CN103560380A - 一种稳定的微波振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稳定的光电振荡器，包括激光器、电光调制器、长光纤、光电探测器，放大器、电带通滤波器、电调微波移相器、高稳定微波源、2×1合波器或定向耦合器、第一1×2功分器或定向耦合器、第二1×2功分器或定向耦合器、第三1×2功分器或定向耦合器以及锁相控制模块，其中，锁相控制模块包括混频器、电低通滤波器和伺服控制模块，混频器的输出端连接到电低通滤波器的输入端，电低通滤波器的输出端连接到伺服控制器的输入端；本发明光电振荡器在传统的单环OEO结构的基础上增加了外置高稳定微波源的电注入和锁相控制机构，相比于现有的技术方案，本发明不增加谐振腔内光链路的插入损耗，保持了光电谐振腔的高信噪比，其结构复杂度也比现有方案低，易于实现。

Description

一种稳定的微波振荡器

所属技术领域

本发明属于微波与光电子技术领域，具体涉及一种光电振荡器。 

背景技术

光电振荡器（OEO：Optoelectronic Oscillator）是一种使用高品质因子（Q值）的光储能元件来代替传统微波储能元件的一种新型振荡器，它的特点在于产生频谱纯净的微波信号，振荡信号的相位噪声远小于目前的电振荡器。OEO的基本结构在1994年由X.Steve Yao和Lute Maleki首次提出，包括一个激光器和由一个电光调制器、一段长光延时线（如光纤等）、一个光电探测器、一个微波放大器、一个带通滤波器所构成的闭合反馈环路，其中带通滤波器的输出信号反馈至电光调制器的微波输入端。在这种结构中，首先由噪声起振，当环路增益大于等于1时，满足同相叠加条件的频率在谐振腔内形成振荡。这种结构的光电振荡器存在两个主要的技术困难。首先，它是不能稳定工作的，这是由于环境温度变化和振动使得光纤的长度和传播常数改变，进而导致谐振腔长度的变化，造成谐振频率的改变。另外，为了获得高Q值，光电振荡器中光纤的长度远大于谐振波长，谐振腔是多模的，因此可以用一个带宽小于模式频率间隔的带通滤波器来选模，只保留一个谐振频率并抑制掉其它谐振频率。然而，在1GHz以上频段，窄带滤波器是很难实现的。为了解决上述两个技术困难，目前已有一些解决方案，但这些方案都存在不足： 

（1） 第1种方案是利用非注入型锁相环技术来维持OEO的稳定振荡，但却不能抑制杂散模让OEO单模振荡；

（2） 第2种方案是采用高Q值光子滤波器来实现杂散模抑制，如在专利“具有光谐振器的光电振荡器（申请号：00803073.1）”中所提出的方案，这种高Q值光子滤波器可以让OEO单模输出，但这种光子滤波器需要通过复杂的电光或温度调谐才能保证稳定性，并且它的插入损耗较大，进而会使OEO输出微波信号的相位噪声变差；

（3） 第3种方案是利用主、从多环路法来抑制杂散模，但是结构复杂，仍然存在环境振动和温度造成的不稳定问题；

（4） 第4种方案是在原OEO中的光链路中插入第二个电光调制器，它由环路外部另一个高稳定微波源所驱动，这一调制锁模过程可以抑制杂散模，并利用锁相环技术使OEO稳定输出，如在专利“高稳定单模微波光电振荡器（申请号：201210525088.X）”中所提出的方案，但是这种方案需要OEO环路中有两个调制器，增加了光链路的插损，即增加了整个光链路的噪声系数，另外需要两个偏置控制器来控制调制器的偏置点，增加的偏置信号会引入额外的附加噪声，导致振荡信号的频谱纯度不高，并且系统的复杂性和成本也会加大；

