CN103022857A - 高稳定单模微波光电振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高稳定单模微波光电振荡器，是在所述的光电振荡器（OEO）环路内放置一个调制器B（5），并受到一个高稳定微波源（12）的驱动，通过这一调制锁模过程可以选择振荡器的输出模式并通过模式间的增益竞争抑制边模噪声。同时利用锁相环原理将OEO的输出信号与高稳定微波源（12）的输出信号进行比较，进而反馈控制OEO输出信号的相位（或OEO的腔长），最终得到稳定的单模OEO输出。本发明能同时实现OEO的稳频锁相和单模操作，结构简单，且成本低，因而极具实用价值。

Description

高稳定单模微波光电振荡器

技术领域

本发明涉及微波技术和光电子技术领域，尤其涉及一种光电振荡器。

 

背景技术

光电振荡器（OEO：Optoelectronic Oscillator）是一种光、电微波/毫米波信号发生装置。它的基本结构是利用光源、电光调制器、光电探测器、电滤波器所构成的一个反馈回路，利用长光纤的储能能力，实现高品质的光、电微波信号产生。目前OEO系统存在一些由于其结构特征所带来的缺点，主要表现在：长光纤能在环路内存储更多的光场能量，提高产生信号的品质，但是由此也带来了系统体积庞大，易受外部环境影响，使得输出频率不稳定的缺点。此外，长光纤所构成的长反馈环路将产生大量的，频率间隔很小的边模，这些边摸噪声难以被电滤波器滤除。为了解决OEO系统存在的缺陷，现有技术采用了一些新的结构和方法，但这些现有技术均存在不足：

1）采用锁相环技术锁定OEO的起振频率对于提高OEO的频率稳定性是一种行之有效的办法，但是，这一技术手段不能解决边摸噪声的问题；

2）采用高Q光子滤波器（如：回音廊模式谐振器）实现频率选择和边模抑制。如在专利“具有光谐振器的光电振荡器 （申请号：00803073.1）”中提出采用高Q光子滤波器实现频率选择和边模抑制。这种高Q光子滤波器是由介质材料制成的光学谐振腔，如果要满足OEO单模起振的要求，则需要这种滤波器具有很小的尺寸，这就增加了加工难度。这种高Q滤波器具有较为固定的频率选择特性，若需要改变OEO的起振频率，则需要相应地更换滤波器。此外当这种滤波器Q值很大时，插入损耗也很大；

3）采用多环路结构抑制边模。多环路结构组成复杂，并且需要使用长光纤，使整个OEO系统体积庞大，采用锁相环技术锁定起振频率时，理论上需要对每一个环路采取锁相控制，这极大的增加了成本和系统的复杂性。此外，多环路结构只能是在一定程度上加大了振荡器的边摸间隔，只有环路数量较多时才能有效地保证OEO的单模起振；

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺点而提供的一种能同时实现OEO的稳频锁相和单模操作，结构简单，且成本低的高稳定单模微波光电振荡器。

本发明的目的及解决其主要技术问题是采用以下技术方案来实现的：本发明的高稳定单模微波光电振荡器，包括激光器、调制器B、高稳定微波源、锁相控制模块，其中：激光器的输出端连接到调制器A的输入端，调制器A的输出端与一段长光纤相连接，一段长光纤的输出进入光耦合器，光耦合器的一路输出作为光信号输出，另一路进入调制器B的输入端，调制器B的输出端与光电探测器的光输入端相连接，光电探测器的电输出端与电带通滤波器相连接，电带通滤波器的输出进入微波放大器，微波放大器的输出与微波功分器A相连接，微波功分器A的一路输出进入移相器，另一路输出进入锁相控制模块，移相器的输出与微波功分器B相连接，微波功分器B的一路输出作为振荡器的电信号输出，一路与调制器A的微波驱动端连接完成光电振荡器的反馈环路；高稳定微波源的输出与微波功分器C相连接，微波功分器C的一路输出与调制器B的微波驱动端连接完成对振荡环路内信号的调制，另一路与锁相控制模块的输入端连接，锁相控制模块输出比较后的误差电压信号，并反馈输入到移相器的控制输入端完成对腔长的控制。

