CN104272538A - 具有运行于选定调制边带上的光学谐振滤波器的可调谐光电振荡器 - Google Patents

Abstract

光电振荡器(OEO)装置，其包括光学谐振滤波器，用于阻挡激光器载波频率的强激光进入光学谐振滤波器，并从与光学谐振滤波器谐振的弱调制边带中选出一个耦合入光学谐振滤波器。激光器载波频率的激光和其它边带上的激光绕过光学谐振滤波器到达快速光电探测器。在此之后，光学谐振滤波器中选定调制边带上的激光耦合后被输出与激光器载波频率的激光和快速光电探测器上其它调制边带上的激光混合，生成作为光电电子回路中电气部分的输入的探测器输出，进而生成光电振荡器振荡。

Description

具有运行于选定调制边带上的光学谐振滤波器的可调谐光电振荡器

优先权声明及涉及相关申请的交叉引用

本专利要求申请号为61/616345、主题为“基于调相器和光学微谐振器的可调谐光电振荡器”并于2012年3月27日提出的美国临时专利的优先权，通过引用将该专利全文并入本文。

技术领域

本专利文献涉及一种基于应用在诸如光学、射频(RF)以及微波等多种领域的光学及光电子设备的振荡器。

背景技术

光学设备可用于操纵或控制所应用中的光信号不在光频段内的光线。举例来说，通过使用电子及光学器件构成光电振荡器(OEOs，Opto-Electronic Oscillators)，将用于生成射频信号及微波频率信号的射频振荡器和微波振荡器构造成“混合”装置。具体实例参见专利号分别为5,723,865、5,777,778、5,929,430和6,567,436的美国专利。这种光电振荡器包括可电控的光学调制器以及至少一个包括由光电探测器连接起来的光学部件和电气部件的主动式光电反馈回路。该光电反馈回路的光学部件接收来自于光学调制器的已调制的光输出，而光电探测器将光学器件中的光线转换成电气部件中的电信号。在此之后，使用该电信号生成用于控制光学调制器的调制控制信号。举例来说，该反馈回路在其光学部件中生成预期的长时延迟，以便抑制相位噪声，并将经过转换的电信号同相地反馈给光学调制器，以便在主动式光电回路的回路总增益超过总损耗时形成并维持射频或微波频率形式的光学调制和电振荡。由此生成的振荡信号的频率是可调谐的，并且同由其它射频及微波振荡器生成的信号相比，具有狭窄的光谱线宽以及低相位噪声。

发明内容

光电振荡器(OEOs，opto-electronic oscillators)包括光学谐振滤波器，用于阻挡激光器载波频率的强激光进入光学谐振滤波器，并从弱调制边带中选出一个与该光学谐振滤波器谐振的将被耦合入该光学谐振滤波器的调制边带。激光器载波频率的激光以及在其它调制边带上的激光绕开所述光学谐振滤波器到达快速光电探测器。在此之后，光学谐振滤波器中选定调制边带内的激光经耦合后输出，并在快速光电探测器上与激光器载波频率的激光以及其它调制边带上的激光混合，以生成作为光电反馈回路电气部件输入的探测器输出，进而生成光电振荡器振荡。

附图说明

图1为光电振荡器(OEO)装置的两个具体实例的示意图；

图2为图1所示装置中的一个信号光谱实例的示意图；

图3为基于光电式耳语回廊模式微谐振器的光电振荡器装置的另一具体实例的示意图；

图4为具有锁相回路的光电振荡器装置实例的示意图；

图5为作为可调谐光学滤波器使用的可调谐光电式耳语回廊模式微谐振器的示意图；

图6为基于自注入锁定的可调谐激光器实例的示意图；

图7～10为光电振荡器装置实例的测量示意图。

具体实施方式

此处描述的光电振荡器(OEO)装置使用诸如光相位调制器的光学调制器调制来自激光器的激光器载波频率的连续波(CW)激光束。这种光学调制产生了频率不同于激光器载波频率的光学调制边带。作为光学调制的结果，经调制的激光包括激光器载波频率的强激光以及光学调制边带上的弱激光。各类光电振荡器装置均可被设计为包括位于光电回路中的光学谐振器的光电振荡器装置。在该光回路中，激光器载波频率的强激光与用于光电振荡的光学谐振器之间产生谐振，并被直接耦合于该光学谐振器中。专利号为6,567,436、主题为“具有光学谐振器的光电振荡器”的美国专利披露了关于上述光学振荡器装置的一些实例。该美国专利已被引用，以作为本文的一部分。本文中介绍的光电振荡器装置使用光学谐振滤波器阻挡激光器载波频率的强激光进入光学谐振滤波器，并从弱调制边带中选出一个与光学谐振滤波器谐振的将被耦合入光学谐振滤波器的调制边带。激光器载波频率的激光以及其它调制边带上的激光被引导绕过光学谐振滤波器到达快速光电探测器。之后，光学谐振滤波器中选定调制边带内的激光经耦合后输出，并在快速光电探测器中与激光器载波频率的激光以及其它调制边带上的激光混合，以生成作为光电回路电气部件输入的探测器输出，进而生成光电振荡器振荡。

