CN104242020B - 低相噪的新型光电振荡器 - Google Patents

低相噪的新型光电振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低相噪的新型光电振荡器。该光电振荡器包括：激光器，用于输出光载波信号；调制系统，用于对光载波信号进行调制，调制系统包括第一电光调制器和第二电光调制器；光电转换单元，光电转换单元包括光输入端和电输出端，光输入端和电输出端分别与调制系统相连接，其中，激光器、调制系统和光电转换单元形成光电振荡环路。通过本发明，解决现有技术中由于强度调制器非线性程度大导致光电振荡器的相噪高的问题，达到了降低光电振荡器的相噪的效果。

Description

低相噪的新型光电振荡器
技术领域
本发明涉及光电信息领域，具体而言，涉及一种低相噪的新型光电振荡器。
背景技术
超稳定振荡器是电子通信系统的核心。高质量的微波振荡器在光通信、卫星通信、微波通信以及高精度测量等方向起着重要的作用。传统的微波源一般通过晶振的多次倍频而得，但随着倍频次数的增加，相噪(短期稳定性)会越来越大，也就是说，相噪会随着载波频率的增加而增加。光电振荡器(Opto-Electronic Oscillator，简称为OEO)解决了该问题，基于光纤延时的OEO的相噪不随振荡频率的升高而增加，是超稳定微波、毫米波振荡源的优质备选。其基本原理在于：激光器发出的连续光经电光调制器被振荡信号强度调制后通过光纤传输至光电探测器前端，光电探测器把已调光信号转换为电信号，然后经过选频、放大，最终反馈至调制器电输入端，然后再进行下一次循环，满足巴克豪森振荡条件(开环增益大于1，相差为2π的整数倍)的频点最终形成稳定的振荡信号。
当光纤的延时长度确定后，OEO的相位噪声由环路的噪信比决定：即起振噪声与振荡信号的比值。起振噪声即微波光链路的总噪声之和，由原始各光电模块决定；振荡信号的功率与构成环路的微波光链路非线性有关，非线性越大振荡信号功率越小，噪信比越高，OEO相噪越高。对于一般的强度调制-直接探测的微波光链路，链路的非线性由调制器的非线性决定，由于调制器非线性程度大导致光电振荡器的相噪高。
针对现有技术中由于调制器非线性程度大导致光电振荡器的相噪高的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种低相噪的新型光电振荡器，以解决现有技术中由于强度调制器非线性程度大导致光电振荡器的相噪高的问题。
为了实现上述目的，根据本发明实施例的一个方面，提供了一种低相噪的新型光电振荡器。根据本发明的光电振荡器包括：激光器，用于输出光载波信号；调制系统，用于对光载波信号进行调制，调制系统包括第一电光调制器和第二电光调制器；光电转换单元，光电转换单元包括光输入端和电输出端，光输入端和电输出端分别与调制系统相连接，其中，激光器、调制系统和光电转换单元形成光电振荡环路，调制系统还用于将调制后的光载波信号输出至光电转换单元，光电转换单元用于将调制后的光载波信号转化为第一路电信号和第二路电信号，第一电光调制器用于对第一路电信号进行调制，第二电光调制器用于对第二路电信号进行调制，第一电光调制器和第二电光调制器调制后的信号合波后输出至光电转换单元。
进一步地，第一电光调制器和第二电光调制器串联，光电转换单元的光输入端与第二电光调制器相连接，第二电光调制器还用于接收第一电光调制器调制后的信号。
进一步地，第一电光调制器和第二电光调制器并联。
进一步地，激光器包括第一激光器和第二激光器，其中，第一电光调制器用于接收第一激光器输出的第一光载波信号，第二电光调制器用于接收第二激光器输出的第二光载波信号，第一电光调制器和第二电光调制器分别与光电转换单元的光输入端相连接。
进一步地，光电转换单元包括移相器，移相器用于对第一路电信号进行移相，其中，第一电光调制器用于对移相后的电信号进行电光调制。
进一步地，第一电光调制器的偏置电压和第二电光调制器的偏置电压相等。
