CN104377533B - 基于相移光栅进行频率自稳定的光电振荡器 - Google Patents

Abstract

为解决现有技术中传统光电振荡器中环境温度变化所引起振荡器频率漂移的问题，本发明提出了一种基于相移光栅进行频率自稳定的光电振荡器，其结构为：所述光电振荡器由激光器、隔离器、光耦合器、相移光栅、电光调制器、色散补偿光纤、探测器一、微波放大器、微波滤波器、微波功分器、探测器二、加法器、环路滤波器和探测器三组成；所述光耦合器为2×2耦合器；所述加法器为双输入单输出模式；所述色散补偿光纤的色散系数为负值；所述激光器为DFB半导体激光器；所述加法器能对探测器二和探测器三的输出信号进行取反相加处理。本发明的有益技术效果是避免了传统光电振荡器中环境温度变化所引起振荡器频率漂移的问题。

Description

基于相移光栅进行频率自稳定的光电振荡器

发明领域

本发明涉及一种光电振荡器，尤其涉及一种基于相移光栅进行频率自稳定的光电振荡器。

背景技术

光电振荡器是一种基于微波光子技术产生微波或毫米波信号的新型高性能振荡器，与传统的基于电子技术的信号发生装置相比，光电振荡器具有以下显著的优点：频率更高、易于扩展、相位噪声低、与频率无关、抗振动性能更优良、易于小型化和光电集成、所产生的信号易于远程传输和分配(参见L.Maleki，“The optoelectronic oscillator”,Nature Photonics,2011,5(24):728-730.)。

对于振荡器来说，储能的Q值越高，振荡产生信号的相噪就越低，由于光纤和光学谐振器具有超低损耗传输的能力，因此现有光电振荡器普遍采用光纤或光学谐振器来作为高Q储能介质，然后通过电光、光电转换器件，与高Q储能介质共同构成光电混合的反馈回路，当整个回路的增益大于损耗时，在一定的选模机制作用下，将会振荡激射产生低相位噪声的高质量微波/毫米波信号；存在的问题有：

首先，对基于光学谐振器的光电振荡器来说，在光学谐振器Q值达到109或1010量级的条件下，光电振荡器产生的微波信号的相位噪声要比基于长光纤的光电振荡器高20～30dB，与传统的微波振荡器相比，相位噪声水平已相差无几，此时，基于光学谐振器的光电振荡器已毫无优势可言。对基于长光纤的光电振荡器来说，增加光纤长度，可以有效增加光电振荡器的储能时间，即提高储能Q值，从而显著降低信号的相位噪声，但是增加光纤长度会带来另外一个问题，即随着光纤长度的增加，振荡产生信号的频率将受环境温度的影响更加严重：当环境温度变化时，光纤的有效折射率将发生变化，那么光纤的储能时间将发生变化，光纤越长，其储能时间随温度变化得就越明显，这样光电振荡器所产生信号的频率漂移就越严重。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种基于相移光栅进行频率自稳定的光电振荡器，其结构为：所述光电振荡器由激光器、隔离器、光耦合器、相移光栅、电光调制器、色散补偿光纤、探测器一、微波放大器、微波滤波器、微波功分器、探测器二、加法器、环路滤波器和探测器三组成；所述光耦合器为2×2耦合器，光耦合器输入侧的两个端口分别记为端口一和端口二，光耦合器输出侧的两个端口分别记为端口三和端口四；所述加法器为双输入单输出模式；所述色散补偿光纤的色散系数为负值；激光器的输出端与隔离器的输入端光路连接，隔离器的输出端与光耦合器的端口一连接，光耦合器的端口二与探测器二的输入端连接，光耦合器的端口三与电光调制器的输入端连接，光耦合器的端口四与相移光栅连接；电光调制器的输出端与色散补偿光纤的一端光路连接，色散补偿光纤的另一端与探测器一的输入端连接，探测器一的输出端与微波放大器的输入端连接，微波放大器的输出端与微波滤波器的输入端连接，微波滤波器的输出端与微波功分器的输入端连接，微波功分器向外输出两路信号，一路信号输送至电光调制器的射频输入端，另一路信号形成光电振荡器的输出；探测器二的输出端与加法器的其中一个输入端连接，加法器的另一个输入端与探测器三的输出端连接，加法器的输出端与环路滤波器的输入端连接，环路滤波器的输出端与激光器的控制部连接；所述激光器为DFB半导体激光器，所述探测器三用于对激光器芯片的背向出射光进行探测(探测器三可直接集成于激光器上)；所述相移光栅的环境温度与色散补偿光纤的环境温度保持一致；所述加法器能对探测器二和探测器三的输出信号进行取反相加处理。