根据这一设计，上述光电振荡器装置的光电振荡器振荡频率由激光器载波频率与(同选定的边带调制谐振的)光学谐振滤波器的谐振频率之间的频率差决定，而且该光电振荡频率的调谐可通过调谐激光器载波频率或调谐光学谐振滤波器的谐振频率来实现。另一方面，与将激光器载波频率的激光送入光学谐振滤波器以在光电回路中生成光电振荡器振荡频率的其它光电振荡器装置不同，本文中所述的光电振荡器装置中的光电回路的光电振荡器振荡频率不依赖于光学谐振滤波器的自由光谱范围，其可以是快速光电探测器频带宽度范围内的任意频率，而所述其他的光电震荡器装置中，所述光电振荡器振荡频率等于光学谐振滤波器的自由光谱范围(FSR，Free Spectral Range)或自由光谱范围的重数(multiplicity)。光电振荡器振荡频率不依赖光学谐振滤波器自由光谱范围的独立特性使光电振荡器振荡频率可在较宽的范围内被调谐，并使光电振荡器振荡频率达到较高的频率，例如，75GHz至110GHz的W-频段(W-band)。基于光学谐振滤波器的独立于自由光谱范围和光电回路的光电振荡器振荡频率的这一特性，光学谐振滤波器可被设计成紧凑或小型的物理结构(产生较大的自由光谱范围值)，从而使光学谐振滤波器对加速度或振动不敏感。这样，上述装置常常会表现出对于加速度或振动的不敏感性的提高。

此外，对于选定调制边带上的弱激光在光学谐振滤波器内的选择性耦合，可大幅减少能够诱发热效应的非期望的光吸收以及光学谐振滤波器内非期望的非线性光学效应，其中，该选择性耦合不包含载波频率的强激光于光学谐振滤波器的选择性耦合。这一特征可被用于改善光电回路的电气部件的线性。

图1示出了有选择地将调制边带耦合入光学谐振滤波器并同时阻挡激光器载波频率的激光以及其它调制边带进入光学谐振滤波器的光电振荡器装置的两个实例。激光器101或102，例如CW(连续波)半导体激光器，用于产生载波激光频率的激光。光学相位调制器110用于接收载波激光频率的激光，并在调制控制信号的控制下实施光学相位调制，并对该调制控制信号作出回应。该相位调制产生了经过调制的激光。该经过调制的激光具有激光器载波频率的光谱分量以及频率不同于激光器载波频率的调制边带。光学相位调制器110可由调制光线相位及光线振幅的光学调制器替代。图2示出了相位调制器110输出端调制过的激光的多个光谱分量。为了确保激光器101或102的光学稳定性，在激光器的输出端设置有光学隔离器103，以避免任意形式的光反馈进入激光器。

在由图2举例说明的图1所示的两个实例中，光学谐振滤波器121或122被设置用来接收来自光学调制器的调制过的激光，并与调制过的激光的选定调制边带光学谐振，以选择性地接收并输出经过滤的选定调制边带上的激光，同时阻挡激光器载波频率的激光和其它调制边带上的激光进入光学谐振滤波器121或122。在不会感觉到任意明显变化的情况下，被阻挡下来的激光器载波频率的激光以及其它调制边带上的激光被引导绕过光学谐振滤波器，并被引导至作为光电回路的光学部件和电气部件之间接口的光学探测器或快速光电探测器130。光学谐振滤波器121或122内部的光线经耦合后作为过滤后的激光输出。过滤后的激光在选定的调制边带上与光学谐振过滤器发生谐振，并被光学谐振滤波器121或122修改了相位及振幅。过滤后的激光被引导在产生探测器电信号的快速光电探测器130上与激光器载波频率的激光以及其它调制边带上的激光混合。

在图1中，反馈电子电路被耦合于光学探测器130和光学相位调制器110之间，用于放大探测器电信号，生成作为被输入至光学相位调制器110的调制控制信号的反馈电信号，在封闭的光电回路中生成大于信号总损耗的信号增益总量，并在封闭的光电回路中维持光电振荡器振荡。该封闭的光电回路包括(1)由光学调制器、光学谐振滤波器以及光学探测器构成的光学部分，以及(2)由光学探测器和反馈电子电路构成的电气部分。该反馈电子电路可具有不同构造。在图1示出的实例中，该反馈电子电路包括信号衰减器(例如，微波衰减器)、相位调整装置或旋转器、以及信号放大器150(例如，微波放大器)。信号耦合器160可被设置在上述反馈电子电路内，以提供射频或微波输出信号。

因为由相位调制器110生成的调制边带频率取决于激光器101或102的激光器载波频率并随该激光器载波频率变化，这样，在快速光电探测器130上实施的对于选定调制边带上的过滤后的激光与激光器载波频率的激光和其它调制边带上的激光之间的混合，基于激光器载波频率与(同选定的边带调制谐振的)光学谐振滤波器的谐振频率之间的频率差生成了频率位于射频或微波范围内的差拍信号。光电振荡器振荡频率从上述差拍信号的频率中被选出，而对于光电振荡器振荡频率的调谐是通过调谐激光器载波频率或调谐光学谐振滤波器的谐振频率来实现的。图1中的实例A通过使用可调谐其激光器载波频率来响应控制电压或电流信号的可调谐激光器101，调谐光电振荡器振荡频率，并将具有固定谐振频率的固定频率光学谐振滤波器121应用于选定的调制边带。图1中的实例B在调谐光电振荡器振荡频率过程中，使用了用于生成固定的激光器载波频率的固定频率激光器122以及可调谐其谐振频率来响应诸如控制电压的控制信号的可调谐光学谐振滤波器122。可通过使用纯净电光材料制造出同时具有窄频宽和宽泛光谱可调谐性的这样一种谐振器。在其它实施方式中，可调谐激光器和可调谐光学谐振滤波器可被同时用于调谐光电振荡器振荡频率。

由光学相位调制器110、光学谐振滤波器121或122、光学探测器130和反馈电子电路构成的上述封闭光电回路用于在回路中的任意位置上给出正反馈或同相反馈，而同相反馈条件和回路增益总量大于回路损耗总量的条件引起并维持了光电振荡器振荡。具有高品质值(high Q value)的光学谐振滤波器121或122提供了长光学延迟和窄频段滤波，以确保在光电振荡器振动中仅存在低的相位噪声。可通过设置诸如图3所示的光纤延迟回路的光学延迟元件，提供额外的光学延迟。

