毫米波信號通過電光調製器對所述的光載波信號進行調製，使得電光調製器輸出的調製光信號中含有被測毫米波信號頻譜分布信息； (b)所述的電光調製器，其調製方式為相位調製，其調製帶寬不小於被測毫米波信號的最高頻率，且經過電光調製器的調製光信號包括了調製載波光信號，第一級邊帶光信號，第二級及以上邊帶光信號； (c)所述的光纖濾波器，是一個帶通濾波器，其通帶範圍為第一級邊帶光信號所包含的頻率範圍，其作用是只允許第一級邊帶光信號可以通過，而調製載波光信號和第二級及以上邊帶光信號無法通過； (d)所述的陣列波導光柵模塊，主要實現對第一級邊帶光信號所包含的各頻率分量在空間上分離，使得各頻率分量分別聚焦到陣列波導光柵模塊的輸出端面的不同位置； (e)所述的光電探測器陣列，用於探測陣列波導光柵模塊輸的出經過物鏡重新聚焦的各頻率分量； (f)所述的信號處理器，獲得光電探測器陣列輸出信號，進行分析和處理即可獲得被測毫米波信號的頻譜分布 圖。
2.根據權利要求1所述的基於陣列波導光柵處理的毫米波頻譜分析儀，所述的第一級邊帶光信號與被測毫米波信號在頻譜分布上是一一對應的，測量第一級邊帶光信號的頻譜分布即可獲得被測毫米波信號的頻譜分布。
3.根據權利要求1所述的基於陣列波導光柵處理的毫米波頻譜分析儀，其頻譜解析度為所述的陣列波導光柵模塊的信道間隔，其測量頻譜範圍受到所述的陣列波導光柵模塊的自由光譜範圍的約束。
【文檔編號】G01R29/08GK103837749SQ201210478710
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年11月22日 優先權日:2012年11月22日
【發明者】何雲濤, 付新宇, 黃海平, 江月松 申請人:北京航空航天大學