CN104184028A - 自锁定式光电振荡器及其方法 - Google Patents

自锁定式光电振荡器及其方法 Download PDF

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本发明公开了一种自锁定式光电振荡器及其方法。包括半导体光放大器、光环形器、窄带光滤波器、光纤分束器、梳状光滤波器、电光调制器、光电探测器、微波放大器、微波耦合器等器件。其中由半导体光放大器、光环形器、窄带光滤波器、光纤分束器的一个输出端、梳状光滤波器形成的闭合光环路产生稳定的单纵模激光输出；光纤分束器的另一个输出端、电光调制器、光环形器、梳状光滤波器、光电探测器、微波放大器、微波耦合器的一个输出端构成的闭合光电环路产生稳定的单频微波信号，光电环路中经过调制产生的多阶谐波边带再经梳状光滤波器选模，产生频率自锁定效应，使产生的微波信号具有频率稳定性好、频谱纯度高的优点。

Description

自锁定式光电振荡器及其方法
技术领域
本发明涉及微波/毫米波信号发生的微波光子领域和光通信领域，尤其涉及一种自锁定式光电振荡器及其方法。
背景技术
在现代雷达，无线通信，软件无线电，测试与测量等领域中，具有相位噪声低、频谱纯度高、频率稳定性高等品质的高质量微波源发挥着重要的作用。对于传统的射频/微波信号源，诸如频率合成器、电子振荡器等产生的微波信号都存在相位噪声大、频谱纯度低、频率不够高、频率稳定度不够好等缺点。
光电振荡器是利用微波光子学的优势，通过光电器件将连续光能量转换为周期性变换的微波信号装置。它解决了传统射频信号源中不可避免的众多不足，具有高效率、高速度、信号稳定度高和频谱纯度高等优点，在产生高频微波/毫米波信号方面具有不可比拟的优势。Steve Yao和Maleki于1996年首次提出光电振荡器的概念，将光的能量转化为周期性变化的射频信号，并利用长光纤构造高Q值谐振腔，其产生信号Q值可达106。在随后的研究中，又不断产生新的光电振荡器结构，有双环甚至多环的光电振荡器，耦合式光电振荡器，注入锁定式光电振荡器，基于高Q值光滤波器的光电振荡器，基于微波光子滤波器的光电振荡器等。其中，多环光电振荡器、耦合式光电振荡器、注入锁定式光电振荡器均采用长光纤保证信号的高Q值，但同时会导致在闭合的光电振荡回路里，满足相位2π整数倍的起振模式间隔变小，需在闭合的微波链路里用一个高Q值窄带微波滤波器进行滤波，保证微波输出端能够得到一个稳定理想的单模信号。而基于高Q值的光滤波器和微波光子滤波器的光电振荡器工作原理是通过产生一个窄带透射峰的开环响应，通过改变结构中某些参数，调谐微波滤波响应的峰值位置，滤出需要的特定频率振荡模式，得到稳定的单频微波信号输出。相比于电振荡器，基于以上提到的各种结构光电振荡器解决了频率不够高、相位噪声性能不够好等问题，但由于整个光电振荡环路没有使用特定的稳频技术，仍会不可避免的遇到频率稳定性不够高的问题。
发明内容
本发明的目的是克服传统光电振荡器的频率稳定性不够高，提供一种结构简单、低损耗、易集成、频谱纯度高、频率稳定性高的自锁定式光电振荡器及其方法。
本发明解决其技术问题所采用的方案是：
自锁定式光电振荡器包括半导体光放大器、窄带光滤波器、光纤分束器、第一光环形器、梳状光滤波器、第二光环行器、电光调制器、光电探测器、微波放大器、微波耦合器；半导体光放大器、窄带光滤波器、光纤分束器的输出端、第一光环形器的1端口通过光纤顺次相连，第一光环行器的2端口、梳状光滤波器、第二光环形器的2端口通过光纤顺次相连，第二光环行器的3端口与半导体光放大器通过光纤相连，整体构成一个闭合的光环路；光纤分束器的输出端、电光调制器、第二光环行器的1端口通过光纤顺次相连，第一光环行器的3端口与光电探测器的输入口通过光纤相连，光电探测器的输出口、微波放大器、微波耦合器的一个输出端、电光调制器的射频输入口通过微波同轴线顺次相连，其中，微波耦合器另一个输出端是微波信号输出端，电光调制器、第二光环行器、梳状光滤波器、第一光环行器、光电探测器、微波放大器、微波耦合器构成了一个闭合的光电振荡环路。
