CN102751644A

CN102751644A - 基于受激布里渊散射效应的宽带连续可调谐光电振荡器

Info

Publication number: CN102751644A
Application number: CN201210268027XA
Authority: CN
Inventors: 郑狄; 潘炜; 邹喜华; 闫连山; 罗斌
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2032-07-31
Also published as: CN102751644B

Abstract

本发明公开了一种基于受激布里渊散射效应的宽带连续可调谐光电振荡器。其主旨在于提供一种宽带连续可调谐光电振荡器。本发明利用光纤中的受激布里渊散射效应对光电振荡器中单边带调制光信号的载波进行相移，通过将光调制信号的载波与正一阶边带或载波与负一阶边带在光探测器处拍频，实现微波信号在光电振荡器环形腔中相移量的改变，同时配合可调微波滤波器，最终实现光电振荡器输出信号频率的宽带连续可调谐。

Description

基于受激布里渊散射效应的宽带连续可调谐光电振荡器

技术领域

本发明涉及光电振荡器技术领域，特别是指一种宽带连续可调谐光电振荡器。

背景技术

高性能的微波源在雷达、电子对抗、通信和测量等领域有着广泛的应用。传统的微波源主要由电真空器件或固态器件来实现，存在工作频率低、频率调谐范围窄和噪声大等缺点，大大限制了微波系统的性能。与之相比，光电振荡器（OEO）作为一种新型的微波信号发生器能产生高频、低相位噪声和高稳定性的信号，是一种非常理想的微波源。此外，OEO还能实现光数据流信号的时钟恢复、码型转换和时分复用等功能，在光通信系统中有着重要的应用价值，因而近些年来引起了科研人员的广泛关注。

尽管OEO能产生高频谱纯度、高频率和高稳定性的微波信号，但其频率调谐能力却不尽人意。已有的OEO频率调谐技术只能实现某一频率处较小范围内的连续调谐或宽带范围内的离散调谐，还未能将频率离散调谐和连续调谐有效结合起来，实现频率的宽带连续可调。宽带连续可调的OEO不仅能减少对不同频率微波源的需求，而且能提高测试、测量仪器的测量精度与范围；更重要的是，当OEO应用于雷达系统时，频率的宽带连续可调可以提升雷达的探测性能和抗干扰能力。因此，在充分发挥OEO微波源低相位噪声特性的基础上，增强其频率调谐性能具有重要意义。

OEO一般是由激光光源、电光调制器、微波滤波器、光探测器（PD）构成的一个正反馈环路，它利用调制器及光纤延迟线的传输特性将连续光变为稳定的、频谱干净的微波信号。有源器件产生的各种频率噪声首先通过电光调制器对激光源发出的连续光进行调制，调制后的激光经过一段光纤延迟线后进入PD转换为电信号，然后对得到的电信号进行放大、滤波之后再反馈回电光调制器的射频输入端。当微波信号在环路中的相位积累量为的整数倍且获得的增益大于环腔内损耗时，在多次循环下这些频谱分量将形成稳定的振荡。通常情况下，环路中有多个频谱分量满足振荡条件，称之为振荡模式，这些振荡模式的频谱间隔相等，其大小由环路中的延迟时间量决定。通过使用高Q值的带通滤波器选取某一振荡模式，可得到高频谱质量和高稳定性的微波信号。从OEO的工作原理可以看出，实现OEO频率调谐的方式有两种：一种是改变微波信号在环腔内经历的相移量，使振荡模式发生改变，进而实现频率调谐，这种方式可实现频率的连续调谐；另一种是在其他参数不变下，利用不同通带位置处的高Q值带通滤波器选取不同的振荡模式来实现频率调谐，这种方式得到的频率为一系列离散值，调谐范围和调谐步长由滤波器的性能决定。

