CN102403644A

CN102403644A - 一种光子型高次倍频光电振荡器

Info

Publication number: CN102403644A
Application number: CN2011101812544A
Authority: CN
Inventors: 潘时龙; 朱丹; 顾戎
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2012-04-04

Abstract

本发明涉及一种光子型高次倍频光电振荡器，属于高速光通信、微波技术等领域。本发明包括光源、双输出光强度调制器、光电环路、高次倍频微波输出电路。其中，双输出光强度调制器的光输入端与光源相连用于接受连续的光波信号，光电环路与双输出光强度调制器一个输出端相连构成工作于谐振频率的光电振荡电路，高次倍频微波输出电路与双输出光强度调制器另一输出端相连用于输出谐振频率的高次倍频微波信号。本发明克服了传统微波元件工作频率受限的缺陷，实现了高次倍频微波信号的输出，增大了光电振荡器的调谐范围，满足了现代微波系统和通信系统大范围变频的要求。

Description

一种光子型高次倍频光电振荡器

技术领域

本发明涉及一种光子型高次倍频光电振荡器，属于高速光通信、微波技术等领域。

背景技术

当前，高性能微波振荡器大多基于电子学(例如电介质振荡器)和声学(例如晶体振荡器)储能单元。这些单元在GHz以上频率工作时，其储能性能会急剧下降，所产生的高频微波具有较大的相位噪声和较低的频谱纯度。光电振荡器(OEO)是一种基于光子学储能单元的微波振荡器，可产生高纯度微波和毫米波信号。例如，参见授予X.S.姚、L.马利基和V.伊利琴科的中国专利00803073号。它一般是由光源、光调制器、高Q光储能单元(或一定长度的光纤)、光探测器、微波带通滤波器、微波放大器、移相器、微波耦合器等组成的正反馈回路。振荡的能量来自于光调制器前的注入光，注入光经过光调制器调制后变成载有特定频率的光信号，这个光信号被光探测器转化成电信号后由微波放大器放大，再经过带通滤波器滤出特定频率，一部分用于输出，一部分反馈入光调制器的电调制端，完成一次循环过程。这样不断循环，最终形成稳定的振荡。

传统的光电振荡器具有以下问题：由于光电振荡器中使用了光电调制器、微波耦合器、微波移相器、微波放大器和微波传输线等微波器件，其最高工作频率不可避免地受到电子瓶颈的限制；受限于微波滤波器的有限调谐范围，光电振荡器的频率调谐范围一般较低，很难满足现代微波系统和通信系统大范围变频的要求。为了解决这些问题，人们提出了倍频光电振荡器技术(T.Sakamoto，T.Kawanishi，and M.Izutsu，CLEO 2005，vol.2，pp.877-879，2005.以及S.L.Panand J.P.Yao，IEEE Photon.Technol.Lett.，vol.21，no.13，pp.929-931，Jul.2009)。但倍频光电振荡器仅能将光电振荡器的频率上限提高两倍，若要产生24-40GHz的微波，倍频光电振荡器需要12-20GHz的K波段微波器件。K波段微波器件由于材料和制作工艺的限制，一般性能较低，难以满足光电振荡器产生高质量微波信号的需求。如果倍频次数更高(如4次)，就可以使用低成本、高性能和技术成熟的S、C、X波段器件获得高性能K波段微波信号。例如，K波段钇铁石榴石(YIG)可调谐滤波器的通带带宽较大，难以抑制光电振荡器的非振荡模式，但C、X波段的YIG滤波器性能优异，已经被用于C、X波段光电振荡器中，获得了6-12GHz连续可调的微波输出(D.Eliyahu and L.Maleki，2003IEEE MTT-SInternational Microwave Symposium Digest，vol.3，pp.2185-2187，2003.)，若能发展出四倍频或六倍频光电振荡器，则可利用C、X波段YIG滤波器获得24-48GHz或36-72GHz的高质量可调谐微波或毫米波。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供一种光子型高次倍频光电振荡器装置，通过改变光探测器与输入光偏振方向的夹角，在以低成本和高性能低频微波器件维持高质量振荡的同时，无需额外非线性器件即可获得光电振荡器谐振频率的高次倍频微波。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种光子型高次倍频光电振荡器，包括光源、双输出光强度调制器、高次倍频微波输出电路、光电环路；

其中，双输出光强度调制器的光输入端与光源相连，高次倍频微波输出电路的输入端与双输出光强度调制器的第一输出端相连，光电环路的输入端与双输出光强度调制器的第二个输出端相连构成工作于谐振频率的光电振荡电路，光环电路的输出端与双输出光强度调制器的电输入端相连。

所述光子型高次倍频光电振荡器中，所述双输出光强度调制器包括：偏振调制器、光耦合器、第一光检偏器、第二光探测器；所述高次倍频微波输出电路包括光带阻滤波器、第一光探测器；所述光电环路包括光谐振器、第二光探测器、微波放大器、微波带通滤波器、微波移相器；

其中，所述偏振调制器的第一输入端连接光源，偏振调制器的输出端与光耦合器的输入端相连，光耦合器的第一输出端与第一光检偏器的输入端相连，光耦合器的第二输出端与第二光检偏器的输入端相连；