上述的高稳定单模微波光电振荡器，其中：锁相控制模块包括分频器a、混频器b、低通滤波器c和算法控制器d，分频器a与混频器b连接，混频器b与低通滤波器c连接，低通滤波器c与算法控制器d连接。

上述的高稳定单模微波光电振荡器，其中：调制器A采用马赫-曾德结构电光调制器，调制器B选择声光调制器，高稳定微波源为一个高稳恒温晶振，移相器为电微波移相器。

一种高稳定单模微波光电振荡器，包括直调激光器、调制器B、高稳定微波源、锁相控制模块，其中：直调激光器的输出端与一段长光纤相连接，一段长光纤的输出进入光耦合器，光耦合器的一路输出作为光信号输出，另一路进入调制器B的输入端，调制器B的输出端与移相器的输入端相连接，移相器的输出端与光电探测器的光输入端相连接，光电探测器的电输出端与电带通滤波器相连接，电带通滤波器的输出进入微波放大器，微波放大器的输出与微波功分器A相连接，微波功分器A的一路输出进入锁相控制模块，另一路与微波功分器B相连接，微波功分器B的一路输出作为振荡器的电信号输出，一路与直调激光器的微波驱动端连接完成光电振荡器的反馈环路；高稳定微波源的输出与微波功分器C相连接，微波功分器C的一路输出与调制器B的微波驱动端连接完成对振荡环路内信号的调制，另一路与锁相控制模块的输入端连接，锁相控制模块输出两路输入信号的误差电压信号，反馈输入到移相器的控制输入端完成对腔长的控制。

上述的高稳定单模微波光电振荡器，其中：调制器B选择马赫-曾德结构电光调制器，高稳定微波源为一个高稳恒温晶振，移相器为缠绕一段光纤的压电陶瓷（PZT）。 

本发明与现有技术相比，具有明显的有益效果，从以上技术方案可知：本发明在光电振荡器（OEO）环路内放置了一个调制器B，并利用一个高稳定微波源驱动该调制器进行调制注入锁模以实现模式选择和抑制振荡器的边摸噪声，同时利用锁相环原理将OEO的输出信号与高稳定微波源进行比较，进而反馈控制OEO输出信号的稳定性。

本发明所提出的光电振荡器装置便于对腔长实施锁相控制，对电带通滤波器的Q值要求可以放得比较宽。高稳定微波源可以是一个频率很低的信号并且可以被锁相控制模块共享，因此本发明仅仅在传统单环路OEO系统上增加了一个低成本的调制环节。此外，由于腔长所决定的模式间隔很小，因此在改变OEO的振荡频率时，也不需要对高稳定微波源的输出频率做出更多的要求。本发明能同时实现OEO的稳频锁相和单模操作，结构简单，且成本低，因而极具实用价值。

 

附图说明

图1为实施例1的高稳定单模微波光电振荡器示意图； 

图2为本发明的一种锁相控制模块的结构示意图；

图3为实施例2的高稳定单模微波光电振荡器示意图。

图中标记：

1、激光器；2、调制器A；3、一段长光纤；4、光耦合器；5、调制器B；6、光电探测器；7、电带通滤波器；8、微波放大器；9、微波功分器A；10、移相器；11、微波功分器B；12、高稳定微波源；13、微波功分器C；14、锁相控制模块；14a、分频器；14b、混频器；14c、低通滤波器；14d、算法控制器；15、直调激光器。

  

具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的高稳定单模微波光电振荡器的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：

实施例1：

参照图1和2，高稳定单模微波光电振荡器，包括激光器1、调制器B5、高稳定微波源12、锁相控制模块14，其中：锁相控制模块包括分频器14a、混频器14b、低通滤波器14c和算法控制器14d，分频器14a与混频器14b连接，混频器14b与低通滤波器14c连接，低通滤波器14c与算法控制器14d连接；激光器1的输出端连接到调制器A2的输入端，调制器A2的输出端与一段长光纤3相连接，一段长光纤3的输出进入光耦合器4，光耦合器4的一路输出作为光信号输出，另一路进入调制器B5的输入端，调制器B5的输出端与光电探测器6的光输入端相连接，光电探测器6的电输出端与电带通滤波器7相连接，电带通滤波器7的输出进入微波放大器8，微波放大器8的输出与微波功分器A9相连接，微波功分器A9的一路输出进入移相器10，另一路输出进入锁相控制模块14，移相器10的输出与微波功分器B11相连接，微波功分器B11的一路输出作为振荡器的电信号输出，一路与调制器A2的微波驱动端连接完成光电振荡器的反馈环路；高稳定微波源12的输出与微波功分器C13相连接，微波功分器C13的一路输出与调制器B5的微波驱动端连接完成对振荡环路内信号的调制，另一路与锁相控制模块14的输入端连接，锁相控制模块14输出比较后的误差电压信号，并反馈输入到移相器10的控制输入端完成对腔长的控制。其中，调制器A2采用马赫-曾德结构电光调制器，调制器B5选择声光调制器，高稳定微波源12为一个高稳恒温晶振，移相器10为电微波移相器。