（5） 第5种方案是在OEO环路外增加一个激光器和电光调制器，对光电振荡器的光载波进行预先调制，利用较低频微波调制光信号的高次谐波来锁定OEO环路中的一个振荡模式，这种方案是一种光注入方案，但是这种注入方案会恶化OEO输出微波信号的远载频相位噪声，并且需要结构复杂的激光器注入锁定装置。

发明内容

为了克服OEO现有技术方案的局限性，解决OEO现有方案不能同时兼顾稳定性和杂散模抑制或者会引入附加噪声导致OEO振荡信号的相位噪声恶化的缺陷，本发明提供一种附加噪声小、能兼顾稳定性和杂散模抑制、结构简单且容易实现的OEO技术方案。 

本发明采用如下技术方案： 

一种稳定的光电振荡器，其特征在于：包括激光器、电光调制器、长光纤、光电探测器，放大器、电带通滤波器、电调微波移相器、高稳定微波源、2×1合波器或定向耦合器、第一1×2功分器或定向耦合器、第二1×2功分器或定向耦合器、第三1×2功分器或定向耦合器以及锁相控制模块，其中，锁相控制模块包括混频器、电低通滤波器和伺服控制模块，所述混频器的输出端连接到电低通滤波器的输入端，电低通滤波器的输出端连接到伺服控制器的输入端；激光器的输出端连接到电光调制器的光输入端，电光调制器的光输出端连接到长光纤的输入端，长光纤的输出端连接到光电探测器的输入端，在所述光电探测器的前端或后端设置所述的放大器，在所述光电探测器与第一1×2功分器或定向耦合器之间设置所述的电带通滤波器和电调微波移相器，第一1×2功分器或定向耦合器的一个输出端连接到所述混频器的一个输入端作为锁相控制模块的第一参考信号，第一1×2功分器或定向耦合器的另一个输出端连接到2×1定向耦合器的其中一个输入端，伺服控制器的输出端连接到电调微波移相器的电压控制端；高稳定微波源的输出端连接到第二1×2功分器或定向耦合器的输入端，第二1×2功分器或定向耦合器的其中一个输出端连接到所述混频器10的另一个输入端作为锁相控制模块9的第二参考信号，第二1×2功分器或定向耦合器的另一个输出端连接到2×1合波器或定向耦合器的另一个输入端，2×1合波器或定向耦合器的输出端连接到第三1×2功分器或定向耦合器的输入端，第三1×2功分器或定向耦合器的其中一个输出端连接到电光调制器的微波输入端形成振荡反馈环路，第三1×2功分器或定向耦合器另一个输出端输出微波信号。

上述稳定的光电振荡器，其中：OEO的注入信号是一个频率稳定的微波信号，这个微波信号由外置高稳定微波源产生，并且这个微波信号是通过电定向耦合器或合波器直接注入到光电谐振腔中的。 

上述稳定的光电振荡器，所述的放大器为微波放大器，所述光电探测器的输出端连接到微波放大器的输入端。 

上述稳定的光电振荡器，微波放大器、电带通滤波器和电调微波移相器的位置可相互间任意交换。 

上述稳定的光电振荡器，微波放大器的输出端连接到电带通滤波器的输入端，电带通滤波器的输出端连接到一个电调微波移相器的微波输入端，电调微波移相器的微波输出端连接到第一1×2功分器的输入端。 

上述稳定的光电振荡器，所述的放大器为光放大器，所述光电探测器的输入端连接到光放大器的输出端。 

上述稳定的光电振荡器，高稳定微波源是恒温晶振、原子钟、蓝宝石振荡器、介质腔谐振器或由恒温晶振、原子钟、蓝宝石振荡器以及介质腔谐振器构成的合成频率源，其输出信号的频率处于电带通滤波器的通带内；电光调制器是马赫-曾德调制器或电光相位调制器；光电探测器是单个PIN光电探测器或双平衡探测器；在光电探测器前设有马赫-曾德光干涉仪装置。 

