CN104764941B - 基于光延迟测量射频、微波或毫米波信号中的相位噪声 - Google Patents

Abstract

一种用于测量信号中的相位噪声的设备，所述设备从振荡器接收信号并使用光子信号处理电路对其进行处理。所述设备包括电路，该电路对输出信号进行处理以测量接收到的信号中的噪声并控制光子信号处理电路。光子信号处理电路包括产生偏振光的激光器和光子束合成器，其中对偏振光进行调制以使其载有振荡信号，光子束合成器将调制后的偏振光引导到光纤延迟线。该设备提供有反射镜以在旋转偏振面之后将调制后的偏振光反射回光纤延迟线。该设备提供有光学探测器以从来自光子束合成器的光中产生探测器信号。该设备还提供有信号混频器以将探测器信号和相移振荡器信号进行混频以产生输出信号。

Description

基于光延迟测量射频、微波或毫米波信号中的相位噪声

本申请是申请日为2010年9月23日，名称为“基于光延迟测量射频、微波或毫米波信号中的相位噪声”的中国专利申请201080049101.8的分案。

优先权声明和相关申请

本申请文档要求在2009年9月23日提交的、申请号为No.61/244,959、题为“Multiple optical wavelength delays over fiber for microwave phase noisemeasurement”的美国临时申请以及在2010年5月11日提交的、申请号为No.61/333,665、题为“Short fiber,small size,low noise floor phase noise test system(PNTS)”的美国临时申请的优先权。

为了实现在美国申请的目的，本申请文档作为在2008年11月13日提交的、申请号为No.12/270,845、题为“Photonic-based cross-correlation homodyne detection withlow phase noise”的美国申请的部分继续申请，其中，该美国申请进一步要求了在2007年11月13日提交的、申请号为No.61/002,918、题为“Photonic-based cross-correlationhomodyne detection with low phase noise”的美国临时申请的优先权。

上述引用的申请的公开内容通过引用被合并作为本文档说明书的一部分。

技术领域

本发明涉及一种用于测量射频(RF)、微波以及毫米波信号中的相位噪声的技术及设备。

背景技术

RF、微波信号或者毫米波信号可以由在各自的频谱范围内操作的振荡器产生。振荡器的输出可以应用于通信及其他应用中。振荡器的振荡频率可以被用作频率参考，因此希望振荡器的噪声很低并可以被正确地测量。描述振荡器特征的测量装置应该具有低噪声。

发明内容

本文档描述了用于基于光子延迟测量RF、微波或毫米波信号中的相位噪声的技术和设备。

一方面，提供了一种用于测量信号中的相位噪声的设备，包括：输入端口，从待测振荡器接收振荡信号；第一光子信号处理分支电路，处理该振荡信号以产生第一分支输出信号；第二光子信号处理分支电路，处理该振荡信号以产生第二分支输出信号。第一和第二光子信号处理分支电路共享光学模块，该光学模块包括产生第一和第二波长的连续波激光的共享的激光器、调制第一和第二波长的激光以产生载有振荡信号的调制激光的共享的光调制器、从该共享的光调制器接收调制激光的共享的光学延迟器以及波长选择光学设备，该波长选择光学设备将通过该共享的光学延迟器输出的调制激光分路为第一波长的第一调制激光束和第二波长的第二调制激光束，该第一调制激光束由该第一光子信号处理分支电路处理以产生该第一分支输出信号，该第二调制激光束由该第二光子信号处理分支电路处理以产生该第二分支输出信号。该设备包括：电路，接收该第一和第二分支输出信号以测量接收到的振荡信号中的噪声以及控制该第一和第二光子信号处理分支电路和接收到的振荡信号中的噪声的测量。

另一方面，提供了一种用于测量信号中的相位噪声的设备，包括：输入端口，从待测振荡器接收振荡信号；光子信号处理电路，处理该振荡信号以产生输出信号；以及电路，接收并处理该输出信号以测量接收到的振荡信号中的噪声，并控制该光子信号处理电路和该接收到的振荡信号中的噪声的测量。光子信号处理电路包括产生第一光学偏振方向的连续波激光的激光器，调制该激光以产生载有该振荡信号且位于该第一光学偏振方向的调制激光的光调制器，在第一端口接收来自该光调制器的沿着第一光学路径且位于第一光学偏振方向的调制激光、以及引导位于第一光学偏振方向的接收到的激光至第二端口且引导在该第二端口接收到的与该第一光学偏振方向互相垂直的第二光学偏振方向的光至第三端口的光子束合成器，与该第二端口耦合以从该光子束合成器接收光的光纤延迟线，与该光纤延迟线耦合以通过将光学偏振方向旋转90度以将光反射回该光纤延迟线的法拉第旋光反射镜，耦合以接收来自光子束合成器的该第三端口的光以产生探测器信号的光学探测器，接收副本振荡信号以及改变该副本振荡信号的相位以产生相移振荡器信号的压控移相器，以及将该探测器信号和该相移振荡器信号进行混频以产生该输出信号的信号混频器。

