CN102163795A - 宽带频率可调谐光电振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带频率可调谐的光电振荡器。本发明利用一个光调制器、一个高精细度法布里帕罗标准具和两个光纤耦合器共同构成了光子微波滤波器，并将其应用到光电振荡器之中。通过对激光光源波长的调谐，可以对光子微波滤波器滤波峰进行调谐，同时配合使用微波移相器，最终实现了对光电振荡器的大范围连续调谐。
Description
技术领域
本发明涉及光电振荡器技术领域，特别是指一种宽带频率可调谐的光电振荡器。
背景技术
在无线通信、雷达、光载微波通信等应用中，常常需要高信号质量、频率可调的微波信号。所谓信号质量主要是指微波信号的短期频率稳定性，即相位噪声，以及长期稳定性，即频率漂移。目前，市场上产生高质量微波信号的主流方案为石英振荡器，利用它可以获得品质因素(Q值)很高的稳定晶振。然而，石英振荡器仅在低频处存在若干高Q值的振荡模式，要获得高频率的微波信号，需要在石英振荡器之后附加倍频单元，通过倍频将微波信号转换至高频处。随着倍频次数的增加，微波信号的质量会随之恶化，因此，这一传统方案很难获得高质量、高频率的微波信号。另外，石英振荡器频率可调谐性能也十分有限。
上世纪九十年代，姚晓天等人率先提出了光电振荡器的概念。基本的光电振荡器主要包含以下几个单元：一个激光光源、一个光调制器、一端单模光纤、一个光探测器、一个微波放大器以及高Q值的微波带通滤波器。其工作原理为：微波放大器产生的噪声在光调制器中将激光光源发出的光调制，调制后的激光经过一段单模光纤延迟线后进入光探测器转换为电信号；电信号通过放大、滤波之后反馈回光调制器；由于单模光纤的真时延特性，这一光电链路中存在一系列频率等间隔的高Q值振荡模式，因此可以起振；由于高Q值的微波带通滤波器的存在，仅有一个振荡模式可以生存再来，最终实现了高质量的单模振荡。
基本的光电振荡器结构虽然可以产生高质量、高频率的微波信号，但是其调谐范围很窄。为了克服这一局限，研究者提出了多种新型的光电振荡器。例如，Shumakher等人利用半导体光放大器(SOA)中的慢光效应，将SOA与光滤波器级联构成光子微波移相器从而实现光电振荡器的调谐，然而，这种方法的调谐范围依然很窄；姚建平等人将两个光相位调制器的串联并利用啁啾光纤光栅中的色散效应构成宽带可调的光电振荡器，这种方法可以实现宽带调谐，然而超模噪声较大。2010年，Ozdur等人在光电振荡器中采用高精细度FP标准具作为光子微波滤波器，产生了高品质的微波信号，然而，这种光电振荡器的振荡频率等于FP标准具的自由光谱范围，无法对微波频率进行调谐。
传统的光电振荡器采用电滤波器作为选模器件，而电滤波器的调范围十分有限，所以传统光电振荡器很难做到宽带调谐。因此，研究者逐渐将目光转向了光子微波信号处理技术。以上例举的几种新型光电振荡器都是基于光域的微波信号处理，光子微波信号处理技术与光电振荡器的结合是下一代可调谐光电振荡器的发展趋势。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种宽带频率可调谐的光电振荡器，以实现对光电振荡器的大范围连续调谐。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种宽带频率可调谐的光电振荡器，包括：
一激光光源a，其输出端通过第一光纤跳线b与第一3-dB光纤耦合器c连接；
一第一3-dB光纤耦合器c，除与激光光源a的输出端连接外，其一个输出端通过第二光纤跳线d与第二3-dB光纤耦合器j的一个输入端连接，其另一个输出端通过第三光纤跳线e与光调制器f的光输入端连接；
一光调制器f，其光输入端通过第三光纤跳线e与第一3-dB光纤耦合器c连接，其光输出端通过第四光纤跳线g与高精细度法布里帕罗标准具h的输入端连接；
一高精细度法布里帕罗标准具h，除通过第四光纤跳线g与光调制器f的光输出端连接外，其光输出端通过第五光纤跳线i与第二3-dB光纤耦合器j的一个输入端连接；