进一步地，第一电光调制器的幅度与第二电光调制器调制电信号的幅度相同，第一电光调制器的相位与第二电光调制器调制电信号的相位相同。
进一步地，光电转换单元包括：光纤卷，与调制系统相连接，用于对调制后的光载波信号进行延时；光电探测器，与光纤卷相连接，用于将延时后的光信号转化为电信号。
进一步地，光电转换单元还包括：微波放大器，与光电探测器相连接；滤波器，与微波放大器相连接；耦合器，与滤波器相连接，用于得到第一路电信号和第二路电信号。
进一步地，微波放大器采用级联方式对转化后的电信号进行放大。
根据本发明实施例，通过激光器输出光载波信号至调制系统，该调制系统对光载波信号进行调制，并将调制后的光载波信号输出至光电转换单元，光电转换单元将调制后的光载波信号转化为第一路电信号和第二路电信号，调制系统的第一电光调制器对第一路电信号进行调制，第二电光调制器对第二路电信号进行调制，第一电光调制器和第二电光调制器调制后的信号合波后输出至光电转换单元。这样，可以利用第一电光调制器和第二电光调制器的电光转化功能的高线性度特征来提高单个电光调制器的线性度，从而解决现有技术中由于强度调制器非线性程度大导致光电振荡器的相噪高的问题，达到了降低光电振荡器的相噪的效果。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的光电振荡器的示意图；
图2是根据本发明实施例优选的光电振荡器的示意图；
图3是根据本发明实施例另一优选的光电振荡器的示意图；
图4是根据本发明实施例的电光调制器串联线性化前后OEO的相噪实测数据对比图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明实施例提供了一种低相噪的新型光电振荡器。
图1是根据本发明实施例的光电振荡器的示意图。如图1所示，该光电振荡器包括：激光器10、调制系统20和光电转换单元30，其中，调制系统20包括第一电光调制器201和第二电光调制器202。
激光器10用于输出光载波信号。调制系统20用于对光载波信号进行调制。调制系统20可以设置在激光器10的光载波信号输出方向上，激光器10输出的光载波信号进入到调制系统20后，经过第一电光调制器201和第二电光调制器202调制后进行合波，并输出至光电转换单元30。
光电转换单元30包括光输入端和电输出端，光输入端和电输出端分别与调制系统20相连接。其中，激光器10、调制系统20和光电转换单元30形成光电振荡环路，调制系统20还用于将调制后的光载波信号输出至光电转换单元30，光电转换单元30用于将调制后的光载波信号转化为第一路电信号和第二路电信号，第一电光调制器201用于对第一路电信号进行调制，第二电光调制器202用于对第二路电信号进行调制，第一电光调制器201和第二电光调制器202调制后的信号合波后输出至光电转换单元。
光电转换单元30可以对调制后的信号进行延时、滤波等处理，并将处理后的信号再经过电输出端输出至调制系统20，利用第一电光调制器201和第二电光调制器202对电信号进行调制，如此循环，直到预设频点信号满足巴克豪森条件(即开环增益大于1，相位差为2π的整数倍)的时候，输出该频点的信号就能实现正反馈振荡，产生低相噪的振荡信号。其中，预设频点信号可以根据需要进行选择。
具体地，本发明实施例中，针对单个调制器线性度不足的弱点，采用双电光调制器来实现高线性的电-光转换。将待调制的微波电信号分成两路，一路直接被调制，另一路通过移相后被另一电光调制器调制；在光域合波后再通过光电探测器还原成电信号；通过改变待调制信号的支路信号的相位、幅度以及两电光调制器的偏置角，最终实现双电光调制器的电光转换功能的高线性度特征。
