CN103219632A - 一种倍频光电振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种倍频光电振荡器，包括：光源、基波与倍频双输出光调制器模块、光探测器、光电环路。基波与倍频双输出光调制器模块由马赫曾德尔调制器、光移相器和三个光耦合器组成。利用马赫曾德尔调制器工作在最大传输点和最小传输点的调制特性来实现光电振荡器的倍频振荡信号的输出。为了产生反馈基频微波信号用以维持光电振荡器的工作，将马赫曾德尔调制器的输出光和另一路经过移相的光载波耦合进入一路，通过相干干涉产生基频微波信号。其中，基波与倍频双输出光调制器模块集成在一块铌酸锂芯片上。本光电振荡器工作点易于控制，在温度变化和振动环境中易于稳定工作，且成本较低。

Description

一种倍频光电振荡器

技术领域

本发明涉及一种倍频光电振荡器，属于光子技术和微波技术领域。

背景技术

传统的高性能微波信号源大都采用电储能元件例如介质腔振荡器或声储能元件例如石英晶体振荡器构成谐振腔。当介质腔和晶体谐振腔的工作频率超过千兆赫兹时，其品质因数(Quality factor，Q)迅速下降，所产生的微波信号具有较差的相位噪声。

上世纪九十年代，X·S·姚等人首次提出利用光电振荡器(Optoelectronic Oscillator，OEO)产生高性能的微波信号，参见授予X·S·姚等人的中国专利第00803073号。光电振荡器是一种基于光学谐振腔储能的微波振荡器。典型的光电振荡器主要由以下几个器件组成：激光光源、电光调制器、一段单模光纤或高Q值光学谐振腔、光探测器、微波放大器和微波带通滤波器。因为单模光纤具有极低的损耗，损耗约为0.2dB/km，所以几公里长的光纤构成的环形腔的Q值达到10¹⁰，基于该种光学腔的振荡器可以产生极低相位噪声的振荡信号。与传统振荡器相比，光电振荡器不仅具有非常低的相位噪声，而且其相位噪声与振荡频率无关，故其振荡信号的低相位噪声特性在微波、毫米波甚至更高频率下均能得到保证。尽管光电振荡器可以产生高质量的微波信号，但是振荡输出信号的频率仍然受到光电环路中各个器件的带宽限制，主要包括：电光调制器、微波放大器、微波带通滤波器。为了扩展光电振荡器的输出频率，研究者提出了倍频光电振荡器(T.Sakamoto，T.Kawanishi，and M.Izutsu，CLOE2005.以及S.Pan and J.Yao，IEEE Photon.Technol.Lett.，2009.以及W.Lixian，Z.Ninghua，L. Wei，and L. Jianguo，IEEE Photon.Technol.Lett.，2011.)。倍频光电振荡器的关键是在生成倍频振荡信号的同时，要还原基频振荡信号以维持光电振荡器的工作。在T.Sakamoto等人的方案中，调制器偏置在最小传输点，实现倍频信号输出，但该方案需要用到电1/2分频器；在S.Pan等人的方案中，为了让偏振态调制器的两路输出信号实现不同的强度调制特性，每一路均需要通过一个光检偏器来精确控制使得输出光与输入光的偏振方向呈一定的角度。实现光检偏器通常采用的技术有二种：一、采用绝缘层上覆硅技术(silicon-on-insulator，SOI)来实现；二、采用在波导内加应力控制的光波导工艺来实现。这些都不是常规的铌酸锂工艺能够实现的。而电光调制器通常采用基于铌酸锂晶体的常规的铌酸锂工艺来实现。因此，光检偏器与光调制器单片集成是很难实现的。在W.Lixian等人的方案中，基于双并联马赫曾德尔调制器的载波相移调制实现倍频信号输出，但需要采用啁啾光纤光栅还原基频振荡信号。由于光纤光栅的色散不易控制，因此必须配合使用可调激光器调节来色散，但增加了成本和复杂度。

发明内容

发明目的：提出一种结构简单、成本较低且易于稳定控制的倍频光电振荡器，实现光电振荡器的倍频振荡信号的输出。

技术方案：

一种倍频光电振荡器，包括光源、基波与倍频双输出光调制器模块、第一光探测器、光电环路；其中，基波与倍频双输出光调制器模块的输入端与光源连接，第一光探测器的输入端与所述基波与倍频双输出光调制器模块的第一输出端连接后输出倍频微波信号，光电环路的输入端与所述基波与倍频双输出光调制器模块的第二输出端连接构成工作于谐振频率的光电振荡电路，所述光电环路的输出端与基波与倍频双输出光调制器模块的电输入端连接构成光电反馈回路；