光学谐振滤波器121或122可由多种包括不同光学谐振器的结构实现，例如光学式法布里-珀罗谐振器、由环状物、盘状物或实心球体或实心椭球体构成的光学的耳语回廊模式(WGM，WhisperingGallery Mode)谐振器。光学谐振滤波器可被用于改变相位、振幅或选定光学边带的偏振、或上述任意参数的组合。如果光学调制器110是输出了正交偏振中的调制边带的调制器，则光学谐振滤波器121或122可用于旋转进入光学谐振滤波器121或122的选定的调制边带的偏振，从而使由光学谐振滤波器130输出的选定调制边带上的光线可具有平行于激光器载波频率的激光的光偏振或平行于至少一个其他调制边带上的激光的光偏振的偏振分量，以实现伴随由光学谐振滤波器121或122输出的选定调制边带或光电探测器130上的输出光线的光学脉冲。

这一光学谐振器被构造为呈现出高谐振器品质因子Q的光学谐振器，以降低噪声并确保光电振荡器振动的窄光谱频带宽度。窄频带滤波在光学领域中的应用解决了实现在射频或微波领域中尖锐且狭窄信号过滤的一些技术难点。这一光学谐振器示出了集光电振荡器装置各种优点为一身的实例。上述优点依据了光学领域和电气领域(射频或微波)内的某些益处。

图3示出了基于由带有光学渐逝耦合器(optical evanescentcoupler)310的耳语回廊模式谐振器320构成的光学谐振滤波器的光电振荡器装置的实例。在这一实例中，激光器301可以是光纤激光器，而在激光器的输出端设置有偏振控制器302，以控制由激光器301输出的激光的光学偏振。相位调制器110是电光调制器(EOM，Electro-Optic Modulator)，用于接收来自偏振控制器302的激光。来自电光调制器110的经调制的激光被引导入图示为棱镜或其它形式的渐逝耦合器310，以便使在选定调制边带上与耳语回廊模式谐振器320谐振的部分经调制的激光被耦合入耳语回廊模式谐振器320，与此同时，其它激光(包括激光器载波频率的激光以及其它调制边带上的激光)被引导绕过耳语回廊模式谐振器320，而不进入耳语回廊模式谐振器320。渐逝耦合器310还被用于耦合耳语回廊模式谐振器320内部的激光，并将这部分激光作为过滤后的激光输出，以使激光器载波频率的激光以及其它调制边带上的激光混合(co-prorogate)。这部分激光被输出至光学探测器130。光纤链路330被连接于耳语回廊模式谐振器320和光学探测器130之间，以在封闭的光电振荡器回路中提供额外的光学延迟。图3中的反馈电路包括信号放大器341、射频移相器342、信号耦合器160、其它放大器351以及信号衰减器352。

光电振荡器装置的一个显著特征在于：使用光电振荡器回路的光学部分提供较长的回路延迟时间的能力。这一点是非常重要的，因为光电振荡器装置的相位噪声随回路延迟时间的延长而显著减小，举例来说，相位噪声随回路延迟时间成平方地递减。相比于射频或微波领域，长延迟时间更容易在光学领域内实现。如图3所示，光电振荡器回路的光学部分包括长光纤链路330，以延长光电振荡器回路光学部分内的回路延迟时间。对于使用光纤回路延长光学延迟时间这种方式的实施，能够以相对较低的成本相对容易地实现，而且这种方式可应用于本文中介绍的各种光电振荡器装置上。此外，由使用多种其它振荡器电路产生的信号相位噪声一般会随信号频率线性递增。然而，本文披露的光电振荡器装置的相位噪声趋于不依赖光电振荡器的振荡频率。这一特征是非常重要的，因为其能够在低相位噪声条件下生成高频信号，例如75GHz至110GHz的W-频段内的光电振荡器信号。

在实施本文所介绍的可调谐光电振荡器结构的过程中，来自灵敏的可调谐半导体激光器的光线被送入宽频相位调制器。之后，该光线被送入具有超高品质值的光学式微谐振器。在此之后，该光线被送入快速光电二极管，生成电信号。来自快速光电二极管的电信号在被送回相位调制器以完成光电振荡器回路之前被放大。当这一反馈回路中的放大率超过损耗时，启动自激振荡。谐振器的窄光学频宽提供了该回路需要的滤波函数。激光频率中的变化提供了振荡器的可调谐性。光谱纯度取决于由光学式微谐振器确定的电路品质值。本发明装置的一个显著特征在于：本发明装置不需要激光基频便可以使激光穿过具有超高品质值的光学谐振器，而基于谐振器的光电振荡器的现有实施方式则需要激光基频。在本文描述的实例中，只有一个调制边带穿过谐振器(resonator mode)。这一特征改善了光电回路的光学部分的线性。此外，这一特征还减小了谐振器尺寸，从而降低了整个系统的振动敏感度。在将相位调制器结合入本文所介绍的基于微谐振器的光电振荡器回路的过程中，谐振器的自由光谱范围(FSR)会明显超过光电振荡器振荡频率，从而可在不影响光电振荡器振荡频率范围的条件下使用小尺寸谐振器。这一特征的一个有益效果在于：通过使用小型、轻型的微谐振器，降低了上述装置对于加速度或振动的敏感度。