根据本发明实施例，通过激光器输出光载波信号至调制系统，该调制系统对光载波信号进行调制，并将调制后的光载波信号输出至光电转换单元，光电转换单元将调制后的光载波信号转化为第一路电信号和第二路电信号，调制系统的第一电光调制器对第一路电信号进行调制，第二电光调制器对第二路电信号进行调制，第一电光调制器和第二电光调制器调制后的信号合波后输出至光电转换单元。这样，可以利用第一电光调制器和第二电光调制器的电光转化功能的高线性度特征来提高单个电光调制器的线性度，从而解决现有技术中由于强度调制器非线性程度大导致光电振荡器的相噪高的问题，达到了降低光电振荡器的相噪的效果。
需要说明的是，本发明实施例的调制系统还可以包括第三电光调制器、第四电光调制器等等，其原理与采用两个电光调制器相类似，这里不做赘述。
传统的光电振荡器通常包含单个电光调制器，由于强度调制器的电-光转换特性为典型的正弦曲线，非线性特征非常明显，在OEO中通过“增益饱和”机制对振荡信号功率进行限制。本专利采用双调制器串并联的方式来降低调制系统的非线性，达到提高调制系统的线性度、进而增大振荡信号功率、提高降低噪信比、最终降低振荡信号相噪的目的。
优选地，如图1所示，光电转换单元30包括：光纤卷301和光电探测器302。光纤卷301与调制系统20相连接，用于对调制后的光载波信号进行延时。光电探测器302与光纤卷301相连接，用于将延时后的光信号转化为电信号。激光器10所发送的光载波信号进入调制系统20后被系统噪声调制；通过光纤卷301进行延时；延时后的光信号通过光电探测器302还原成电信号。
进一步地，光电转换单元30还包括微波放大器303、滤波器304和耦合器305。微波放大器303与光电探测器302相连接。滤波器304与微波放大器303相连接。耦合器305与滤波器304相连接，用于得到第一路电信号和第二路电信号。
光电探测器302生成的电信号经过微波放大器303进行放大，用以补偿电光转换与光域传输的损耗；然后通过滤波器304进行滤波，该滤波器304可以是窄带滤波器；滤波后的微波电信号通过耦合器305分为两路，得到第一路电信号和第二路电信号，第一路电信号输出至第一电光调制器201，第二路电信号输出至第二电光调制器202。
根据本发明实施例，通过微波放大器对电信号进行补偿放大，并经过滤波器进行滤波，从而进一步降低输出信号的相噪。
进一步地，微波放大器采用级联方式对转化后的电信号进行放大。
优选地，光电转换单元包括移相器306，该移相器306用于对第一路电信号进行移相，其中，第一电光调制器201用于对移相后的电信号进行电光调制。具体地，滤波后的微波信号通过耦合器305分为两路，得到第一路电信号和第二路电信号，第一路电信号通过移相器306移相后再连接到第一电光调制器，第二路电信号直接输入至第二电光调制器。
具体地，激光器所发送的光载波信号进入调制系统后被系统噪声调制；通过光纤卷进行延时；延时后的光信号通过光电探测器还原成电信号；该电信号经过微波放大器补偿电光转换与光域传输的损耗；然后通过窄带滤波器进行滤波；滤波后的微波信号通过耦合器分为两路，一路直接连接双调制器模块的微波输入端，另一路通过移相器后再连接到另一微波输入端。对于某些特定频点信号，如果其满足巴克豪森条件(开环增益大于1，相位差为2π的整数倍)，该频点的信号就能实现正反馈振荡，产生低相噪的振荡信号。调制系统的作用在于实现高线性度的电光强度调制。
本发明实施例可以是在传统OEO典型结构的基础上，针对单个强度调制器线性度不足的弱点，采用双调制器模块来实现高线性的电-光转换。将待调制的微波信号分成两路，一路直接被调制，另一路通过移相后被另一调制器调制；在光域合波后再通过光电探测器还原成电信号；通过改变待调制信号的支路信号的相位、幅度以及两调制器的偏置角，最终实现双调制器模块的电光转换功能的高线性度特征。
优选地，本发明实施例的第一电光调制器201和第二电光调制器202串联，如图2所示，光电转换单元的光输入端即光纤卷的输入端与第二电光调制器202相连接，第二电光调制器202还用于接收第一电光调制器调制后的信号。其中，移相器306移相后的电信号输出至第一电光调制器201。
