基于光波分復(fù)用技術(shù)的可編程波束成形網(wǎng)絡(luò)的制作方法
【專利摘要】一種基于光波分復(fù)用技術(shù)的超寬帶大動(dòng)態(tài)范圍的可編程波束成形網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)包括：波分復(fù)用器、光電調(diào)制器、1×2光開關(guān)、2×2光開關(guān)、光放大器、環(huán)形器、法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和光纖真時(shí)延遲線。本發(fā)明可以產(chǎn)生相干的不同相位延遲的微波載波信號(hào)，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)電控相控陣?yán)走_(dá)中電移相器的功能，極大的消除了傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)中的孔徑效應(yīng)，具有超寬帶，大動(dòng)態(tài)范圍，可編程控制等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】基于光波分復(fù)用技術(shù)的可編程波束成形網(wǎng)絡(luò)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微波光子學(xué)領(lǐng)域的裝置，具體是一種基于光波分復(fù)用技術(shù)的超寬帶大動(dòng)態(tài)范圍的可編程波束成形網(wǎng)絡(luò)。
【背景技術(shù)】
[0002]相控陣天線系統(tǒng)在諸如雷達(dá)，通信系統(tǒng)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，其中一個(gè)必不可少的組成部分就是相位延遲的波束成形網(wǎng)絡(luò)。在傳統(tǒng)的電控相控陣天線中，每個(gè)天線單元上都設(shè)置一個(gè)電的移相器，用以改變天線單元之間信號(hào)的相位關(guān)系，從而為相控陣?yán)走_(dá)提供不同相位差的相干微波信號(hào)。然而，傳統(tǒng)的電控相控陣?yán)走_(dá)受限于相控陣天線的“孔徑效應(yīng)”(參見張光義，趙玉潔，相控陣?yán)走_(dá)技術(shù).北京:電子工業(yè)出版社，2006.12:390-392)，即信號(hào)頻率變化會(huì)引起波束指向的偏移，從而限制了雷達(dá)的帶寬，只能在相對(duì)較窄的信號(hào)帶寬下進(jìn)行掃描，限制了其寬帶寬角度掃描方面的性能，從而制約了相控陣天線在復(fù)雜環(huán)境和高性能領(lǐng)域的應(yīng)用 。這對(duì)于要完成高分辨率測量的雷達(dá)、雷達(dá)成像及擴(kuò)頻信號(hào)雷達(dá)來說都是巨大的缺陷。
[0003]隨著微波光子學(xué)技術(shù)的發(fā)展及其在雷達(dá)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，光控相控陣天線通過采用真時(shí)延遲線技術(shù)有效地抵消孔徑渡越時(shí)間的限制(參見 1.Frigyes and A.Seeds, "Optical Iy generated true-time delay inphased-array antennas,^Microwave Theory and Techniques,IEEE Transactionson, vol.43，pp.2378-2386，1995.)。使用光控波束形成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的光控相控陣天線波束的形成與掃描，具有大的瞬時(shí)帶寬、無波束斜視效應(yīng)、低損耗、小尺寸、抗電磁干擾、探測距離遠(yuǎn)等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為相控陣?yán)走_(dá)發(fā)展的一個(gè)重要方向。
[0004]光控相控陣?yán)走_(dá)的核心部分是能夠產(chǎn)生真時(shí)延遲的波束成形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。現(xiàn)階段國內(nèi)外主流的光控相控陣天線的真時(shí)延遲方案包括色散結(jié)構(gòu)和光纖真時(shí)延遲線結(jié)構(gòu)兩種。其中，色散結(jié)構(gòu)的構(gòu)成方式又有多種方法，諸如:光纖光柵(參見c.Fan, S.Huang, X.Gao, J.Zhou, W.Guj and H.Zhang，"Compact high frequencytrue-time-delay beamformer usingbidirectional reflectance of the fiber gratings，"Optical Fiber Technology, vol? 19，pp.60-65，2013.)，高色散光纖(參見 M.Y.Chen, "Hybrid photonic true-time delaymodules for quas1-continuous steering of 2-Dphased-array antennas, 〃Journalof Lightwave Technology, vol.31，pp.910-917，2013.)