CN104158069B - 一种基于三光纤环结构的光电振荡器 - Google Patents

Abstract

一种基于三光纤环结构的光电振荡器，包括光源、电光调制器、放大器、带通滤波器、第一分光器、第一光纤环、第二光纤环、第三光纤环、第一光探测器、第二光探测器、第三光探测器、第一功分器、第二功分器，第一光纤环、第二光纤环、第三光纤环长度各不相同；本发明的基于三光纤环结构的光电振荡器具有频谱纯度高、工作频率高、抗电磁干扰能力强等优点。

Description

一种基于三光纤环结构的光电振荡器

技术领域

本发明涉及光电信息领域，特别是涉及一种为雷达系统提供微波信号的微波源。

背景技术

随着现代光电信息技术在航空航天、雷达通信、仪器测量、电子对抗等领域中的广泛应用和迅速发展，对微波信号源的频率稳定度和频谱纯度提出了越来越高的要求，与传统使用微波电振荡器产生微波信号相比，光电振荡器利用电光调制器和光纤低损耗的特性将光信号转换为频率稳定的、高频谱纯度的、低相位噪声的微波信号，是一种完全由光信号生成微波信号的新技术。光电振荡器主要由光源、电光调制器、光电探测器、RF放大器、滤波器等组成，光电振荡器常见的结构有单光纤环结构和双光纤环结构。

图1所示为基于单光纤环结构的光电振荡器原理示意图，低噪声激光器发出的连续光经电光调制器调制后通过长光纤传输进入光电探测器，光电探测器把光信号转变为电信号，之后通过带通滤波器进行选频滤波，通过放大器进行信号放大，放大后的信号反馈给电光调制器，从而形成正反馈回路，实现自注入锁定，形成自激稳定振荡。振荡环路中的放大器提供了信号增益，信号经过多次循环放大后，就能建立起稳定的振荡，其振荡频率由光源、光纤长度及带通滤波器的通带特性决定。光电振荡器输出的微波信号V_out(t)可表示为如下：

由式(1)可知，输出信号包含很多ω的谐波分量，V_B为调制器的偏置电压，V_π为半波电压，V₀为输出电压的幅值常数，J为贝赛尔函数。

图2所示为基于单光纤环结构的光电振荡器的输出信号频谱示意图，不同频率信号之间的间隔为c/nL，c为光速、n为光纤的折射率、L为光纤长度，对于采用单光纤环结构的光电振荡器存在唯一一种模式输出，且信号频率间隔由c/nL决定。理论上可以用带宽足够窄的带通滤波器选择需要的频率信号，但实际上带通滤波器的带宽不可能做到很小，带通滤波器的带宽往往是模间距c/nL的很多倍，导致无法选择单一频率的输出信号。采用单光纤环结构的光电振荡器不具有实用价值。

图3所示为基于双光纤环结构的光电振荡器原理示意图，电光调制器输出的光信号经分光器分成三路，一路作为调制光信号输出，另外两路经过不同长度的光纤环L1和L2送给探测器，两个探测器输出的射频电信号经功分器合并为一路射频电信号再经后续放大器、滤波器形成正反馈，驱动电光调制器工作。由于光纤环L1和L2的长度不相同，决定了输出信号的频率间隔不相同，只有同时满足两种振荡模式的频率信号才能作为了最终的输出信号。

图4所示为基于双光纤环结构的光电振荡器输出信号示意图，通过合理设计光纤环L1和L2的长度，使得短光纤的第1、第2个振荡波峰正好对应长光纤环的波谷，这样输出信号的边模得到了很好的抑制。采用双光纤环结构比采用单光纤结构的光电振荡器具有更好的频谱纯度，但双光纤环的设计很难同时兼顾相位噪声和边模抑制的问题。此外，由于光纤的折射率会随着外界温度、振动等环境因素的变化而变化，使得光电振荡器输出信号存在频率漂移、甚至跳频的现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于三光纤环结构的光电振荡器，用于解决上述技术问题。