前述方案中，各个器件的功能分别为：

激光器：它是光电振荡器的光源；由于补偿控制中需要用到激光器输出光功率参数，为了便于参数采集，因此激光器采用DFB半导体激光器，基于现有的DFB半导体激光器结构，其激光器芯片背透光与正向出射光的功率存在一定比例关系，于是我们就能通过检测激光器芯片背透光，来实时获取到补偿控制需要的输出光功率参数。

隔离器：用于避免相移光栅反射回来的光进入激光器内。

光耦合器：采用2×2的光耦合器，其作用有两方面，其一，用于将来自激光器的直流光功分到后面的电光调制器和相移光栅，其二，将相移光栅反射回来的光引入探测器二中。

相移光栅：它在本发明中相当于一个传感器，其所处的环境温度与色散补偿光纤相同，当温度变化时，其折射率系数变化可以通过其反射谱线的变化体现出来，通过检测相移光栅的反射谱线，我们就能获知当前温度条件下色散补偿光纤的折射率状态，并且在补偿过程中，也能通过相移光栅的反射谱线变化情况获知补偿效果。

电光调制器：可采用常见的马赫-泽德型光强度调制器，其作用是将微波/毫米波信号调制到光波上。

色散补偿光纤：一方面，色散补偿光纤作为光电振荡器的延时储能装置，另一方面，在补偿过程中，色散补偿光纤能将激光器输出光波长的变化量转换为延时储能时间的变化量，利用其色散系数补偿由温度变化引起的振荡频率的漂移。

探测器一：用于将光信号解调为微波信号。

微波放大器：用于为整个振荡器提供增益。

微波滤波器：用于选择光电振荡器所需要产生的频率。

微波功分器：用于将振荡回路中的微波/毫米波信号提取输出，提取出的信号一部分送电光调制器用于形成光电混合反馈回路，另一部分用于形成光电振荡器的输出。

探测器二：用来将相移光栅反射的光信号转化为电信号。

探测器三：用于提取激光器芯片背透光。

加法器：用于将探测器二和探测器三的光生电流取反相加，从而获得补偿控制所需的误差信号；补偿过程中，激光器的控制部根据误差信号来对激光器驱动电流进行调节，进而改变激光器输出光的波长。

环路滤波器：用于对加法器产生的误差信号进行低通滤波。

本发明的思路是：当光电振荡器定型后，环境温度变化将引起储能光纤有效折射率发生变化，进而导致光纤延时储能时间也发生变化，如果在光电振荡器工作过程中，能对光纤延时储能时间变化量进行实时检测，就能通过一定的补偿手段来对光纤延时储能时间漂移进行修正，并据此建立自适应反馈的控制机制，最终就能实现光电振荡器对温度变量的自补偿。

本发明具体的工作原理是：

对于常规的光电振荡器来说，当环境温度改变时，光电振荡器中的储能光纤由于有效折射率的变化将引起光纤延时储能时间的变化，这将导致振荡器输出信号频率的不稳定，假定储能光纤的有效折射率为n₁，温度折射率系数为Δn_1T，光纤长度为L，真空中的光速为c，那么温度变化ΔT时，由温度引起的光纤延时储能时间变化Δt₁可由下式示出：

当将相移光栅置于与色散补偿光纤相同的环境中后，环境温度变化时，构成相移光栅的光纤的有效折射率也会变化，这就会引起相移光栅的反射谱线的漂移，相移光栅反射回来的光经耦合器传输后被探测器二接收，探测器二产生的电信号与表征激光器功率水平的参考信号(即探测器三提取到的信号)，经加法器处理后获得补偿控制所需的误差信号，误差信号由环路滤波器处理后形成校正信号，激光器控制部根据校正信号来调节激光器的驱动电流，从而校正激光器的输出波长，使其波长时钟对准相移光栅反射谱的中心凹陷处(当激光器频率位于如图2所示的相移光栅反射谱的中心凹陷处时，误差为零)；经过前述过程的处理，相移光栅反射谱线的漂移就转换成激光器出射波长的漂移，当激光器出射波长漂移后，通过色散补偿光纤的色散，激光器出射波长的漂移又转换为光纤延时储能时间的变化，从而实现对温度变化引起的参数漂移进行补偿。

由激光器出射波长变化引起的光纤延时储能时间的变化Δt₂可由下式示出：

Δt₂＝D·L·λ·Δn_2T·ΔT

这里D为色散补偿光纤的色散系数，λ为波长，n₂为构成相移光栅的光纤的有效折射率，Δn_2T为构成相移光栅的光纤的温度折射率系数；为了对由温度变化引起的光纤储能时间的变化进行自动补偿，就需要使Δt₁和Δt₂满足Δt₁+Δt₂＝0的条件，将前述Δt₁和Δt₂的表达式代入Δt₁+Δt₂＝0后化简可得：

