经线性调频的任意微波信号的光子产生器件制造技术

本发明专利技术的一般领域为经线性调频的任意微波信号的光子产生器件，所述器件包括：激光器(1)、用于形成发射信号的组件(2)以及光接收器(3)，该光接收器(3)的带宽在微波频率的范围内。所述形成组件包括：第一光束分离器(20)；第一光通道，其包括移频回路，所述移频回路包括光束分离器(50)、第一光学放大器(60)、光学隔离器(70)、第一光谱滤波器(75)和声光移频器(80)；第二光通道，其包括光电移频器(30)；第二光束分离器(40)；第二光学放大器(90)；以及第二光学滤波器(100)；声光频移、光电频移和第一光学放大器的振幅增益可调。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】经线性调频的任意微波信号的光子产生器件
本专利技术的领域为微波信号的光子产生的领域，并且更具体地，为线性调频的微波信号(也称为“LFM(公开为MLF)”信号)的领域。这样的LMF信号也称为“任意”信号。在本说明书的其余部分，术语LFM指定信号的时域形式。这样的信号也称为“线性调频信号(chirp)”。这些信号的特点在于其中心频率或平均频率(有时称为其载波频率)以及其通带。通带通常定义为信号的最高频率和最低频率之间的差。在本案中，载波频率包括在1GHz和100GHz之间，通带包括在0和200GHz之间。
技术介绍
这种类型的微波信号的应用领域是多种多样的。举例来说，将涉及雷达领域、生物医学成像领域、健康领域、光谱学领域以及最后的射频元件表征领域。脉冲压缩雷达能够获得比与脉冲持续时间相对应的长度更短的非常好的空间分辨率。因此，避免了与短脉冲和强脉冲的产生、放大和发射相关的缺陷。由这些脉冲压缩雷达发射的信号为线性调频的微波信号。缩写为“FMCW”的雷达也是如此，“FMCW”意为“调频连续波”。具体地，这种类型的雷达可以用于健康领域，以不接触地监测诸如心律的生理参数。在生物医学成像领域，线性调频的微波信号能够通过测量生物组织的介电常数来确定生物组织的特性。此外，可以利用低能量的信号来工作。这些信号还尤其地特别适合于气态的大分子(诸如氨基酸或肽链)的光谱学。最后，可以使用这些信号来表征所有类型的射频元件。执行这种类型的表征的“SNA”(意为“标量网络分析仪”的缩写)或“VNA”(意为“矢量网络分析仪”的缩写)类型的当前设备，通常是笨重且昂贵的设备。通常，利用任意波形发生器(AWG)来创建任意信号。然而，任意信号的通带由模数转换器限制为40-100GHz。此外，AWG的使用受到其成本、信号发射时间的波动或“时间抖动”、以及这些装置的体积和耗电量的限制。更具体地，任意信号利用简单的“VCO”(意为“压控振荡器”的缩写)来产生，该“VCO”产生与输入电压成比例的频率信号。该技术的主要缺陷在于，所获得的通带限制为几GHz。此外，使用这种类型的发生器，其他微波源可能会导致寄生信号。为了克服由于电子系统的模数转换器的速度所导致的电子系统的通带的固有限制，一种称为微波光子学的新的研究领域在大约过去十年中得到了发展。读者可以参考如下的文章：J.Yao，标题为《微波光子学》(Microwavephotonics)，J.LightwaveTech.(2009)，用作关于该技术的附加信息。其原理为使用非常大通带(其可以大于10THz)的基于光纤的光学系统，然后将该通带转换为微波频率范围。举一个简单的示例，光探测器上两个光纤激光器的差拍产生微波信号，该微波信号的频率等于两个激光器的光频差。因此，获得在GHz-THz范围内的信号。此外，光学技术对电磁干扰不敏感，具有较低的耗电量和较小的体积。