另一方面，提供了一种用于测量信号中的相位噪声的设备，包括：输入端口，从待测振荡器接收振荡信号；第一激光器，产生位于第一光学偏振方向的第一连续波激光束；第一光调制器，调制该第一激光束以产生载有该振荡信号的第一调制激光；第一光环流器，具有接收该第一光学偏振方向的该第一调制激光的第一端口、输出来自该第一端口的光的第二端口以及输出在该第二端口接收到的光的第三端口；第二激光器，在与该第一光学偏振方向互相垂直的第二光学偏振方向产生第二连续波激光束；第二光调制器，调制该第二激光束以产生载有该振荡信号的第二调制激光；以及第二光环流器，具有接收该第二光学偏振方向的第二调制激光的第一端口、输出来自该第一端口的光的第二端口以及输出在该第二端口接收到的光的第三端口。该设备包括光子束合成器，包括第一端口、第二端口和第三端口。第一端口耦合于该第一光环流器的第二端口以接收被引导至该光子束合成器的该第二端口的第一光学偏振方向的第一调制激光。该光子束合成器引导在该第二端口接收到的第二光学偏振方向的光至该第三端口，以及引导在该第二端口接收到的第二光学偏振方向的光至该第一端口，以及该光子束合成器的该第三端口被耦合以接收来自该第二光环流器的该第二端口的位于该第二偏振方向的该第二调制激光束的光。该设备包括：光纤延迟线，耦合于该光子束合成器的该第二端口以接收来自该光子束合成器的光以引出第一和第二调制激光束的相位延迟；法拉第旋光反射镜，耦合于该光纤延迟线以通过将光学偏振方向旋转90度以将光反射回光纤延迟线；第一光学探测器，耦合以接收来自该第二光环流器的该第三端口的光以产生第一探测器信号；第二光学探测器，耦合以接收来自该第一光环流器的该第三端口的光以产生第二探测器信号；第一压控移相器，接收副本振荡信号以及改变该副本振荡信号的相位以产生第一相移振荡器信号；第一信号混频器，将该第一探测器信号和该第一相移振荡器信号进行混频以产生第一输出信号；第二压控移相器，接收另一个副本振荡信号以及改变该另一个副本振荡信号的相位以产生第二相移振荡器信号；以及第二信号混频器，将该第二探测器信号与该第二相移振荡器信号进行混频以产生第二输出信号。该设备也包括电路，接收该第一和第二输出信号以测量接收到的振荡信号中的噪声，以及控制该第一和第二压控移相器和该接收到的振荡信号中的噪声的测量。

又一方面，本文档提供了特征是振荡器的系统的实施。系统包括：输入端口，从待测振荡器接收振荡信号；输入端口信号分路器，将接收到的振荡信号分路为第一振荡信号和第二振荡信号；第一光子信号处理分支电路，处理第一振荡信号以产生第一分支输出信号；第二光子信号处理分支电路，处理第二振荡信号以产生第二分支输出信号；双通道信号分析器，接收第一和第二分支输出信号以测量接收到的振荡信号中的噪声；以及计算机控制器，控制第一和第二光子信号处理分支电路和双通道信号分析器以控制接收到的振荡信号中的噪声的测量。

在以上系统的一个实施中，第一光子信号处理分支电路包括：第一信号分路器，将第一振荡信号分路为第一分支信号和第二分支信号；第一光子分支，接收第一分支信号和包括产生激光束的激光器，光调制器，响应于第一分支信号调制激光束以产生载有第一分支信号的调制激光束，光学延迟单元，传输调制激光束以产生调制激光束的延迟，以及光探测器，将调制激光束转换为探测器信号；电学分支，接收第二分支信号和包括接收第二分支信号及改变第二分支信号的相位以产生输出信号的压控移相器；以及信号混频器，将探测器信号和输出信号进行混频以产生第一分支输出信号。

这些和其他方面及相关特征及其实施将在附图、说明书和权利要求书中更详细地描述。

附图说明

图1示出了自动光电互相关零差相位噪声设置的示例来阐述各种技术特征；

图2、图3及图4示出了基于共享的光调制器及共享的激光器的互相关相位噪声测量设备的示例；以及

图5、图6A、图6B、图7及图8示出了使用光线的光偏振以及法拉第旋光反射镜以减少光纤延迟线的物理长度的相位噪声的测量设备的示例。

具体实施方式

本申请描述了测量RF、微波或毫米波信号中的相位噪声以及作为基于光子元件的RF、微波或毫米波的频谱范围内的振荡器的特征的技术、设备和系统。

图1示出了自动光电互相关零差相位噪声设置(setup)的示例来阐述各种技术特征。该示例设置通过用作长延迟线的光纤来实现。然后双零差设置在信号分析器中互相关，以通过平均掉与待测振荡器不相关的噪声来降低每个零差分支的噪声。