上述稳定的光电振荡器，微波放大器是多级微波放大器串联或并联所构成的放大模块； 

本发明的有益效果是，本发明在传统的单谐振环OEO结构的基础上增加了外置高稳定微波源的电注入和锁相环节，从而实现光电振荡器高稳定的单模振荡并且使得振荡信号具有很高的频谱纯度。由于光电振荡器的噪声主要取决于光链路的信噪比，本发明的高稳定注入信号是直接通过电注入的，相比于其它方案中通过增加第二个电光调制器来注入，谐振腔中光链路的插损以及信噪比没有恶化，本发明的方案在通过电注入锁定来实现单模振荡的同时，仍然保持很高的信噪比，从而确保振荡信号具有很高的频谱纯度；相比于光载波预先调制方案，本发明的结构更加简单、易于实现，而且不存在光载波预调制造成的远载频相位噪声恶化的问题；相比于通过额外的光电谐振环来实现单模振荡的其它方案，本发明的方案仅采用单个光电振荡环，结构更加简单，且便于锁相控制。总之，本发明用高稳定微波信号通过电注入和锁相控制来锁定光电振荡器的谐振模，实现频率高度稳定和高频谱纯度的谐振，获得频率稳定度高且相位噪声低的微波振荡信号。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

图1是实施例1的稳定微波光电振荡器的结构图。 

图2是本发明的一种锁相控制模块结构图。 

图3是实施例2的稳定微波光电振荡器的结构图。 

图中标记：1：激光器；2：电光调制器；3：长光纤；4：光电探测器；5：微波放大器；6：电带通滤波器；7：电调微波移相器；8：高稳定微波源；9：锁相控制模块；10：混频器；11：电低通滤波器；12：伺服控制器；13：光放大器；A：第一1×2功分器或定向耦合器；B：第二1×2功分器或定向耦合器；C:第三1×2功分器或定向耦合器；D：2×1合波器或定向耦合器。 

具体实施方式

实施例1： 

根据图1和图2所示的一种稳定的光电振荡器，主要由一个激光器1、一个电光调制器2、一段长光纤3、一个光电探测器4，一个微波放大器5、一个电带通滤波器6、一个电调微波移相器7、一个高稳定微波源8、一个2×1合波器或定向耦合器D、第一1×2功分器或定向耦合器A 、第二1×2功分器或定向耦合器B、第三1×2功分器或定向耦合器C以及锁相控制模块9所构成，其中，锁相控制模块9主要由一个混频器10、一个电低通滤波器11、一个伺服控制器12所构成，混频器10的输出端连接到电低通滤波器11的输入端，电低通滤波器11的输出端连接到伺服控制模块12的输入端。激光器1的输出端连接到电光调制器2的光输入端，电光调制器2的输出端连接到长光纤3的输入端，长光纤3的输出端连接到光电探测器4的输入端，光电探测器4的输出端连接到微波放大器5的输入端，微波放大器5的输出端连接到电带通滤波器6的输入端，电带通滤波器6的输出端连接到一个电调微波移相器7的微波输入端，电调微波移相器7的微波输出端连接到1×2功分器A的输入端，功分器A的一个输出端连接到锁相控制模块9的一个输入端即混频器10的一个输入端，作为锁相控制模块9的第一参考信号，另一个输出端连接到一个2×1定向耦合器D的其中一个输入端；高稳定微波源8的输出端连接到一个1×2功分器B的输入端，功分器B的其中一个输出端连接到锁相控制模块9的另一个输入端即混频器10的另一个输入端，作为锁相控制模块9的第二参考信号，功分器B的另一个输出端连接到定向耦合器D的另一个输入端，定向耦合器D的输出端连接到一个1×2功分器C的输入端，功分器C的其中一个输出端连接到电光调制器2的微波输入端形成振荡反馈环路，功分器C另一个输出端输出微波信号，此即OEO的输出微波信号。

