CN112332198A - 光电振荡器 - Google Patents

Abstract

一种光电振荡器，包括：半导体激光器，用于产生光信号；三端口光环形器，包括第一端口、第二端口及第三端口，第二端口连接半导体激光器，用于接收光信号；第一单模光纤，连接第三端口，用于对光信号进行延时；第一光耦合器，用于将延时后的光信号分为束第一光信号及第二光信号；光反馈环路，连接第一端口，用于调节第一光信号的光功率及偏振态，将调节后的第一光信号反馈至半导体激光器，使半导体激光器进入单周期振荡状态；光电振荡环路，用于产生次谐波微波信号，并将第二光信号经光电转换及放大后与次谐波微波信号合束后对半导体激光器进行直接调制。光电振荡器调制效率高，结构简单，提高了输出微波信号稳定性、边模抑制比及相位噪声性能。

Description

光电振荡器

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种光电振荡器。

背景技术

光电振荡器(Optoelectronic Oscillator，OEO)作为光生微波的技术手段之一，具有结构简单、输出信号稳定、相位噪声低等优点，广泛应用在雷达系统、光纤通信系统、微波光子系统、光载无线通信以及高精度测量等领域。

传统的OEO由激光光源，电光调制器，掺铒光纤放大器(Erbium-Doped FiberAmplifier，EDFA)，长光纤，光电探测器，微波功分器，微波放大器，微波带通滤波器等光电子器件构成。为了实现起振，可利用EDFA或微波放大器对光电环路中的光损耗或电损耗进行补偿，以使得光电链路的总增益需大于1，通过微波带通滤波器选模，位于微波带通滤波器中心附近的一个环路本征模式将在光电振荡环路中形成振荡，实现微波信号的输出。

一般来说，传统的OEO通常采用连续波激光外调制技术，而外调制器的使用往往会导致较大的光电链路损耗，需要高增益的电放大器(～60dB)提供增益。同时，若要获得高频谱纯度、低相位噪声的微波信号，需要一段较长的单模光纤来进行信号延时和储能，以提高光电环路的Q值。OEO产生的微波信号的相位噪声随光纤长度的增加而下降，因此，增加单模光纤的长度是提升输出微波信号质量的重要途径之一，但是，随着光纤长度的增加，系统的体积也会增加，此外光电环路中多模起振的模式间隔变小，很难实现单模振荡。基于光注入的OEO主要有以下两种方式：其一、利用主激光器注入到从激光器中，增加从激光器的非线性，使得从激光器的弛豫振荡峰增强，从而在弛豫振荡峰附近获得最高的调制效率；其二、利用半导体激光器的单周期振荡状态，通过光电环路获得较高性能的微波输出。但是方式一中激光器的弛豫振荡频率与偏置电流和工作温度不是线性关系，因此OEO的振荡频率难以实现线性调谐；方式二中大多采用两个激光器，通过主激光器向从激光器中注入，增加了系统的复杂度，尽管有的采用了自注入方式，但是OEO振荡频率的稳定性无法保证。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对于现有技术问题，本发明提出一种光电振荡器，用于至少部分解决上述装置结构比较复杂以及输出微波信号不够稳定的技术问题。

(二)技术方案

本发明提供一种光电振荡器，包括：半导体激光器1，用于产生光信号；三端口光环形器2，包括第一端口a、第二端口b及第三端口c，第二端口b连接半导体激光器1，用于接收光信号；第一单模光纤3，连接第三端口c，第一单模光纤3用于对光信号进行延时；第一光耦合器4，用于将延时后的光信号按照第一预设光功率分配比值分为束第一光信号及第二光信号；光反馈环路F，用于调节第一光信号的光功率及偏振态，将调节后的第一光信号反馈至半导体激光器1，以使半导体激光器1进入单周期振荡状态，其中，光反馈环路F连接第一端口a；光电振荡环路O，用于产生次谐波微波信号，并将第二光信号经光电转换及放大后与次谐波微波信号进行合束得到调制信号，以及根据调制信号对半导体激光器1进行直接调制。

在本发明实施例中，光反馈环路F包括：可调谐光衰减器6，用于调节第一光信号的光功率以及调节半导体激光器1单周期振荡状态的振荡频率；偏振控制器7，用于调节第一光信号的偏振态，其中，偏振控制器7的输入端连接至可调谐光衰减器6，输出端连接至第一端口a。

在本发明实施例中，光反馈环路F还包括：第二光耦合器5，用于按照第二预设光功率分配比值将第一光信号的分束为第三光信号及第四光信号，并将第三光信号输入光反馈环路F进行光功率及偏振态的调制；光谱仪8，用于测试第四光信号的光谱。

