CN104242042B - 用于光电振荡器的控制装置和光电振荡器控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光电振荡器的控制装置和光电振荡器控制系统。其中，控制装置包括：移相器，与注入源相连接，用于对第二信号进行移相；采集单元，与光电振荡器的输出端相连接，用于采集光电振荡器的输出信号耦合出的反馈信号；混频器，与移相器和采集单元分别相连接，用于对移相后的第二信号和反馈信号进行鉴相；伺服模块，与混频器和光电振荡器分别相连接，用于根据鉴相后的信号控制光电振荡器的输出信号的相位锁定在第二信号上。通过本发明，解决了现有技术中光电振荡器的长期稳定性低的问题，达到了控制OEO输出信号长期稳定性的效果。

Description

用于光电振荡器的控制装置和光电振荡器控制系统

技术领域

本发明涉及光电领域，具体而言，涉及一种用于光电振荡器的控制装置和光电振荡器控制系统。

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)的发明解决了该问题，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。

在其它器件性能指标不变的情况下，OEO的相噪与光纤延时量的平方成反比。光纤越长，相噪越低，但自由谱范围会越来越小(1km SMF光纤对应的自由谱范围约为200kHz)，在微波频段无法找到如此高Q值的窄带滤波器对振荡信号的杂散进行有效抑制。采用注入锁定方式是抑制杂散的有效方式：采用一个稳定的微波信号注入长光纤环OEO，控制注入信号频率，让其与长光纤环OEO单独振荡时的某个模式对应频率一致，能够让长光纤环OEO的该个模式信号在“模式竞争”中取得优势，进而抑制其它模式，最终实现单模输出。

由于玻璃通信光纤的温度敏感度较高，随着稳定的变化光纤的延时量也会随之变化，使得振荡信号的频率会发生漂移，不仅如此，其它外部干扰均会破坏其长期稳定性，导致光电振荡器的长期稳定性低。现阶段国内外普遍采用恒温控制与减震的方式来控制OEO的长期稳定性，该种方式结构繁杂且耗能较大；还有部分研究者采用在光域对光纤延时波动进行补偿的方式。

针对现有技术中光电振荡器的长期稳定性低的问题，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用于光电振荡器的控制装置和光电振荡器控制系统，以解决现有技术中光电振荡器的长期稳定性低的问题。

为了实现上述目的，根据本发明实施例的一个方面，提供了一种用于光电振荡器的控制装置。其中，光电振荡器与注入源相连接，注入源用于向光电振荡器输出第一信号，并输出第二信号，根据本发明的用于光电振荡器的控制装置包括：移相器，与注入源相连接，用于对第二信号进行移相；采集单元，与光电振荡器的输出端相连接，用于采集光电振荡器的输出信号耦合出的反馈信号；混频器，与移相器和采集单元分别相连接，用于对移相后的第二信号和反馈信号进行鉴相；伺服模块，与混频器和光电振荡器分别相连接，用于根据鉴相后的信号控制光电振荡器的输出信号的相位锁定在第二信号上。

进一步地，光电振荡器内置有压控移相器，伺服模块与压控移相器相连接，伺服模块用于通过改变压控移相器的电压来控制光电振荡器的输出信号的相位锁定在第二信号上。

进一步地，伺服模块还用于对鉴相后的信号进行放大处理，并控制鉴相后的反馈信号的电压波动大小刚好覆盖压控移相器0-360度的移相范围。

进一步地，控制装置还包括：第一微波放大器，连接在移相器和混频器之间，用于对移相后的第二信号进行放大处理；第二微波放大器，连接在采集单元和混频器之间，用于对反馈信号进行放大处理。

进一步地，控制装置还包括：低通滤波器，连接在混频器和伺服模块之间，用于对鉴相后的信号进行低通滤波。

进一步地，移相器对第二信号移相的角度为90度。

为了实现上述目的，根据本发明实施例的另一方面，提供了一种光电振荡器控制系统。根据本发明的光电振荡器控制系统包括：注入源，用于输出第一信号和第二信号；光电振荡器，与注入源相连接，用于接收第一信号，并由第一信号得到输出信号；控制装置，控制装置上述提供的控制装置，与注入源和光电振荡器分别相连接，用于控制输出信号的相位锁定在第二信号上。

进一步地，光电振荡器包括第一光电振荡器和第二光电振荡器，第一光电振荡器的输出端与第二光电振荡器的输入端相连接，控制装置包括第一控制装置和第二控制装置，其中，第一控制装置与注入源和第一光电振荡器分别相连接，用于控制第一光电振荡器的输出信号的相位锁定在第二信号上；第一控制装置与第一光电振荡器的输出端和第二光电振荡器分别相连接，用于控制第二光电振荡器的输出信号的相位锁定在第一光电振荡器的输出信号上。

根据本发明实施例，将注入源的信号分为两部分，一部分注入OEO，在保证OEO振荡信号低相噪(短期稳定性)的同时保障其单模输出，另一部分作为参考信号，通过混频鉴相来控制OEO输出信号长期稳定性，从而解决了现有技术中光电振荡器的长期稳定性低的问题，达到了控制OEO输出信号长期稳定性的效果。