其中，所述基波与倍频双输出光调制器模块包括：第一光耦合器、第二光耦合器、第三光耦合器、马赫曾德尔调制器、光移相器；第一光耦合器的输入端与所述光源连接，马赫曾德尔调制器的输入端与所述第一光耦合器的第一输出端连接，第二光耦合器的输入端与所述马赫曾德尔调制器的输出端连接，第一光探测器的输入端与所述第二光耦合器的第一输出端连接，所述第二光耦合器的第二输出端与所述第三光耦合器的第一输入端连接，所述第三光耦合器的第二输入端与所述第一光耦合器的第二输出端连接，所述第三光耦合器的输出端与所述光电环路的输入端连接，光移相器串联在所述第一光耦合器、第二光耦合器、第三光耦合器、马赫曾德尔调制器中任意两个器件之间；

其中，所述马赫曾德尔调制器包括：第一直流偏压端、电输入端；第一直流偏压端连接第一直流电压信号，电输入端连接所述光环电路的输出端；所述光移相器包括第二直流偏压端，第二直流偏压端连接第二直流电压信号。

其中，所述光环电路包括：单模光纤、第二光探测器、微波放大器、微波带通滤波器、微波移向器、微波耦合器；所述第三光耦合器的输出端依次连接单模光纤、第二光探测器、微波放大器、微波带通滤波器、微波移向器、微波耦合器后，与所述马赫曾德尔调制器的电输入端连接；所述单模光纤的输入端与所述第三光耦合器的输出端连接。

作为本发明的改进，所述马赫曾德尔调制器为铌酸锂马赫曾德尔结构光强度调制器，所述光移向器由带金属电极的铌酸锂波导构成，所述第一至第三光耦合器由铌酸锂波导构成；所述马赫曾德尔调制器、光移向器、第一至第三光耦合器集成在一块铌酸锂芯片上。

有益效果：

(1)本发明的基波与倍频双输出光调制器模块由马赫曾德尔调制器、光移相器和光耦合器构成，不采用偏振调制器和啁啾光纤光栅等不易控制的光学器件，只需通过对马赫曾德尔调制器和光移相器进行直流电压控制即可实现光电振荡器的稳定工作。工作点易于控制，在温度变化和振动环境中易于稳定工作，且成本较低。

(2)光移相器可以由带金属电极的铌酸锂波导来构成。马赫曾德尔调制器、光移相器和光耦合器均可以采用常规的铌酸锂波导工艺来制作，因此马赫曾德尔调制器、光移相器和第一至第三光耦合器可以集成在一块铌酸锂芯片上，具有可靠性高、体积小、成本低等优点。

附图说明

图1是倍频光电振荡器的原理结构图；

图2是马赫曾德尔调制器的调制特性曲线；

图3是基波与倍频双输出光调制器模块及其输出的结构图；

图4是基波与倍频双输出光调制器模块及其输出的频谱示意图；

图5是基波与倍频双输出光调制器模块的结构图二；

图6是基波与倍频双输出光调制器模块的结构图三；

图7是基波与倍频双输出光调制器模块的结构图四。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种倍频光电振荡器，包括光源100、基波与倍频双输出光调制器模块110、第一光探测器121、光电环路130；其中，基波与倍频双输出光调制器模块110的输入端与光源110连接，第一光探测器121的输入端与基波与倍频双输出光调制器模块110的第一输出端连接后输出倍频微波信号，光电环路130的输入端与基波与倍频双输出光调制器模块110的第二输出端连接构成工作于谐振频率的光电振荡电路，光电环路130的输出端与基波与倍频双输出光调制器模块110的电输入端116连接构成光电反馈回路。

其中，基波与倍频双输出光调制器模块包括：第一光耦合器111、第二光耦合器114、第三光耦合器115、马赫曾德尔调制器112、光移相器113；第一光耦合器111的输入端与光源100连接，马赫曾德尔调制器112的输入端与第一光耦合器111的第一输出端连接，第二光耦合器114的输入端与马赫曾德尔调制器112的输出端连接，第一光探测器121的输入端与第二光耦合器114的第一输出端连接，第二光耦合器114的第二输出端与第三光耦合器115的第一输入端连接，光移相器113的输入端与第一光耦合器111的第二输出端连接，第三光耦合器115的第二输入端与光移相器113的输出端连接。

其中，马赫曾德尔调制器112还包括：第一直流偏压端117、电输入端116(定义为基波与倍频双输出光调制器模块110的第一偏压端)；第一直流偏压端117连接第一直流电压信号，电输入端116连接光环电路130的输出端；光移相器113包括第二直流偏压端118，第二直流偏压端118连接第二直流电压信号。