产生高纯电磁信号的RF、微波或毫米波振荡器的相位噪声测量需要低相位噪声测量设置。本技术可以被用于通过使两个测量设置信号互相关来降低单个零差测量设置的背景噪声(noise floor)。来自两个测量设置中的每个测量设置的不相关噪声在信号分析器中被平均掉。互相关的双系统的相位背景噪声可以提高5log(N)(以dB为单位)，其中N表示平均次数。

两个测量设置的每一个设置均为带有两个信号分支的电光零差设置。信号分路器将来自振荡器101的接收信号分路为两个分支。待测振荡器101连接到包括输入端口分路器102的系统的输入端口。两个信号分支分别包括两个分支信号分路器102A和102B。分路器102A和102B中的每一个将接收信号分路为用于两个分支的两个信号。

第一信号分支是光子信号分支，包括高速光调制器(MOD)111或121，响应于微波/RF信号调制来自激光器110或120的CW激光束以产生载有该微波/RF信号的调制光信号。该调制光信号被导引沿着用作信号延迟线112或122的光纤，使得对噪声进行高效辨认。光纤112或122的长度的增长导致信号延迟的增长以及降低该设置的迫近(close-in)相位噪声。光电探测器(PD)113或123将调制光转换回微波信号或RF信号，该微波信号或RF信号然后被放大器114或124放大。第二信号分支包括压控移相器(VCP)115或125以及信号放大器116或126。信号混频器117或127被用于将两个分支合并以混合来自该两个分支的信号并产生拍频(beat)信号。VCP 115或125控制第二分支的信号的相位延迟，以在信号混频器117或127中产生位于两个分支的信号之间的需求的相关相位，例如，两个信号间的90度相移，该90度相移可以被认为是信号混频器117或127的正交设定，其中，相位噪声以拍频信号的直流电压表示。双通道信号分析器130被用于接收来自两个测量设置的拍频信号，以及在该拍频信号上产生快速傅里叶变换(FFT)以作为FFT数据。两个测量设置的信号的互相关性有效地抑制来自没有使用参考振荡器或锁相环的两个测量设置中的每个任一个的不相关噪声，以及提供用于测量振荡器的相位噪声的低噪声测量系统。

光延迟线112或122提供需求的长光延迟，该长光延迟足够大以降低需求水平以下的设备的背景噪声。不同于随着延迟长度的增加而易于具有显著的信号损耗的同轴电缆的RF延迟线，光延迟线能够提供带有相对少的光损耗的长延迟。因此，长光延迟(例如由于数千米范围内的光纤)可以由光纤环路达到。产生连续波激光的激光器110和光调制器111共同将来自RF、微波或毫米波域的待测振荡器101的振荡器信号变换至光学域，光延迟线112或122被用于引出光学域的需求相位延迟。光电探测器113或123然后将相位延迟的光信号转换回RF、微波或毫米波域。

该系统可以通过使用压控移相器(VCPs)和计算机控制器140来实现自动化。VCP115和125被用于设置的校准(电压到相位)以及用于调谐信号在混频器的第二分支信号的相位以将混频器置于正交设定，从而混频器的输出可以对振荡器信号的相位噪声敏感。计算机或微处理器140用于自动执行测量。计算机测量校准因子并将混频器置于正交。计算机140还控制信号信号分析器参数，例如频率、平均次数、分辨率、带宽等。此外，计算机140用于在监视器上生成相位噪声的绘图，并允许保存数据。

在多个实施例中，信号分析器130的功能和计算机控制器140的功能可以在多种配置下组合或独立执行。在一些实施中，信号处理和控制电路模块被实施以提供上述示例和描述的信号分析器130和计算机控制器140的功能。电路模块可以在没有相同功能分区的情况下被实施作为信号分析器130和计算机控制器140。例如，如果模拟-数字转换器(ADC)用于代替信号分析器130以接收混频器117和127的输出，计算机控制器140可以从ADC采集数字化数据，以及基于接收的数据计算FFT。

以下是用于图1中的互相关零差相位噪声装置的调谐和校准过程。计算机可以被操作来自动执行该过程。该过程包括校准、正交设置和相位噪声测量。

1.校准

在校准处理中，计算机140被用来向VCP 115和125发送控制信号以在VCP 115和125上扫过偏置电压。同时，计算机140与混频器117和127中的每一个进行通信，以通过模拟-数字(A/D)转换板记录混频器输出的电压响应。

下一步，计算机140利用存储的压控移相器的校准公式作为VCP偏置电压φ(VVCP)的函数，对两个相同测量设置中的每一个计算多个VCP相位对混频器电压的校准响应(V_mixer＝0，Δφ/ΔV_mixer)。校准处理完成。