最后，通常与激光腔的机械稳定性相关的光脉冲序列的光谱纯度能够获得比电子方法的时间抖动量更小的时间抖动量。为了在高于1GHz的频率上产生LFM信号，已提出多个光子学解决方案。第一个解决方案为，在色散的光线上使用称为“FTTM”(意为“频率时间映射”的缩写)的技术。锁模飞秒或皮秒激光器产生短暂的宽光谱脉冲。频率滤波器在信号的频谱上施加线性调频。图1的左边部分示出了该脉冲根据时间t和根据频率f的振幅A。该脉冲被传递到称为GVD的色散线，GVD为“群速度色散”的缩写。在色散线的输出端，脉冲的时域形式再生成脉冲的频谱形式，如图1的右边部分可以看出。因此产生LFM信号或线性调频信号。作为变体，这种类型的光信号可以利用不相干源而产生。该解决方案具有一定的复杂度。所述第一个技术解决方案的变体为，利用余弦函数对光谱进行调制，然后使光谱通过非线性色散的介质传播。该介质可以为非线性的“线性调频”的布拉格光栅。该技术具有多个限制。既不能获得宽的通带，也不能容易地修改信号的持续时间或产生随时间增加的频率变化。第二个变体为，在色散干涉仪中对光谱进行调制。预先扩展的激光脉冲射入干涉仪，在干涉仪中的两个臂具有不同的群速度色散。射出时，光谱包含其间距线性变化的峰值和谷值，这导致在时域中对脉冲的光强度进行线性调频。该技术具有优于前述解决方案的某些优点。但是，所述系统仍需要锁模激光器，并且LFM的持续时间不容易调整。在第三变体中，激光器所产生的脉冲不仅在振幅上进行调制，而且在相位上进行调制。该技术能够获得较大的通带，但是仍具有本质的缺陷。重复率仍然受限，并且频率变化的持续时间和方向不可调。实施的装置，特别是飞秒激光器和调制器仍然复杂并且昂贵。产生LFM微波信号的第二个技术解决方案为，利用两个激光器。在第一种配置中，第一激光器发射单频连续波信号，第二激光器的脉冲经历线性调频。这两个激光器在光探测器上的差拍再现了微波范围中的光学线性调频。该技术的优点是相对简单，并且能够调整信号的持续时间、信号的中心频率的变化范围以及信号的通带。与此相反，对于较大的通带，激光器的线性调频的线性度是有问题的。该第二个解决方案的一个变体为，使第一激光器发射的短脉冲通过色散介质传播，从而使该脉冲中包含的频率色散。然后，色散的脉冲与第二激光器重新结合。这种技术以更高的技术复杂性、高成本和降低的灵活性为代价，实现了具有吸引力的性能水平。该技术的第一个变体为，使经历两种不同色散传播并因此经历两种不同光学线性调频的两个激光器差拍。然而，不管其灵活性如何，由于两个激光器之间没有可能的频率稳定性，更不必说相位稳定性，因此使用两个激光器的技术对于信号的高再现性是必需的应用是不可接受的，特别是对于脉冲间相干性为必需的雷达应用是不可接受的。
技术实现思路
更确切地说，本专利技术的主题为一种用于产生线性调频的任意微波信号的光子器件，所述器件按顺序包括：激光器，其以第一光频率发射连续波信号；用于频谱上和时域上形成所述连续波信号的组件；以及光接收器，其通带在微波频率的范围内，其特点在于，频谱和时域形成组件至少包括：-第一Y结光束分离器，其位于激光器的输出处；-第一光通道，其位于第一Y结光束分离器的第一分支的输出处，所述第一光通道为移频回路，所述移频回路包括X结光束分离器、位于X结光束分离器的两个分支之间的第一光学放大器、第一光学滤波器、光学隔离器和声光移频器；-第二光通道，其位于第一Y结光束分离器的第二分支的输出处，所述第二光通道包括光电移频器；-第二Y结光束分离器，其第一分支位于第一光通道的输出处，其第二分支位于第二光通道的输出处；-第二光学放大器，其位于第二Y结光束分离器的公共输出处；以及-第二光学滤波器，其位于第二光学放大器的输出和光接收器之间；至少，声光频移、光电频移和第一光学放大器的振幅增益可调。