片上集成相位编码微波信号产生系统及产生方法

本发明涉及一种微波光子信号产生系统，具体地说是一种片上集成相位编码信号产生系统及产生方法。

背景技术：

1、脉冲压缩技术是解决雷达应用中探测距离与距离分辨率之间矛盾的一个重要手段。其中，对发射信号进行相位编码，是具有广泛应用前景的一种脉冲压缩方法。与电学产生方式相比，光子产生的相位编码微波信号具有许多优点，包括更大的带宽和对电磁干扰的免疫力。目前，已有产生相位编码微波信号的方式有很多，几种典型的方法如下：

2、1)基于光脉冲整形和频率-时间映射。该方法是通过自由空间与光纤之间进行耦合，其系统复杂且有损耗，且由于所产生的微波信号时间孔径有限，其探测范围也因此受限。

3、2)利用两个不同波长的相干光，对其中一个波长的光进行相位调制。该方法为了分离这两个波长的光，需要使用滤光器或一段保偏光纤，这就限制了生成相位编码射频信号的可调性。

4、3)基于锁模激光器和滤光器产生相位编码信号。该方法在的相位编码信号实际上是在电域中产生的，所以时间带宽积很小。

5、4)基于载波抑制调制和相位调制产生相位编码微波信号。该方法是通过载波抑制调制产生的两个边带被波长相关器件分割，从而对一个边带执行相位调制。然后在光电探测器(pd)处对这两个边带进行重组和外差，以产生相位编码的微波信号。该方案的关键是，需要一个高q滤光器来有效地分割两个边带，这通常是不稳定的，并且具有很小的操作带宽。还有其他方法将载波抑制调制信号的两个边带映射到两个正交的极化方向，然后进行极化调制来产生相位编码的微波信号。

6、上述这些方法所使用的信号产生系统通常只能工作在单一的微波频率处，因为使两个边带正交极化的方法是基于一定长度的保偏光纤或特定的保偏光纤布拉格光栅(fbg)。

技术实现思路

1、本发明的目的之一就是提供一种片上集成相位编码微波信号产生系统，以解决现有微波光载相位编码产生系统所存在的结构复杂和输出频率单一的问题。

2、本发明的目的之二就是提供一种片上集成相位编码微波信号产生方法，以实现180°相位差的快速相位编码微波信号的生成。

3、本发明的目的之一是这样实现的：

4、一种片上集成相位编码微波信号产生系统，包括：

5、激光器，通过光纤连接偏振控制器，为系统提供光载波信号；

6、偏振控制器，通过光纤分别与激光器和第一芯片端面耦合器相接，用于控制光载波信号的偏振状态，使光载波信号能以偏振态进入薄膜铌酸锂光芯片，从而提高光耦合效率和传输特性；

7、第一芯片端面耦合器，通过光纤分别与偏振控制器和薄膜铌酸锂光芯片中的相位调制器相接，用于将偏振态的光载波信号耦合送入相位调制器；

8、薄膜铌酸锂光芯片，内置有相位调制器和电调微环谐振器；所述相位调制器的输入端接第一芯片端面耦合器，其输出端接电调微环谐振器，其rf输入电极接微波源；所述相位调制器用于对输入的光载波信号进行调制，并将微波源输出的微波调制信号加载到光载波信号上，以产生正一阶边带和负一阶边带，从而形成相位调制光信号；所述电调微环谐振器的输入端与相位调制器相接，其输出端与第二芯片端面耦合器相接，其控制端与信号发生器相接；所述电调微环谐振器用于接收相位调制器输出的相位调制光信号以及信号发生器发出的周期性编码的电压信号，通过对微环谐振峰的位置进行周期性控制，以滤除相位调制光信号中的正一阶边带或负一阶边带；

9、微波源，其输出端与薄膜铌酸锂光芯片中的相位调制器的rf输入电极相接，用于向相位调制器输出微波调制信号；

10、信号发生器，其输出端与薄膜铌酸锂光芯片中的电调微环谐振器的控制端相接，用于向电调微环谐振器施加周期性编码的电压控制信号，以控制微环谐振峰的位置；

11、第二芯片端面耦合器，通过光纤分别与电调微环谐振器和光纤放大器相接，用于将电调微环谐振器输出的单边带相位调制光信号耦合输出到光纤放大器；

12、光纤放大器，通过光纤分别与第二芯片端面耦合器和光纤隔离器相接，用于对经电调微环谐振器滤波后的单边带相位调制光信号进行放大，以补偿端面耦合损耗，增大进入光电探测器的信号功率；