2.正交设定

基于校准数据，计算机140调谐每个VCP的偏置电压以移相，从而每个混频器具有零DC输出。上述处理将混频器置于正交，使得每个混频器的输出对相位噪声敏感，且对饱和处的幅度噪声不敏感。

3.相位噪声测量

为了测量图1中的输入振荡信号的相位噪声，计算机140控制信号分析器130以设置多个操作参数，包括测量频率范围、分辨率带宽、平均次数和其他参数。用户可以通过用户界面软件控制这些参数。在设置完信号分析器130的操作参数后，输入信号被引导至输入端口分路器102，通过计算机140检索两个混频器117和127产生的输出电压波动和来自信号分析器130的FFT数据来执行数据获取。

在数据获取过程中，计算机140对两个混频器117和127产生的输出电压波动进行监视。如果来自混频器的输出电压由于振荡器频率漂移和/或延迟热漂移而漂移出允许范围，则计算机140将信号分析器130设置为暂停模式，以暂停数据获取。然后，计算机140控制VCP 115和125以将系统重新设置为正交设定，并继续FFT测量。

通过使用校准过程中测量的校准值和光纤延迟长度因子，将由计算机140检索的FFT数据转换为相位噪声频谱密度。数据可以在计算机140的屏幕上进行绘制，并可选地存储到文件中。

系统的背景噪声可以通过提高FFT的平均次数N而改进。背景噪声以5·log(N)(以dB为单位)降低。

上述过程仅描述了图1中的设备的软件操作模式中的一种。用于操作图1中的设备的其他模式包括使用两个零差设置中的仅仅一个，或者直接测量混频器电压频谱密度(用于有源/无源设备的相位噪声测量)。图1中的设备可以被设计为允许用户控制光纤延迟线112的延迟长度。

图1中的相位噪声测量设备具有直接相位噪声测量的优势，而不需要依赖第二振荡器和相位锁定。上述设备的RF载波频率范围宽，并可以由RF放大器和VCP限制。图1中的设备的一些实施能够用于RF载波频率位于6GHz至12GHz之间，且在100Hz的频率偏移处背景噪声优于-110dBc/Hz，在1kHz的频率偏移处背景噪声优于-140dBc/Hz，以及在频率偏移高于10kHz时背景噪声优于-170dBc/Hz。

在图1中的基于两个测量分支的互相关的相位噪声测量设备中，两套激光、光调制器和光纤延迟线被用于两个测量分支中。激光和光调制器增加了设备的成本。光纤延迟线对于每个光纤延迟线的长度有数公里的应用来说是庞大的。图2、图3及图4示出了不同测量分支共享光学部件的设计的示例。

图2示出了使用两个不同波长λ₁和λ₂的光被通过相同的光调制器和光学的光纤延迟线，以实现图1示出的设备的两个测量分支的两个分离的光学臂。图2中设计表示利用对于单光纤的多延迟的微波、RF或毫米波的光学互相关相位噪声测量系统。这个配置在单光纤传送多个光学信号，每个光学信号均在不同的光波长上。这个配置通过减少需求延迟的数量以减少需求延迟的长度，这在很大程度上减小了系统的规模。无源光耦合器和WDM滤波器被用来路由不同波长的光信号。图2中的设计提供了简化配置，用于对延迟时间中多个信号的相关系数和信号时间(signal moment)的高阶统计计算。

在图2中，能量分路器201被用来将输入振荡器信号从待测振荡器101分路为两个振荡器信号261和262。振荡器信号261被引导至光调制器220，振荡器信号262进一步分路为振荡器信号271和272。

光源210用于产生具有两个不同波长λ₁和λ₂的连续波激光。光源210可以以多种配置实施，例如，产生波长为λ₁和λ₂的激光212的双模式激光器或者包括分别产生波长为λ₁和λ₂的两个激光束的两个激光器的光源。波长为λ₁和λ₂的CW光被引导至光调制器220，光调制器220接收来自能量分路器201的振荡器信号261，并对接收到的光进行调制以产生载有振荡器信号261的波长为λ₁和λ₂的调制光。载有振荡器信号261的波长为λ₁和λ₂的调制光耦合至单光纤延迟线230。来自单光纤延迟线230的输出光引导至到波长选择光学设备240，以将光分路为波长为λ₁的第一光束241和波长为λ₂的第二光束242，均载有通过光纤延迟线230传送导致的延迟的振荡器信号261。光学设备240可以实施为多种配置。例如，光学设备240可以为具有两个波长分离复用(WDM)滤波器的光耦合器，其中光被分路为两部分至两个WDM滤波器。第一WDM滤波器选择性地输出波长为λ₁的光而不输出波长为λ₂的光，第二WDM滤波器选择性地输出波长为λ₂的光而不输出波长为λ₁的光。在另一个示例中，单个增-删(add-drop)光学滤波器可以被用来作为光学设备240以选择性地将具有两个波长的分离光分路为与分离的光纤连接的两个输出光束241和242。两个输出光束241和242分别被引导至两个将接收到的光转换回RF、微波或毫米波域的光电探测器113和122。来自图2中的光电探测器113和123的探测器输出信号相当于来自图1中的两个测量分支的两个光学信号路径的光电探测器113和123的两个探测器输出信号。