图4示出了光电振荡器装置的另一实例，其中，振荡器可由将光电振荡器锁定至基准振荡器420的锁相环(PLL，Phase Lock Loop)电路410锁定至外频源，并可用于调谐振荡器以使振荡器达到预期的光电振荡器振荡频率。信号耦合器430设置在反馈电路中由信号耦合器160生成的射频信号的输出端，以分出一部分信号作为输入至锁相环电路410的输入。锁相环电路410生成用于调整光电振荡器回路的锁相环信号440，举例来说，用于调整相位调整装置140。这种振荡器的调谐速度和相位噪声取决于锁相环回路的频宽。举例来说，如果频宽超过1MHz，振荡器可在1微秒之内跳至预期频率。该振荡器的相位噪声将受限于频率增倍的主控振荡器420的相位噪声。为了实现振荡器的内部低相位噪声性能，锁相环回路的频宽应该特别窄，例如100Hz。这一频宽将该装置的低相位噪声稳定时间限制为10ms(毫秒)。

本文披露的光电振荡器装置可基于耳语回廊模式(WGM)谐振器技术实施。耳语回廊模式谐振器可被设置在直径范围在10微米至10毫米左右的小型轴对称绝缘结构中。耳语回廊模式被定位在靠近谐振器表面的位置上，而其谐振器品质Q值会受到本征材料损耗、弯曲损耗以及散射损耗的影响。目前制造出的尺寸在50微米至500微米范围内的微球形谐振器，其品质值已经高达几十亿。耳语回廊模式谐振器可由晶体制成。这一谐振器的制造过程不会破坏具有高表面质量(例如，表面粗糙度小于0.2纳米)的晶体结构，而仅会产生微不足道的表面散射损耗。这些谐振器的品质-因数主要由光学晶体中的低吸收率产生。基于耳语回廊模式谐振器的装置的优点在于：(i)晶体材料的环境稳定性；(ii)晶体材料具有期望的光电属性；(iii)这些装置可被小型化封装。

不同结构中的耳语回廊模式谐振器的频率是可调谐的。举例来说，可通过对指标或尺寸随温度变化的或二者均随温度变化的谐振器实施温度控制实现这一调谐，可通过改变谐振器尺寸的谐振器机械控制实现这一调谐，还可通过谐振器的电气控制或光学控制实现这一调谐。光电材料可被外部控制信号用来控制及调谐耳语回廊模式谐振器的谐振频率，举例来说，支持耳语回廊模式的单一铌酸锂微谐振器是一种基于铌酸锂材料光电效应的可调谐的光学滤波器，并可被当作滤波器140使用。

图5示出了具有耳语回廊模式谐振器510的可调谐的光电耳语回廊模式谐振器500的实例。谐振器510的全部或部分光电材料可以是包括诸如铌酸锂的光电晶体的任意适合材料，并可以是半导体多量子阱结构。一个或多个电极511，512形成在谐振器510上，所述一个或多个电极511，512至少在耳语回廊模式存在的区域内施加控制电场，以控制光电材料指标(index)并改变谐振器滤波函数。假设，谐振器510具有盘状或环状几何结构，电极511形成于谐振器510的顶部，而电极512形成于谐振器510的底部。在实施过程中，电极511，512能够以多种几何形状施加控制电压以调谐谐振器。举例来说，电极511，512可以是微带线电极。诸如控制电路的调谐控制单元530可被用于向电极511，512施加电控制信号。控制电压可以是直流电压，用于将谐振器500的谐振峰值设置在期望光谱位置上。直流电压可由控制单元530实施调整，以在需要实施调谐时调谐透射峰的光谱位置。为了实现动态调谐操作，控制单元530通过调整控制电压响应控制信号，以便实现下列操作，例如，将透射峰保持在期望的光谱位置或频率，或将透射峰的频率转换至目标位置。在其它操作中，控制单元530以随时间变化的方式调整控制电压，例如，以固定或变化的速度扫描透射峰，或以预设方式不停转换透射峰值。

举例来说，直径为d＝4.8毫米，厚度为170微米的Z-切割铌酸锂盘状腔体可被用作谐振器510。腔体周边可被制成圆角半径为100微米的曲面形状。作为带状电极的一种替代，盘状谐振器的顶部和底部表面可被涂上用于接收外部电控制信号的导电层。诸如铟这样的金属可被用于形成这一导电涂层。通过向导电涂层的顶部和底部施加电压以及调整这一电压，实现上述调谐。各导电涂层可不涂覆在谐振器的中部，而是涂覆在谐振器中存在耳语回廊模式的周边。

多种可调谐的激光能够被应用于本文披露的光电振荡器装置中。图6示出了可调谐半导体激光器的一个实例，该可调谐半导体激光器通过由诸如钽酸锂的光电材料制成的光学微谐振器的自注入实现锁定。取决于谐振器的高品质因数的谐振受激的瑞利光散射导致了激光器上所期望的、外部可调谐的输入激光载波波长上的光反馈。返回到半导体激光器二极管面上的反向散射的光强制二极管激光器向谐振器模式注入锁定。这种自注入锁定在结构上是简单易施的，并可在紧凑的封装中实施。通过控制与激光谐振器频率相关的参数，例如光电效应、温度控制、应变的应用或任意的其它扰动，可实现对于激光器的调谐。自注入式锁定的激光具有较窄的线宽、较大的边模抑制比、更纯化的频率和空间模式光谱以及比裸二极管激光器更宽的调谐范围。图6中的自注入式锁定激光器的一个有益特征在于：其潜在的可调谐性在次微秒时间内超过数十GHz(千兆赫兹)。

