CN102368582A - 一种基于激光波长调节的频率宽带可调光电振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于激光波长调节的频率宽带可调光电振荡器。波长可调激光器，偏振控制器，双臂马赫增德尔调制器，窄带相移光纤光栅，高速光电探测器通过光纤顺次相连；高速光电探测器，微波高通滤波器，微波放大器，微波相移器，微波耦合器，微波3dB正交耦合器，双臂马赫增德尔调制器的射频输入口通过微波同轴线顺次相连。双臂马赫增德尔调制器，窄带相移光纤光栅，高速光电探测器，微波高通滤波器，微波放大器，微波相移器，微波耦合器，微波3dB正交耦合器构成了一个闭合光电振荡环路；通过调节波长可调激光器的波长，在微波耦合器的另一输出口发生宽带频率可调的高质量微波信号。该光电振荡器具有结构紧凑，频率调节速度快，可调频域宽等优点。

Description

一种基于激光波长调节的频率宽带可调光电振荡器
技术领域
本发明涉及频率宽带可调的高质量微波信号发生装置，尤其涉及一种基于激光波长调节的频率宽带可调光电振荡器。
背景技术
传统的高质量微波信号源一般采用了声储能元件（例如石英晶体）或者微波储能元件（例如介质腔）构成谐振腔。但是这些储能元件只在低频段拥有几个高Q的谐振点，高频的微波信号需要通过倍频的方法产生，但倍频会带来信号相噪性能的显著下降。1996年，X.Steve Yao和Lute Maleki首次提出了光电振荡器，光电振荡器利用高Q值的光电谐振腔储存微波的能量，能够产生高频谱纯度，低相位噪声的微波、毫米波信号，并且光电振荡器产生的信号的相位噪声与频率无关，不会随着频率的提高而下降。因此，光电振荡器可广泛应用于需要低噪声高频信号源的领域。
光电振荡器一般由一个激光源和一个光电反馈回路组成，光电反馈回路包含调制器，长距离光纤，高速光电探测器，微波放大器，微波滤波器，微波耦合器等光电子器件。光纤长度越长，光电反馈回路的储能时间就越长，信号的相位噪声就会越小，与此同时，光电振荡器的模式间隔会减小，因此需要高Q值的微波滤波器来保证光电振荡器的单模振荡。频率可调性是微波信号源的一个重要特性，但由于很难生产高Q值宽带可调的微波滤波器，传统的光电振荡器的频率调节范围局限于几十MHz。随着光子技术的发展，工业界制作出透射带宽极小的Fabry-Perot滤波器、Whispering-gallery-mode（WGM）谐振腔、相移光纤光栅等光子选频器件。这些光子选频器件可以用来代替高Q值的微波滤波器，为光电振荡器的宽带可调谐提供了基础。2010年，A.A.Savchenkov等人提出了一种基于电压控制带有WGM谐振腔的宽带可调光电振荡器，在保证微波信号质量的同时，极大地提高了光电振荡器的频率可调范围。
发明内容
本发明的目的是克服传统光电振荡器频率调节范围不足的缺点，提供一种基于激光波长调节的频率宽带可调的光电振荡器。
基于激光波长调节的频率宽带可调光电振荡器中的波长可调激光器、偏振控制器、双臂马赫增德尔调制器、窄带相移光纤光栅、高速光电探测器通过光纤顺次相连；高速光电探测器、微波高通滤波器、微波放大器、微波相移器、微波耦合器、微波3dB正交耦合器、双臂马赫增德尔调制器的射频输入口通过微波同轴线顺次相连，双臂马赫增德尔调制器、窄带相移光纤光栅、高速光电探测器、微波高通滤波器、微波放大器、微波相移器、微波耦合器、微波3dB正交耦合器构成了一个闭合光电振荡环路；通过调节波长可调激光器的波长，在微波耦合器的另一输出口发生宽带频率可调的高质量微波信号。
所述的双臂马赫增德尔调制器具有两个射频电极，能够被两路射频信号同时调制；双臂马赫增德尔调制器工作在单边带调制状态。所述的窄带相移光纤光栅是一种引入了π弧度相移的布拉格光纤光栅，在宽带反射谱中拥有一个带宽很小的透射峰。所述的微波耦合器的输出口得到的微波信号的频率等于波长可调激光器输出的激光频率和窄带相移光纤光栅的透射峰频率之差。所述的光电振荡环路具有一个振荡模式间隔，通过调节波长可调激光器的波长，微波耦合器的输出口得到频率调节步进等于振荡模式间隔的高质量低噪声微波信号。所述的光电振荡器的频率可调带宽等于窄带相移光纤光栅反射带宽的一半。所述的微波高通滤波器的截止频率高于窄带相移光纤光栅反射带宽的一半。