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用于光电振荡器的控制装置的示意图；以及

图2是根据本发明实施例的一种光电振荡器控制系统的示意图。

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，包含了一系列元器件的系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些元器件，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些系统、产品或设备固有的其它元器件。

本发明实施例提供了一种用于光电振荡器的控制装置。该控制装置可以用于光电振荡器，可以是一次注入微波源的光电振荡器，也可以二次注入微波源的光电振荡器。

图1是根据本发明实施例的用于光电振荡器的控制装置的示意图。如图1所示，光电振荡器20与注入源10相连接，该光电振荡器20可以是长光纤环OEO，注入源10用于向光电振荡器20输出第一信号，并输出第二信号，其中，该注入源10输出的信号分为两部分，一部分即第一信号实现对长光纤环OEO的注入锁定，另一部分即第二信号作为稳定的参考信号与OEO输出信号即光纤环的输出信号进行鉴相。

如图1所示，控制装置包括移相器301、采集单元(图中未示出)、混频器302和伺服模块303。移相器301与注入源10相连接，用于对第二信号进行移相。采集单元通过端口2与光电振荡器20的输出端相连接，用于采集光电振荡器20输出信号耦合出的反馈信号。混频器302与移相器301和采集单元分别相连接，用于对移相后的第二信号和反馈信号进行鉴相；伺服模块303与混频器302和光电振荡器20分别相连接，用于根据鉴相后的信号控制光电振荡器20的输出信号的相位锁定在第二信号上。

优选地，该移相器用于将第二信号进行90度移相，以便于通过混频器对其进行鉴相处理。然后，可以将鉴相后的电压信号反馈到OEO环内的压控移相器的电压控制端，通过压控移相器的相移来控制输出信号的相位，直到输出信号与参考信号即第二信号同步，最终得到稳定的输出信号。优选地，伺服模块主要功能包括两部分，一部分对鉴相后的信号中微弱的电压信号实现放大，另一部分对鉴相后的信号中的反馈的电压进行管理，保障其值波动大小刚好覆盖OEO环内压控移相器0-360度的移相范围。

根据本发明实施例，将注入源的信号分为两部分，一部分注入OEO，在保证OEO振荡信号低相噪(短期稳定性)的同时保障其单模输出，另一部分作为参考信号，通过混频鉴相来控制OEO输出信号长期稳定性，从而解决了现有技术中光电振荡器的长期稳定性低的问题，达到了控制OEO输出信号长期稳定性的效果。

与传统OEO稳定性控制装置相比，本发明信号处理部分均在电域进行，克服了光域控制系统的复杂性且具有较高的控制精度。

优选地，光电振荡器20内置有压控移相器，伺服模块303与压控移相器相连接，该伺服模块303用于通过改变压控移相器的电压来控制光电振荡器的输出信号的相位锁定在第二信号上。伺服模块303通过改变压控移相器的电压来控制输出信号的相位，最终使得输出信号的相位锁定在参考信号上，实现稳定输出。

优选地，控制装置还包括：第一微波放大器304，连接在移相器301和混频器302之间，用于对移相后的第二信号进行放大处理；第二微波放大器305，连接在采集单元和混频器302之间，用于对反馈信号进行放大处理。

具体地，第一微波放大器用于放大参考信号(第二信号)，第二微波放大器用于放大反馈信号，使混频器达到饱和，抑制混频器的幅度噪声。

优选地，控制装置还包括：低通滤波器306，连接在混频器302和伺服模块303之间，用于对鉴相后的信号进行低通滤波。采用低通滤波器306对鉴相后的基带信号实现低通滤波，抑制混频后的高频分量。

具体地，移相器用于将参考信号即第二信号进行90度移相，实现混频鉴相的目的；微波放大器用于放大参考信号与反馈信号，使混频器达到饱和，抑制混频器的幅度噪声；采用混频器实现90度移相后的微波参考源与反馈信号鉴相；采用低通滤波器对鉴相后的基带信号实现低通滤波，抑制混频后的高频分量；伺服模块主要功能包括两部分，一部分对微弱的电压信号实现放大，另一部分对反馈的电压进行管理，保障其值波动大小刚好覆盖OEO环内压控移相器0-360度的移相范围。

注入源信号分为两部分，一部分通过端口1连接控制装置的移相器，实现90度移相；另一部分注入长光纤环OEO中，对其中一个振荡模式进行注入锁定，抑制其它模式的增长，实现低相噪单模输出，输出信号耦合出部分反馈信号，通过端口2与稳定性控制装置的混频器相连。两路正交信号在混频器实现鉴相，通过低通滤波器后，反馈信号在伺服模块中得到放大，调整后通过端口3与长光纤环内的压控移相器相连，通过改变移相器的电压来控制输出信号的相位，最终使得输出信号的相位锁定在参考信号上，实现稳定输出。