等；光纖真時(shí)延遲線結(jié)構(gòu)的構(gòu)成又包括兩個(gè)方向:單純的通過切換光開關(guān)來改變光纖真時(shí)延遲線長度的結(jié)構(gòu)(參見B.-M.Jung, D.-H.Kimj 1.-P.Jeon, S.-J.Shin, and H.-J.Kim, "Optical true time-delaybeamformer based on microwave photonics for phased array radar,〃in20113rdInternational Asia-Pacific Conference on Synthetic Aperture Radar，APSAR2011，September26, 2011-September30, 2011，Seoul, Korea, Republic of,2011，pp.824-827.)和波分復(fù)用器與光纖真時(shí)延遲線組合的結(jié)構(gòu)(參見0.Razj S.Barzilay, R.Rotman, andM.Turj"Submicrosecond scan-angle switching photonic beamformer with flat RFresponse in the C and Xbands，"Journal of Lightwave Technology, vol.26, pp.2774-2781,2008.)。采用多路波分復(fù)用光延時(shí)技術(shù)可以極大的簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一個(gè)多波長波束成形網(wǎng)絡(luò)裝置，從而產(chǎn)生一個(gè)超寬帶大動(dòng)態(tài)范圍且可編程的光延時(shí)網(wǎng)絡(luò)。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0007]—種基于光波分復(fù)用技術(shù)的超寬帶大動(dòng)態(tài)范圍的可編程波束成形網(wǎng)絡(luò)，特征是其構(gòu)成包括:第一波分復(fù)用器、第二波分復(fù)用器、光電調(diào)制器、第一 1X2的光開關(guān)、第二 1X2的光開關(guān)和多級(jí)延遲單元及延遲單元之間的連接組件，該連接組件為四端口連接組件。
[0008]所述的延遲單元包括環(huán)形器、組件、波分復(fù)用器、光纖真時(shí)延遲線和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡；所述的環(huán)形器的2端口經(jīng)所述的組件接所述的波分復(fù)用器相連實(shí)現(xiàn)光波解復(fù)用后，不同通道經(jīng)過具有不同延遲量的光纖真時(shí)延遲線，每個(gè)通道光纖真時(shí)延遲線的末端都與所述的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡相連；不同波長的多路光信號(hào)由所述的第一波分復(fù)用器復(fù)用后進(jìn)入所述的光電調(diào)制器的光輸入端，該光電調(diào)制器的光輸出端與所述的第一 1X2的光開關(guān)的2端口相連；所述的第一 1X2的光開關(guān)的3端口接第一級(jí)延遲單元和第二級(jí)延遲單元之間的連接組件的I端口，第一 1X2的光開關(guān)的I端口與第一級(jí)延遲單元的環(huán)形器的I端口相連，該環(huán)形器的3端口接第一級(jí)延遲單元和第二級(jí)延遲單元之間的連接組件的2端口，該連接組件的3端口接第二級(jí)延遲單元的環(huán)形器的I端口，最后一級(jí)延遲單元的環(huán)形器的3端口接所述的第二 1X2的光開關(guān)的3端口，該第二 1X2的光開關(guān)的I端口接前一級(jí)連接組件的4端口，該第二 I X 2的光開關(guān)的2端口接所述的第二波分復(fù)用器。
[0009]所述的延遲單元的組件若為光纖跳線，則所述的連接組件為光開關(guān)和光放大器組合構(gòu)成的雙輸入雙輸出的連接模塊。
[0010]所述的延遲單元的組件若為光放大器，則所述的連接組件為2X2的光開關(guān)。
[0011]所述的波分復(fù)用器為密集波分復(fù)用器(DWDM)或者陣列波導(dǎo)光柵型波分復(fù)用/解復(fù)用器(AWG)。
[0012]所述的1X2光開關(guān),2X2光開關(guān)是MEMS光開關(guān)、電光開光或磁光開關(guān)。
[0013]所述的光電調(diào)制器為光強(qiáng)度調(diào)制器或者光相位調(diào)制器，所述的光強(qiáng)度調(diào)制器為鈮酸鋰MZ結(jié)構(gòu)光強(qiáng)度調(diào)制器/或者聚合物MZ結(jié)構(gòu)光強(qiáng)度調(diào)制器或者電吸收調(diào)制器。所述的光相位調(diào)制器為鈮酸鋰相位調(diào)制器或者聚合物相位調(diào)制器。
[0014]所述的光纖真時(shí)延遲線為具有下列規(guī)定長度的單模光纖:
[0015]第一級(jí)延遲單元中波分復(fù)用器后端連接的光纖真時(shí)延遲線具有Λ τ的通道間隔，第二級(jí)延遲單元中波分復(fù)用器后端連接的光纖真時(shí)延遲線具有2Λ τ的通道間隔，依此類推，第K級(jí)延遲單元中波分復(fù)用器后端連接的光纖真時(shí)延遲線具有2K_i Λ τ的通道間隔。
[0016]所述的光放大器為摻鉺光纖放大器或者半導(dǎo)體光放大器，用來實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的放大，有效抑制微波信號(hào)的插損，降低系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。
[0017]所述的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡為光波反射器件，用來實(shí)現(xiàn)光纖真時(shí)延遲線長度減半。[0018]所述的環(huán)形器為低損耗光無源器件，用以實(shí)現(xiàn)光波的定向傳輸。
[0019]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0020]1、本發(fā)明中的光纖真時(shí)延遲線是通過高精度的切割方法在線制作完成，通過改進(jìn)測量方法還可以繼續(xù)提高制作精度，從而降低不同通道間的光纖真時(shí)延遲線的間隔，實(shí)現(xiàn)更小的延遲步進(jìn)。
[0021]2、本發(fā)明是一種基于光波分復(fù)用技術(shù)的超帶寬大動(dòng)態(tài)范圍的可編程波束成形網(wǎng)絡(luò)，利用波分復(fù)用器、光電調(diào)制器、光開關(guān)、光放大器、環(huán)形器和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，并結(jié)合不同長度光纖真時(shí)延遲線，可以實(shí)現(xiàn)不同的延遲步進(jìn)，從而提高多波長波束成形的掃描精度。
[0022]3、本發(fā)明，通過光電調(diào)制器將微波信號(hào)調(diào)制在不同波長的光信號(hào)上，利用光纖真時(shí)延遲線，在全光系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)不同的延遲量，從而實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)不同的相位延遲。整個(gè)系統(tǒng)中通過采用光纖真時(shí)延遲線來實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的真時(shí)延遲，所以對(duì)于任意波段的微波信號(hào)均可實(shí)現(xiàn)光學(xué)移相的功能，極大的提高了系統(tǒng)的工作帶寬，即本發(fā)明具有超寬帶的特點(diǎn)。
[0023]4、本發(fā)明，對(duì)于每一級(jí)多波長延時(shí)單元都進(jìn)行了光放大，有效的抑制了微波信號(hào)的插損，降低了系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。因此通過多波長延時(shí)單元的拓?fù)洌黾硬ǚ謴?fù)用器的級(jí)數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)量的大范圍可調(diào)，即本發(fā)明具有大動(dòng)態(tài)范圍的特點(diǎn)。
[0024]5、本發(fā)明，可以對(duì)于系統(tǒng)中的1X2，2X2的光開關(guān)進(jìn)行可編程控制。通過光開關(guān)不同方式的“0N”，“0FF”組合，選擇不同的延遲通道，實(shí)現(xiàn)不同的延遲量，即本發(fā)明具有可編程的特點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明基于光波分復(fù)用技術(shù)的超寬帶大動(dòng)態(tài)范圍的可編程波束成形網(wǎng)絡(luò)一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖2為本發(fā)明基于光波分復(fù)用技術(shù)的超寬帶大動(dòng)態(tài)范圍的可編程波束成形網(wǎng)絡(luò)可拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖3 (a)為1X2光開關(guān)的端口說明，圖2 (b)為2X2光開關(guān)的端口說明。
[0028]圖4為兩個(gè)1X2的光開關(guān)和光放大器組合構(gòu)成的雙輸入雙輸出的連接模塊圖不說明。
[0029]圖5為環(huán)形器的端口說明，光波在環(huán)形器中只能從I端口傳向2端口，從2端口傳向3端口，反之不可以。
[0030]圖6為本發(fā)明具體實(shí)施過程中光波分復(fù)用的某一通道在不同延時(shí)狀態(tài)下所產(chǎn)生的相位延遲與頻率之間的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例。本實(shí)施例以本發(fā)明的技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)限于下述的實(shí)施例。