由于OEO是一种光-电混合的振荡器，因而对微波信号的相移量改变既可以在光域实施，也可以在电域进行。2001年，S. Huang等人利用电可调微波移相器设计出一种频率可调的OEO，在X波段的频率调谐量达到100kHz。该方案得到的频率调谐范围虽然已接近模式间隔，但对滤波器的频谱响应曲线要求较高，需要使用具有矩形形状的滤波器才能实现。为减小对滤波器性能的要求，S. Fedderwitz等人在双环路结构的OEO中利用电微波移相器实现微波信号的频率可调，该方案仅需一个高通滤波器滤除低频分量，实现了100MHz的频率粗调和±5MHz内的频率细调。电可调微波移相器虽然能实现相移量的精确可调，但其插入损耗较大，需要较大功率的微波放大器进行功率补偿，这将明显增大信号的相位噪声。为此，科研人员将目光转移到基于光子技术的微波移相方案，以期充分发挥光子技术的大带宽、低损耗和抗电磁干扰等特点，提高OEO的频谱质量。S. Poinsot等人利用光纤不同波长处的色散参量差异，通过选取不同的光波长来改变微波信号在环腔内的相移量，进而实现对微波信号的频率调谐。该方案在550MHz、3GHz和9GHz处分别实现了130kHz、650kHz和1.9MHz的频率调谐量，虽然大大增大了频率连续调谐范围，但需要波长宽带可调的光源，实验中的波长调谐范围达到80nm。2009年，E. Shumankher等人首次提出利用慢光器件来改变OEO中微波信号的相移量以实现频率调谐。实验中他们利用半导体光放大器（SOA）中的相干布居振荡效应（CPO）实现了微波信号的相移，在10GHz频率处得到了2.5MHz的频率调谐量，这是目前实现的最大连续调谐范围。

综上分析可知，要想实现宽带连续可调的OEO，必须在频率离散调谐的基础上，增大频率连续调谐的范围。传统的OEO频率连续调谐方案通常使用电微波移相器，而电微波移相器受工作带宽和插入耗损的限制，难以对高频微波信号进行调谐。因此，利用光子技术实现微波信号的相移是下一代OEO发展的必然趋势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于受激布里渊散射效应的宽带连续可调谐光电振荡器。

本发明为实现上述目的采用以下技术方案：

一种基于受激布里渊散射效应的宽带连续可调谐光电振荡器，其特征在于包括：

激光光源（a）：其输出端通过第一光纤跳线（b）与光耦合器（c）连接；

光耦合器（c）：其输入端通过第一光纤跳线（b）与激光光源（a）连接，其第一输出端通过第二光纤跳线（d）与第一电光调制器（e）的光输入端连接，其第二输出端口通过第五光纤跳线（o）与第二电光调制器（p）的光输入端连接；

第一电光调制器（e）：其光输入端通过第二光纤跳线（d）与光耦合器（c）的第一输出端连接，其光输出端通过第三光纤跳线（f）与第一光环形器（g）的1端口连接，其电输入端与微波定向耦合器（n）的一个输出端连接；

第一光环形器（g）：其1端口与第一电光调制器（e）的光输出端连接，其2端口与单模光纤（h）的输入端连接；

单模光纤（h）：其输入端与其第一光环形器（g）的2端口连接，输出端与第二光环形器（i）的1端口连接；

第二光环形器（i）：其1端口与单模光纤（h）的输出端连接，其2端口通过第四光纤跳线（j）与光探测器（k）的光输入端连接，其3端口通过第七光纤跳线（s）与低噪声宽带光放大器（r）的输出端连接；

光探测器（k）：其光输入端与第二光环形器（i）的2端口连接，其电输出端与低噪声宽带微波放大器（u）的输入端连接；

低噪声宽带微波放大器（u）：其输入端与光探测器（k）的输出端连接，其输出端与可调带通微波滤波器（m）的输入端连接；

可调带通微波滤波器（m）：其输入端与低噪声宽带微波放大器（u）的输出端连接；其输出端与微波定向耦合器（n）的输入端连接；

微波定向耦合器（n）：其输入端与可调带通微波滤波器（m）输出端连接，其一个输出端与第一电光调制器（e）的电输入端连接，其另一个输出端为电输出端；

第二电光调制器（p）：其光输入端通过第五光纤跳线（o）与光耦合器（c）的第二输出端口连接，其电输入端与一微波信号源（t）连接，其光输出端通过第六光纤跳线（q）与低噪声宽带光放大器（r）的输入端连接；