当第一电光调制器201和第二电光调制器202串联时，其基本原理如下：激光器10所发送的光载波信号进入基于调制系统(即串联的第一电光调制器201和第二电光调制器202)被系统噪声调制后通过光纤卷301进行延时；延时后的光信号通过光电探测器302还原成电信号；该电信号经过微波放大器303补偿光域延时产生的损耗；然后通过滤波器304进行滤波；滤波后的微波信号通过耦合器305分为两路，一路直接连接第二电光调制器202的微波输入端，另一路通过移相器306后再连接到第一电光调制器201的微波输入端。对于某些特定频点信号，如果其满足巴克豪森条件(开环增益大于1，相位差为2π的整数倍)，该频点的信号就能实现正反馈振荡，产生低相噪的振荡信号。
优选地，第一电光调制器的偏置电压U1和第二电光调制器的偏置电压U2相等。第一电光调制器的幅度与第二电光调制器调制电信号的幅度相同，第一电光调制器的相位与第二电光调制器调制电信号的相位相同。本实施例中，保持待调制微波信号的幅度与相位一致，两调制器的偏置电压相等，通过改变偏置电压的大小来实现双调制器调制性能的高线性。
通过上文描述，可通过改变两调制器的偏置电压来实现高线性度调制。具体实现过程如下：设Vin为调制器微波输入端，两调制器的直流偏置电压均为VDC，通过调节VDC来实现线性化，具体推导如下：
两强度调制器串联后的传递函数为
其中Vπ为调制器半波电压，通过泰勒级数展开后得到：
调节偏置电压VDC，使得φ＝104.5度可使得V3的系数为零，实现了消除三阶非线性目的。
可选地，第一电光调制器201和第二电光调制器202并联。如图3所示，耦合器305输出的第一路电信号输出至第一电光调制器201，第二路电信号输出至第二电光调制器202，第一电光调制器201和第二电光调制器202的输出端分别连接至光纤卷301的输入端。
进一步地，激光器10包括第一激光器101和第二激光器102，其中，第一电光调制器201用于接收第一激光器101输出的第一光载波信号，第二电光调制器202用于接收第二激光器102输出的第二光载波信号，第一电光调制器201和第二电光调制器202分别与光电转换单元的光输入端即光纤卷301的输入端相连接。
采用并联方式的调制系统的原理与采用串联方式的调制系统的原理基本相同，具体地的并联方式的原理可以参见本发明实施例中对串联方式的描述，这里不做赘述。
下面对本发明实施例的光电振荡器进行描述。具体地，本发明所涉及的基于双调制器OEO主体结构包括：激光器、调制系统、光纤卷、光电探测器、微波放大器、滤波器、耦合器、移相器。激光器、调制系统、光纤卷、光电探测器依次连接，构成光链路；微波放大器、滤波器、耦合器、移相器依次连接，构成了微波链路；耦合器或移相器与调制系统的微波端口连接，光电探测器与微波放大器相连接，实现了光链路与微波链路的首尾互连，构成了一个闭合回路，即光电振荡器结构。
激光器所发送的光载波进入调制系统后被系统噪声调制；通过光纤卷进行延时；延时后的光信号通过光电探测器还原成电信号；该电信号经过微波放大器补偿电光转换与光域传输的损耗；然后通过窄带滤波器进行滤波；滤波后的微波信号通过耦合器分为两路，一路直接连接调制系统的微波输入端，另一路通过移相器后再连接到另一微波输入端。对于某些特定频点信号，如果其满足巴克豪森条件(开环增益大于1，相位差为2π的整数倍)，该频点的信号就能实现正反馈振荡，产生低相噪的振荡信号。调制系统的作用在于实现高线性度的电光强度调制。
本发明实施例在传统OEO典型结构的基础上，针对单个强度调制器线性度不足的弱点，采用调制系统来实现高线性的电-光转换。将待调制的微波信号分成两路，一路直接被调制，另一路通过移相后被另一调制器调制；在光域合波后再通过光电探测器还原成电信号；通过改变待调制信号的支路信号的相位、幅度以及两调制器的偏置角，最终实现调制系统的电光转换功能的高线性度特征。通过“双调制器结构”实现电-光的高线性转换，使得OEO的振荡功率增加，降低了环路的噪信比，最终降低OEO振荡信号的相位噪声。