振荡器信号271被引导至用于响应于来自图1的计算机140的控制信号的调整信号271的相位的VCP 115。相似的，振荡器信号272被引导至用于响应于来自计算机140的另一个控制信号调整信号272的相位的VCP 125。VCP 115的输出信号通过混频器117与光电探测器113的探测器输出信号进行混频，VCP 125的输出信号通过混频器127与光电探测器123的探测器输出信号进行混频。混频器117和127的输出信号被引导至信号分析器130。

由此，图2中的光调制器220、单光纤延迟线230、光学设备240和光电探测器113相当于图1中由第一测量分支的光调制器111、光学光纤延迟线112和光电探测器113构成的光学臂。图2中的能量分路器201和VCP 115相当于图1中由第一测量分支的分路器102A和VCP115构成的另一个臂。相似的，图2中的光调制器220、单光纤延迟线230、光学设备240和光电探测器123相当于图1中由第二测量分支的光调制器121、光学光纤延迟线122和光电探测器123构成的光学臂。图2中的能量分路器201和VCP 125相当于图1中由第二测量分支的分路器102B和VCP 125构成的另一个臂。

图2中的设计可以扩展为具有三个或三个以上的测量分支的设备。图3示出了具有三个测量分支的示例，其中三个测量分支共享通用光调制器320和通用光纤延迟线330。光源310用于产生具有三个不同波长λ₁、λ₂和λ₃的连续波激光。光学设备340用于将接收到的光各自地分路为波长为λ₁、λ₂和λ₃的三个光束341、342和343。第三光电探测器350、第三VCP380和第三混频器360用于构成基于波长为λ₃的光被操作的第三测量分支的一部分。

图4示出了允许不同测量分支共享同一个激光器110和同一个光调制器111，而不使用图1所示设备中的分离的激光器和分离的光调制器的另一个示例，其中提供了光学开关或分路器410。由共享的光调制器111输出的调制光被引导至两个不同的光纤延迟线以用于两个不同的测量分支。

上述相位噪声测量装置通过使用延迟线测量相位噪声。微波光子学的光线路可以通过光载波器在压缩、低损耗和长光纤上承载振荡器信号以提供长延迟。通过不相关延迟的互相关分析，系统背景噪声的降低是可实现的。并且，与使用长光延迟相关的系统的假性激励的清除需要如图1所示设备中的多个光学光纤延迟线。图2和图3中的设计提供了共享的配置，其中设备的光学部件可以被互相关的不同测量分支共享，从而减少单光纤需要的光纤长度段的总数。由不同测量分支共享的单光学光纤被用来以不同的光载波波长承载多个微波信号。每个信号被提取出来以送到不同的光电探测器进行分析。例如，双延迟线互相关设置可以使用具有单耦合器和位于光纤末端的两个WDM滤波器的单光纤。每个信号通过光电探测器和混频器进行下变换。两个下变换信号通过双通道信号分析器分析互相关性(背景噪声降低)。

下一个例子是：为了消除由光延迟引起的假性激励，需要多个光纤长度。这可以通过在单光学光纤上载有相同RF/微波信号的多个光学波长实现。每个波长通过光耦合器和WDM滤波器与光电探测器(在经过适当的光纤长度/延迟之后)耦合。

上述描述的如图3所示的使用三个或三个以上的测量分支的技术可以被用于信号的复杂分析，例如统计时刻和高次项相关系数的测量。例如，从三个或三个以上测量分支接收信号的多通道信号分析器能够用于测量高次项平均值和互相关性，从而提供对被测统计参数的统计分布函数的更优的理解。

如上所述，基于本申请文档提出的延迟鉴别器设计，长光纤延长线允许在相位噪声测量中的背景噪声降低。在多种实施中，每个长光纤延迟线可以为数公里长，因而很庞大且占用设备的大量空间。多个应用倾向于压缩设备，并且期望在维持通过光纤延迟线实现期望的长延迟的同时减小光纤延迟线的实际长度。一个示例为利用光的光偏振特性引导光以两次通过光纤延迟线，从而削减需要的光纤长度至二分之一。下面提供该设计的多个示例。