低噪声宽带光放大器（r）：其输入端与第二电光调制器（p）的光输出端通过第六光纤跳线（q）连接，其输出端通过第七光纤跳线（s）与第二光环形器（i）的3端口连接。

上述方案中，电光调制器（e）工作在单边带调制方式，输出调制光信号的能量集中在载波与正一阶边带或载波与负一阶边带；电光调制器（p）工作在抑制载波双边带调制方式，输出调制光信号的能量集中在正、负一阶边带。

上述方案中，电光调制器（p）产生的抑制载波双边带调制信号通过第二光环形器（i）进入单模光纤（h），其正、负一阶边带在载波频率处分别产生布里渊损耗谱和增益谱，所产生的布里渊损耗谱和增益谱将同时作用于电光调制器（e）输出信号的载波分量，而对电光调制器（e）输出信号的正或负一阶边带无影响。

上述方案中，调节抑制载波双边带调制信号的正、负一阶边带间距，可改变布里渊增益谱和损耗谱的叠加量，进而实现对电光调制器（e）输出调制光信号的载波相移量的调谐，通过在光探测器（k）处将单边带调制信号的载波与正一阶边带或载波与负一阶边带拍频，实现微波信号相移量的连续可调。

上述方案中，所述电光调制器为光强度调制器、光相位调制器或光偏振调制器。

上述方案中，低噪声宽带微波放大器（u）为增益器件，用于放大光探测器（k）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，电光调制器（p）的电输入端微波信号频率在单模光纤（h）的布里渊频移量附近处连续可调。

上述方案中，电光调制器（e）输出的单边带调制光信号，可以是载波和正一阶边带，也可以是载波和负一阶边带。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

一、本发明提供的宽带连续可调谐OEO，利用光纤中的受激布里渊散射效应和单边带光调制方式所实现微波光子相移技术，可以实现对高频微波信号的频率调谐，调谐范围仅受限于电光调制器（e）、光探测器（k）、低噪声宽带微波放大器（u）及可调带通微波滤波器（m）的工作带宽。

二、本发明提供的宽带连续可调谐OEO，利用抑制载波双边带光调制信号产生的布里渊增益谱和损耗谱来改变OEO中单边带光调制信号的载波相移量时，仅需调节抑制载波双边带光调制信号的正、负一阶边带间距或强度即可实现对单边带调制信号的载波相移量的连续可调，即从而实现OEO频率的连续可调。

三、本发明提供的宽带连续可调谐OEO，单边带调制光信号和抑制载波双边带调制光信号来自同一光源，因而利用抑制载波双边带调制光信号对单边带调制光信号的载波进行相移时不受光源波长漂移的影响，系统具有很高的稳定性。

附图说明

图1是本发明提供的基于受激布里渊散射效应的宽带连续可调谐OEO的结构示意图；图中实线为光域，虚线为电域。

图2是抑制载波双边带调制光信号的正、负一阶边带在单边带调制信号的载波处产生的布里渊增益谱和布里渊损耗谱。

图3是抑制载波双边带调制光信号的正、负一阶边带在单边带调制信号的载波处引入的相移量。

图2中

Figure 201210268027X100002DEST_PATH_IMAGE001

是激光光源（a）输出的载波频率，

Figure 201210268027X100002DEST_PATH_IMAGE003

为单模光纤（h）的布里渊频移量，

Figure 201210268027X100002DEST_PATH_IMAGE005

为偏离布里渊频移量的大小。

Figure 201210268027X100002DEST_PATH_IMAGE007

为单边带调制信号的正一阶边带，和

Figure 201210268027X100002DEST_PATH_IMAGE011

分别对应抑制载波双边带调制信号的正、负一阶边带。抑制载波双边带调制信号的负一阶边带产生布里渊增益谱，正一阶边带产生布里渊损耗谱。抑制载波双边带调制信号的正、负一阶边带在单边带调制信号的载波处产生的增益和损耗具有幅值相同、符号相反的特性，因而单边带调制信号的载波获得的总增益为零。