在本发明实施例中，光电振荡环路O包括：第三光耦合器9，用于按照第三预设光功率分配比值将第二光信号分束为第五光信号及第六光信号；第二单模光纤10，用于对第五光信号进行延时；第三单模光纤11，用于对第六光信号进行延时；第四光耦合器12，用于将延时后的第五光信号及延时后的第六光信号合束为第七光信号；光电探测器13，用于将第七光信号转化为电信号；微波放大器14，用于对电信号进行放大；微波信号源17，用于产生次谐波微波信号；第二微波功分器18，用于将放大后的电信号与次谐波微波信号进行合束得到调制信号，并将调制信号输入半导体激光器1进行直接调制。

在本发明实施例中，光电振荡环路O还包括：第一微波功分器15，用于将放大后的电信号按照第四预设光功率分配比值分束为第一电信号及第二电信号，并将第一电信号输入第二微波功分器18与次谐波微波信号进行合束；频谱仪16，用于对第二电信号进行光谱分析。

在本发明实施例中，次谐波微波信号的频率为半导体激光器1单周期振荡频率的N分之一，其中，N为正整数且2≤N≤6，半导体激光器1包括不带光隔离器的分布反馈式半导体激光器或分布布拉格反射式半导体激光器。

在本发明实施例中，三端口光环形器2中光信号的流向为从第一端口a至第二端口b或从第二端口b至第三端口c。

在本发明实施例中，第一预设光功率分配比值为50％：50％，第二预设光功率分配比值为99％：1％。

在本发明实施例中，第三预设光功率分配比值为50％：50％，第四预设光功率分配比值为50％：50％。

在本发明实施例中，第一单模光纤3的长度为10米至10千米，第二单模光纤10的长度为10至500米，第三单模光纤11的长度为1至40千米。

(三)有益效果

本发明提供一种光电振荡器，至少具备以下有益效果：

1、该结构的光电振荡器可以采用直接调制半导体激光器及自注入光反馈方式，使半导体激光器工作在单周期振荡状态，大大简化了系统的复杂度，由此使得光电振荡器不仅调制效率较高而且结构简单。

2、该结构的光电振荡器在调制过程中采用次谐波微波信号与振荡信号的合束对半导体激光器进行直接调制，并且次谐波微波信号的频率为半导体激光器单周期振荡频率的N分之一，因此，只需较低频率的微波信号作为“种子”即可大大提升OEO生成的微波信号的相位噪声性能、边模抑制比以及稳定性。

附图说明

图1示意性示出了本发明实施例提供的基于次谐波调制及自注入单周期振荡的光电振荡器结构图；

图2示意性示出了本发明实施例提供的基于次谐波调制及自注入单周期振荡的光电振荡器的原理图。

【附图标记】

1-半导体激光器， 2-三端口光环形器，

3-第一单模光纤， 4-第一光耦合器，

5-第二光耦合器， 6-可调光衰减器，

7-偏振控制器， 8-光谱仪，

9-第三光耦合器， 10-第二单模光纤，

11-第三单模光纤， 12-第四光耦合器，

13-光电探测器， 14-微波放大器，

15-第一微波功分器， 16-频谱仪，

17-微波信号源， 18-第二微波功分器，

F-光反馈环路， O-光电振荡环路，

D-电路径， L-光路径。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1示意性示出了本发明实施例提供的基于次谐波调制及自注入单周期振荡的光电振荡器结构图。

如图1所示，该光电振荡器例如可以包括：

半导体激光器1，用于产生光信号。

三端口光环形器2，包括第一端口a、第二端口b及第三端口c，第二端口b连接半导体激光器1，用于接收光信号。

第一单模光纤3，连接第三端口c，第一单模光纤3用于对光信号进行延时，以提高光反馈环路的Q值。

第一光耦合器4，用于将延时后的光信号按照第一预设光功率分配比值分为束第一光信号及第二光信号。

光反馈环路F，连接第一光耦合器4的一个输出端，用于调节第一光信号的光功率及偏振态，将调节后的第一光信号反馈至半导体激光器1，以使半导体激光器1进入单周期振荡状态，其中，光反馈环路F连接第一端口a。

光电振荡环路O，连接第一光耦合器4的另一个输出端，用于产生次谐波微波信号，并将第二光信号经光电转换及放大后与次谐波微波信号进行合束得到调制信号，以及根据调制信号对半导体激光器1进行直接调制。

在本发明一实施例中，光反馈环路F例如可以包括：

可调谐光衰减器6及偏振控制器7。其中，可调谐光衰减器6的输入端口连接第一光耦合器4的一个输出结构，用于控制光反馈环路F注入回半导体激光器1的第一光信号的光功率，以及调节半导体激光器1单周期振荡状态的振荡频率。