[0032]圖1為本發(fā)明基于光波分復(fù)用技術(shù)的超寬帶大動(dòng)態(tài)范圍的可編程波束成形網(wǎng)絡(luò)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本實(shí)施例基于光波分復(fù)用技術(shù)的超寬帶大動(dòng)態(tài)范圍的可編程波束成形網(wǎng)絡(luò)，其構(gòu)成包括:第一波分復(fù)用器1、第二波分復(fù)用器19、光電調(diào)制器2、第一 1X2的光開關(guān)3，第二 1X2的光開關(guān)18、第一 2X2的光開關(guān)8、第二 2X2的光開關(guān)13、三級(jí)延遲單元23。第一級(jí)延遲單元由波分復(fù)用器5、光放大器20、環(huán)形器4、光纖真時(shí)延遲線6、法拉第旋轉(zhuǎn)鏡7構(gòu)成；第二級(jí)延遲單元由波分復(fù)用器10、光放大器21、環(huán)形器9、光纖真時(shí)延遲線11、法拉第旋轉(zhuǎn)鏡12構(gòu)成；第三級(jí)延遲單元由波分復(fù)用器15、光放大器22、環(huán)形器14、光纖真時(shí)延遲線16、法拉第旋轉(zhuǎn)鏡17構(gòu)成。
[0033]上述元部件的連接關(guān)系如下:
[0034]不同波長的光信號(hào)由所述的波分復(fù)用器I復(fù)用后進(jìn)入光電調(diào)制器2的光輸入端，該光電調(diào)制器2的光輸出端與I X 2的光開關(guān)3的2端口相連，I X 2的光開關(guān)3的I端口與環(huán)形器4的I端口相連，1X2的光開關(guān)3的3端口與2X2的光開關(guān)8的輸入端方向的一端口相連；其中各個(gè)波長的光波經(jīng)過波分復(fù)用器I復(fù)用，所經(jīng)過的不同通道的接口和光電調(diào)制器的微波輸入口作為本裝置的輸入端；
[0035]所述的環(huán)形器4的2端口與光放大器20相連，然后再與波分復(fù)用器5相連實(shí)現(xiàn)光波解復(fù)用后，不同通道經(jīng)過不同延遲量的光纖真時(shí)延遲線6，然后每個(gè)通道末端都與法拉第旋轉(zhuǎn)鏡7相連；環(huán)形器4的3端口與2X2的光開關(guān)8的輸入端方向的另一端口相連；
[0036]所述的2X2的光開關(guān)8的輸出端方向的一端口與環(huán)形器9的I端口相連,另一端口與2X2的光開關(guān)13輸入端方向的一端口相連；環(huán)形器9的2端口與光放大器21相連，然后再與波分復(fù)用器10相連實(shí)現(xiàn)光波解復(fù)用后，不同通道經(jīng)過不同延遲量的光纖真時(shí)延遲線11，然后每個(gè)通道末端都與法拉第旋轉(zhuǎn)鏡12相連；環(huán)形器9的3端口與2X2的光開關(guān)13輸入端方向的另一端口相連；
[0037]所述的2X2的光開關(guān)13輸出端方向的一端口與環(huán)形器14的I端口相連，另一端口與1X2的光開關(guān)18的I端口相連；環(huán)形器14的2端口與光放大器22相連后，再與波分復(fù)用器15相連實(shí)現(xiàn)光波解復(fù)用后，不同通道經(jīng)過不同延遲量的光纖真時(shí)延遲線16，然后每個(gè)通道末端都與法拉第旋轉(zhuǎn)鏡17相連；環(huán)形器14的3端口與1X2的光開關(guān)18的3端口相連；
[0038]所述的1X2的光開關(guān)18的2端口與波分復(fù)用器19相連，實(shí)現(xiàn)光波解復(fù)用后的不同通道作為本裝置的輸出端。
[0039]所述的波分復(fù)用器1，5，10，15，19為密集波分復(fù)用器(DWDM)。所述的1X2的光開關(guān)3，18,2X2的光開8，13是MEMS光開關(guān)，其中1X2的光開關(guān)由2X2的光開關(guān)代替使用。所述的光電調(diào)制器2為鈮酸鋰MZ結(jié)構(gòu)光強(qiáng)度調(diào)制器。所述的光放大器為半導(dǎo)體光放大器(SOA)0所述的光纖真時(shí)延遲線6，11，16為經(jīng)過精密切割后具有規(guī)定長度的單模光纖，波分復(fù)用器5后端連接的光纖真時(shí)延遲線6具有Λ τ的通道間隔，波分復(fù)用器10后端連接的光纖真時(shí)延遲線11具有2Λ τ的通道間隔，波分復(fù)用器15后端連接的光纖真時(shí)延遲線具有4Λ τ的通道間隔。
[0040]表I為本發(fā)明具體實(shí)施過程中其中的四個(gè)通道間隔測試數(shù)據(jù)。
[0041]表1.[0042]
【權(quán)利要求】