由上式可以看出，色散补偿光纤的色散系数必须为负值。

为了便于使相移光栅和色散补偿光纤所处的环境温度保持一致，优选地，所述相移光栅和色散补偿光纤封装在同一腔体内。

基于现有理论可知，聚合物光纤具有较高的温度折射率系数，相比于普通光纤，当温度发生变化时，聚合物光纤的有效折射率变化更为明显，如果在其上制作相移光栅后，可以更加明显地将有效折射率变化体现为相移光栅的反射谱线变化，另外，由于聚合物光纤的温度折射率系数一般比色散补偿光纤的温度折射率系数高一个数量级，可以相对降低对色散补偿光纤色散系数的要求，于是本发明中，将聚合物光纤相移光栅作为优选实施方案；聚合物光纤相移光栅可采用高能激光器将相移光栅掩膜版刻制在聚合物光纤上从而形成聚合物光纤相移光栅。

优选地，所述电光调制器为马赫-泽德型光强度调制器。

优选地，端口三和端口四的分光比为9︰1。

本发明的有益技术效果是：提供了一种新的光电振荡器，它能对温度变量引起的频率漂移进行补偿，改善光电振荡器输出信号质量。

附图说明

图1、本发明方案的结构示意图；

图2、相移光栅反射谱示意图；

图3、有反馈装置和无反馈装置时，激光器输出激光线宽的对比示意图；

图4、现有光电振荡器，温度与光电振荡器频率关系示意图；

图5、本发明的控制原理示意图；

图中各个标记所对应的名称分别为：激光器1、隔离器2、光耦合器3、相移光栅4、电光调制器5、色散补偿光纤6、探测器一7、微波放大器8、微波滤波器9、微波功分器10、探测器二11、加法器12、环路滤波器13、探测器三14。

具体实施方式

一种基于相移光栅进行频率自稳定的光电振荡器，其创新在于：所述光电振荡器由激光器1、隔离器2、光耦合器3、相移光栅4、电光调制器5、色散补偿光纤6、探测器一7、微波放大器8、微波滤波器9、微波功分器10、探测器二11、加法器12、环路滤波器13和探测器三14组成；所述光耦合器3为2×2耦合器，光耦合器3输入侧的两个端口分别记为端口一和端口二，光耦合器3输出侧的两个端口分别记为端口三和端口四；所述加法器12为双输入单输出模式；所述色散补偿光纤6的色散系数为负值；

激光器1的输出端与隔离器2的输入端光路连接，隔离器2的输出端与光耦合器3的端口一连接，光耦合器3的端口二与探测器二11的输入端连接，光耦合器3的端口三与电光调制器5的输入端连接，光耦合器3的端口四与相移光栅4连接；

电光调制器5的输出端与色散补偿光纤6的一端光路连接，色散补偿光纤6的另一端与探测器一7的输入端连接，探测器一7的输出端与微波放大器8的输入端连接，微波放大器8的输出端与微波滤波器9的输入端连接，微波滤波器9的输出端与微波功分器10的输入端连接，微波功分器10向外输出两路信号，一路信号输送至电光调制器5的射频输入端，另一路信号形成光电振荡器的输出；

探测器二11的输出端与加法器12的其中一个输入端连接，加法器12的另一个输入端与探测器三14的输出端连接，加法器12的输出端与环路滤波器13的输入端连接，环路滤波器13的输出端与激光器1的控制部连接；

所述激光器1为DFB半导体激光器，所述探测器三14用于对激光器1芯片的背向出射光进行探测；所述相移光栅4的环境温度与色散补偿光纤6的环境温度保持一致；所述加法器12能对探测器二11和探测器三14的输出信号进行取反相加处理。

进一步地，所述相移光栅4和色散补偿光纤6封装在同一腔体内。

进一步地，所述相移光栅4采用聚合物光纤相移光栅。

进一步地，所述电光调制器5为马赫-泽德型光强度调制器。

进一步地，端口三和端口四的分光比为9︰1。

本发明采用相移光栅来传感延时储能光纤(即色散补偿光纤6)周围的环境温度，自动稳定光电振荡器产生的微波信号频率，因此具备以下独特的优点：

1)避免了传统光电振荡器中环境温度变化所引起振荡器频率漂移的问题：

如图4所示，在常规的基于长光纤储能的光电振荡器中，当环境温度改变时，光电振荡器中的光纤由于有效折射率的变化将引起光纤延时储能时间的变化，这将导致振荡器输出信号频率的不稳定；