本发明基于三光纤环结构的光电振荡器，包括光源、电光调制器、放大器、带通滤波器、第一分光器、第一光纤环、第二光纤环、第三光纤环、第一光探测器、第二光探测器、第三光探测器、第一功分器、第二功分器，第一光纤环、第二光纤环、第三光纤环长度各不相同；

光源输出光信号给电光调制器的第一输入端，电光调制器的输出端连接第一分光器的输入端，第一分光器的三个输出端口分别依次接第一光纤环、第二光纤环、第三光纤环的输入端，第一光纤环的输出端连接第一光探测器的输入端，第二光纤环的输出端连接第二光探测器的输入端，第三光纤环的输出端连接第三光探测器输入端，第一光探测器的输出端连接第一功分器的第一输入端，第二光探测器的输出端连接第一功分器的第二输入端，第三光探测器的输出端连接第一功分器的第三输入端；第一功分器的输出端连接放大器的输入端，放大器的输出端连接带通滤波器的输入端，带通滤波器的输出端连接第二功分器的输入端，第二功分器的第一输出端连接RF驱动器，RF驱动器的输出端连接电光调制器的第二输入端，第二功分器的第二输出端输出目标信号。

本发明基于三光纤环结构的光电振荡器，还包括，锁相环、频率控制器、外部参考频率，第一功分器的输出端连接频率控制器的第一输入端，频率控制器的输出端连接放大器的输入端，第二功分器的第三输出端连接锁相环的第一输入端，外部参考频率接入锁相环的第二输入端，锁相环的输出端连接频率控制器的第二输入端。

所述光源采用主动锁模激光器，所述主动锁模激光器包括第一光电隔离器、第二光电隔离器、掺饵光纤放大器、波分复用器、Pump光源、第二分光器、法布里-泊罗滤波器、电光调制器；

第一光电隔离器、掺饵光纤放大器、波分复用器、第二光电隔离器、第二分光器、法布里-泊罗滤波器、电光调制器、依次顺时针方向顺序串联形成闭合回路，Pump光源连接波分复用器的信号输入端，法布里-泊罗滤波器的输出端连接电光调制器的第一输入端，RF驱动器的输出端连接电光调制器的第二输入端，第二光电隔离器的输出端连接第二分光器的输入端，第二分光器的第一输出端连接法布里-泊罗滤波器的输入端，第二分光器的第二输出端连接第一分光器的输入端。

所述电光调制器的输出端与第一光电隔离器的输入端之间设置有第一偏振态控制器，法布里-泊罗滤波器的输出端与电光调制器的第一输入端之间设置有第二偏振态控制器。

第二光电隔离器用于降低第二分光器的光反射，减小由于光反射对电光调制器性能的影响。

所述第一偏振态控制器调节电光调制器输出光信号的偏振态；

第二偏振态控制器减小输入光信号偏振态对电光调制器性能的影响。

本发明通过采用主动锁模激光器技术、锁相技术和电光一体设计技术实现10GHz电路和射频电路设计，最终研制出相位噪声低、频率稳定性高、体积小的新一代微波源。基于锁相环和三光纤环结构的光电振荡器通过三光纤环的精确设计实现了输出模式的抑制，利用锁相环技术实现相位锁定，采用主动锁模激光器技术不仅可以提高输出信号的频率稳定性，而且可以缩小体积。本发明具有频谱纯度高、工作频率高、抗电磁干扰能力强等优点，非常适用于X波段雷达，提升雷达的分辨率和探测精度。