1.一種基于光波分復(fù)用技術(shù)的超寬帶大動(dòng)態(tài)范圍的可編程波束成形網(wǎng)絡(luò)，特征是其構(gòu)成包括:第一波分復(fù)用器、第二波分復(fù)用器、光電調(diào)制器、第一 1X2的光開關(guān)、第二 1X2的光開關(guān)和多級(jí)延遲單元及延遲單元之間的連接組件，該連接組件為四端連接組件，所述的延遲單元包括環(huán)形器、組件、波分復(fù)用器、光纖真時(shí)延遲線和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡；所述的環(huán)形器的2端口經(jīng)所述的組件接所述的波分復(fù)用器相連實(shí)現(xiàn)光波解復(fù)用后，不同通道經(jīng)過具有不同延遲量的光纖真時(shí)延遲線，每個(gè)通道的光纖真時(shí)延遲線的末端都與所述的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡相連；不同波長的多路光信號(hào)由所述的第一波分復(fù)用器復(fù)用后進(jìn)入所述的光電調(diào)制器的光輸入端,該光電調(diào)制器的光輸出端與所述的第一 1X2的光開關(guān)的2端口相連,第一 1X2的光開關(guān)的3端口接第一級(jí)延遲單元和第二級(jí)延遲單元之間的連接組件的I端口，第一 1X2的光開關(guān)的I端口與第一級(jí)延遲單元的環(huán)形器的I端口相連，該環(huán)形器的3端口接第一級(jí)延遲單元和第二級(jí)延遲單元之間的連接組件的2端口，該連接組件的3端口接第二級(jí)延遲單元的環(huán)形器的I端口，最后一級(jí)延遲單元的環(huán)形器的3端口接所述的第二 I X 2的光開關(guān)的3端口，該第二 I X 2的光開關(guān)的I端口接前一級(jí)連接組件的4端口，該第二 I X 2的光開關(guān)的2端口接所述的第二波分復(fù)用器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可編程波束成形網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述的延遲單元的組件若為光纖跳線，則所述的連接組件為光開關(guān)和光放大器組合構(gòu)成的雙輸入雙輸出的連接模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可編程波束成形網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述的延遲單元的組件若為光放大器，則所述的連接組件為2X2的光開關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可編程波束成形網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述的波分復(fù)用器為密集波分復(fù)用器(DWDM)或者陣列波導(dǎo)光柵型波分復(fù)用/解復(fù)用器(AWG)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可編程波束成形網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述的1X2光開關(guān)，2X2光開關(guān)是MEMS光開關(guān)、電光開光或磁光開關(guān)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可編程波束成形網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述的光電調(diào)制器為光強(qiáng)度調(diào)制器或者光相位調(diào)制器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的可編程波束成形網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述的光強(qiáng)度調(diào)制器為鈮酸鋰MZ結(jié)構(gòu)光強(qiáng)度調(diào)制器/或者聚合物MZ結(jié)構(gòu)光強(qiáng)度調(diào)制器或者電吸收調(diào)制器。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的可編程波束成形網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述的光相位調(diào)制器為鈮酸鋰相位調(diào)制器或者聚合物相位調(diào)制器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可編程波束成形網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述的光纖真時(shí)延遲線為具有下列規(guī)定長度的單模光纖:第一級(jí)延遲單元中波分復(fù)用器后端連接的光纖真時(shí)延遲線具有Λ τ的通道間隔，第二級(jí)延遲單元中波分復(fù)用器后端連接的光纖真時(shí)延遲線具有2Δ τ的通道間隔，依此類推，第K級(jí)延遲單元中波分復(fù)用器后端連接的光纖真時(shí)延遲線具有2ΗΛ τ的通道間隔。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可編程波束成形網(wǎng)絡(luò)，其特征在于所述的光放大器為摻鉺光纖放大器或者半導(dǎo)體光放大器。
【文檔編號(hào)】H04J14/02GK103532604SQ201310460297
【公開日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】鄒衛(wèi)文, 余安亮, 劉辰鈞, 陳建平 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)