CN104051934B - 基于电学环路滤波的光电振荡器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电学环路滤波的光电振荡器及方法。该装置包括光端设备和电端设备，所述光端设备包括通过光纤顺次连接的直接调制DFB激光器、光衰减器和光接收模块；所述电端设备包括第一功分器、延迟线、放大器、第二功分器和第三功分器。所述第二功分器、放大器、第一功分器与延迟线顺序相连构成电学环路，该电学环路产生的微波信号，送入由第三功分器、直接调制DFB激光器、光衰减器、光接收模块、第一功分器、延迟线、第二功分器顺序相连构成的光电振荡器环路，当电学环路和光电振荡器环路互相锁定后，同时符合两个环路振荡的频率被选出，由第三功分器输出低相噪的微波信号。本发明提高了环路的稳定性，降低了外界环境对产生微波信号的影响。

Description

基于电学环路滤波的光电振荡器及方法
技术领域
本发明涉及光电振荡器的技术领域，特别是一种基于电学环路滤波的光电振荡器及方法。
背景技术
振荡器是通信系统、导航、雷达、测试仪器、电子对抗等电子系统的关键器件，直接影响电子系统的性能。振荡器可以为高速数字系统提供时钟信号，作为本振实现上、下变频，在同步系统中作为参考源。现代通信技术向高带宽、高频率发展，进一步提高了对微波振荡器性能的要求。
光电振荡器(OEO)是其中最具代表性、最早走向实用化的光子学微波与毫米波振荡器(源)。光电振荡器是由光源，光学调制器，光纤，探测器，电滤波器，移相器和放大器等组成的光电混合谐振器，其基本原理是调制器产生的边带经过一段光纤和放大进入光电探测器，光电探测器产生的微波经过滤波，移相，放大后反馈到调制器。经过多次反馈作用，只有位于滤波器带通范围内的微波谐振模式才能获得有效振荡。由于光纤的Q值非常高，所以光电振荡器产生的微波噪声非常低，远低于传统的微波源。
光电振荡器的滤波元件是电滤波器，如要提高输出频谱的纯度就要降低电滤波器的带宽。如果电滤波器的带宽足够小，那就可以滤出单一频率的纯净微波信号，但很高频率下很难找到合适的高频窄带通滤波器，电滤波器容易受到外界环境的影响，当温度每提高1摄氏度，电滤波器的中心频率漂移22kHz，系统稳定性较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种相位噪声低、稳定性好的基于电学环路滤波的光电振荡器及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于电学环路滤波的光电振荡器，包括光端设备和电端设备，所述光端设备包括通过光纤顺次连接的直接调制DFB激光器、光衰减器和光接收模块；所述电端设备包括第一功分器、延迟线、放大器、第二功分器和第三功分器，光接收模块的输出端接入第一功分器的一个输入端，第一功分器的输出端通过延迟线接入第二功分器，第二功分器的一个输出端通过放大器接入第一功分器的另一个输入端，第二功分器的另一个输出端通过第三功分器接入直接调制DFB激光器；
所述第二功分器、放大器、第一功分器与延迟线顺序相连构成电学环路，该电学环路产生的微波信号，送入由第三功分器、直接调制DFB激光器、光衰减器、光接收模块、第一功分器、延迟线、第二功分器顺序相连构成的光电振荡器环路，当电学环路和光电振荡器环路互相锁定后，同时符合两个环路振荡的频率被选出，由第三功分器输出端输出低相噪的微波信号。
一种基于电学环路滤波的光电振荡方法，该方法基于光端和电端两部分，结合电学环路和光电振荡器环路形成的互注入锁定模式，实现低相噪微波信号的产生，具体为：
步骤1，第二功分器、放大器、第一功分器与延迟线顺序相连构成电学环路，产生微波信号；
步骤2，所产生的微波信号送入由第三功分器、直接调制DFB激光器、光衰减器与光接收模块、第一功分器、延迟线、第二功分器顺序相连构成的光电振荡器环路；
步骤3，当电学环路和光电振荡器环路互相锁定后，同时符合两个环路振荡的频率被选出，由第三功分器输出低相噪的微波信号。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)将电学环路和光电振荡器环路结合成自注入锁定光电振荡器，改善了光电振荡器输出信号的相位噪声；(2)无需使用滤波器，提高了环路的稳定性，降低了外界环境对产生微波信号的影响，产生微波信号的相位噪声低、稳定性好；(3)简化了光电振荡器的结构、提高了环路的稳定性、易于小型化。
附图说明
图1是本发明基于电学环路滤波的光电振荡器的系统框图。
具体实施方式
高频谱纯度、低相位噪声的信号源在时间频率传递的过程中使用非常广泛，传统意义的振荡器采用介质振荡器或石英晶体作为储能元件，振荡器不能产生高频谱纯度、低相位噪声，石英晶体不能得到高频振荡信号。与之相比，光电振荡器可以产生频率范围在几百MHz到几百GHz的范围内稳定高纯度信号，但其相位易受外界环境的影响，利用电学环路可等效为电滤波器的原理，形成电自注入锁定就可以较容易的实现低相位噪声、高品质信号的产生。本发明基于电学环路滤波的光电振荡器及方法，实现机理是利用电增益环路等效形成电滤波器，将电增益环路和光电振荡器环路结合成自注入锁定光电振荡器。
结合图1，本发明基于电学环路滤波的光电振荡器，包括光端设备和电端设备，所述光端设备包括通过光纤顺次连接的直接调制DFB激光器1、光衰减器2和光接收模块3；所述电端设备包括第一功分器4、延迟线5、放大器6、第二功分器7和第三功分器8，光接收模块3的输出端接入第一功分器4的一个输入端，第一功分器4的输出端通过延迟线5接入第二功分器7，第二功分器7的一个输出端通过放大器6接入第一功分器4的另一个输入端，第二功分器7的另一个输出端通过第三功分器8接入直接调制DFB激光器1；
所述第二功分器7、放大器6、第一功分器4与延迟线5顺序相连构成电学环路，该电学环路产生的微波信号，送入由第三功分器8、直接调制DFB激光器1、光衰减器2、光接收模块3、第一功分器4、延迟线5、第二功分器7顺序相连构成的光电振荡器环路，当电学环路和光电振荡器环路互相锁定后，同时符合两个环路振荡的频率被选出，由第三功分器8输出端输出低相噪的微波信号。
本发明基于电学环路滤波的光电振荡方法，该方法基于光端和电端两部分，结合电学环路和光电振荡器环路形成的互注入锁定模式，实现低相噪微波信号的产生，具体为：
步骤1，第二功分器7、放大器6、第一功分器4与延迟线5顺序相连构成电学环路，产生微波信号；
步骤2，所产生的微波信号送入由第三功分器8、直接调制DFB激光器1、光衰减器2与光接收模块3、第一功分器4、延迟线5、第二功分器7顺序相连构成的光电振荡器环路；
步骤3，当电学环路和光电振荡器环路互相锁定后，同时符合两个环路振荡的频率被选出，由第三功分器8输出低相噪的微波信号。
实施例1
结合图1，本发明基于电学环路滤波的光电振荡器，由常用的光纤通信器件和微波器件构成：
直接调制DFB激光器1采用模拟带宽20G的直接调制半导体激光器；
光衰减器2采用155nm波长的光可变衰减器；
光接收模块3采用模拟带宽20G的PIN接收组件；
第一功分器4采用50:50的电功率分路器；
延迟线5采用高频电缆传输线；
放大器6采用窄带微波放大器；
第二功分器7采用50:50的电功率分路器；
第三功分器8采用50:50的电功率分路器。
该装置包括光端端设备和电端设备，其中，
光端设备中，直接调制DFB激光器1采用模拟带宽20G的分布反馈半导体激光器、光衰减器2采用波长1550nm的可变光功率衰减器与光接收模块3采用20G的模拟PIN+TIA接收组件，通过光纤顺序相连；
电端设备中，第一功分器4采用3dB的功率分配器、延迟线5采用20G的高频电缆传输线、第二功分器7采用3dB的功率分配器、第三功分器8采用3dB的功率分配器和直接调制DFB激光器1顺序连接，第二功分器7的另一输出端、放大器6采用8-12G、30dB增益的微波放大器、第一功分器4的另一输入端顺序相连，第二功分器7、放大器6、第一功分器4与延迟线5顺序相连构成电自激振荡环路。
综上所述，本发明基于电学环路滤波的光电振荡器，通过调节电自激振荡环路中的移相器，改变光电振荡器输出微波信号的频率，系统无需电学滤波器，结构简单、易于小型化，产生的微波信号相位噪声低、性能稳定。