工作原理为：激光器发出的连续光依次通过调制器A，一段长光纤，调制器B，光电探测器，电带通滤波器，微波放大器，移相器后进入调制器A的调制驱动端口，完成对光源的反馈调制。环路结构会决定振荡器的振荡模式，若信号在振荡环路内的传输时间为                                                

，则振荡器会具有频率间隔为

的一系列振荡器模式，当环路很长时，频率间隔会很小（例如环路长度为1km时，模式的频率间隔将为100kHz量级）。考虑电带通滤波器的中心频率为，滤波器带宽为

，通常

会远大于模式间隔

，因此不可能利用电带通滤波器选择出其中的一个模式作为振荡器的输出。此时，整个OEO系统将产生一个中心频率为

，并在整个

范围内具有大量间隔为的多模信号输出。若一个高稳定微波信号源发出一个频率为

的微波信号并通过调制器B对环路内的模式进行调制锁模，在适当的腔长条件下可以同时满足

和

（这里的m和n为整数），再考虑到振荡器内的模式竞争，因此振荡器内只有

和

三个模式可以保留。恰当地选择电带通滤波器，使得

，最终振荡器的输出只有频率为

的一个模式。为了补偿长光纤受到外界环境的影响而发生的长度变化，可以采用锁相环原理来稳定腔长。此时，将同一个高稳定微波源作为参考信号，将它与OEO的输出信号一起输入锁相控制模块14检出两者之间的误差电压信号，并由此信号反馈控制移相器10，使得最终OEO的输出信号稳定性被高稳定微波源锁定。这里的电微波移相器可以通过伸缩改变长度实现信号的移相。

参见图2，锁相控制模块14的具体工作流程为：OEO输出频率为

的信号，经微波功分器A9分出一路进入分频器14a，分频器14a将频率

降至接近高稳定微波源12所产生的信号频率

后，与高稳定微波源12发出的信号在混频器14b内进行混频，混频输出信号经过低通滤波器处理后进入算法控制器产生误差电压信号，将此信号反馈至移相器10用于调节OEO输出的相位，最终使得OEO的输出信号被晶振信号锁定。

实施例2：

参照图2和3，高稳定单模微波光电振荡器，包括直调激光器15、调制器B5、高稳定微波源12、锁相控制模块14，其特征在于：直调激光器15的输出端与一段长光纤3相连接，一段长光纤3的输出进入光耦合器4，光耦合器4的一路输出作为光信号输出，另一路进入调制器B5的输入端，调制器B5的输出端与移相器10的输入端相连接，移相器10的输出端与光电探测器6的光输入端相连接，光电探测器6的电输出端与电带通滤波器7相连接，电带通滤波器7的输出进入微波放大器8，微波放大器8的输出与微波功分器A9相连接，微波功分器A9的一路输出进入锁相控制模块14，另一路与微波功分器B11相连接，微波功分器B11的一路输出作为振荡器的电信号输出，一路与直调激光器15的微波驱动端连接完成光电振荡器的反馈环路；高稳定微波源12的输出与微波功分器C13相连接，微波功分器C13的一路输出与调制器B5的微波驱动端连接完成对振荡环路内信号的调制，另一路与锁相控制模块14的输入端连接，锁相控制模块14输出两路输入信号的误差电压信号，反馈输入到移相器10的控制输入端完成对腔长的控制。

其中，调制器B5选择马赫-曾德结构电光调制器，高稳定微波源12为一个高稳恒温晶振，移相器10为缠绕一段光纤的压电陶瓷（PZT）。 

它与实施例1的区别在于，激光器1的连续光产生和调制器A2的反馈调制功能被一个直调激光器15替代。移相器10的移相操作在光路中完成，它通过锁相控制模块14的输出控制压电陶瓷（PZT），使得缠绕在它上面的光纤产生伸缩作用来控制谐振腔的腔长。