工作原理：当OEO环路自由振荡时，即无外部信号注入的情况下，所有谐振模式都是由环路内的噪声起振，即噪声为种子信号，满足环路增益大于或等于1并且环路相移接近于2π整数倍的频率在谐振腔内同相叠加，从而形成振荡信号。微波放大器5为振荡信号提供增益。带通滤波器6使得带外的频率损耗较大，不能谐振。长光纤延时线3提供低损耗的光储能介质，从而使得光电振荡器的谐振腔具有很高的Q值，从而获得高频谱纯度的振荡信号。但是光纤延时线带来两个主要的问题。其一，较长（大于1公里）的光纤易受环境振动和温度变化的影响，其长度和传播常数改变，使得传播延时改变，进而造成光电谐振腔的环路延时改变，最终导致谐振频率改变。其二，长光纤延时线导致谐振环路延时较大，谐振腔的自由谱范围（相邻谐振模的频率间隔）很小，又由于电带通滤波器在1GHz以上频段很难获得高Q值的窄带滤波器，因此光电谐振腔在电带通滤波器的通带内通常存在多余1个的谐振模。将一个幅度大于光电谐振腔内噪声信号的外置高稳定微波源8的输出信号（其频率处于带通滤波器6的通带内）通过电定向耦合器D和功分器C注入光电谐振腔，并通过锁相控制模块9将谐振腔的谐振频率牵引到注入信号的频率上，又由于谐振腔内的模式竞争，强于噪声的注入信号在模式竞争中处于优势，最终导致注入信号获得显著的谐振增强，而其它频率的谐振模式受到显著抑制，从而实现了稳定的单模谐振。将光电谐振腔的谐振频率牵引到注入信号频率上是通过锁相控制实现的，高稳定微波源8输出信号经功分器B分出一部分与OEO的谐振信号经功分器A分出的一部分通过锁相控制模块9中的混频器10比较后产生一个相位误差信号，锁相控制模块9根据此相位误差信号通过电调微波移相器7来调整环路的相位延迟，使得注入信号经光电谐振腔的环路延迟为2π的整数倍，满足谐振相位条件，从而使得光电振荡器的谐振频率在环境振动和温度变化的情况下仍然锁定在注入信号的频率上，实现了谐振频率的稳定性。 

实施例2： 

根据图2和图3所示的一种稳定的光电振荡器，主要由一个激光器1、一个电光调制器2、一段长光纤3、一个光电探测器4，一个光放大器13、一个电带通滤波器6、一个电调微波移相器7、一个高稳定微波源8、一个2x1定向耦合器D、第一1×2功分器A 、第二1×2功分器B、第三1×2功分器C及锁相控制模块9所构成，其中，锁相控制模块9主要由一个混频器10、一个电低通滤波器11、一个伺服控制器12所构成，混频器10的输出端连接到电低通滤波器11的输入端，电低通滤波器11的输出端连接到伺服控制模块12的输入端。激光器1的输出端连接到电光调制器2的光输入端，电光调制器2的输出端连接到长光纤3的输入端，长光纤3的输出端连接到光放大器13的输入端，光放大器13的输出端连接到光电探测器4的输入端，光电探测器4的输出端连接到电带通滤波器6的输入端，电带通滤波器6的输出端连接到一个电调微波移相器7的微波输入端，电调微波移相器7的微波输出端连接到1x2功分器A的输入端，功分器A的一个输出端连接到锁相控制模块的一个输入端即混频器10的一个输入端，作为锁相控制模块9的第一参考信号，另一个输出端连接到一个2x1定向耦合器D的其中一个输入端；高稳定微波源8的输出端连接到一个1x2功分器B的输入端，功分器B的其中一个输出端连接到锁相控制模块9的另一个输入端即混频器10的另一个输入端，作为锁相控制模块9的第二参考信号，功分器B的另一个输出端连接到定向耦合器D的另一个输入端，定向耦合器B的输出端连接到一个1x2功分器C的输入端，功分器C的其中一个输出端连接到电光调制器2的微波输入端形成振荡反馈环路，功分器C另一个输出端输出微波信号，此即OEO的输出微波信号。与实施例1的不同之处是用光放大器13代替了微波放大器5。