下面结合附图对本发明的基于三光纤环结构的光电振荡器作进一步说明。

附图说明

图1为基于单光纤环结构的光电振荡器原理示意图；

图2为基于单光纤环结构的光电振荡器的输出信号频谱示意图；

图3为基于双光纤环结构的光电振荡器原理示意图；

图4为基于双光纤环结构的光电振荡器输出信号示意图；

图5为基于三光纤环结构的光电振荡器原理示意图；

图6为锁相环原理示意图；

图7为主动锁模激光器原理示意图。

具体实施方式

如图5所示，基于三光纤环结构的光电振荡器包括光源1、电光调制器2、第一分光器3、第一光纤环L1、第二光纤环L2、第三光纤环L3、第一光探测器PD1、第二光探测器PD2、第三光探测器PD3、第一功分器GF1、放大器5、带通滤波器6、第二功分器GF2、锁相环8、外部参考频率7、频率控制器9；

光源1输出光信号给电光调制器2的第一输入端，电光调制器2的输出端连接第一分光器3的输入端，第一分光器3的三个输出端口分别依次接第一光纤环L1、第二光纤环L2、第三光纤环L3的输入端，第一光纤环L1的输出端连接第一光探测器PD1的输入端，第二光纤环L2的输出端连接第二光探测器PD2的输入端，第三光纤环L3的输出端连接第三光探测器PD3输入端，第一光探测器PD1的输出端连接第一功分器GF1的第一输入端，第二光探测器PD2的输出端连接第一功分器GF1的第二输入端，第三光探测器PD3的输出端连接第一功分器GF1的第三输入端；第一功分器GF1的输出端连接频率控制器9的第一输入端，频率控制器9的输出端连接放大器5的输入端，放大器5的输出端连接带通滤波器6的输入端，带通滤波器6的输出端连接第二功分器GF2的输入端，第二功分器GF的第一输出端连接RF驱动器4，RF驱动器4的输出端连接电光调制器2的第二输入端，第二功分器GF2的第二输出端输出目标信号，第二功分器GF2的第三输出端连接锁相环8的第一输入端，外部参考频率7接入锁相环8的第二输入端，锁相环8的输出端连接频率控制器9的第二输入端。

电光调制器2用于通过光源1将射频信号调制到光源1产生的激光上，形成载有射频信号信息的激光调制信号，并将激光调制信号输送给第一分光器3；

第一分光器3将接收来的激光调制信号一分为三，分别输入三路第一光纤环L1、第二光纤环L2、第三光纤环L3，三个光纤环的长度各不相同，分别对三路激光调制信号形成不同的时间延迟，使得经过三个光纤环的频率相同的三路激光调制信号，转化成频率各不相等的激光调制信号；

第一光纤环L1将激光调制信号输送给第一光探测器PD1，第一光探测器PD1将接收的激光调制信号转化成射频信号；第二光纤环L2将激光调制信号输送给第二光探测器PD2，第二光探测器PD2将接收的激光调制信号转化成射频信号；第三光纤环L3将激光调制信号输送给第三光探测器PD3，第三光探测器PD3将接收的激光调制信号转化成射频电信号；

第一光纤环L1、第二光纤环L2、第三光纤环L3长度不同，对激光调制信号产生不同的延时，从而使从三个光纤环输出的激光调制信号具有不同的模间距，不同模间距的信号可以抑制不需要的频率信号，从而起到抑制边模信号的作用；

第一功分器GF1将三个光探测器输出的三路射频信号合成一路射频信号，并将这一路射频信号输出给频率控制器9；

频率控制器9用于将锁相环8输出的信号与第一功分器GF1输出的信号进行混频、运算、控制并最终输出频率稳定的信号，达到稳定输出射频信号的作用。放大器5用于将频率控制器输出的信号放大后再输送给带通滤波器6，补偿信号传输过程中的衰减量；带通滤波器6用于滤出目标信号并输送给第二功分器GF2；第二功分器GF2将目标信号一分为三，分别从三个输出端送出；锁相环8用于接收第二功放器GF2的第三输出端反馈的信号，并将处理结果反馈给频率控制器9，锁相环8与第二功分器GF2和频率控制器9的连接形成负反馈回路，实时根据第二功分器GF2的反馈信息对频率控制器9的输出信号进行调整。