如上文所述，本文披露的光电振荡器装置在用作光学谐振滤波器的微谐振器的自由光谱范围和光学振荡器振荡频率之间展现出独立性。这样可使用小而轻的微谐振器提供低加速度敏感度。高性能微波振荡器的加速度敏感度主要受振动干扰与上述装置的高品质元件间的耦合影响。在基于空气和电绝缘的填充腔的振荡器实例中，产生期望的低相位噪声的高品质因数是一种对加速度所引起的噪声有效且敏感的耦合要素。加速度耦合依据与腔体实际尺寸相应的谐振而增大。该腔体实际尺寸范围一般为一英寸至几英寸。这样，在相位噪声频谱中产生了大峰。大峰使振荡器输出较大程度地衰减并使振荡器失效。目前有效的唯一补救方式在于：将振荡器与振动源隔离。这种方式会增加装置的尺寸和复杂度，并且减小了高性能微波振荡器的应用范围，使其仅适用于实验室环境。

相比之下，晶体状耳语回廊模式微谐振器具有毫米级的尺寸、高机械频率以及高机械品质，因而能体验到给定作用力的小加速度。微谐振器可被构建成具有沿谐振面(x-y面)小于10^-12/g(重力加速度单位)的加速度敏感度，该敏感度可谓微不足道。在z-向上，25微米厚的耳语回廊模式谐振器的加速度敏感度可被设置在10^-12/g范围内。

如图3所示，与耳语回廊模式谐振器的光耦合通过衰减波实现。当对于耦合入振动环境中的光量实施的固定过程中出现了对于振荡器稳定性的重大挑战时，本文中在较宽范围内可调谐的光电振荡器结构可被制成具有非常高的频率稳定性，例如，在10^-11能级(level)以下。这一加速度敏感度明显小于合成器以及用于生成带有变化频率的微波信号的锁相环的加速度敏感度。

本文中披露的光电振荡器装置的另一优点在于：光电振荡器装置的运行频率能够达到W-频段，甚至在光谱纯度回路的衰减不随振荡频率发生时能够达到更高的频段。

参照图3，其中示出的光电振荡器装置可被构造成基于钽酸锂耳语回廊模式谐振器(WGMR，Whispering Gallery Mode Resonator)的微谐振器式可调谐光电振荡器(TOEO，tunable OEO)。其中，钽酸锂耳语回廊模式谐振器在回路中用作光学滤波器320。基于这种设计的振荡器样品已被证实：具有较宽的可调谐范围(2～15GHz)，受限于射频放大器的频宽，调谐速度快于μs(微秒)/GHz，在10kHz的频率偏移情况下测得的相位噪声小于-100dBc/Hz，而本底噪声为-140dBc/Hz。

多种微谐振器式光电振荡器具有受限于微谐振器非线性光学属性的相对高的本底噪声。本底噪声取决于回路中的光功率循环。被传送穿过微谐振器的光功率无法超过一定阈值，在此之后，明显地出现了受激拉曼散射及其它非线性光学过程。举例来说，一些谐振的可调谐光电振荡器的本底噪声可以为-140dBc/Hz，而基于光纤的光电振荡器可具有低于-160dBc/Hz的本底噪声。本文披露的可调谐光电振荡器装置具有本底噪声降低的可能性，因为这种装置不要求激光穿过高品质光学谐振器，而所有之前的微谐振器式光电振荡器则有这样的要求。

图3中的光电振荡器装置可由基于单光耦合器的传递函数模型化。其中，该单光耦合器连接于带有光纤延迟线的谐振器：

$F\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{{\mathrm{\γ}}_1-{\mathrm{\γ}}_2+i({\mathrm{\ω}}_0-\mathrm{\ω})}{{\mathrm{\γ}}_1+{\mathrm{\γ}}_2+i({\mathrm{\ω}}_0-\mathrm{\ω})}{e}^{\mathrm{i\ω\τ}},---\left(1\right)$

其中为ω激光频率，ω₀为谐振频率，γ₁为固有频率，而γ₂为选定的耳语回廊模式的与载荷相关的频宽，τ为光纤延迟时间。相位调制器之后的电场振幅为：

其中b为(小)相位调制系数，E₀为输入光的复振幅，而Ω为还未知的射频振荡频率。当调制边带未被吸收时，等式(1)和等式(2)可被用来表示射频光电回路的归一化射频频率传递函数如下：

其中，(γ₂＞＞γ₁)。调制边带的吸收在上述装置的运行中并不起重要作用。最大传递的射频频率等于激光器频率与谐振模式频率之间的频率失谐(frequency detuning)。于是，激光器频率的所有慢漂移将被标记在射频信号上。低偏移的良好射频相位噪声的实现需要稳定的激光器。

振荡频率由arg[H(Ω)]＝-ψ₀给出，其中ψ₀为回路电气部分导入的射频相移。假设Ωτ＝(Ω-Ω_f)τ+2πN(N为整数)，(Ω-Ω_f)τ＜2π，γ₁+γ₂＞＞|Ω-ω₀+ω|，而ψ₀＝0，振荡频率的频率牵引条件可被推导如下：

${\mathrm{\Ω}}_0=\frac{{\mathrm{\ω}}_0-\mathrm{\ω}}{1+\mathrm{\τ}({\mathrm{\γ}}_1+{\mathrm{\γ}}_2)}+\frac{{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{f\τ}}({\mathrm{\γ}}_1+{\mathrm{\γ}}_2)}{1+\mathrm{\τ}({\mathrm{\γ}}_1+{\mathrm{\γ}}_2)}.---\left(4\right)$

如果在回路中不存在光纤延迟线，则可通过改变微谐振器的频率实现对于振荡器的连续调谐。如果导入了光纤延迟线，这种调谐也是可以实现的。然而，不仅需要对微谐振器式光学滤波器进行调谐，也需要对射频移相器进行调谐。没有这种移相器的话，通过从一个光纤回路相关频率跳到另一光纤回路相关频率，会实现对于振荡频率的准连续(quasi-continuously)调谐。