图3中虚线对应抑制载波双边带调制信号的负一阶边带产生的相移曲线，实线对应抑制载波双边带调制信号的正一阶边带产生的相移曲线。在单边带调制信号的载波处，两相移曲线所产生的相移量大小和符号均一致，因而可获得2倍的相移量。

具体实施方式

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图对本发明做进一步说明，其中：

本发明的工作原理如下：由激光光源（a）输出的连续光被光耦合器（c）分为两路信号，一路信号经历由第一电光调制器（e）、第三光纤跳线（f）、第一光环形器（g）、单模光纤（h）、第二光环形器（i）、第四光纤跳线（j）、光探测器（k）、低噪声宽带微波放大器（u）、可调带通微波滤波器（m）和微波定向耦合器（n）构成的OEO环路，信号在光域为单边带调制，在光探测器（k）处通过载波与边带拍频，得到稳定的微波信号，并由微波定向耦合器（n）的一输出端口输出；另一路信号经第五光纤跳线（o）、第二电光调制器（p）、第六光纤跳线（q）和低噪声宽带光放大器（r）得到产生布里渊散射效应的抑制载波双边带调制信号，并通过第二光环形器（i）进入单模光纤（h）中，抑制载波双边带调制信号和单边带调制信号在光纤（h）中相向传输，利用抑制载波双边带调制信号在单模光纤（h）中产生的布里渊增益谱和损耗谱实现对单边带调制信号载波的相移量改变；当单边带调制信号的载波相移量发生改变时，由载波分量与正一阶边带或载波分量与负一阶边带在光探测器（k）处拍频得到的微波信号的相移量也将发生改变；当信号在OEO环腔内传输所获得的相移量发生改变时，满足OEO环腔内共振条件的频率也随之改变，因而实现OEO输出微波信号的频率调谐；由于抑制载波双边带调制信号产生的布里渊散射效应能实现单边带调制信号载波相移量的连续调谐，且最大相移量超过，因而输出微波信号的频率可在OEO环腔的自由频谱范围内连续可调；结合可调带通微波滤波器（m），可实现带宽连续可调谐OEO。

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

1.一种基于受激布里渊散射效应的宽带连续可调谐光电振荡器，其特征在于包括：

2.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射效应的宽带连续可调谐光电振荡器，其特征在于：电光调制器（e）工作在单边带调制方式，输出调制光信号的能量集中在载波与正一阶边带或载波与负一阶边带；电光调制器（p）工作在抑制载波双边带调制方式，输出调制光信号的能量集中在正、负一阶边带。

3.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射效应的宽带连续可调谐光电振荡器，其特征在于：电光调制器（p）产生的抑制载波双边带调制信号通过第二光环形器（i）进入单模光纤（h），其正、负一阶边带在载波频率处分别产生布里渊损耗谱和增益谱，所产生的布里渊损耗谱和增益谱将同时作用于电光调制器（e）输出信号的载波分量，而对电光调制器（e）输出信号的正或负一阶边带无影响。

4.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射效应的宽带连续可调谐光电振荡器，其特征在于：调节抑制载波双边带调制信号的正、负一阶边带间距，改变布里渊增益谱和损耗谱的叠加量，进而实现对电光调制器（e）输出调制光信号的载波相移量的调谐，通过在光探测器（k）处将单边带调制信号的载波与正一阶边带或载波与负一阶边带拍频，实现微波信号相移量的连续可调。

5.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射效应的宽带连续可调谐光电振荡器，其特征在于：所述电光调制器为光强度调制器、光相位调制器或光偏振调制器。

6.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射效应的宽带连续可调谐光电振荡器，其特征在于：低噪声宽带微波放大器（u）为增益器件，用于放大光探测器（k）输出的微波信号，并令光电反馈回路的开环增益大于1。

7.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射效应的宽带连续可调谐光电振荡器，其特征在于：电光调制器（p）的电输入端微波信号频率在单模光纤（h）的布里渊频移量附近处连续可调。

8.根据权利要求1所述的基于受激布里渊散射效应的宽带连续可调谐光电振荡器，其特征在于：电光调制器（e）输出的单边带调制光信号，为载波和正一阶边带，或载波和负一阶边带。