图5示出了具有两个基于光学模块510的测量分支的双通道互相关相位噪声测量设备的示例，光学模块510利用两个互相垂直的光偏振和法拉第光反射镜以引导光两次通过光纤延迟线。图5中的两个测量分支的结构与图2中类似，但是图5和图2中的光学延迟线的设计不相同。在图5中，基于偏振的光学模块510用于将源于振荡器101的来自能量分路器201的振荡器信号应用于在两个互相垂直的偏振方向上调制激光光线以产生两个载有振荡器信号和经历光相位延迟的调制光束511和512。调制光束511和512被分别引导至两个光电探测器113和123。两个调制光束511和512可以具有相同的波长或图5所示的不同的波长，只要两个光束的偏振方向互相垂直用于使用合成和分离两个互相垂直偏振的光线的基于偏振的光子束合成器(PBC)来分离两个光束。三个能量分路器201被用来将来自振荡器101的振荡器信号分路为用于两个测量分支的四个信号臂的四个副本振荡器信号。

图6A示出了图5中基于偏振的光学模块510的一个示例实施。两个激光器610和620用于产生分别引导至互相垂直偏振的两个光调制器512和622的两个激光光束。偏振维持(PM)光纤可以用于导引来自两个垂直线性偏振的激光器610和620的两个激光束至两个光调制器612和622，PM光纤被使用在其他维持相互垂直偏振的位置上。两个光调制器612和622被耦合以接收两个副本振荡器信号，并将振荡器信号分别调制到来自激光器610和620的两个光束上。由两个光调制器612和622输出的调制光束被维持在互相垂直偏振方向上，并被分别引导至两个光环流器614和624。两个光环流器614和624光学地耦合至光电探测器123和113，以及所示的基于偏振的光子束合成器(PBC)630。更具体地，光环流器614被耦合以接收来自第一光调制器612的调制光束，以及引导光沿着光学路径631(例如，PM光纤)至PBC 630，和引导光沿着路径631从PBC 630至第二光电探测器123；光环流器624被耦合以接收来自第二光调制器622的调制光束，以及引导光沿着光学路径632(例如，PM光纤)至PBC630，和引导光沿着路径632从PBC 630至第一光电探测器113。

PBC 630被设计为将来自光学路径631和632的两个垂直偏振的光束合成为一个合成光束，将合成光束耦合至光纤延迟线640，例如，单模光纤(SFM)延迟线。光纤延迟线640在法拉第旋光反射镜(FRM)650处终止其中，法拉第旋光反射镜将光反射回光纤延迟线640以返回到PBC 630。FRM 650包括在单路径上将光偏振旋转45度的法拉第旋转器和将传输通过法拉第旋转器的光反射回以在法拉第旋转器中再次传输的反射器。因此，从FRM 650返回的光的偏振方向旋转90度。当通过两个光学路径631和632进入PBC 630的两个光束由FRM 650反射回PBC 630时，两个光束在偏振方向上保持垂直，但是它们的偏振方向交换。因此，PBC630被设计为根据偏振方向将返回光束进行分离，从而在与光学路径631上的偏振方向相同的方向上的返回光通过PBC630引导至光学路径631，在与光学路径632上的偏振方向相同的方向上的返回光通过PBC 630引导至光学路径632。因此，通过光学路径631进入PBC 630的光在由FRM 650反射后，被由PBC 630沿着光学路径632引导至光环流器624，然后光环流器624引导光至第一光电探测器113；通过光学路径632进入PBC 630的光在由FRM 650反射后，被由PBC 630沿着光学路径631引导至光环流器614，然后光环流器614引导光至第二光电探测器123。

图6B示出了使用偏振光束分路器立方块(cube)实施PBC 630的一个实例，其中，偏振光束分路器立方块在光学路径631的第一偏振方向上反射光，以及在光学路径632的第二偏振方向上传输光。

因此，上述对光环流器614和624，PBC 630和FRM 650的使用允许来自两个激光器610和620的两个信号被合成为一个具有垂直偏振-的低损耗单模光纤640。光纤640中的光在单通道上传输经过要求的光纤长度的一半时，由FRM 650反射回去，其中FRM 650也将每个偏振方向旋转90度。这将对沿着光纤640的任一个偏振旋转进行补偿，并且将原始偏振状态被旋转90度的信号返回PBC 630。然后，PBC 630将两个互相垂直偏振的信号分路至两个分离的光纤631和632。环流器614和624可以为允许上述延迟信号耦合至分离的光电探测器113(PD1)和123(PD2)的PM环流器。每个信号分别通过PD113或123以及混频器117或127(图5)被下变换。两个下变换信号通过双通道信号分析器130进行互相关分析(降低背景噪声)。

在图5、6A和6B的设计中，两个分离的信号在光纤延迟线640中传播两次，并且期望延迟需要的光纤长度被减少到光纤延迟长度的四分之一，基于图1中两个分离的光纤的互相关配置的双通道则需要该光纤延迟长度。