从下列公式中可得出振荡器的相位噪声：

其中P_RF为光电二极管输出端的被解调的平均化射频功率，q为电子的电荷，R为光电二极管的响应度，ρ为光电二极管的负载阻抗，P为光电二极管处的直流光学总功率，F为置于振荡器之后的放大器的噪声因数，k_B为波尔兹曼常数，T为环境温度，K为闪烁噪声参数，L_laser和L_WGMR分别为激光器和耳语回廊模式谐振器的相位噪声值。

生成的射频信号的相位噪声一方面受到热量、散粒(shot)和闪烁噪声的影响，另一方面受到激光器以及微谐振器的相位噪声的影响。没有微谐振器的话，光电二极管上的激光器相位噪声被消除，因为载波和调制边带均同等依赖于该噪声。谐振器使调制边带中的激光器相位噪声产生延迟，由此增加了生成的射频信号的噪声。如果不存在光纤回路的话，激光器的相位噪声决定了可调谐光电振荡器的相位噪声。光纤回路的引入抑制了所有相位噪声。

可调谐光电振荡器的一实例是基于图3中的设计制造而成的，而且针对其作出了多种试验，旨在测量该光电振荡器实例的性能。以波长为1549.75纳米运行的Koheras Adjustik激光器(Koheras Adjustiklaser)被用作激光源，以9.4毫瓦(mW)的输出功率来泵激振荡器，而且(EOspace公司的)具有16GHz、3dB频宽的相位光电调制器也被使用。快速光电探测器为u2t公司的40GHz光电二极管。Hittite公司的射频放大器被用于放大上述光电二极管的输出。220-m SMF-28型号的光纤被用作光纤延迟线。这些器件被安装在用于验证上述可调谐光电振荡器的运行及特性的试验电路板上。可调谐光纤基于封装的钽酸锂耳语回廊模式谐振器，该被谐振器通过机械化打磨圆柱形的Z向切割钽酸锂初加工料而成。该耳语回廊模式谐振器的直径为650微米，厚度为100微米，并具有69.62GHz左右的自由光谱范围。耳语回廊模式谐振器空载频宽大约为1MHz，负载频宽为11MHz。带有水平偏振的模式被退出。对比度大于为90～95％。上述谐振器与半导体制冷器(TEC)及热敏电阻封装在一起，并挠性连接(pigtailed)保偏光纤(PM光纤)。还安装有两个光学隔离器(分别设置在振荡器的输入、输出端)。振荡器衬垫起始于封装上的K接头，并与该接头引线键合(wire-bonded)。微谐振器具有安装在其顶面和底面上的金制电极。通过向该电极施加直流电压实现频率调谐。

为了描述可调谐光电振荡器的特征，调整施加至耳语回廊模式谐振器的直流偏压，并通过使用射频频谱分析器测量生成的射频信号频率的相应变化。在上述测量过程中，射频相位被最优化。振荡器的调谐范围(2～15GHz)受限于射频器件，尤其受限于应用在回路电气部分中的射频放大器。

图7示出了测量到的分别由1.6GHz(图7中的上图)和15.6GHz(图7中的下图)的可调谐光电振荡器射频信号生成的射频频谱的一个实例以及上述装置的耐受能力。图8示出了测量到的内部器件之间的光纤总长度大约为6.6米的可调谐光电振荡器实例的单个边带(SSB，Single Sideband)相位噪声。该相位噪声由图8中的顶部曲线(从9.8GHz振荡频率处偏移)所描述。图8还示出了测量到的带有设置于谐振器与光电二极管之间的220米单模光纤链路的可调谐光电振荡器的相位噪声(图8中底部的蓝色曲线，从8.44GHz振荡频率处偏移)。图9示出了使用等式5描述的理论模型及测量到的射频信号相位噪声计算出的相位噪声之间的比对。曲线(1)代表通过拍击两条激光并记录下差拍信号的相位噪声而测量到的激光器噪声(Llaser)。曲线(2)为基于等式(5)且被应用于具有220米光纤链路及11MHz负载频宽的微谐振器的可调谐光电振荡器上的理论模型，以及根据曲线(1)获取的激光器相位噪声数据。曲线(3)是测量到的可调谐光电振荡器的噪声。上述理论模型与实际射频信号相位噪声之间具有很好的一致性。由于第二激光器的原因，上述理论模型与实际噪声之间于133kHz峰值上产生了偏差。该第二激光器是应用于激光器差拍测量上的激光器，而非应用于可调谐光电振荡器上的激光器。

正如预期，相位噪声由泵激光器的相位噪声确定。为了确认这一点，我们在快速光电探测器上拍击两条基本相同的激光，并评估激光器相位噪声(图9中的曲线(1))。在此之后，我们将相位噪声的测量值带入等式(5)，评估可调谐光电振荡器的相位噪声，并将该相位噪声与直接测量结果(图9中的曲线(2)和(3))相比较。这些曲线基本吻合。由于我们拍击了两条激光以测量激光器相位噪声，因此在较小结束频率上以及松弛振荡峰值的上下产生了差异。这样，测量数据包括了两个激光器的信息，而只有其中的一个激光器被应用于可调谐光电振荡器回路。

关于可调谐光电振荡器的调谐速度，图10示出了封闭回路的可调谐光电振荡器(在X频带产生信号)的振荡频率偏移量测量与施加至谐振器的直流电压调制频率的对比。借助1米延迟线频率鉴别器和200MHz的HP公司的网络分析仪，检测到这一偏移。顶部曲线(a)代表对于带有6.6米光纤延迟线的可调谐光电振荡器的测量。底部曲线(b)代表对于带有220米光纤延迟线的可调谐光电振荡器的测量。周期电压信号被施加给光学微谐振器，以测量时间。这样，可调谐光电振荡器的频率被实施了接近1GHz频移的调制。图10示出了偏移量对施加至耳语回廊模式谐振器的电压调制频率的依赖性。基于上述测量，可调谐光电振荡器可以快于μs/GHz的速度被切换。调谐速度受限于光纤回路导入的延迟时间。