自锁定式光电振荡方法：在闭合的光环路中，梳状光滤波器具有相等频率间隔的多个窄带透射峰响应，环路中起振的模式有多个，相邻的纵模间隔等于梳状光滤波器的窄带透射峰频率间隔，多纵模输出经过半导体光放大器的增益补偿后，进入窄带光滤波器，窄带光滤波器的带宽小于两倍的梳状光滤波器的窄带透射峰频率间隔，通过调整窄带光滤波器的透射峰位置，从众多模式中滤出一个纵模，被滤出的纵模在光环路中不断振荡，最终形成稳定的单纵模激光输出，此闭合光环路构成了一个单纵模输出的光纤环形激光器，为闭合的光电环路提供光载波；闭合的光电环路刚开始起振时，有多个纵模开始振荡，多纵模的频率间隔与光电环路的长度成反比，当多纵模进入梳状光滤波器后，只有落入梳状光滤波器的众多窄带透射峰内的纵模才稳定振荡，而其它多个边模被有效滤除，通过有限探测范围的光电探测器拍频，产生一个频率大小等于梳状光滤波器的窄带透射峰频率间隔的微波信号，微波放大器对该微波信号进行放大，通过微波耦合器的一个输出端口进入电光调制器的射频输入端，形成一个闭合的光电反馈回路，在闭合的光电环路中，电光调制器输出的多阶谐波边带不断注入到梳状光滤波器中，产生频率自锁定效应，当梳状光滤波器工作环境足够稳定，保持窄带透射峰频率间隔大小不变，由微波耦合器的另一个端(14)输出的微波信号就不会产生频率漂移现象，通过有效滤除光电环路中的边模，提高了微波信号的频谱纯度。
与传统的光电振荡器相比，本发明不需要窄带高通微波滤波器，不需要长光纤，具有结构简单、低损耗、易集成等优点，更重要的是，通过频率自锁定，是一个频率稳定性好、频谱纯度高的高质量微波信号源。
附图说明
图1是自锁定式光电振荡器结构示意图；
图2中实线表示梳状光滤波器的多个窄带透射峰光谱，虚线表示窄带光滤波器的透射谱；
图3(a)中实线表示梳状光滤波器的多个窄带透射峰光谱，虚线表示闭合的光电环路刚开始起振时多纵模光谱；
图3(b)表示频率自锁定后的梳状谱；
图3(c)表示自锁定式光电振荡器的输出微波信号频谱。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，自锁定式光电振荡器包括半导体光放大器1、窄带光滤波器2、光纤分束器3、第一光环形器6、梳状光滤波器7、第二光环行器8、电光调制器9、光电探测器10、微波放大器11、微波耦合器12；半导体光放大器1、窄带光滤波器2、光纤分束器3的输出端4、第一光环形器6的1端口通过光纤顺次相连，第一光环行器6的2端口、梳状光滤波器7、第二光环形器8的2端口通过光纤顺次相连，第二光环行器8的3端口与半导体光放大器1通过光纤相连，整体构成一个闭合的光环路；光纤分束器3的输出端5、电光调制器9、第二光环行器8的1端口通过光纤顺次相连，第一光环行器6的3端口与光电探测器10的输入口通过光纤相连，光电探测器10的输出口、微波放大器11、微波耦合器12的一个输出端13、电光调制器9的射频输入口通过微波同轴线顺次相连，其中，微波耦合器12的另一个输出端14是微波信号输出端，电光调制器9、第二光环行器8、梳状光滤波器7、第一光环行器6、光电探测器10、微波放大器11、微波耦合器12构成了一个闭合的光电振荡环路。
自锁定式光电振荡方法：在闭合的光环路中，梳状光滤波器7具有相等频率间隔的多个窄带透射峰响应，环路中起振的模式有多个，相邻的纵模间隔等于梳状光滤波器7的窄带透射峰频率间隔FSR，(见图2实线)，多纵模输出经过半导体光放大器1的增益补偿后，进入窄带光滤波器2，窄带光滤波器2的带宽小于两倍的梳状光滤波器的窄带透射峰频率间隔，通过调整窄带光滤波器2的透射峰位置，从众多模式中滤出一个纵模，(见图2虚线)，被滤出的纵模在光环路中不断振荡，最终形成稳定的单纵模激光输出，此闭合光环路构成了一个单纵模输出的光纤环形激光器，为闭合的光电环路提供光载波；闭合的光电环路刚开始起振时，有多个纵模开始振荡，(见图3(a)虚线)，纵模频率间隔fo＝c/nL，c为光速，n为光纤的折射系数，L为光电环路的长度，当多纵模进入梳状光滤波器后，只有落入梳状光滤波器的众多窄带透射峰内的纵模才稳定振荡，而其它多个边模被有效滤除，(见图3(b))，通过有限探测范围的光电探测器10拍频，产生一个频率fosc等于梳状光滤波器的窄带透射峰频率间隔FSR的微波信号，(见图3(c))，微波放大器11对该微波信号进行放大，通过微波耦合器12的一个输出端口13进入电光调制器9的射频输入端，形成一个闭合的光电反馈回路，在闭合的光电环路中，电光调制器输出的多阶谐波边带不断注入到梳状光滤波器7中，产生频率自锁定效应，当梳状光滤波器7工作环境足够稳定，保持窄带透射峰频率间隔FSR大小不变，产生的微波信号就不会产生频率漂移现象，通过有效滤除光电环路中的边模，提高了微波信号的频谱纯度。

