[发明专利]宽带可调谐微波光子衰减器及其使用方法

权利要求书

1.一种宽带可调谐微波光子衰减器，其特征在于，包括光信号输入端设备，光信号输入端设备连接有相位调制装置和光信号延迟装置；相位调制装置和光信号延迟装置一端均和光信号输入端连接，另一端均连接有光信号干涉叠加输出端设备；所述光信号输入端设备连接有调谐端设备；所述光信号输入端设备为第一光耦合器；所述相位调制装置为相位调制器，所述光信号延迟装置为色散光纤，所述光信号干涉叠加输出端设备为第二光耦合器，所述调谐端设备为激光器；激光器连接第一光耦合器，第一光耦合器连接相位调制器和色散光纤，相位调制器和色散光纤均与第二光耦合器相连，第二光耦合器连接光放大器，光放大器连接光电探测器；

使用方法如下：

激光器发射单波长的激光信号通过第一光耦合器后均分为上下两支路光信号；上支路光信号通过相位调制器，被输入微波信号实现相位调制，下支路信号通过色散光纤实现光信号的延时处理；两支路光信号通过第二光耦合器实现光信号干涉叠加；干涉后的光信号通过光放大器实现放大，通过光电探测器实现光电转换，最终还原成微波信号；具体包括如下步骤：

步骤一、光波分流

令激光器输出的单波长激光信号即光信号为其中E₀为光信号的幅值，ω₀与t分别为光信号的频率与时间，e表示自然常数，j为虚数单位，规定j²＝-1，ω₀与光信号的波长关系为：

其中，c为光速，λ(t)为单波长激光信号的波长；

单波长激光信号通过第一光耦合器实现功率均分，完成“光波分流”过程，分流后的光信号均表示为：

步骤二：相位调制和光信号延时

分流后的单波长激光信号分为上下两支路，分别对接相位调制器与色散光纤；

对于上支路：设输入微波信号V_mw为V_mw＝V₀cosωt，V₀为输入微波信号的幅值，ω为输入微波信号的频率，t为时间，输入微波信号的通过相位调制器对上支路的单波长激光信号相位进行调制，调制后的光信号表示为为调制相角，其值为其中V_π为调制器的半波电压；

对于下支路：设色散光纤的色散系数为D，长度为L，光信号通过下支路色散光纤后表示为τ即为色散光纤产生的延时量，τ值可表示为τ＝τ₀+τ_a；τ₀为在光波频率ω₀下通过L长度色散光纤所产生的延时量，为n为光纤的有效折射率；τ_a为附加延时量，源于改变调谐端电压使得光波的波长发生变化而产生的附加延时，设波长的变量为Δλ，此时通过色散光纤后的光波信号为τ_a＝Δλ·D·L；

步骤三、干涉叠加

通过上、下两支路的光信号输入至第二光耦合器，干涉叠加后实现输出，叠加后的输出信号表示为

即可化简为

因此通过相干叠加以后，输入微波信号制约了输出光信号的幅值，而与光信号的相位无关，实现了从相位调制到强度调制的过渡；

步骤四、光放大

电光转换会使得光信号产生固有衰减，因此通过光放大器实现补偿，设放大器的幅度增益为g,通过在光放大器后置一可调光衰减器来对g进行调节，则放大后的输出光信号为

步骤五、解调

微波信号通过相位调制器实现对上支路的光信号的相位调制，通过相位调制和光信号延时实现了从相位调制到强度调制的过渡，调制后的光信号通过光放大后进入光电探测器实现“包络检波”，完成强度调制的直接解调，设探测器的响应度为ρ，解调后的输出信号I_out表示为：

I_out＝ρ|E₂|²＝ρE₂·E₂^*； (5)

其中E₂^*表示E₂的共轭复数；

将式子(4)代入(5),得到频率为ω的信号项为：

I_out,ω＝k sin(ω₀τ)cos(ωt)， (6)

式中其中J₁为第一类一阶贝塞尔函数；根据式(6)求得输出信号功率P_out，ω为

其中R为输出阻抗，将代入式(7)可得出输出信号功率的最终表达式为

输入微波信号功率为则系统的功率增益为进一步简化为

调节光放大器的增益g，使得的值为1，式(9)进一步简化为

此时除了Δλ，其余各参数均为已定参数，也就是说，可以通过调节Δλ来控制功率增益G的大小，使其从1到0变化，即实现从1到0的可调衰减目的。