从结构上看，本发明所涉及的控制装置可视为一个三端口器件，端口1连接参考信号，端口2连接反馈信号，端口3作为输出端口连接长光纤环OEO内置压控移相器。

本发明实施例该提供了一种光电振荡器控制系统。该光电振荡器控制系统包括：注入源、光电振荡器和控制装置。

注入源用于输出第一信号和第二信号。光电振荡器与注入源相连接，用于接收第一信号，并由第一信号得到输出信号。控制装置为本发明上述实施例中提供的控制装置，该控制装置与注入源和光电振荡器分别相连接，用于控制输出信号的相位锁定在第二信号上。

具体地，本发明实施例的控制系统的工作原理可以参见上述实施例中对控制装置的描述，这里不做赘述。

根据本发明实施例，将注入源的信号分为两部分，一部分注入OEO，在保证OEO振荡信号低相噪(短期稳定性)的同时保障其单模输出，另一部分作为参考信号，通过混频鉴相来控制OEO输出信号长期稳定性，从而解决了现有技术中光电振荡器的长期稳定性低的问题，达到了控制OEO输出信号长期稳定性的效果。

利用该控制装置不仅可以对一次注入锁定OEO的稳定性进行控制，而且能够对二次、甚至更多次注入锁定OEO实现稳定性控制。

图2是根据本发明实施例的一种光电振荡器控制系统的示意图。如图2所示，光电振荡器包括第一光电振荡器(即长光纤环OEO1)和第二光电振荡器(长光纤环OEO2)，第一光电振荡器的输出端与第二光电振荡器的输入端相连接，控制装置包括第一控制装置和第二控制装置，其中，第一控制装置与注入源和第一光电振荡器分别相连接，用于控制第一光电振荡器的输出信号的相位锁定在第二信号上；第一控制装置与第一光电振荡器的输出端和第二光电振荡器分别相连接，用于控制第二光电振荡器的输出信号的相位锁定在第一光电振荡器的输出信号上。其中，第二光电振荡器的输出信号为最终的输出信号。

另一实施例如图2所示，采用两个控制装置(第一控制装置和第二控制装置)对二次注入锁定OEO的稳定性实现控制。长光纤环OEO输出信号的相噪与注入信号的相噪有关，注入信号相噪越低越有利于长光纤环OEO的更低相噪输出，采用多次注入旨在进一步降低注入信号的相噪。图2所示即为二次注入锁定OEO结构，采用稳定注入源注入锁定长光纤环OEO1，结合一片稳定性控制装置，实现稳定、单模、低相噪的二次注入源，然后注入锁定长光纤环OEO2，结合第二片稳定性控制装置最终实现稳定、单模、相噪更低的输出信号。

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 (7)

1.一种用于光电振荡器的控制装置，其特征在于，所述光电振荡器与注入源相连接，所述注入源用于向所述光电振荡器输出第一信号，并输出第二信号，其中，所述控制装置包括:

移相器，与所述注入源相连接，用于对所述第二信号进行移相；

采集单元，与所述光电振荡器的输出端相连接，用于采集所述光电振荡器的输出信号耦合出的反馈信号；

混频器，与所述移相器和所述采集单元分别相连接，用于对所述移相后的第二信号和所述反馈信号进行鉴相；

伺服模块，与所述混频器和所述光电振荡器分别相连接，用于根据所述鉴相后的信号控制所述光电振荡器的输出信号的相位锁定在所述第二信号上；所述光电振荡器内置有压控移相器，所述伺服模块与所述压控移相器相连接，所述伺服模块用于通过改变所述压控移相器的电压来控制所述光电振荡器的输出信号的相位锁定在所述第二信号上。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述伺服模块还用于对鉴相后的信号进行放大处理，并控制鉴相后的反馈信号的电压波动大小刚好覆盖所述压控移相器0-360度的移相范围。

3.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括：

第一微波放大器，连接在所述移相器和所述混频器之间，用于对所述移相后的第二信号进行放大处理；

第二微波放大器，连接在所述采集单元和所述混频器之间，用于对所述反馈信号进行放大处理。

4.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括：

低通滤波器，连接在所述混频器和所述伺服模块之间，用于对所述鉴相后的信号进行低通滤波。

5.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述移相器对所述第二信号移相的角度为90度。

6.一种光电振荡器控制系统，其特征在于，包括：

注入源，用于输出第一信号和第二信号；

光电振荡器，与所述注入源相连接，用于接收所述第一信号，并由所述第一信号得到输出信号；

控制装置，所述控制装置为权利要求1至5中任一项所述的控制装置，与所述注入源和所述光电振荡器分别相连接，用于控制所述输出信号的相位锁定在所述第二信号上。

7.根据权利要求6所述的光电振荡器控制系统，其特征在于，所述光电振荡器包括第一光电振荡器和第二光电振荡器，所述第一光电振荡器的输出端与所述第二光电振荡器的输入端相连接，所述控制装置包括第一控制装置和第二控制装置，其中，

所述第一控制装置与所述注入源和所述第一光电振荡器分别相连接，用于控制所述第一光电振荡器的输出信号的相位锁定在所述第二信号上；

所述第一控制装置与所述第一光电振荡器的输出端和所述第二光电振荡器分别相连接，用于控制所述第二光电振荡器的输出信号的相位锁定在所述第一光电振荡器的输出信号上。