本发明实施例在实验中，采用的核心器件包括：Ortel公司型号为1772的分布反馈型半导体激光器，其最大输出功率可达70mW，鉴于激光器的高功率输出对应低的相对强度噪声的考虑，实验中让激光器工作在饱和输出功率下；采用Convega公司的型号为LN058的低半波电压马赫-增德尔型强度调制器；采用Optilab公司的型号为PD-30高饱和功率(大于35mW)、高速(30GHz)PIN型探测器；采用MICROWAVE公司型号为K&L 3C60的窄带滤波器，其中心频率为9.5GHz，带宽为20MHz；微波放大器采用级联形式，其增益为50dB、噪声系数为1.8dB。
对比线性化前后OEO振荡信号的相噪数据，如图4所示，空心方块是线性化前的相噪数据，空心三角形代表线性化后的数据，由图不难看出，采用双调制器串联后，OEO的相噪明显降低，说明了该发明的有效性。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低相噪的新型光电振荡器，其特征在于，包括：
激光器，用于输出光载波信号；
调制系统，用于对所述光载波信号进行调制，所述调制系统包括第一电光调制器和第二电光调制器；
光电转换单元，所述光电转换单元包括光输入端和电输出端，所述光输入端和所述电输出端分别与所述调制系统相连接，
其中，所述激光器、所述调制系统和所述光电转换单元形成光电振荡环路，所述调制系统还用于将调制后的光载波信号输出至所述光电转换单元，所述光电转换单元用于将所述调制后的光载波信号转化为第一路电信号和第二路电信号，所述第一电光调制器用于对所述第一路电信号进行调制，所述第二电光调制器用于对所述第二路电信号进行调制，所述第一电光调制器和所述第二电光调制器调制后的信号合波后输出至所述光电转换单元，所述光电转换单元包括移相器，所述移相器用于对所述第一路电信号进行移相，其中，所述第一电光调制器用于对移相后的电信号进行电光调制。
2.根据权利要求1所述的光电振荡器，其特征在于，所述第一电光调制器和所述第二电光调制器串联，所述光电转换单元的光输入端与所述第二电光调制器相连接，所述第二电光调制器还用于接收所述第一电光调制器调制后的信号。
3.根据权利要求1所述的光电振荡器，其特征在于，所述第一电光调制器和所述第二电光调制器并联。
4.根据权利要求3所述的光电振荡器，其特征在于，所述激光器包括第一激光器和第二激光器，其中，
所述第一电光调制器用于接收所述第一激光器输出的第一光载波信号；
所述第二电光调制器用于接收所述第二激光器输出的第二光载波信号，
其中，所述第一电光调制器和所述第二电光调制器分别与所述光电转换单元的光输入端相连接。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光电振荡器，其特征在于，所述第一电光调制器的偏置电压和所述第二电光调制器的偏置电压相等。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的光电振荡器，其特征在于，所述第一电光调制器的幅度与所述第二电光调制器调制电信号的幅度相同，所述第一电光调制器的相位与所述第二电光调制器调制电信号的相位相同。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的光电振荡器，其特征在于，所述光电转换单元包括：
光纤卷，与所述调制系统相连接，用于对所述调制后的光载波信号进行延时；
光电探测器，与所述光纤卷相连接，用于将延时后的光信号转化为电信号。
8.根据权利要求7所述的光电振荡器，其特征在于，所述光电转换单元还包括：
微波放大器，与所述光电探测器相连接；
滤波器，与所述微波放大器相连接；
耦合器，与所述滤波器相连接，用于得到所述第一路电信号和所述第二路电信号。
9.根据权利要求8所述的光电振荡器，其特征在于，所述微波放大器采用级联方式对转化后的电信号进行放大。
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