如图5所示，光源1发出低噪声的激光并作为调制光信号送给了电光调制器2，电光调制器2将射频信号通过激光进行调制，调制后电光调制器2输出载有射频信号信息的激光调制信号，该激光调制信号通过分光器3分成三路激光调制信号，分别输入第一光纤环L1、第二光纤环L2、第三光纤环L3，三路激光调制信号分别经不同长度的第一光纤环L1、第二光纤环L2、第三光纤环L3不同延时后输出三路频率不同的激光调制信号，第一光探测器PD1、第二光探测器PD2、第三光探测器PD3分别将三路光激光调制信号转换为三路射频电信号，并分别输入第一功分器GF1的三个输入端，第一功分器GF1将三个探测器输送的三路射频电信号合并为一路射频电信号，放大器5对射频信号进行放大，补偿射频电信号在传输过程中的损失后输送给带通滤波器6，带通滤波器6选取需要的频率电信号(即目标信号)，滤除不需要的频率电信号；第二功分器GF2将带通滤波器输出的射频电信号分成三路，一路送给电光调制器2，一路送给锁相环8，还有一路作为输出信号。

锁相环8和频率控制器9的共同作用是稳定信号频率，当外界因素扰动导致输出频率发生漂移时通过锁相环8和频率控制器9起到稳频锁相的作用，外部100MHz的参考频率作为频率基准为锁相环提供低相噪的参考频率。

如图6所示锁相环包括鉴相器11、环路滤波器12、压控振荡器13、分频器14，外部参考频率7输入鉴相器11的第一输入端，鉴相器11的输出端连接环路滤波器12的输入端，环路滤波器12的输出端连接压控振荡器13的输入端，压控振荡器13的输出端连接分频器14的输入端，分频器14的输出端连接鉴相器11的第二输入端；

鉴相器11用来鉴别输入信号f_i与输出信号f_o之间的相位差，并将相位差信号转变为电压U_d；环路滤波器12用来滤除U_d中的噪声和干扰成分，U_c作用于压控振荡器13；压控振荡器13用于将电压信号转换为频率信号。

当外界环境因素的变化使得输出信号的频率f_o变大时，通过锁相环8调节过程如下：f_o↑→U_d↓→U_c↓→f_o↓，当外界环境因素的变化使得频率f_o变小时，调节过程如下：f_o↓→U_d↑→U_c↑→f_o↑。普通光电振荡器在外界环境因素发生变换时，输出信号的频率会发生漂移，通过锁相环使得光电振荡器具有了自动频率调节控制的功能，从而实现稳频的目的。

设激光调制信号通过第一光纤环L1、第二光纤环L2、第三光纤环L3的延迟时间分别为τ₁、τ₂、τ₃，光电振荡器产生信号的频率f₀可表示为：

上式中m、n、l为正整数，由于光纤环长度不同，引起的振荡模式不同，每个模式的频率间隔分别为延迟时间的倒数，在基于三光纤环结构的光电振荡器中，产生信号的振荡频率由三个光纤环共同决定，因此振荡频率为三个光纤环频率间隔的整数倍。当三个光纤环的振荡频率正好相等时，基于三光纤环结构的光电振荡器的振荡频率就是输出信号的频率。根据光纤的传输特性，1km光纤延迟时间τ约为5μs，振荡频率间隔为△f＝1/τ，即1km光纤产生的频率间隔为200KHz，当第一光纤环L1、第二光纤环L2、第三光纤环L3的长度分别为4.4km、3km、1.2km时，第一光纤环L1、第二光纤环L2、第三光纤环L3分别对应的频率间隔越为45kHz、66kHz、166kHz，只有同时满足45kHz、66kHz、166kHz整数倍的信号才能发生振荡并作为最终输出信号(因此可以根据目标信号的频率来选取不同的光纤环的长度)。对于10GHz振荡信号的第一个边模出现在大约10GHz±82MHz频率处，使用的滤波器带宽为2MHz即10GHz±1MHz，足以抑制边模信号，减少噪声。