所述第一光检偏器的输出端依次连接光带阻滤波器、第一光探测器后输出高次倍频微波信号；

所述第二光检偏器的输出端依次连接光谐振器、第二光探测器、微波放大器、微波带通滤波器、微波移相器后，与偏振调制器的第二输入端连接。

所述光子型高次倍频光电振荡器输出四倍频微波信号的方法，将第一光检偏器与输入光源的偏振方向平行设置、第二光检偏器与输入光源的偏振方向设置成45度夹角。

所述光子型高次倍频光电振荡器输出六倍频微波信号的方法，将第一光检偏器与输入光源的偏振方向垂直设置、第二光检偏器与输入光源的偏振方向成45度夹角设置。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)在以低成本和高性能低频微波器件维持高质量振荡的同时，无需额外非线性器件即可获得光电振荡器谐振频率的高次倍频微波。

(2)克服了传统微波元件工作频率受限的缺陷，实现了高次倍频微波信号的输出，增大了光电振荡器的调谐范围，满足了现代微波系统和通信系统大范围变频的要求。

附图说明

图1为本发明提供的光子型高次倍频光电振荡器的框图。

图2(a)为本发明提供的光子型高次倍频光电振荡器的模块图。

图2(b)为本发明实施例中光子型四倍频光电振荡器输出微波频谱的原理示意图。

图2(c)为本发明实施例中光子型六倍频光电振荡器输出微波频谱的原理示意图。

图3为本发明实施例中光子型六倍频光电振荡器的调谐范围与光带阻滤波器阻带的关系示意图。

图中标号说明：100为光源，110为双输出光强度调制器，111为偏振调制器，112为光耦合器，113为第一光检偏器，114为第二光检偏器，120为高次倍频微波输出电路，121为光带阻滤波器，122为第一光探测器，130为光电环路，131为光谐振器，132为第二光探测器，133为微波放大器，134为微波带通滤波器，135为微波移相器，A为偏振调制器的光输入端，B为第一光检偏器的输出端，C为光带阻滤波器的输出端，D为第一光探测器的输出端，fT为光带阻滤波器透过率为90％时的带宽，fB为光带阻滤波器透过率为1％时的带宽，fe为在偏振调制器处输入的微波信号频率。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示的光子型高次倍频光电振荡器包括光源、偏振调制器、光耦合器、第一光检偏器、第二光检偏器、光带阻滤波器、第一光探测器、光谐振器、第二光探测器、微波放大器、微波带通滤波器、微波移相器。光源与偏振调制器的光输入端相连，偏振调制器的输出端与光耦合器相连，光耦合器的第一输出端与第一光检偏器的输入端相连，光耦合器的第二输出端与第二光检偏器的输入端相连，第一光检偏器的输出端与光带阻滤波器的输入端相连，光带阻滤波器、第一光探测器依次连接，第二光检偏器的输出端与光谐振器的输入端相连，光谐振器、第二光探测器、微波放大器、微波带通滤波器、微波移相器依次连接，微波移相器的输出端与偏振调制器的电输入端相连。

光波信号经过第一光检偏器得到被抑制了谐波的光波信号，被抑制了谐波的光波信号在第一光探测器中转变成高次倍频微波信号；光波信号经过第二光检偏器得到的线性强度调制信号进入光电振荡电路，光电振荡电路输出谐振频率的电信号反馈到双输出光强度调制器的电输入端。调节第一光检偏器的偏振选择方向，从高次倍频微波输出电路输出高次倍谐振频率的微波信号。

要实现该振荡器稳定振荡，以下条件必须满足：

(1)振荡频率必须为光谐振器自由谱区范围和整个振荡腔自由谱区范围的整数倍，这可以通过微调腔内微波移相器和改变光谐振器的参数达到；

(2)光源的波长必须与光谐振器的某一透射峰重叠，此条件可以通过改变电流微调光源波长以及适当降低光谐振器的精细度达到；

(3)振荡器环路增益必须大于1，此条件可以通过控制放大器的增益及降低器件的插入损耗达到。

下面举两个具体实施例：光子型四倍频光电振荡器、光子型六倍频光电振荡器。

光源和偏振调制器同时与第一检偏器、光带阻滤波器和第一光探测器构成的光子型微波光子型高次倍频光电振荡器的模块图如图2(a)所示，在偏振调制器中，由电输入端口输入的电信号将输入光的偏振态旋转一定的角度。在偏振调制器后放置光检偏器形成对输入光的强度调制。该强度调制的偏置点由光检偏器的偏振选择方向决定：