与传统的光电振荡器相比，本发明不需要高Q值的微波滤波器，具有结构紧凑，频率调节速度快，可调频域宽等优点，可作为实用的低噪声宽带微波信号源。
附图说明
图1是基于激光波长调节的频率宽带可调光电振荡器的结构示意图；
图2是窄带相移光纤光栅的透射谱以及光电振荡器频率调节的原理示意图；
图中：波长可调激光器1、偏振控制器2、双臂马赫增德尔调制器3、窄带相移光纤光栅4、高速光电探测器5、微波高通滤波器6、微波放大器7、微波相移器8、微波耦合器9、微波3dB正交耦合器10。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步描述：
如图1所示，基于激光波长调节的频率宽带可调光电振荡器中的波长可调激光器1、偏振控制器2、双臂马赫增德尔调制器3、窄带相移光纤光栅4、高速光电探测器5通过光纤顺次相连；高速光电探测器5、微波高通滤波器6、微波放大器7、微波相移器8、微波耦合器9、微波3dB正交耦合器10、双臂马赫增德尔调制器3的射频输入口通过微波同轴线顺次相连，双臂马赫增德尔调制器3、窄带相移光纤光栅4、高速光电探测器5、微波高通滤波器6、微波放大器7、微波相移器8、微波耦合器9、微波3dB正交耦合器10构成了一个闭合光电振荡环路；通过调节波长可调激光器1的波长，在微波耦合器9的另一输出口发生宽带频率可调的高质量微波信号。
所述的双臂马赫增德尔调制器3具有两个射频电极，能够被两路射频信号同时调制；双臂马赫增德尔调制器3工作在单边带调制状态。所述的窄带相移光纤光栅4是一种引入了π弧度相移的布拉格光纤光栅，在宽带反射谱中拥有一个带宽很小的透射峰。所述的微波耦合器9的输出口得到的微波信号的频率等于波长可调激光器1输出的激光频率和窄带相移光纤光栅4的透射峰频率之差。所述的光电振荡环路具有一个振荡模式间隔，通过调节波长可调激光器1的波长，微波耦合器9的输出口得到频率调节步进等于振荡模式间隔的高质量低噪声微波信号。所述的光电振荡器的频率可调带宽等于窄带相移光纤光栅4反射带宽的一半。所述的微波高通滤波器的截止频率高于窄带相移光纤光栅4反射带宽的一半。
本发明的工作原理如下：
双臂马赫增德尔调制器，窄带相移光纤光栅，高速光电探测器，微波高通滤波器，微波放大器，微波相移器，微波耦合器，微波3dB正交耦合器构成了一个闭合光电振荡环路，波长可调激光器通过偏振控制器为光电振荡环路提供能量。振荡的微波信号和激光在双臂马赫增德尔调制器发生电光调制，调制后的光信号由窄带相移光纤光栅进行选频，选频后的光信号经高速光电探测器转化为微波信号，此微波信号经高通滤波器，微波放大器，微波相移器的滤波，放大和相移，重新回到双臂马赫增德尔调制器，对激光进行调制。在工作于单边带调制模式的双臂马赫增德尔调制器的协助下，窄带相移光纤光栅的作用类似于一个中心频率与激光波长有关的高Q值微波光子滤波器，通过精确调节激光器的波长，可以快速切换微波光子滤波器的中心频率，产生频率可调的高质量微波信号。
假设窄带相移光纤光栅4的透射峰频率为f 1，反射带宽的一半为f R，波长可调激光器1的频率为f 0，微波高通滤波器6的截止频率为f s（f s>f R），微波信号的频率为f m。通过调节直流偏置电压，双臂马赫增德尔调制器3工作在单边带调制状态，其中的一个光学一阶边带被抑制。整个光电振荡环路的长度为L，有效折射率为n 0，振荡模式间隔f mod=c/(n 0×L)，f mod可以通过调节微波相移器8得到微调。