图7示出了基于偏振的光学模块510的另一个示例，其中，在光学模块510中，两个FRM 710和720被用于提供两个可替换的光学路径以链接至光纤延迟线640。光学1×2开关730用于将光纤延迟线640接通至FRM 710和720中的任一个以提供两个不同的光学延迟。如图7中示例所示，第二光纤延迟线740被耦合在光学开关730和FRM 710之间以使FRM 710反射的光的光学延迟大于由FRM 720反射的光的光学延迟。光学开关730被操作以分别在两个不同的总光纤长度为L1和(L1+L2)的光纤之间进行切换，以及利用两个FRM 710和720实现双通路配置的光纤长度为2×L1和2×(L1+L2)。

图7中的设计可以被扩展至具有多于两个FRM路径的多光纤长度PNTS以消除与光纤长度相关的频率的谐波处的假性激励。单个1×N光学开关被用于在具有不同延迟的N个光线路径和分别的FRM之间进行切换。

上述对FRM的使用可以在图8示出的单通道PNTS中实施。在该实例中，基于图6A、图6B和图7的偏振方向控制器而不是基于光环流器来控制激光光线的偏振方向。在这种情况下的节省是在单通道时所需的光纤长度的一半。与图7类似的，具有FRM和不同延迟的两个或两个以上的光学路径可以通过采用单个1×N开关在N个光纤间进行切换来在图8中实施。

图8所示的单通道PNTS包括接收混频器117的拍频信号和产生接收到的拍频信号的FFT数据的信号分析器810。计算机控制器820被用来向VCP 115发送控制信号以在VCP115上扫过偏置电压。计算机控制器820也与混频器117进行通信以通过模拟-数字(A/D)转接板记录混频器输出的电压响应。在执行相位噪声测量之前，执行校准和正交设置。

图5至图8中描述的技术和设计可以用于提供光学的相位噪声测量系统以降低基于利用光学偏振的双通径配置的光纤延迟线的物理长度。对于互相关系统，该配置同时传送两个信号，每个信号在单光纤上具有不同的(互相垂直)偏振方向。PBC被用来将两个信号合成为具有垂直偏振方向的单光纤。PM光学环流器和FRM允许在两次通过光纤长度的四分之一之后将两个偏振方向分离至两个光电探测器，否则会需要整个光纤长度以达到相似的背景噪声表现。这个配置可以在很大程度上减小相位噪声测量系统的物理体积。

虽然本说明书包含许多具体特征，但这并不构成对发明或权利要求的范围的限制，而作为对专属于本发明特定实施例的特征的描述。在本说明书中、在分离的实施例上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中分离地实现或以适当子组合实现。此外，虽然可以如上将特征描述为在一定组合中执行，甚至在权利要求中也是如此主张，但来自所主张的组合的一个或多个特征可以在某些情况下从该组合删除，并且所主张的组合可以被引导到子组合或子组合的变型。

虽然仅公开几个实施例，可以基于以描述内容对上述实施例和其他实施例进行变化和改进。

Claims (8)

1.一种用于测量信号中的相位噪声的设备，包括：

输入端口，从待测振荡器接收振荡信号；

能量分路器，将所述振荡信号分路以得到副本振荡信号；

光子信号处理电路，处理所述振荡信号以产生输出信号；以及

电路，接收并处理所述输出信号以测量接收到的振荡信号中的噪声，并控制所述光子信号处理电路和所述接收到的振荡信号中的噪声的测量，

其中，所述光子信号处理电路包括产生第一光学偏振方向的连续波激光的激光器，调制所述激光以产生载有所述振荡信号且位于所述第一光学偏振方向的调制激光的光调制器，在第一端口接收来自所述光调制器的沿着第一光学路径且位于第一光学偏振方向的调制激光、以及引导位于第一光学偏振方向的接收到的激光至第二端口且引导在所述第二端口接收到的与所述第一光学偏振方向互相垂直的第二光学偏振方向的光至第三端口的光子束合成器，与所述第二端口耦合以从所述光子束合成器接收光的第一光纤延迟线，与所述第一光纤延迟线耦合以通过将光学偏振方向旋转90度以将光反射回所述第一光纤延迟线的法拉第旋光反射镜，耦合以接收来自光子束合成器的所述第三端口的光以产生探测器信号的光学探测器，接收副本振荡信号以及改变所述副本振荡信号的相位以产生相移振荡器信号的压控移相器，以及将所述探测器信号和所述相移振荡器信号进行混频以产生所述输出信号的信号混频器。