偏振控制器7，其与可调光衰减器6连接，用于控制光反馈环路F中注入回半导体激光器1的光信号第一光信号的偏振态，使得反馈室外第一光信号的偏振态与半导体激光器1发射光的偏振态相匹配，有助于实现半导体激光器1进入单周期振荡状态。

其中，三端口光环形器2中光信号的流向为从第一端口a至第二端口b或从第二端口b至第三端口c。

在本发明一实施例中，光反馈环路F例如还可以包括：

第二光耦合器5，其设于第一光耦合器4与可调光衰减器6连接的光路上，用于按照第二预设光功率分配比值将第一光信号的分束为第三光信号及第四光信号，并将第三光信号输入光反馈环路F进行光功率及偏振态的调制后注入回半导体激光器1以实现半导体激光器1进入单周期振荡状态。

光谱仪8，其连接第二光耦合器5的输出端，用于测试第四光信号的光谱。

在本发明一实施例中，光电振荡环路O例如可以包括：

第三光耦合器9，其输入端与第一光耦合器4的一个输出端连接，用于接收第一光耦合器4输入到光电振荡环路的第二光信号，按照第三预设光功率分配比值将第二光信号分束为第五光信号及第六光信号。

第二单模光纤10和第三单模光纤11，分别与第三光耦合器9的两个输出端口连接，第二单模光纤10用于接收第五光信号并对进行第五光信号延时，第三单模光纤11用于接收第六光信号并对进行第六光信号延时。

第四光耦合器12，两输入端口分别与第二单模光纤10和第三单模光纤11连接，并按预设的光功率分配比值将第二单模光纤10和第三单模光纤11中的光信号合束并输入到光电探测器13中进行电光转换。

光电探测器13，其输入端口与第四光耦合器12的输出端口连接，用于接收第四光耦合器12输出的光信号并将其转化为电信号。

微波放大器14，其输入端口与光电探测器13的输出端口连接，用于接收光电探测器13产生的电信号，并将其按预设的放大倍数进行放大，使得光电振荡系统的净增益为1，从而形成稳定的单模振荡。

微波信号源17，其输出端口与第二微波功分器18的端口c连接，用于产生次谐波微波信号。

第二微波功分器18，用于将微波信号源17输出的次谐波微波信号与放大后的电信号进行合束得到调制信号，并将调制信号输入半导体激光器1对半导体激光器1进行直接调制。

在本发明一实施例中，光电振荡环路O例如还可以包括：

第一微波功分器15，其设于微波放大器14与第二微波功分器18连接的光路上，用于将放大后的电信号按照第四预设光功率分配比值分束为第一电信号及第二电信号，并将第一电信号输入第二微波功分器18与所述次谐波微波信号进行合束。

频谱仪16，用于对第二电信号进行光谱分析。

在本发明实施例优选的方案中，进一步地，次谐波微波信号的频率可以为半导体激光器1单周期振荡频率的N分之一，其中，N为正整数且2≤N≤6。

进一步地，半导体激光器1可以包括不带光隔离器的分布反馈式半导体激光器或分布布拉格反射式半导体激光器。

进一步地，第一预设光功率分配比值以是但不局限于50％：50％，第二预设光功率分配比值以是但不局限于99％：1％。第三预设光功率分配比值以是但不局限于50％：50％，第四预设光功率分配比值以是但不局限于50％：50％。

进一步地，第一单模光纤3的长度为10米至10千米。第二单模光纤10的长度为10至500米，第三单模光纤11的长度为1至40千米。

图2示意性示出了本发明实施例提供的基于次谐波调制及自注入单周期振荡的光电振荡器的原理图。

如图2所示，f_L是半导体激光器1自由激射时的频率，经过光反馈环路F后，即在三端口环形器2的第一端口a，光信号的频率变为f″_L，光信号通过光反馈环路F注入回半导体激光器1后，引起载流子密度的降低使得半导体激光器1的谐振腔内模式出现红移，即光信号的频率变为f′_L，此时f′_L和f″_L的拍频信号f₀即为单周期振荡信号，随后经由光电振荡环路O，半导体激光器1和经过光反馈环路的光信号都在单周期振荡信号的调制下出现边带，两者的一阶边带之间互相发生边带注入锁定，两种模式因此变得相位相关，从而产生了高稳定度、窄线宽及低相位噪声的微波信号。同时光电振荡腔模与微波信号源17输出频率为f₀/N的微波信号产生的N阶调制边带锁定，大大增强了微波信号的边模抑制比、相位噪声性能及稳定度。通过次谐波调制，用很低的频率源作为种子源即可产生高稳定度、高相位噪声性能及高边模抑制比的微波信号。