如附图2所示，波长可调激光器1的频率位于窄带相移光纤光栅4的右边通带，即f 0>f 1+f R；通过调节双臂马赫增德尔调制器3的直流偏置电压，光学一阶上边带f 0+f m被抑制。如果调制信号频率f m<f s, 微波信号就会被高通滤波器滤除；如果f m≠f 0−f 1，未被抑制的光学一阶下边带f 0−f m会被窄带相移光纤光栅4反射，高速光电探测器5将探测不到调制的微波信号；因此，只有它的频率满足f m>f s=f 0−f 1, 微波信号才能获得足够的环路增益。除了满足振荡的增益条件，振荡信号还需要满足光电振荡器的相位条件，即f osc=k×f mod，k是一个正整数。为了同时达到振荡的两个必要条件，振荡信号的频率要满足f osc>f s=f 0−f 1=k×f mod，k为正整数。
窄带相移光纤光栅4的透射峰决定了微波振荡信号的光学一阶下边带的频率，实际上起到了高Q值单通道微波滤波器的作用。窄带相移光纤光栅的透射峰带宽越小，微波振荡信号的频谱纯度越高，相位噪声也越小。
窄带相移光纤光栅4的反射谱带宽限制了微波振荡信号的频率调节范围。最低的振荡频率f min要高于f s，最高的振荡频率f max要低于f s+f R。一旦激光器频率高于f 1+f s+f R (振荡频率高于f s+f R), 频率在f s和f s+f R之间的微波信号的光学一阶下单边带将从窄带相移光纤光栅4的通带透过，从而使得光电振荡器无法产生单模振荡的高质量微波信号。因此，微波振荡信号的可调频率范围为f s ~ f s+f R。
在不使用微波相移器的情形下，以模式间隔f mod的整数倍步进精确调节激光器的频率f 0，就可以迅速改变光电振荡器的振荡频率，从一个振荡模式切换到另一个振荡模式。振荡频率的最小调节步进等于振荡模式间隔f mod。
不同于快速切换振荡模式的方法，如果同时精细调节激光器的波长和微波相移器的相移，就可以连续调节本发明中光电振荡器的频率，调节精度将不再局限于振荡模式间隔f mod。

Claims (7)

1.一种基于激光波长调节的频率宽带可调光电振荡器，其特征在于波长可调激光器（1）、偏振控制器（2）、双臂马赫增德尔调制器（3）、窄带相移光纤光栅（4）、高速光电探测器（5）通过光纤顺次相连；高速光电探测器（5）、微波高通滤波器（6）、微波放大器（7）、微波相移器（8）、微波耦合器（9）、微波3dB正交耦合器（10）、双臂马赫增德尔调制器（3）的射频输入口通过微波同轴线顺次相连，双臂马赫增德尔调制器（3）、窄带相移光纤光栅（4）、高速光电探测器（5）、微波高通滤波器（6）、微波放大器（7）、微波相移器（8）、微波耦合器（9）、微波3dB正交耦合器（10）构成了一个闭合光电振荡环路；通过调节波长可调激光器（1）的波长，在微波耦合器（9）的另一输出口发生宽带频率可调的高质量微波信号。
2.根据权利要求1所述的基于激光波长调节的频率宽带可调光电振荡器，其特征在于：所述的双臂马赫增德尔调制器（3）具有两个射频电极，能够被两路射频信号同时调制；双臂马赫增德尔调制器（3）工作在单边带调制状态。
3.根据权利要求1所述的基于激光波长调节的频率宽带可调光电振荡器，其特征在于：所述的窄带相移光纤光栅（4）是一种引入了π弧度相移的布拉格光纤光栅，在宽带反射谱中拥有一个带宽很小的透射峰。
4.根据权利要求1所述的基于激光波长调节的频率宽带可调光电振荡器，其特征在于：所述的微波耦合器（9）的输出口得到的微波信号的频率等于波长可调激光器（1）输出的激光频率和窄带相移光纤光栅（4）的透射峰频率之差。
5.根据权利要求1所述的基于激光波长调节的频率宽带可调光电振荡器，其特征在于：所述的光电振荡环路具有一个振荡模式间隔，通过调节波长可调激光器（1）的波长，微波耦合器（9）的输出口得到频率调节步进等于振荡模式间隔的高质量低噪声微波信号。
6.根据权利要求1所述的基于激光波长调节的频率宽带可调光电振荡器，其特征在于：所述的光电振荡器的频率可调带宽等于窄带相移光纤光栅（4）反射带宽的一半。
7.根据权利要求1所述的基于激光波长调节的频率宽带可调光电振荡器，其特征在于：所述的微波高通滤波器的截止频率高于窄带相移光纤光栅（4）反射带宽的一半。
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