2.根据权利要求1所述的设备，包括：

偏振方向维持光纤，接通所述光调制器和所述光子束合成器的第一端口以将光维持在所述第一光学偏振方向上。

3.根据权利要求1所述的设备，包括：

光学开关，耦合于所述第一光纤延迟线和所述法拉第旋光反射镜之间以接通或断开所述第一光纤延迟线和所述法拉第旋光反射镜之间的连接；

与所述第一光纤延迟线分离的第二光纤延迟线；以及

第二法拉第旋光反射镜，耦合于所述第二光纤延迟线以接收来自所述第二光纤延迟线的光，以及通过将光学偏振方向旋转90度以将光反射回所述第二光纤延迟线，

其中所述光学开关进一步耦合于所述第一光纤延迟线和所述第二光纤延迟线之间以接通或断开所述第一光纤延迟线和所述第二光纤延迟线之间的连接。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电路包括：

信号分析器，接收并处理所述输出信号以测量所述接收到的振荡信号中的噪声；以及

控制器，控制所述第一光子信号处理电路和所述信号分析器以控制所述接收到的振荡信号中的噪声的测量。

5.一种用于测量信号中的相位噪声的设备，包括：

输入端口，从待测振荡器接收振荡信号；

能量分路器，将所述振荡信号分路以得到第一副本振荡信号和第二副本振荡信号；

第一激光器，产生位于第一光学偏振方向的第一连续波激光束；

第一光调制器，调制所述第一连续波激光束以产生载有所述振荡信号的第一调制激光；

第一光环流器，具有接收所述第一光学偏振方向的所述第一调制激光的第一端口、输出来自所述第一端口的光的第二端口以及输出在所述第二端口接收到的光的第三端口；

第二激光器，在与所述第一光学偏振方向互相垂直的第二光学偏振方向产生第二连续波激光束；

第二光调制器，调制所述第二连续波激光束以产生载有所述振荡信号的第二调制激光；

第二光环流器，具有接收所述第二光学偏振方向的第二调制激光的第一端口、输出来自所述第一端口的光的第二端口以及输出在所述第二端口接收到的光的第三端口；

光子束合成器，包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口耦合于所述第一光环流器的第二端口以接收被引导至所述光子束合成器的所述第二端口的第一光学偏振方向的第一调制激光，其中所述光子束合成器引导在所述第二端口接收到的第二光学偏振方向的光至所述第三端口，以及引导在所述第二端口接收到的第一光学偏振方向的光至所述第一端口，其中所述光子束合成器的所述第三端口被耦合以接收来自所述第二光环流器的所述第二端口的位于所述第二光学偏振方向的所述第二调制激光；

第一光纤延迟线，耦合于所述光子束合成器的所述第二端口以接收来自所述光子束合成器的光以引出第一调制激光和第二调制激光的相位延迟；

法拉第旋光反射镜，耦合于所述第一光纤延迟线以通过将光学偏振方向旋转90度以将光反射回第一光纤延迟线；

第一光学探测器，耦合以接收来自所述第二光环流器的所述第三端口的光以产生第一探测器信号；

第二光学探测器，耦合以接收来自所述第一光环流器的所述第三端口的光以产生第二探测器信号；

第一压控移相器，接收所述第一副本振荡信号以及改变所述第一副本振荡信号的相位以产生第一相移振荡器信号；

第一信号混频器，将所述第一探测器信号和所述第一相移振荡器信号进行混频以产生第一输出信号；

第二压控移相器，接收所述第二副本振荡信号以及改变所述第二副本振荡信号的相位以产生第二相移振荡器信号；

第二信号混频器，将所述第二探测器信号与所述第二相移振荡器信号进行混频以产生第二输出信号；以及

电路，接收所述第一输出信号和第二输出信号以测量接收到的振荡信号中的噪声，以及控制所述第一压控移相器和第二压控移相器以及所述接收到的振荡信号中的噪声的测量。

6.根据权利要求5所述的设备，包括：

第一偏振方向维持光纤，接通所述第一光环流器的第二端口和所述光子束合成器的第一端口以将光维持在所述第一光学偏振方向上；以及

第二偏振方向维持光纤，接通所述第二光环流器的第二端口和所述光子束合成器的第三端口以将光维持在所述第二光学偏振方向上。

7.根据权利要求5所述的设备，包括：

光学开关，耦合于所述第一光纤延迟线和所述法拉第旋光反射镜之间以接通或断开所述第一光纤延迟线和所述法拉第旋光反射镜之间的连接；

与所述第一光纤延迟线分离的第二光纤延迟线；以及

第二法拉第旋光反射镜，耦合于所述第二光纤延迟线以接收来自所述第二光纤延迟线的光，以及通过将光学偏振方向旋转90度以将光反射回所述第二光纤延迟线，

其中所述光学开关进一步耦合于所述第一光纤延迟线和所述第二光纤延迟线之间以接通或断开所述第一光纤延迟线和所述第二光纤延迟线之间的连接。

8.根据权利要求5所述的设备，其中所述电路包括：

信号分析器，接收所述第一输出信号和第二输出信号以测量接收到的振荡信号中的噪声；以及

控制器，控制所述第一压控移相器和第二压控移相器以及信号分析器以控制所述接收到的振荡信号中的噪声的测量。