综上所述，本实施例提供的光电振荡器可以采用直接调制半导体激光器及自注入光反馈方式，使半导体激光器工作在单周期振荡状态，大大简化了系统的复杂度，由此使得光电振荡器不仅调制效率较高而且结构简单。光电振荡器在调制过程中采用次谐波微波信号与振荡信号的合束对半导体激光器进行直接调制，并且次谐波微波信号的频率为半导体激光器单周期振荡频率的N分之一，因此，只需较低频率的微波信号作为“种子”即可大大提升OEO生成的微波信号的相位噪声性能、边模抑制比以及稳定性。。

需要说明的是，权利要求书和说明书中所使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等用词，用以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序或是制造方法的顺序，这些序数仅用来对具有相同命名的元件做出清楚的区分。

还需说明的是，本发明提供了包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。

进一步需要说明的是，在说明书正文或附图中，未绘示或描述的实施方式均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域中普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光电振荡器，包括：

半导体激光器(1)，用于产生光信号；

三端口光环形器(2)，包括第一端口(a)、第二端口(b)及第三端口(c)，所述第二端口(b)连接所述半导体激光器(1)，用于接收所述光信号；

第一单模光纤(3)，连接所述第三端口(c)，所述第一单模光纤(3)用于对所述光信号进行延时；

第一光耦合器(4)，用于将延时后的光信号按照第一预设光功率分配比值分为束第一光信号及第二光信号；

光反馈环路(F)，用于调节所述第一光信号的光功率及偏振态，将调节后的第一光信号反馈至所述半导体激光器(1)，以使所述半导体激光器(1)进入单周期振荡状态，其中，所述光反馈环路(F)连接所述第一端口(a)；

光电振荡环路(O)，用于产生次谐波微波信号，并将所述第二光信号经光电转换及放大后与所述次谐波微波信号进行合束得到调制信号，以及根据所述调制信号对所述半导体激光器(1)进行直接调制。

2.根据权利要求1所述的光电振荡器，其中，所述光反馈环路(F)包括：

可调谐光衰减器(6)，用于调节所述第一光信号的光功率以及调节半导体激光器1单周期振荡状态的振荡频率；

偏振控制器(7)，用于调节所述第一光信号的偏振态，其中，所述偏振控制器(7)的输入端连接至所述可调谐光衰减器(6)，输出端连接至所述第一端口(a)。

3.根据权利要求1所述的光电振荡器，其中，所述光反馈环路(F)还包括：

第二光耦合器(5)，用于按照第二预设光功率分配比值将所述第一光信号的分束为第三光信号及第四光信号，并将所述第三光信号输入所述光反馈环路(F)进行光功率及偏振态的调制；

光谱仪(8)，用于测试所述第四光信号的光谱。

4.根据权利要求1所述的光电振荡器，其中，光电振荡环路(O)包括：

第三光耦合器(9)，用于按照第三预设光功率分配比值将所述第二光信号分束为第五光信号及第六光信号；

第二单模光纤(10)，用于对所述第五光信号进行延时；

第三单模光纤(11)，用于对所述第六光信号进行延时；

第四光耦合器(12)，用于将延时后的第五光信号及延时后的第六光信号合束为第七光信号；

光电探测器(13)，用于将所述第七光信号转化为电信号；

微波放大器(14)，用于对所述电信号进行放大；

微波信号源(17)，用于产生次谐波微波信号；

第二微波功分器(18)，用于将所述放大后的电信号与所述次谐波微波信号进行合束得到调制信号，并将所述调制信号输入所述半导体激光器(1)进行直接调制。

5.根据权利要求4所述的光电振荡器，其中，所述光电振荡环路(O)还包括：

第一微波功分器(15)，用于将放大后的电信号按照第四预设光功率分配比值分束为第一电信号及第二电信号，并将所述第一电信号输入所述第二微波功分器(18)与所述次谐波微波信号进行合束；

频谱仪(16)，用于对所述第二电信号进行光谱分析。

6.根据权利要求1-5任一项所述的光电振荡器，其中，所述次谐波微波信号的频率为所述半导体激光器(1)单周期振荡频率的N分之一，其中，N为正整数且2≤N≤6，所述半导体激光器(1)包括不带光隔离器的分布反馈式半导体激光器或分布布拉格反射式半导体激光器。

7.根据权利要求2所述的光电振荡器，其中，所述三端口光环形器(2)中光信号的流向为从所述第一端口(a)至所述第二端口(b)或从所述第二端口(b)至所述第三端口(c)。

8.根据权利要求3所述的光电振荡器，其中，所述第一预设光功率分配比值为50％：50％，所述第二预设光功率分配比值为99％：1％。

9.根据权利要求5所述的光电振荡器，其中，所述第三预设光功率分配比值为50％：50％，所述第四预设光功率分配比值为50％：50％。

10.根据权利要求4所述的光电振荡器，其中，所述第一单模光纤(3)的长度为10米至10千米，所述第二单模光纤(10)的长度为10至500米，第三单模光纤(11)的长度为1至40千米。

Images