Claims (8)

1.一种稳定的光电振荡器，其特征在于：包括激光器（1）、电光调制器（2）、长光纤（3）、光电探测器（4），放大器（5）、电带通滤波器（6）、电调微波移相器（7）、高稳定微波源（8）、2×1合波器或定向耦合器（D）、第一1×2功分器或定向耦合器（A） 、第二1×2功分器或定向耦合器（B）、第三1×2功分器或定向耦合器（C）以及锁相控制模块（9），其中，锁相控制模块（9）包括混频器（10）、电低通滤波器（11）和伺服控制器（12），所述混频器（10）的输出端连接到电低通滤波器（11）的输入端，电低通滤波器（11）的输出端连接到伺服控制模块（12）的输入端；激光器（1）的输出端连接到电光调制器（2）的光输入端，电光调制器（2）的输出端连接到长光纤（3）的输入端，长光纤（3）的输出端连接到光电探测器（4）的输入端，在所述光电探测器（4）的前端或后端设置所述的放大器（5），在所述光电探测器（4）与第一1×2功分器或定向耦合器（A）之间设置所述的电带通滤波器（6）和电调微波移相器（7），第一1×2功分器或定向耦合器（A）的一个输出端连接到所述混频器（10）的一个输入端作为锁相控制模块（9）的第一参考信号，第一1×2功分器或定向耦合器（A）的另一个输出端连接到2×1定向耦合器（D）的其中一个输入端，伺服控制器（12）的输出端连接到电调微波移相器（7）的电压控制端；高稳定微波源（8）的输出端连接到第二1×2功分器或定向耦合器（B）的输入端，第二1×2功分器或定向耦合器（B）的其中一个输出端连接到所述混频器10的另一个输入端作为锁相控制模块9的第二参考信号，第二1×2功分器或定向耦合器（B）的另一个输出端连接到2×1合波器或定向耦合器（D）的另一个输入端，2×1合波器或定向耦合器（D）的输出端连接到一第三1×2功分器或定向耦合器（C）的输入端，第三1×2功分器或定向耦合器（C）的其中一个输出端连接到电光调制器（2）的微波输入端形成振荡反馈环路，第三1×2功分器或定向耦合器（C）另一个输出端输出微波信号。

2.如权利要求1所述稳定的光电振荡器，其特征在于：所述的放大器为微波放大器（5），所述光电探测器（4）的输出端连接到微波放大器（5）的输入端。

3.如权利要求2所述稳定的光电振荡器，其特征在于：所述微波放大器（5）、电带通滤波器（6）和电调微波移相器（7）的位置可相互间任意交换。

4.如权利要求3所述稳定的光电振荡器，其特征在于：微波放大器（5）的输出端连接到电带通滤波器（6）的输入端，电带通滤波器（6）的输出端连接到一个电调微波移相器（7）的微波输入端，电调微波移相器（7）的微波输出端连接到第一1×2功分器或定向耦合器（A）的输入端。

5.如权利要求1所述稳定的光电振荡器，其特征在于：所述的放大器为光放大器（13），所述光电探测器（4）的输入端连接到光放大器（13）的输出端。

6.如权利要求1、2或5所述稳定的光电振荡器，其特征在于：所述高稳定微波源（8）是恒温晶振、原子钟、蓝宝石振荡器、介质腔谐振器或由恒温晶振、原子钟、蓝宝石振荡器以及介质腔谐振器构成的合成频率源，高稳定微波源（8）的输出信号的频率处于电带通滤波器（6）的通带内。

7.如权利要求1、2或5所述稳定的光电振荡器，其特征在于：，电光调制器（2）是马赫-曾德调制器或电光相位调制器；所述光电探测器（4）是单个PIN光电探测器或双平衡探测器，在光电探测器（4）前设有马赫-曾德光干涉仪装置。

8.如权利要求1或2所述稳定的光电振荡器，其特征在于：微波放大器（5）是多级微波放大器串联或并联所构成的放大模块。

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