振荡器可由锁相环(PLL)锁定在外部频率基准上。同样的回路可用于精确地将振荡器调谐至期望频率。该振荡器的调谐速度和相位噪声取决于锁相环回路的频宽。如果该频宽超过1MHz，振荡器将在1微秒之内调谐至期望频率。然而，在锁定的频宽内，该振荡器的相位噪声会受限于锁相环振荡器的相位噪声。为了达到振荡器固有的低相位噪声的性能，锁相环的频宽应该非常窄，例如100Hz。这样的频宽会将上述装置的低相位噪声稳定时间限制在10毫秒。

如果严密地封装短光纤链路或从封装中排除短光纤链路，则经过试验的可调谐光电振荡器装置的实例可具有低加速度敏感度。如果基于超窄线微谐振器的激光器被用于可调谐光电振荡器的泵吸，则可实现上述效果。这种激光器具有无需使用光纤链路便可以减小可调谐光电振荡器相位噪声的小于10Hz的线宽。高性能射频振荡器的加速度敏感度主要源于振动干扰与上述装置的高品质元件之间的耦合。

加速度的耦合性按对应于谐振器实际尺寸的谐振态增长。该实际尺寸的范围一般是一英寸至几英寸。这种效应大大降低了振荡器的性能，并消减了振荡器的有用性。目前唯一有效的补救方法是将振荡器与振动源隔离。这种方法会增加装置的尺寸和复杂性，并会减小高性能射频振荡器的应用范围，使其只适用于试验环境。与之相反，晶体状耳语回廊模式微谐振器具有毫米级的尺寸，相当高的机械频率以及高机械品质，这样，在一定力的作用下该谐振器仅会承受小加速度。之前的研究表明：对于微谐振器而言，沿谐振器平面(x-y平面)的加速度敏感度小于10^-12/g(其中g为自由落体加速度常量)，基本上可被忽略不计。在z-向上，求出的25微米厚的耳语回廊模式谐振器的加速度敏感度在10^-12/g范围内。

语回廊模式谐振器的特征在于：通过衰减波耦合入光线。在振动环境中固定耦合光线量对于振动器的稳定性而言是一个主要的挑战。然而，已经被验证的是：本文提出的在较宽范围内可调谐的光电振荡器结构的设计在频率低于10^-11/g的情况下具有较高的稳定性。在小于本发明的上述装置的频带上，本发明的加速度敏感度明显小于合成器以及用于生成射频信号的锁相环的加速度敏感度。

虽然本专利文献包含了一些具体实例，但这些实例并不用于限制任意发明范围或被要求保护的范围，更确切地说，是针对特定发明的特定实施例作出的特征描述。在上下文各实施例中描述的一定特征还可与单一实施例组合使用。相反地，在上下文的单一实施例中描述的多个特征还可分别或以任意适当的分支组合形式在多个实施例中使用。此外，尽管上述特征可在一定组合中使用，实际上最初要求保护的特征，例如来自要求保护的组合中的一个或多个特征，在某种情况下可以从该组合中脱离，而要求保护的组合可变成分支组合或分支组合的变形。

同样地，虽然在附图中以特定顺序描述了操作过程，但不应理解为：为了达到期望结果，需要以附图中所示的该特定顺序或先后顺序实施该操作过程，或者需要实施所有图示操作过程。此外，在本专利文献中描述的实例中的不同系统器件的分选不应被理解为：在所有实施例中都需要这种分选。

本发明仅描述了一些实施方式及实例，而其它实施方式、改进和变形可基于本专利文献中的描述和说明实现。

Claims (20)

1.一种光电振荡器装置，其包括：

激光器，其用于发射激光器载波频率的激光；

光学调制器，其接收来自所述激光器的激光，在调制控制信号的控制下调制接收到的所述激光，并生成具有激光器载波频率的光谱分量以及频率不同于所述激光器载波频率的调制边带，作为对于所述调制控制信号的响应；

光学谐振滤波器，其被定位于接收与其光学模式产生谐振的选定调制边带上的被调制过的激光，以选择性地接收并输出该选定调制边带上的过滤后的激光，同时阻挡激光器载波频率的激光以及其它调制边带进入所述光学谐振滤波器；

耦合的光学探测器，其用于接收选定调制边带上的过滤后的激光、激光器载波频率的激光以及其它调制边带上的激光，以生成电探测器信号；以及

反馈电子电路，其连接于所述光学探测器和所述光学调制器之间，用于放大所述电探测器信号并生成作为被输入至所述光学调制器的所述调制控制信号的电反馈信号，从而使封闭光电回路中的总信号增益大于总信号损耗，以便维持所述封闭光电回路中的振荡；所述封闭光电回路包括(1)具有所述光学调制器、所述光学谐振滤波器以及所述光学探测器的光学部分；以及(2)具有所述光学探测器和所述反馈电子电路的电气部分。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，

所述光学部分和所述电气部分用于使所述振荡的振荡频率不依赖于所述光学谐振滤波器的自由光谱范围。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，

所述反馈电子电路包括：

信号放大器，其用于放大所述电探测器信号；以及

相位旋转器，其用于调整所述电探测器信号的相位。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，

所述激光器为可调谐激光器；所述可调谐激光器可用于改变所述激光器载波频率的值，从而调谐所述封闭光电回路中的振荡的振荡频率。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，包括：