 

本发明所述并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其它的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。 

Claims (6)

1. 一种高稳定单模微波光电振荡器，包括激光器（1）、调制器B（5）、高稳定微波源（12）、锁相控制模块（14），其特征在于：激光器（1）的输出端连接到调制器A（2）的输入端，调制器A（2）的输出端与一段长光纤（3）相连接，一段长光纤（3）的输出进入光耦合器（4），光耦合器（4）的一路输出作为光信号输出，另一路进入调制器B（5）的输入端，调制器B（5）的输出端与光电探测器（6）的光输入端相连接，光电探测器（6）的电输出端与电带通滤波器（7）相连接，电带通滤波器（7）的输出进入微波放大器（8），微波放大器（8）的输出与微波功分器A（9）相连接，微波功分器A（9）的一路输出进入移相器（10），另一路输出进入锁相控制模块（14），移相器（10）的输出与微波功分器B（11）相连接，微波功分器B（11）的一路输出作为振荡器的电信号输出，一路与调制器A（2）的微波驱动端连接完成光电振荡器的反馈环路；高稳定微波源（12）的输出与微波功分器C（13）相连接，微波功分器C（13）的一路输出与调制器B（5）的微波驱动端连接完成对振荡环路内信号的调制，另一路与锁相控制模块（14）的输入端连接，锁相控制模块（14）输出比较后的误差电压信号，并反馈输入到移相器（10）的控制输入端完成对腔长的控制。

2.如权利要求1所述的高稳定单模微波光电振荡器，其特征在于：锁相控制模块包括分频器（14a）、混频器（14b）、低通滤波器（14c）和算法控制器（14d），分频器（14a）与混频器（14b）连接，混频器（14b）与低通滤波器（14c）连接，低通滤波器（14c）与算法控制器（14d）连接。

3.如权利要求1或2所述的高稳定单模微波光电振荡器，其特征在于：调制器A（2）采用马赫-曾德结构电光调制器，调制器B（5）选择声光调制器，高稳定微波源（12）为一个高稳恒温晶振，移相器（10）为电微波移相器。

4.一种高稳定单模微波光电振荡器，包括直调激光器（15）、调制器B（5）、高稳定微波源（12）、锁相控制模块（14），其特征在于：直调激光器（15）的输出端与一段长光纤（3）相连接，一段长光纤（3）的输出进入光耦合器（4），光耦合器（4）的一路输出作为光信号输出，另一路进入调制器B（5）的输入端，调制器B（5）的输出端与移相器（10）的输入端相连接，移相器（10）的输出端与光电探测器（6）的光输入端相连接，光电探测器（6）的电输出端与电带通滤波器（7）相连接，电带通滤波器（7）的输出进入微波放大器（8），微波放大器（8）的输出与微波功分器A（9）相连接，微波功分器A（9）的一路输出进入锁相控制模块（14），另一路与微波功分器B（11）相连接，微波功分器B（11）的一路输出作为振荡器的电信号输出，一路与直调激光器（15）的微波驱动端连接完成光电振荡器的反馈环路；高稳定微波源(12)的输出与微波功分器C(13)相连接，微波功分器C（13）的一路输出与调制器B（5）的微波驱动端连接完成对振荡环路内信号的调制，另一路与锁相控制模块（14）的输入端连接，锁相控制模块（14）输出两路输入信号的误差电压信号，反馈输入到移相器（10）的控制输入端完成对腔长的控制。

5.如权利要求4所述的高稳定单模微波光电振荡器，其特征在于：锁相控制模块包括分频器（14a）、混频器（14b）、低通滤波器（14c）和算法控制器（14d），分频器（14a）与混频器（14b）连接，混频器（14b）与低通滤波器（14c）连接，低通滤波器（14c）与算法控制器（14d）连接。

6.如权利要求4或5所述的高稳定单模微波光电振荡器，其特征在于：调制器B（5）选择马赫-曾德结构电光调制器，高稳定微波源（12）为一个高稳恒温晶振，移相器（10）为缠绕一段光纤的压电陶瓷。

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