一第二3-dB光纤耦合器j，除其两个输入端分别与高精细度法布里帕罗标准具h及第一3-dB光纤耦合器c连接外，其一个输出端与单模光纤1连接，其另一个输出端与第六光纤跳线k连接；
一单模光纤1，其一端与第二3-dB光纤耦合器j连接，另一端与光探测器m的光输入端连接；
一光探测器m，其光输入端与单模光纤1连接，其电输出端与低噪声宽带微波放大器n的输入端连接；
一低噪声宽带微波放大器n，其输入端与光探测器m的电输出端连接，其输出端与微波移相器o的输入端连接；
一微波移相器o，其输入端与低噪声宽带微波放大器n连接，其输出端与微波定向耦合器p的输入端连接；
一微波定向耦合器p，其输入端与微波移相器o连接，其一个输出端q与光调制器f的电输入端连接，从而构成光电反馈回路，其另一个输出端r为本发明的电输出端。
上述方案中，所述高精细度法布里帕罗标准具h为核心器件，其精细度大于1000，自由光谱范围在10GHz至100GHz。
上述方案中，所述高精细度法布里帕罗标准具h由超低膨胀系数石英晶体制成，，因此它对温度的变化不敏感。
上述方案中，所述激光光源a为波长可调谐激光器，为半导体激光器或光纤激光器。
上述方案中，所述光调制器f是电光转换器件，其为光强度调制器或光相位调制器。所述光强度调制器为铌酸锂MZ结构光强度调制器或电吸收调制器，所述光相位调制器为铌酸锂相位调制器。
上述方案中，所述单模光纤1为高Q值微波储能元件，其长度为数米至数千米不等。
上述方案中，所述第一3-dB光纤耦合器c与所述第二3-dB光纤耦合器j用于将由所述激光光源a发出的光载波和由所述高精细度法布里帕罗标准具h滤出的一阶边带耦合入同一光路并进入单模光纤1。
上述方案中，所述光探测器m为光电转换器件，由激光光源a发出的光载波和由所述高精细度法布里帕罗标准具h滤出的一阶边带在光探测器m中拍频并产生微波信号。
上述方案中，所述低噪声宽带微波放大器n为增益器件，用于放大所述光探测器m输出的微波信号，并令光电反馈回路的开环增益大于1。
上述方案中，所述微波移相器o用于对所述光电振荡器产生的微波信号在一个模式间隔内进行频率的连续调谐。
上述方案中，所述微波定向耦合器p的一个输出端q将微波信号送回光调制器f，从而构成光电反馈回路，同时，另一个输出端r为所述光电振荡器的微波输出端。
上述方案中，该光电振荡器具有光输出端(k)与微波输出端(r)。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的宽带频率可调谐的光电振荡器，利用一个光调制器、一个高精细度FP标准具和两个光纤耦合器共同构成了光子微波滤波器，并将其与光电振荡器相结合。通过对激光光源波长的调谐，可以对光子微波滤波器滤波峰进行调谐，同时配合使用微波移相器，最终实现了对光电振荡器的大范围连续调谐。
2、本发明提供的宽带频率可调谐的光电振荡器，利用光调制器对激光光源产生的激光进行调制，经过调制后，在光调制器的输出端产生光载波及一系列对应的光边带。调制后的激光经过高精细度FP标准具后，只有一阶光边带被保留，其他光频率成分被滤除。利用这一结构，在对应于激光光源与高精细度FP标准具的滤波峰波长之差的微波频率附近，形成了一个大范围可调谐的窄带宽光子微波带通滤波器。
3、本发明提供的宽带频率可调谐的光电振荡器，由于利用了单模光纤作为高Q值的微波储能元件，该光电振荡器输出的电信号具有极佳的相位噪声特性。通过改变激光光源的波长，并配合使用微波移相器，
4、本发明提供的宽带频率可调谐的光电振荡器，可以在很宽的范围内进行微波频率的连续调谐，调谐范围仅受限于调制器、光探测器及低噪声宽带微波放大器的带宽。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图对本发明作进一步说明，其中：
图1是本发明提供的宽带频率可调谐的光电振荡器的结构示意图；
图2是本发明提供的宽带频率可调谐的光电振荡器的工作原理示意图。
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。
如图1所示，图1是本发明提供的宽带频率可调谐的光电振荡器的结构示意图，该宽带频率可调谐的光电振荡器是采用一个高精细度法布里帕罗(FP)标准具和两个光纤耦合器共同构成光子微波滤波器，并将其与光电振荡器相结合。