锁相环电路，其与所述反馈电子电路和所述可调谐激光器连接，用于将所述振荡频率锁定在外部频率源的基准频率上。

6.根据权利要求4所述的装置，其中，

所述可调谐激光器包括：半导体激光器、与所述半导体激光器光连接的光学谐振器，该光学谐振器用于接收所述激光，并将所述光学谐振器内的激光向回引导后注入至所述半导体激光器，以将所述半导体激光器和所述光学谐振器在频率上相互锁定，而

所述光学谐振器是可调谐光学谐振器；所述可调谐光谐振器可被调谐，以改变由所述半导体激光器产生的所述激光器载波频率。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，

所述光学谐振器是由光电材料制成的可调谐光学耳语回廊模式谐振器。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，包括：

锁相环电路，其与所述封闭光电回路连接，用于将所述振荡频率锁定在外部频率源的基准频率上。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，

所述光学谐振滤波器包括光学耳语回廊模式谐振器。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，

所述光学谐振滤波器的频率是可调谐的，以改变所述光学谐振滤波器的谐振值，进而实现对所述封闭光电回路中的振荡的振荡频率的调谐。

11.一种生成振荡信号的方法，包括：

操作光学调制器响应调制控制信号，对激光器载波频率的激光实施光学调制，以生成经过调制的激光；所述经过调制的激光具有所述激光器载波频率的光谱分量以及调制边带上频率不同于所述激光器载波频率的光谱分量；

将经过调制的激光中的选定调制边带上的光耦合入与选定调制边带光学谐振的光学谐振滤波器，以生成选定调制边带频率上的被过滤的激光，同时阻挡所述激光器载波频率的激光和其它调制边带上的激光进入所述光学谐振滤波器；

操作光学探测器接收选定调制边带上的被过滤的激光以及所述激光器载波频率的激光和其它调制边带上的激光，以生成电探测器信号；以及

操作反馈电子电路处理所述电探测器信号，以生成被输送至所述光学调制器的调制控制信号，其中，对于所述电探测信器信号的处理在封闭光电回路中产生了大于总信号损耗的总信号增益，以维持所述封闭光电回路中的振荡；所述封闭光电回路包括：(1)具有所述光学调制器、所述光学谐振滤波器以及所述光学探测器的光学部分；以及(2)具有所述光学探测器和所述反馈电子电路的电气部分。

12.根据权利要求10所述的方法，包括：

操作所述光学部分和所述电气部分使所述振荡的振荡频率不依赖于所述光学谐振滤波器的自由光谱范围。

13.根据权利要求10所述的方法，包括：

操作所述反馈电子电路放大所述电探测器信号并调整所述电探测器信号的相位，以维持所述振荡。

14.根据权利要求10所述的方法，包括：

通过调谐所述激光器载波频率，实现对于所述封闭光电回路中的振荡的振荡频率的调谐。

15.根据权利要求10所述的方法，包括：

通过调谐所述光学谐振滤波器的谐振，实现对于所述封闭光电回路中的振荡的振荡频率的调谐。

16.一种光电振荡器装置，包括：

激光器，其用于发射激光器载波频率的激光；

光学调制器，其接收来自所述激光器的激光，作为对于调制控制信号的响应而至少调制接收到的所述激光的相位，并生成调制过的激光；所述调制过的激光包括所述激光器载波频率的强激光和调制边带上频率不同于所述激光器载波频率的弱激光；

光学耳语回廊模式谐振滤波器，其被定位于接收由所述光学调制器调制过的激光并形成为与被调制过的激光的选定调制边带光学谐振，以选择性地接收并输出该选定调制边带上的过滤后的激光，同时阻挡激光器载波频率的激光以及其它调制边带进入所述光学耳语回廊模式谐振滤波器；

耦合的光学探测器，其用于接收选定调制边带上的过滤后的激光、激光器载波频率的激光以及其它调制边带上的激光，以生成电探测器信号；以及

反馈电子电路，其连接于所述光学探测器和所述光学调制器之间，其包括用于放大所述电探测器信号的放大器以及用于调整所述电探测器信号相位的相位旋转器，以生成被输入至所述光学调制器的所述调制控制信号；

其中所述反馈电子电路用于在封闭光电回路中的生成大于总信号损耗的总信号增益，以便维持所述封闭光电回路中的振荡；所述封闭光电回路包括(1)具有所述光学调制器、所述光学谐振滤波器以及所述光学探测器的光学部分；以及(2)具有所述光学探测器和所述反馈电子电路的电气部分；而且

其中所述激光器或所述光学耳语回廊模式谐振滤波器的频率是可调谐的，以实现对于所述封闭光电回路中的振荡的振荡频率的调谐。

17.根据权利要求16所述的装置，其中，

所述光学部分和所述电气部分用于使所述振荡的振荡频率不依赖于所述光学谐振滤波器的自由光谱范围。

18.根据权利要求16所述的装置，其中，

所述可调谐激光器包括：半导体激光器、与所述半导体激光器光连接的光学谐振器，该光学谐振器用于接收所述激光，并将所述光学谐振器内的激光向回引导后注入至所述半导体激光器，以将所述半导体激光器和所述光学谐振器在频率上相互锁定，其中，

所述光学谐振器是可调谐光学谐振器；所述可调谐光谐振器可被调谐，以改变由所述半导体激光器产生的所述激光器载波频率。

19.根据权利要求16所述的装置，其中，

所述光学耳语回廊模式谐振器由光电材料制成，而且其频率是可调谐的。

20.根据权利要求16所述的装置，包括：

锁相环回路，其与所述封闭光电回路连接，用于将所述振荡频率锁定在外部频率源的基准频率上。