其中，光环电路130包括：单模光纤131、第二光探测器132、微波放大器133、微波带通滤波器134、微波移相器135、微波耦合器136；第三光耦合器115的输出端依次连接单模光纤131、第二光探测器132、微波放大器133、微波带通滤波器134、微波移相器135、微波耦合器136后，与马赫曾德尔调制器112的电输入端116连接；单模光纤131的输入端与第三光耦合器115的输出端连接。

马赫曾德尔调制器112为铌酸锂马赫曾德尔结构光强度调制器，光移相器113由带金属电极的铌酸锂波导构成，第一至第三光耦合器111、114、115由铌酸锂波导构成；马赫曾德尔调制器112、光移相器113、第一至第三光耦合器111、114、115集成在一块铌酸锂芯片上。

如图2所示，马赫曾德尔调制器112的输出光功率随加载在第一直流偏压端117的直流驱动电压而变化，且具有非线性调制特性。通过改变马赫曾德尔调制器112的直流偏压端117的外接的直流偏置电压，可以改变马赫曾德尔调制器112的偏置工作点。电调制信号加载到马赫曾德尔调制器112的电输入端116对耦合进入马赫曾德尔调制器112的光信号进行调制，马赫曾德尔调制器112输出的光信号经过光探测器121线性转换为电信号。假设输入马赫曾德尔调制器112的电调制信号的频率为f，当调制器偏置在最大传输点或者最小传输点时，调制器输出的光信号经过光探测器后，输出的电信号为输入信号的偶次谐波(2f、4f、6f…)，其中倍频信号2f的幅度最大，而其他频率分量的幅度很弱，几乎可以忽略。

光源100发出的连续光经基波与倍频双输出光调制器模块110进行系统噪声强度调制后，通过单模光纤131传输至光电探测器132前端，光电探测器132把已调光信号转换为电信号，然后经过放大、选频，最终反馈至马赫曾德尔调制器110的电输入端116。系统噪声经过多次循环，如果电信号的增益大于1，最终输出振荡信号。由于单环光电振荡器中多个模式能同时起振，通常采用微波滤波器134抑制其他模式获得单模振荡。

为了使光电振荡器输出倍频微波信号，利用调制器工作在最大传输点和最小传输点的调制特性来实现。马赫曾德尔调制器112的第一直流偏压端117接外部电源施加直流电压使马赫曾德尔调制器112工作在最大传输点或者最小传输点。马赫曾德尔调制器112的电输入端口116被来自光电环路130输出的基频微波信号调制，马赫曾德尔调制器112输出的调制光信号通过耦合器114分出一部分，并耦合进入第一光探测器121转换为电信号，该电信号的频率为马赫曾德尔调制器112电输入端116输入基频信号频率的两倍。为了维持光电振荡器的工作，需要不断的反馈基频微波信号到基波与倍频双输出光调制器模块110，通过下面的方法来实现：第三光耦合器115将来自马赫曾德尔调制器112和光移相器113的二路输出光重新结合，以便通过相干干涉产生基频微波信号。第二直流偏压端118接外部电源施加直流电压控制二路相干光信号的相位差，调节输出基频微波信号的增益。当相位差为0、π、2π时，基频信号的幅度为0，当相位差为其他值时，基频信号的幅度均不为0。因此控制二路相干光相位差为0、π、2π以外的任何值，第三光耦合器115均有基频信号输出。光电振荡器环路中单模光纤的作用是增加环路延时，降低微波信号的相位噪声。第三光耦合器115输出的光信号经过长单模光纤131延时耦合进入第二光探测器132转换为电信号，该电信号包括基频微波信号和基频信号的高次谐波信号。通过微波带通滤波器134将第二光探测器132输出的高次谐波信号滤除，最终输出基频微波信号并反馈到基波与倍频双输出光调制器模块110的电输入端116使光电振荡器正常运行。

基波与倍频双输出光调制器模块110及其输出的原理图如图3所示，图4给出了模块中各个器件输出信号的频谱。光源输出的光信号如图4(A)所示，其频率为f₀。马赫曾德尔调制器的电输入端116输入的微波调制信号的频率为f_m。假设马赫曾德尔调制器是x切推挽式马赫曾德尔调制器，且该马赫曾德尔调制器工作在最小传输点。来自光源的光信号经过马赫曾德尔调制器112被微波调制信号调制后，输出的光信号(B)只含有奇次边频，简便起见，只画出了±1次边频，略去了高次边频，箭头向上和向下表示相位差为π，+1次和-1次边频在光场上分别表示为exp[2π(f₀+f_m)]、exp[2π(f₀-f_m)-π](公式推导中忽略信号的强度)。该信号输入到第一光探测器121中进行拍频，第一光探测器121输出的信号如图4(E)所示为cos[2π(f₀+f_m)-(2π(f₀-f_m)-π)]＝cos(2π(2f_m)+π)，该输出信号的频率为2f_m，是输入微波信号的频率f_m的2倍。来自光源的光信号经过光移相器113后如图4(C)所示，输出光信号的光场表示为