本发明提供的宽带频率可调谐的光电振荡器，具体包括：一激光光源a，其输出端通过第一光纤跳线b与第一3-dB光纤耦合器c连接；一第一3-dB光纤耦合器c，除与激光光源a的输出端连接外，其一个输出端通过第二光纤跳线d与第二3-dB光纤耦合器j的一个输入端连接，其另一个输出端通过第三光纤跳线e与光调制器f的光输入端连接；一光调制器f，其光输入端通过第三光纤跳线e与第一3-dB光纤耦合器c连接，其光输出端通过第四光纤跳线g与高精细度FP标准具h的输入端连接；一高精细度法布里帕罗(FP)标准具h，除通过第四光纤跳线g与光调制器f的光输出端连接外，其光输出端通过第五光纤跳线i与第二3-dB光纤耦合器j的一个输入端连接；一第二3-dB光纤耦合器j，除其两个输入端分别与高精细度FP标准具h及第一3-dB光纤耦合器c连接外，其一个输出端与单模光纤1连接，其另一个输出端与第六光纤跳线k连接；一单模光纤1，其一端与第二3-dB光纤耦合器j连接，另一端与光探测器m的光输入端连接；一光探测器m，其光输入端与单模光纤1连接，其电输出端与低噪声宽带微波放大器n的输入端连接；一低噪声宽带微波放大器n，其输入端与光探测器m的电输出端连接，其输出端与微波移相器o的输入端连接；微波移相器o的输出端与微波定向耦合器p的输入端连接；一微波定向耦合器p，其输入端与微波移相器o的输出端连接，其一个输出端q与光调制器f的电输入端连接，从而构成光电反馈回路，其另一个输出端r为本发明的微波信号输出端。
本发明的工作原理如下：最初，低噪声宽带微波放大器n输出的噪声经过微波移相器o和微波定向耦合器p之后被加载到光调制器f的电输入端。因此，由激光光源a激射的光被低噪声宽带微波放大器n输出的噪声所调制，调制后的信号经过高精细度FP滤波器h、单薄光纤1以及光探测器m之后再次进入低噪声宽带微波放大器n，形成光电反馈。由于单模光纤1作为微波延迟线的低损耗、真时延特性，上述光电反馈回路中存在一系列频率等间隔的高Q值振荡模式，每个模式的相位噪声特性极佳。
为了从这些高Q值振荡模式中选出一个形成单模输出，本发明利用一个光调制器、一个高精细度FP标准具和两个光纤耦合器共同构成了大范围可调的窄带宽光子微波滤波器，并将其与光电振荡器相结合。这一光子微波滤波器将众多振荡模式中的一个滤出，实现了光电振荡器的单模式输出，其工作原理如图2所示。
图2(a)为激光光源a发出的光谱，光源波长为λ0。图2(b)为经过调制器f调制后输出的光谱，由图可见光谱中存在波长为λ0的光载波和±1阶边带。图2(c)为高精细度FP标准具h的透过率函数，其滤波峰中心波长为λr，由于高精细度FP标准h由超低膨胀系数石英晶体制成，其两个反射端面被焊死，故其对温度变化极不敏感，同时，其精细度大于1000，因此高精细度FP标准具h作为光滤波器其波长稳定性极佳且其滤波峰半高全宽极窄(约几十MHz)。图2(d)为经过高精细度FP标准具h滤波后的光谱，有图可见，光载波和-1阶边带被抑制，+1阶边带被滤出。图2(e)为第二3-dB光纤耦合器j的输出端输出的光谱图，如图所示，仅有光载波和+1阶边带存在。
因此，在对应于激光光源a与高精细度FP标准具h的滤波峰波长之差的微波频率附近，形成了一个大范围可调谐的窄带宽光子微波带通滤波器。通过改变激光光源的波长λ0，就可以对光电振荡器的振荡模式进行调谐，调谐步长等于由单模光纤1引入的振荡模式的频率间隔。
另外，由于在本发明中加入了微波移相器o，通过调节微波移相器o可以在一个模式频率间隔内对光电振荡器输出的微波信号频率连续调谐。配合调谐激光光源a的波长以及微波移相器o，可以在很大的范围内对本发明输出的微波信号进行连续调谐，调谐范围仅受限于调制器f、光探测器m及低噪声宽带微波放大器n的带宽。
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 (13)
1.一种宽带频率可调谐的光电振荡器，其特征在于，包括：
一激光光源(a)，其输出端通过第一光纤跳线(b)与第一3-dB光纤耦合器(c)连接；