有利地，所有的或部分的器件为基于光纤的，所述激光器为基于光纤的，所述第一Y结光束分离器为第一Y结光耦合器，所述第二Y结光束分离器为第二Y结光耦合器，所述X结光束分离器为X结光耦合器。有利地，所有的或部分的器件为通过集成光学技术制造的。有利地，所有的或部分的器件为用分立光学部件制造的，所述第一Y结光束分离器为包括半涂银反射镜的第一立方体分离器，所述第二Y结光束分离器为包括半涂银反射镜的第二立方体分离器，所述X结光束分离器为包括半涂银反射本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于产生线性调频的任意微波信号的光子器件，所述器件按顺序包括：激光器(1)，其以第一光频率发射连续波信号；用于在频谱上和时域上形成所述连续波信号的组件(2)；以及通带在微波频率的范围内的光接收器(3)，其特征在于，频谱和时域形成组件至少包括：‑第一Y结光束分离器(20)，其位于激光器的输出处；‑第一光通道，其位于第一Y结光束分离器的第一分支的输出(22)处，所述第一光通道为移频回路，所述移频回路包括X结光束分离器(50)、位于X结光束分离器的两个分支之间的第一光学放大器(60)、第一光学滤波器(75)、光学隔离器(70)和声光移频器(80)；‑第二光通道，其位于第一Y结光束分离器的第二分支的输出(23)处，所述第二光通道包括光电移频器(30)；‑第二Y结光束分离器(40)，其第一分支(42)位于第一光通道的输出处，其第二分支(43)位于第二光通道的输出处；‑第二光学放大器(19)，其位于第二Y结光束分离器的公共输出(41)处；以及‑第二光学滤波器(100)，其位于第二光学放大器的输出和光接收器之间；至少，声光频移、光电频移和第一光学放大器的振幅增益可调。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.10.28 FR 15602941.一种用于产生线性调频的任意微波信号的光子器件，所述器件按顺序包括：激光器(1)，其以第一光频率发射连续波信号；用于在频谱上和时域上形成所述连续波信号的组件(2)；以及通带在微波频率的范围内的光接收器(3)，其特征在于，频谱和时域形成组件至少包括：-第一Y结光束分离器(20)，其位于激光器的输出处；-第一光通道，其位于第一Y结光束分离器的第一分支的输出(22)处，所述第一光通道为移频回路，所述移频回路包括X结光束分离器(50)、位于X结光束分离器的两个分支之间的第一光学放大器(60)、第一光学滤波器(75)、光学隔离器(70)和声光移频器(80)；-第二光通道，其位于第一Y结光束分离器的第二分支的输出(23)处，所述第二光通道包括光电移频器(30)；-第二Y结光束分离器(40)，其第一分支(42)位于第一光通道的输出处，其第二分支(43)位于第二光通道的输出处；-第二光学放大器(19)，其位于第二Y结光束分离器的公共输出(41)处；以及-第二光学滤波器(100)，其位于第二光学放大器的输出和光接收器之间；至少，声光频移、光电频移和第一光学放大器的振幅增益可调。2.根据权利要求1所述的用于产生任意微波信号的光子器件，其特征在于，所有的或部分的器件为基于光纤的，所述激光器为基于光纤的，所述第一Y结光束分离器为第一Y结光耦合器，所述第二Y结光束分离器为第二Y结光耦合器，所述X结光束分离器为X结光耦合器。3.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·吉耶德沙泰吕，J·阿萨尼亚，
申请(专利权)人：国家科学研究中心，格勒诺布尔阿尔卑斯大学，国家科学研究院，
类型：发明
国别省市：法国,FR