为在第二偏压端118施加直流电压使光信号产生的相移。第三光耦合器115将来自马赫曾德尔调制器112和光移相器113的二路输出光重新结合如图4(D)所示进行相干干涉。该信号输入到第二光探测器132中拍频，输出信号如图4(F)所示，+1次和0次边频进行拍频产生的基频微波信号为：

-1次和0次边频拍频产生的基频微波信号为：

因此总的基频信号为：输出信号功率为：

当

π、2π时，基频微波信号的输出功率为0。当

时，基频微波信号功率最大，有利于环路增益大于1。另外，+1次和-1次边频拍频还会产生倍频微波信号2f_m，该倍频信号会被带通微波滤波器滤除。光移相器113的作用是改变第三光耦合器115的二路相干光信号的相位差，因此光移相器的位置还可以如下3种情况：如图5所示，光移相器113的输入端连接第一光耦合器111的第一输出端，光移相器113的输出端连接马赫曾德尔调制器112的输入端，第一光耦合器111的第二输出端与第三光耦合器115的第二输入端连接；如图6所示，光移相器113的输入端连接马赫曾德尔调制器112的输出端，光移相器112的输出端连接第二光耦合器114的输入端，第一光耦合器111的第二输出端与第三光耦合器115的第二输入端连接；如图7所示，光移相器113的输入端与第二光耦合器114的第二输出端连接，光移相器113的输出端与第三光耦合器115的第一输入端连接，第一光耦合器111的第二输出端与第三光耦合器115的第二输入端连接。这4种情况会导致光信号的相位有所不同，但是在光电探测器端所产生的微波输出的结果是一样的，因此不一一赘述。

本发明提出的倍频光电振荡装置无需使用偏振调制器、光检偏器和光纤光栅等获得了光电振荡器谐振频率的二倍频信号，具有成本低和结构简单等优点，使得本发明可广泛应用与通信、雷达和电子对抗等领域。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种倍频光电振荡器，其特征在于：包括光源、基波与倍频双输出光调制器模块、第一光探测器、光电环路；其中，基波与倍频双输出光调制器模块的输入端与光源连接，第一光探测器的输入端与所述基波与倍频双输出光调制器模块的第一输出端连接后输出倍频微波信号，光电环路的输入端与所述基波与倍频双输出光调制器模块的第二输出端连接构成工作于谐振频率的光电振荡电路，所述光电环路的输出端与基波与倍频双输出光调制器模块的电输入端连接构成光电反馈回路；

其中，所述基波与倍频双输出光调制器模块包括：第一光耦合器、第二光耦合器、第三光耦合器、马赫曾德尔调制器、光移相器；第一光耦合器的输入端与所述光源连接，马赫曾德尔调制器的输入端与所述第一光耦合器的第一输出端连接，第二光耦合器的输入端与所述马赫曾德尔调制器的输出端连接，第一光探测器的输入端与所述第二光耦合器的第一输出端连接，所述第二光耦合器的第二输出端与第三光耦合器的第一输入端连接，所述第三光耦合器的第二输入端与所述第一光耦合器的第二输出端连接，所述第三光耦合器的输出端与所述光电环路的输入端连接，光移相器串联在所述第一光耦合器、第二光耦合器、第三光耦合器、马赫曾德尔调制器中任意两个器件之间；

其中，所述马赫曾德尔调制器包括：第一直流偏压端、电输入端；第一直流偏压端连接第一直流电压信号，电输入端连接所述光环电路的输出端；所述光移相器包括第二直流偏压端，第二直流偏压端连接第二直流电压信号。

2.根据权利要求1所述的一种倍频光电振荡器，其特征在于：所述光环电路包括：单模光纤、第二光探测器、微波放大器、微波带通滤波器、微波移相器、微波耦合器；所述第三光耦合器的输出端依次连接单模光纤、第二光探测器、微波放大器、微波带通滤波器、微波移相器、微波耦合器后，与所述马赫曾德尔调制器的电输入端连接；所述单模光纤的输入端与所述第三光耦合器的输出端连接。

3.根据权利要求2所述的一种倍频光电振荡器，其特征在于：所述马赫曾德尔调制器为铌酸锂马赫曾德尔结构光强度调制器，所述光移相器由带金属电极的铌酸锂波导构成，所述第一至第三光耦合器由铌酸锂波导构成；所述马赫曾德尔调制器、光移相器、第一至第三光耦合器集成在一块铌酸锂芯片上。

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