优选的上述实施例中，图1中的虚线框部分采用主动锁模激光器；

如图7所示主动锁模激光器包括第一光电隔离器ISO1、第二光电隔离器ISO2、掺饵光纤放大器EDFA、波分复用器WDM、Pump光源、第二分光器10、法布里-泊罗滤波器F-P、第一偏振态控制器PC1、第二偏振态控制器PC2、电光调制器2；

第一光电隔离器ISO1、掺饵光纤放大器EDFA、波分复用器WDM、第二光电隔离器ISO2、第二分光器10、法布里-泊罗滤波器F-P、第二偏振态控制器PC2、电光调制器2、第一偏振态控制器PC1依次顺时针方向顺序串联形成闭合回路，Pump光源连接波分复用器WDM的信号输入端，第二偏振态控制器PC2的输出端连接电光调制器2的第一输入端，RF驱动器4的输出端连接电光调制器2的第二输入端，第二光电隔离器ISO2的输出端连接第二分光器10的输入端，第二分光器10的第一输出端连接法布里-泊罗滤波器F-P的输入端，第二分光器10的第二输出端连接第一分光器3的输入端；

第一光电隔离器ISO1用于确保经掺饵光纤放大器EDFA泵浦激励产生的1550nm的激光只能沿一个方向传输；

第二光电隔离器ISO2用于降低第二分光器10的光反射，减小由于光反射对电光调制器2性能的影响；

掺饵光纤放大器EDFA用于放大光信号，确保有足够的光功率；

波分复用器WDM用于将Pump光源发出的激光和掺饵光纤放大器EDFA泵浦激励产生的激光进行复用；

Pump光源作为激励光源提供980nm激励光信号；

第二分光器10将光信号分成两路，一路经法布里-泊罗滤波器F-P送给电光调制器2，另一路作为输出光信号供用户使用；

法布里-泊罗滤波器F-P用于选择确定中心波长的激光，得到窄普线宽度的激光信号；

第一偏振态控制器PC1调节电光调制器2输出光信号的偏振态；

第二偏振态控制器PC2减小输入光信号偏振态对电光调制器2性能的影响；

电光调制器2用于将RF驱动器4输出的射频信号进行调制，产生锁模脉冲光信号。

Pump光源发出的980nm激光经掺饵光纤放大器EDFA泵浦激励后产生1550nm的激光并进行了放大，由于第一光电隔离器ISO1具有单向性，1550nm激光只能沿顺时针方向传递，经波分复用器WDM与Pump光源发出的激光进行复用后传向第二光电隔离器ISO2，之后传入第二分光器10，经第二分光器10分光后，其中一路光继续前进经法布里-泊罗滤波器F-P滤波选择后送给电光调制器2，电光调制器2完成RF驱动器输出的射频信号与进经法布里-泊罗滤波器F-P输送来的复用激光信号调制得到锁模脉冲光信号，之后将锁模脉冲光信号输送给第一光电隔离器ISO1；

优选的，因电光调制器2对偏振态比较敏感，需要进行偏振态控制，电光调制器2的输入输出端分别设置有第一偏振态控制器PC1、第二偏振态控制器PC2，电光调制器2的驱动信号来自RF驱动器。

主动锁模激光器的使用一方面获得了频率稳定性高的激光；另一方面激光的谱线可以做到很小，有利用于提高系统的稳定性。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于三光纤环结构的光电振荡器，包括光源(1)、电光调制器(2)、放大器(5)、带通滤波器(6)，其特征在于，还包括第一分光器(3)、第一光纤环(L1)、第二光纤环(L2)、第三光纤环(L3)、第一光探测器(PD1)、第二光探测器(PD2)、第三光探测器(PD3)、第一功分器(GF1)、第二功分器(GF2)，第一光纤环(L1)、第二光纤环(L2)、第三光纤环(L3)长度各不相同；