Claims (2)

1.一种自锁定式光电振荡器，其特征在于包括半导体光放大器（1）、窄带光滤波器（2）、光纤分束器（3）、第一光环形器（6）、梳状光滤波器（7）、第二光环行器（8）、电光调制器（9）、光电探测器（10）、微波放大器（11）、微波耦合器（12）；半导体光放大器（1）、窄带光滤波器（2）、光纤分束器（3）的输出端（4）、第一光环形器（6）的1端口通过光纤顺次相连，第一光环行器（6）的2端口、梳状光滤波器（7）、第二光环形器（8）的2端口通过光纤顺次相连，第二光环行器（8）的3端口与半导体光放大器（1）通过光纤相连，整体构成一个闭合的光环路；光纤分束器（3）的输出端（5）、电光调制器（9）、第二光环行器（8）的1端口通过光纤顺次相连，第一光环行器（6）的3端口与光电探测器（10）的输入口通过光纤相连，光电探测器（10）的输出口、微波放大器（11）、微波耦合器（12）的一个输出端（13）、电光调制器（9）的射频输入口通过微波同轴线顺次相连，其中，微波耦合器（12）另一个输出端（14）是微波信号输出端，电光调制器（9）、第二光环行器（8）、梳状光滤波器（7）、第一光环行器（6）、光电探测器（10）、微波放大器（11）、微波耦合器（12）构成了一个闭合的光电振荡环路。
2.一种使用如权利要求1所述光电振荡器的自锁定式光电振荡方法，其特征在于：在闭合的光环路中，梳状光滤波器（7）具有相等频率间隔的多个窄带透射峰响应，环路中起振的模式有多个，相邻的纵模间隔等于梳状光滤波器（7）的窄带透射峰频率间隔，多纵模输出经过半导体光放大器（1）的增益补偿后，进入窄带光滤波器（2），窄带光滤波器（2）的带宽小于两倍的梳状光滤波器的窄带透射峰频率间隔，通过调整窄带光滤波器（2）的透射峰位置，从众多模式中滤出一个纵模，被滤出的纵模在光环路中不断振荡，最终形成稳定的单纵模激光输出，此闭合光环路构成了一个单纵模输出的光纤环形激光器，为闭合的光电环路提供光载波；闭合的光电环路刚开始起振时，有多个纵模开始振荡，多纵模的频率间隔与光电环路的长度成反比，当多纵模进入梳状光滤波器后，只有落入梳状光滤波器的众多窄带透射峰内的纵模才稳定振荡，而其它多个边模被有效滤除，通过有限探测范围的光电探测器（10）拍频，产生一个频率大小等于梳状光滤波器的窄带透射峰频率间隔的微波信号，微波放大器（11）对该微波信号进行放大，通过微波耦合器（12）的一个输出端口（13）进入电光调制器（9）的射频输入端，形成一个闭合的光电反馈回路，在闭合的光电环路中，电光调制器输出的多阶谐波边带不断注入到梳状光滤波器（7）中，产生频率自锁定效应，当梳状光滤波器（7）工作环境足够稳定，保持窄带透射峰频率间隔大小不变，由微波耦合器的另一个端（14）输出的微波信号就不会产生频率漂移现象，通过有效滤除光电环路中的边模，提高了微波信号的频谱纯度。
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