参见图5，本发明所描述的基于相移光栅的光电振荡器，能以自适应的方式保持输出信号频率稳定，以环境温度上升为例(环境温度下降的情况相类似)：环境温度的上升，一方面会引起环腔储能时间的增加，这是因为色散补偿光纤具有正的温度折射率系数，当温度上升时，光纤的有效折射率增大，光波传输的群速度下降，就导致了环腔储能时间的增加；另一方面，环境温度上升，会引起相移光栅反射谱中心波长的增大，通过反馈装置会使激光器的发射光波长增大，由于色散补偿光纤具有负的色散系数，波长的增大就会转换成光纤储能时间的减小；这样温度的上升通过两个不同的过程既会使环腔储能时间增加，也会使环腔储能时间减小，因此只要适当的选择各种参数，就可以达到一种平衡状态，使环腔的储能时间保持恒定；最终就可以使光电振荡器输出信号的频率保持稳定。

2)避免了传统光电振荡器中激光器波长漂移通过光纤色散转化为振荡器频率漂移的问题：

常规的光电振荡器中，激光器处于一种自由振荡的状态，通常是通过控制激光器芯片的温度达到输出波长的稳定；但温度控制总有一个精度，激光器输出波长总会有一定程度的漂移，这就会通过光纤的色散转换为环腔储能时间的变化，从而引起光电振荡器输出信号频率的漂移。

本发明所描述的光电振荡器利用光纤相移光栅、及相应的反馈机制，使激光器输出波长处于跟随变化的状态，这种跟随变化虽然也会引起环腔储能时间的变化；但如前文所述，这一变化正好可与温度引起的光纤有效折射率变化所导致的环腔储能时间的变化相抵消；从而使光电振荡器输出信号的频率保持稳定。

3)有利于提高所产生的微波信号的频谱纯度，降低相位噪声：

本发明所描述的由相移光栅所构成的激光器的反馈控制装置，除了具备前述优点外，同时还可以大大压窄所产生的激光的线宽，如图3所示，采用反馈控制装置的与没采用反馈控制装置的激光器相比，所产生激光的线宽要低2～3个数量级，而激光器的线宽越窄，由其构成的光电振荡器所产生的微波信号的频谱纯度越高、相位噪声越低。

Claims (5)

1.一种基于相移光栅进行频率自稳定的光电振荡器，其特征在于：所述光电振荡器由激光器（1）、隔离器（2）、光耦合器（3）、相移光栅（4）、电光调制器（5）、色散补偿光纤（6）、探测器一（7）、微波放大器（8）、微波滤波器（9）、微波功分器（10）、探测器二（11）、加法器（12）、环路滤波器（13）和探测器三（14）组成；所述光耦合器（3）为2×2耦合器，光耦合器（3）一侧的两个端口分别记为端口一和端口二，光耦合器（3）另一侧的两个端口分别记为端口三和端口四；所述加法器（12）为双输入单输出模式；所述色散补偿光纤（6）的色散系数为负值；

激光器（1）的输出端与隔离器（2）的输入端光路连接，隔离器（2）的输出端与光耦合器（3）的端口一连接，光耦合器（3）的端口二与探测器二（11）的输入端连接，光耦合器（3）的端口三与电光调制器（5）的输入端连接，光耦合器（3）的端口四与相移光栅（4）连接；

电光调制器（5）的输出端与色散补偿光纤（6）的一端光路连接，色散补偿光纤（6）的另一端与探测器一（7）的输入端连接，探测器一（7）的输出端与微波放大器（8）的输入端连接，微波放大器（8）的输出端与微波滤波器（9）的输入端连接，微波滤波器（9）的输出端与微波功分器（10）的输入端连接，微波功分器（10）向外输出两路信号，一路信号输送至电光调制器（5）的射频输入端，另一路信号形成光电振荡器的输出；

探测器二（11）的输出端与加法器（12）的其中一个输入端连接，加法器（12）的另一个输入端与探测器三（14）的输出端连接，加法器（12）的输出端与环路滤波器（13）的输入端连接，环路滤波器（13）的输出端与激光器（1）的控制部连接；

所述激光器（1）为DFB半导体激光器，所述探测器三（14）用于对激光器（1）芯片的背向出射光进行探测；所述相移光栅（4）的环境温度与色散补偿光纤（6）的环境温度保持一致；所述加法器（12）能对探测器二（11）和探测器三（14）的输出信号进行取反相加处理。

2.根据权利要求1所述的基于相移光栅进行频率自稳定的光电振荡器，其特征在于：所述相移光栅（4）和色散补偿光纤（6）封装在同一腔体内。

3.根据权利要求1所述的基于相移光栅进行频率自稳定的光电振荡器，其特征在于：所述相移光栅（4）采用聚合物光纤相移光栅。

4.根据权利要求1所述的基于相移光栅进行频率自稳定的光电振荡器，其特征在于：所述电光调制器（5）为马赫-泽德型光强度调制器。

5.根据权利要求1所述的基于相移光栅进行频率自稳定的光电振荡器，其特征在于：端口三和端口四的分光比为9︰1。