13、光纤隔离器，通过光纤分别与光纤放大器和光电探测器相接，用于保证光纤放大器输出的光信号的定向传输，以免对其造成损坏；以及

14、光电探测器，其输入端通过光纤与光纤隔离器相接，用于将输入的光信号转换成微波电信号进行输出。

15、本发明的目的之二是这样实现：

16、一种片上集成相位编码微波信号产生方法，包括以下步骤：

17、s1、设置本发明所述的片上集成相位编码微波信号产生系统。

18、s2、激光器向偏振控制器发射光载波信号，偏振控制器对输入的光载波信号施加偏振控制，以控制所通过的光载波信号的偏振状态；第一芯片端面耦合器将偏振态的光载波信号耦合送入薄膜铌酸锂集成光芯片中的相位调制器，相位调制器对输入的光载波信号进行调制，并将微波源输出的微波调制信号加载到光载波信号上，以产生正一阶边带和负一阶边带，从而形成相位调制光信号，并输出到薄膜铌酸锂集成光芯片中的电调微环谐振器；信号发生器向电调微环谐振器施加周期性编码的电压控制信号，以对微环谐振峰的位置进行周期性控制，使电调微环谐振器滤除相位调制光信号中的正一阶边带或负一阶边带，形成单边带相位调制光信号；单边带相位调制光信号经第二芯片端面耦合器耦合输出到光纤放大器，光纤放大器对输入的光信号进行放大，以补偿端面耦合损耗；放大后的光信号经光电隔离器的定向传输后，输入光电探测器，由光电探测器将其转换为微波电信号进行输出。

19、进一步地，信号发生器发出的电压控制信号的高低电平与薄膜铌酸锂光芯片中的电调微环谐振器相邻两个谐振峰的间距与相位调制光信号中的相邻的正一阶边带和负一阶边带的距离相对应。

20、本发明微波信号产生系统是由激光器、偏振控制器、薄膜铌酸锂光芯片、光纤放大器和光电探测器依次相连所组成的链路。本发明微波信号产生系统能够产生相位编码信号的原因是：1、相位调制器输出光信号的正一阶边带与负一阶边带的相位差为180°；2、所述电调微环谐振器满足谐振波长高速可调谐。电调微环谐振器相邻的两个限波谐振波长分别用于抑制相位调制器生成调制信号的正一阶边和负一阶边带；电调微环谐振器施加电压值由施加于相位调制器rf端的射频频率以及激光器波长共同决定；链路输出的相位编码信号编码形式由信号发生器生成的驱动信号的高低电平的编码形式所决定；系统加载到载波上的rf信号频率即为输出相位编码信号频率，因此，系统输出的相位编码信号的频率是由加载到载波信号上微波信号的频率所决定的。

21、为实现两个谐振峰分别抑制其正一阶边带和负一阶边带，谐振峰与相位调制信号边带距离不可太大，因此输出相位编码信号频率也受制于电调微环谐振器自由光谱范围。

22、本发明中，相位调制器所输出的相位调制光信号包含有载波信号以及正一阶边带和负一阶边带。经电调微环谐振器后，由光电探测器pd转换为的电流可表示为：

23、

24、其中，r为光电探测器pd的灵敏度；pc为经微环后进入pd光信号的功率。j1(β)＝–j-1(β)为第一类贝塞尔函数的正一阶和负一阶系数h(ω)为微环传输函数，当ω-1＝ωc–ωrf时，h(ω1)对应微环在负一阶边带频率位置的传输函数；当ω1＝ωc+ωrf时，h(ω-1)对应微环在正一阶边带频率位置的传输函数。式(1)中前半部分为正一阶边带与载波拍频得到的电流，后半部分为负一阶边带与载波拍频得到的电流。当未给微环施加电压信号时：

25、h(ω1)＝h(ω-1)     (2)

26、因此，将此相位调制器的输出直接利用光电探测器探测，正一阶边带和载波的拍频将会与负一阶边带与载波的拍频完全抵消，除了拍频产生的直流外将不会有任何信号的输出。需滤除其中的一阶边带，才能得到拍频信号。本发明中，使用电调微环谐振器实现这一功能。

27、本发明中信号发生器控制电调微环谐振器谐振峰的位置，当电压控制信号为低电平v1即s(t)＝0时，电调微环谐振器第n个谐振峰对准并滤除相位调制光信号负一阶边带。相位调制光信号经过微环，此时，理想状态下，式(1)中h1(ω-1)＝0。因此，光电探测器pd所转换的光电流可表示为：

28、

29、当施加给电调微环谐振器的电压为v2即s(t)＝1时，对应电调微环谐振器第n+1个谐振峰滤除相位调制光信号正一阶边带。此时，理想状态下，式(1)中h(ω1)＝0。因此，pd转换为的光电流可表示为：

30、

31、对于电调微环谐振器，除却陷波点，其余波长处的幅值基本一致，因此：

32、h＝h1(ωc)h1(ω1)＝h2(ωc)h2(ω-1)    (5)

33、将式(5)分别代入式(3)和式(4)，可得：

34、

35、从式(6)中可以看出，状态“1”和状态“0”之间获得了180°相移，因此，可以产生相位编码微波信号。同时，如改变加载到载波上的微波信号频率，也可改变输出相位编码信号频率。

36、本发明微波信号产生系统产生的相位编码信号由电调微环谐振器相邻两个谐振峰陷波产生，所以具有调谐幅度小和产生信号频率高的优点。另外，信号发生器向电调微环谐振器发送低频编码控制电压信号，对输出相位编码信号相位跳变的周期性进行控制，由此可实现输出相位编码信号码型的灵活定义。本发明可产生高频且频率可调的相位编码微波信号，具有电压调谐范围小，编码灵活，系统结构简单等特点。