一第一3-dB光纤耦合器(c)，除与激光光源(a)的输出端连接外，其一个输出端通过第二光纤跳线(d)与第二3-dB光纤耦合器(j)的一个输入端连接，其另一个输出端通过第三光纤跳线(e)与光调制器(f)的光输入端连接；
一光调制器(f)，其光输入端通过第三光纤跳线(e)与第一3-dB光纤耦合器(c)连接，其光输出端通过第四光纤跳线(g)与高精细度法布里帕罗标准具(h)的输入端连接；
一高精细度法布里帕罗标准具(h)，除通过第四光纤跳线(g)与光调制器(f)的光输出端连接外，其光输出端通过第五光纤跳线(i)与第二3-dB光纤耦合器(j)的一个输入端连接；
一第二3-dB光纤耦合器(j)，除其两个输入端分别与高精细度法布里帕罗标准具(h)及第一3-dB光纤耦合器(c)连接外，其一个输出端与单模光纤(1)连接，其另一个输出端与第六光纤跳线(k)连接；
一单模光纤(1)，其一端与第二3-dB光纤耦合器(j)连接，另一端与光探测器(m)的光输入端连接；
一光探测器(m)，其光输入端与单模光纤(1)连接，其电输出端与低噪声宽带微波放大器(n)的输入端连接；
一低噪声宽带微波放大器(n)，其输入端与光探测器(m)的电输出端连接，其输出端与微波移相器(o)的输入端连接；
一微波移相器(o)，其输入端与低噪声宽带微波放大器(n)连接，其输出端与微波定向耦合器(p)的输入端连接；
一微波定向耦合器(p)，其输入端与微波移相器(o)连接，其一个输出端(q)与光调制器(f)的电输入端连接，从而构成光电反馈回路，其另一个输出端(r)为本发明的电输出端。
2.根据权利要求1所述的宽带频率可调谐的光电振荡器，其特征在于，所述高精细度法布里帕罗标准具(h)为核心器件，其精细度大于1000，自由光谱范围在10GHz至100GHz。
3.根据权利要求1所述的宽带频率可调谐的光电振荡器，其特征在于，所述高精细度法布里帕罗标准具(h)由超低膨胀系数石英晶体制成，其两个反射端面被焊死，因此它对温度的变化不敏感。
4.根据权利要求1所述的宽带频率可调谐的光电振荡器，其特征在于，所述激光光源(a)为波长可调谐激光器，为半导体激光器或光纤激光器。
5.根据权利要求1所述的宽带频率可调谐的光电振荡器，其特征在于，所述光调制器(f)是电光转换器件，其为光强度调制器或光相位调制器。
6.根据权利要求5所述的宽带频率可调谐的光电振荡器，其特征在于，所述光强度调制器为铌酸锂MZ结构光强度调制器或电吸收调制器，所述光相位调制器为铌酸锂相位调制器。
7.根据权利要求1所述的宽带频率可调谐的光电振荡器，其特征在于，所述单模光纤(1)为高Q值微波储能元件，其长度为数米至数千米不等。
8.根据权利要求1所述的宽带频率可调谐的光电振荡器，其特征在于，所述第一3-dB光纤耦合器(c)与所述第二3-dB光纤耦合器(j)用于将由所述激光光源(a)发出的光载波和由所述高精细度法布里帕罗标准具(h)滤出的一阶边带耦合入同一光路并进入单模光纤(1)。
9.根据权利要求1所述的宽带频率可调谐的光电振荡器，其特征在于，所述光探测器(m)为光电转换器件，由激光光源(a)发出的光载波和由所述高精细度法布里帕罗标准具(h)滤出的一阶边带在光探测器(m)中拍频并产生微波信号。
10.根据权利要求1所述的宽带频率可调谐的光电振荡器，其特征在于，所述低噪声宽带微波放大器(n)为增益器件，用于放大所述光探测器(m)输出的微波信号，并令光电反馈回路的开环增益大于1。
11.根据权利要求1所述的宽带频率可调谐的光电振荡器，其特征在于，所述微波移相器(o)用于对所述光电振荡器产生的微波信号在一个模式间隔内进行频率的连续调谐。
12.根据权利要求1所述的宽带频率可调谐的光电振荡器，其特征在于，所述微波定向耦合器(p)的一个输出端(q)将微波信号送回光调制器(f)，从而构成光电反馈回路，同时，另一个输出端(r)为所述光电振荡器的微波输出端。
13.根据权利要求1所述的宽带频率可调谐的光电振荡器，其特征在于，该光电振荡器具有光输出端(k)与微波输出端(r)。
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