Claims (5)

1.一种基于电学环路滤波的光电振荡器，其特征在于，包括光端设备和电端设备，所述光端设备包括通过光纤顺次连接的直接调制DFB激光器(1)、光衰减器(2)和光接收模块(3)；所述电端设备包括第一功分器(4)、延迟线(5)、放大器(6)、第二功分器(7)和第三功分器(8)，光接收模块(3)的输出端接入第一功分器(4)的一个输入端，第一功分器(4)的输出端通过延迟线(5)接入第二功分器(7)，第二功分器(7)的一个输出端通过放大器(6)接入第一功分器(4)的另一个输入端，第二功分器(7)的另一个输出端通过第三功分器(8)接入直接调制DFB激光器(1)；
所述第二功分器(7)、放大器(6)、第一功分器(4)与延迟线(5)顺序相连构成电学环路，该电学环路产生的微波信号，送入由第三功分器(8)、直接调制DFB激光器(1)、光衰减器(2)、光接收模块(3)、第一功分器(4)、延迟线(5)、第二功分器(7)顺序相连构成的光电振荡器环路，当电学环路和光电振荡器环路互相锁定后，同时符合两个环路振荡的频率被选出，由第三功分器(8)输出端输出低相位噪声的微波信号。
2.根据权利要求1所述的基于电学环路滤波的光电振荡器，其特征在于，所述直接调制DFB激光器(1)采用模拟带宽20G的直接调制半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的基于电学环路滤波的光电振荡器，其特征在于，光衰减器(2)采用1550nm波长的光可变衰减器，光接收模块(3)采用模拟带宽20G的PIN接收组件。
4.根据权利要求1所述的基于电学环路滤波的光电振荡器，其特征在于，所述第一功分器(4)、第二功分器(7)和第三功分器(8)均采用50:50的电功率分路器。
5.一种基于电学环路滤波的光电振荡方法，其特征在于，该方法基于光端和电端两部分，结合电学环路和光电振荡器环路形成的互注入锁定模式，实现低相位噪声微波信号的产生，具体为：
步骤1，第二功分器(7)、放大器(6)、第一功分器(4)与延迟线(5)顺序相连构成电学环路，产生微波信号；
步骤2，所产生的微波信号送入由第三功分器(8)、直接调制DFB激光器(1)、光衰减器(2)与光接收模块(3)、第一功分器(4)、延迟线(5)、第二功分器(7)顺序相连构成的光电振荡器环路；
步骤3，当电学环路和光电振荡器环路互相锁定后，同时符合两个环路振荡的频率被选出，由第三功分器(8)输出低相位噪声的微波信号。
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