(1)当光检偏器与输入光的偏振方向平行时，微波信号电平为0时输出光功率最大，这相当于强度调制偏置在调制曲线的最高透过率点；

(2)当光检偏器与输入光的偏振方向垂直时，微波信号电平为0时没有光功率输出，这相当于强度调制偏置在调制曲线的最低透过率点；

(3)当光检偏器与输入光的偏振方向成45度夹角时，该强度调制偏置在调制曲线的线性点。

具体实施例1：光源输出的连续光波在偏振调制器处受到谐振频率的偏振调制。经过调制的光波被分成两路，分别进入两个偏振选择方向不同的检偏器，其中，第一检偏器与输入光的偏振方向平行，经过光带阻滤波器和第一光探测器后得到微波调制信号的四倍频，第二检偏器与输入光的偏振方向成45度夹角，经光谐振器和第二光探测器后得到与调制信号同频的微波。该同频微波经过放大和滤波后作为新的调制信号反馈到偏振调制器的电输入端口。振荡器从噪声开始启动，此时包含非常多的频率分量。随着循环次数的增加，在微波带通滤波器中心频率附近的模式被不断反馈增强，最后将所有其他模式抑制，形成稳定振荡。此时从第一光探测器处输出该谐振频率的四次倍频信号。光子型四倍频光电振荡器输出微波频谱的原理示意图如图2(b)所示。当设置第一检偏器的偏振选择方向，使强度调制偏置在调制曲线的最高点，这时得到的光输出只包含载波和偶次阶边频。利用一个中心波长固定的光带阻滤波器滤除载波，同时控制输入微波信号的功率，使得光信号中仅含有±2阶次边频。将该信号输入到光探测器中拍频，即得到4倍于输入微波频率的微波信号。由于光带阻滤波器的中心波长固定在输入光载波的波长上，所以在输入微波信号频率变化时，无需调节光带阻滤波器的中心波长。对于四倍频来说，可获得的微波输出频率范围为f_T＜f＜f_PD，其中，f_PD为光探测器的带宽。

具体实施例2：光源输出的连续光波在偏振调制器处受到谐振频率的偏振调制。经过调制的光波被分成两路，分别进入两个偏振选择方向不同的检偏器，其中，第一检偏器与输入光的偏振方向垂直，经过光带阻滤波器和第一光探测器后得到微波调制信号的六倍频，第二检偏器与输入光的偏振方向成45度夹角，经光谐振器和第二光探测器后得到与调制信号同频的微波。该同频微波经过放大和滤波后作为新的调制信号反馈到偏振调制器的电输入端口。振荡器从噪声开始启动，此时包含非常多的频率分量。随着循环次数的增加，在微波带通滤波器中心频率附近的模式被不断反馈增强，最后将所有其他模式抑制，形成稳定振荡。此时从第一光探测器处输出该谐振频率的六次倍频信号。光子型六倍频光电振荡器的输出微波频谱的原理示意图如图2(c)所示。当设置第一检偏器的偏振选择方向，使强度调制偏置在调制曲线的最低点，这时得到的光输出只包含奇次阶边频。利用一个中心波长固定的光带阻滤波器滤除正负一次边频，同时控制输入微波信号的功率，使得光信号中仅含有±3阶次边频。将该信号输入到光探测器中拍频，即得到6倍于输入微波频率的微波信号。由于光带阻滤波器的中心波长固定在输入光载波的波长上，所以在输入微波信号频率变化时，无需调节光带阻滤波器的中心波长。对于六倍频来说，可获得的微波输出频率范围为f_T＜f＜3f_B，其中f_B为光带阻滤波器透过率为1％时的带宽，如图3所示。

当前基于光纤光栅的光带阻滤波器带宽可以低至8MHz(Y.Painchaud et al.，BGPP 2010，BTuC3)，而单向运动载流子光探测器的带宽已经高达914GHz(C.C.Renaud et al.，Millimeter-Wave and Terahertz Photonics 2006，61940C-8)，因而合理选择光带阻滤波器和光探测器的参数，基于S、C、X波段微波器件的四倍频或六倍频光电振荡器可工作于K、U、V等高频波段。此外，偏振调制器无需直流电压维持偏置，可解决传统光电振荡器的偏置点漂移问题。

综上，本发明提供的四倍频和六倍频光电振荡器装置，以低成本和高性能低频微波器件维持高质量振荡的同时，无需额外非线性器件获得了光电振荡器谐振频率的四倍频或者六倍频，这使得本发明可广泛用于通信、遥感、航空、航天和电子对抗等领域。

Claims

1.一种光子型高次倍频光电振荡器，其特征在于包括光源、双输出光强度调制器、高次倍频微波输出电路、光电环路；

2.根据权利要求1所述的光子型高次倍频光电振荡器，其特征在于：所述双输出光强度调制器包括：偏振调制器、光耦合器、第一光检偏器、第二光探测器；所述高次倍频微波输出电路包括光带阻滤波器、第一光探测器；所述光电环路包括光谐振器、第二光探测器、微波放大器、微波带通滤波器、微波移相器；

3.一种采用权利要求2所述的光子型高次倍频光电振荡器输出四倍频微波信号的方法，其特征在于：将第一光检偏器与输入光源的偏振方向平行设置、第二光检偏器与输入光源的偏振方向设置成45度夹角。

4.一种采用权利要求2所述的光子型高次倍频光电振荡器输出六倍频微波信号的方法，其特征在于：将第一光检偏器与输入光源的偏振方向垂直设置、第二光检偏器与输入光源的偏振方向成45度夹角设置。