光源(1)输出光信号给电光调制器(2)的第一输入端，电光调制器(2)的输出端连接第一分光器(3)的输入端，第一分光器(3)的三个输出端口分别依次接第一光纤环(L1)、第二光纤环(L2)、第三光纤环(L3)的输入端，第一光纤环(L1)的输出端连接第一光探测器(PD1)的输入端，第二光纤环(L2)的输出端连接第二光探测器(PD2)的输入端，第三光纤环(L3)的输出端连接第三光探测器(PD3)输入端，第一光探测器(PD1)的输出端连接第一功分器(GF1)的第一输入端，第二光探测器(PD2)的输出端连接第一功分器(GF1)的第二输入端，第三光探测器(PD3)的输出端连接第一功分器(GF1)的第三输入端；第一功分器(GF1)的输出端连接放大器(5)的输入端，放大器(5)的输出端连接带通滤波器(6)的输入端，带通滤波器(6)的输出端连接第二功分器(GF2)的输入端，第二功分器(GF)的第一输出端连接RF驱动器(4)，RF驱动器(4)的输出端连接电光调制器(2)的第二输入端，第二功分器(GF2)的第二输出端输出目标信号；

还包括，锁相环(8)、频率控制器(9)、外部参考频率(7)，第一功分器(GF1)的输出端连接频率控制器(9)的第一输入端，频率控制器(9)的输出端连接放大器(5)的输入端，第二功分器(GF2)的第三输出端连接锁相环(8)的第一输入端，外部参考频率(7)接入锁相环(8)的第二输入端，锁相环(8)的输出端连接频率控制器(9)的第二输入端；

锁相环(8)包括鉴相器(11)、环路滤波器(12)、压控振荡器(13)、分频器(14)，外部参考频率(7)输入鉴相器(11)的第一输入端，鉴相器(11)的输出端连接环路滤波器(12)的输入端，环路滤波器(12)的输出端连接压控振荡器(13)的输入端，压控振荡器(13)的输出端连接分频器(14)的输入端，分频器(14)的输出端连接鉴相器(11)的第二输入端。

2.根据权利要求1所述的基于三光纤环结构的光电振荡器，其特征在于，所述光源(1)采用主动锁模激光器，所述主动锁模激光器包括第一光电隔离器(ISO1)、第二光电隔离器(ISO2)、掺饵光纤放大器(EDFA)、波分复用器(WDM)、Pump光源、第二分光器(10)、法布里-泊罗滤波器(F-P)、电光调制器(2)；

第一光电隔离器(ISO1)、掺饵光纤放大器(EDFA)、波分复用器(WDM)、第二光电隔离器(ISO2)、第二分光器(10)、法布里-泊罗滤波器(F-P)、电光调制器(2)、依次顺时针方向顺序串联形成闭合回路，Pump光源连接波分复用器(WDM)的信号输入端，法布里-泊罗滤波器(F-P)的输出端连接电光调制器(2)的第一输入端，RF驱动器(4)的输出端连接电光调制器(2)的第二输入端，第二光电隔离器(ISO2)的输出端连接第二分光器(10)的输入端，第二分光器(10)的第一输出端连接法布里-泊罗滤波器(F-P)的输入端，第二分光器(10)的第二输出端连接第一分光器(3)的输入端。

3.根据权利要求2所述的基于三光纤环结构的光电振荡器，其特征在于，所述电光调制器(2)的输出端与第一光电隔离器(ISO1)的输入端之间设置有第一偏振态控制器(PC1)，法布里-泊罗滤波器(F-P)的输出端与电光调制器(2)的第一输入端之间设置有第二偏振态控制器(PC2)。

4.根据权利要求3所述的基于三光纤环结构的光电振荡器，其特征在于，所述第一偏振态控制器(PC1)调节电光调制器(2)输出光信号的偏振态；

第二偏振态控制器(PC2)减小输入光信号偏振态对电光调制器(2)性能的影响。