CN104767102B - 光电振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光电振荡器，包括用于输出光载波的激光器，激光器连接用于构成光电混合谐振腔的光电循环回路，光电振荡器还包括用于注入锁定信号至光电循环回路以实现边模抑制的注入锁相模块及用于导频控制以补偿光电循环回路的延时波动的稳定控制模块。本发明通过设置注入锁相模块，注入锁定信号至光电循环回路实现边模抑制，通过设置稳定控制模块，以提取光电循环回路各器件的延时波动并进行相应的延时波动补偿，以达到稳定振荡频率的目的，从而实现了光电振荡器的低相噪单模稳定输出，且由于导频控制与注入锁定信号锁定的循环振荡在不同频段进行，避免了相互干扰，有效地避免了控制电路噪声对振荡信号的寄生效应。

Description

光电振荡器
技术领域
本发明涉及振荡器领域，特别地，涉及一种光电振荡器。
背景技术
光电振荡器(Opto-electronic Oscillator,OEO)是一种结合微波与光子技术的新型振荡器，因其在微波、毫米波频段具有极低相噪而受到较高的关注，能广泛应用于雷达、电子战、精确测量等领域。与传统微波振荡器相比较，OEO具有以下优点：1、具有极低相噪，且相噪不随振荡频率的提高而显著增大，是微波与毫米波、甚至太赫兹波低相噪信号源的重要候选；2、能够为信息系统提供电、光两种输入方式，可应用于各种电子系统以及光通信、微波光子学系统；3、OEO不仅能够产生振荡信号，而且能够实现锁相、倍频等信号处理功能以及一些传感、测量等功能，应用广泛。综上所述，OEO具有一些传统振荡器无法媲美的特性，是产生极低相噪微波、毫米波振荡器的重要候选之一，具有较高的实用价值。
OEO的实用化当前主要面临两大问题：其一，要实现OEO的低相噪必须要采用长光纤卷作为延时，而随着光纤的长度增加，模式间隔会随着缩小(对于10GHz振荡频率OEO而言，1km光纤对应200kHz的模式间隔)，在微波频段无法用窄带滤波器；其二，组成OEO的电光调制器、光纤卷、微波放大器等均为环境敏感器件，外界环境因素的波动会造成振荡频率的漂移。故亟需设计一种实现低相噪的同时克服“多模并存”与“环境敏感”问题的解决方法，以保证振荡信号的单模低相噪稳定输出。
发明内容
本发明提供了一种光电振荡器，以解决现有的光电振荡器存在低相噪单模输出难以实现及因环境干扰导致的振荡频率偏移的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种光电振荡器，包括用于输出光载波的激光器，激光器连接用于构成光电混合谐振腔的光电循环回路，
光电振荡器还包括用于注入锁定信号至光电循环回路以实现边模抑制的注入锁相模块及用于导频控制以补偿光电循环回路的延时波动的稳定控制模块。
进一步地，注入锁相模块包括用于生成注入信号的第一信号源及用于调节注入信号的信号功率的可调衰减器，可调衰减器的输出端耦合至光电循环回路。
进一步地，光电循环回路包括：依次连接的电光调制器、光纤卷、光电探测器、微波放大器、压控移相器、窄带滤波器，窄带滤波器的输出端连接电光调制器的电输入端；
激光器发送的光载波经电光调制器后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，电信号经过微波放大器放大后再通过压控移相器进行相位调节，压控移相器根据稳定控制模块输出信号进行相位调节，经相位调节后的电信号再经窄带滤波器滤波后反馈给电光调制器进入下一次循环；
可调衰减器的输出端耦合至窄带滤波器与电光调制器的电输入端的连接通道上。
进一步地，稳定控制模块包括用于生成导频参考源的第二信号源、移相器、混频器、低通滤波器及基带信号处理模块，
第二信号源输出的信号分为两路，一路通过移相器移相后输出给混频器，另一路通过电光调制器进入光电循环回路，并经微波放大器输出至混频器；
混频器的输出端连接低通滤波器，低通滤波器连接基带信号处理模块，基带信号处理模块生成压控信号给压控移相器的电压输入端，以补偿光电循环回路的延时波动。
进一步地，移相器对第二信号源输出的信号移相的角度为90度。
进一步地，第一信号源采用介质振荡器，第二信号源采用晶振源。
本发明具有以下有益效果：
本发明光电振荡器，结合注入锁相与导频控制技术，通过设置注入锁相模块，通过注入锁定信号至光电循环回路实现边模抑制，保证光电振荡器单模稳定输出，通过设置稳定控制模块，以提取光电循环回路各器件的延时波动并进行相应的延时波动补偿，以达到稳定振荡频率的目的，从而实现了光电振荡器的低相噪单模稳定输出，且由于导频控制与注入锁定信号锁定的循环振荡在不同频段进行，避免了相互干扰，有效地避免了控制电路噪声对振荡信号的寄生效应，不仅如此，采用导频技术来实现OEO的稳定性控制，还可克服传统锁相控制中参考源对振荡信号近载频相噪的制约，保证OEO全频段低相噪性能的实现。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
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是本发明优选实施例光电振荡器的结构示意图；
图2是本发明优选实施例光电循环回路的结构示意图；
图3是本发明优选实施例注入锁相模块的结构示意图；
图4是本发明优选实施例稳定控制模块的结构示意图；
图5是本发明优选实施例光电振荡器的另一结构示意图；
图6是本发明优选实施例光电振荡器的振荡信号频谱示意图，其中，(a)为注入锁定信号前的频谱示意图、(b)为注入锁定信号后的频谱示意图；
图7是本发明优选实施例光电振荡器的输出稳定性示意图；
图8是本发明优选实施例光电振荡器的相噪指标示意图。
附图标记说明：
10、激光器；
20、光电循环回路；21、电光调制器；22、光纤卷；23、光电探测器；24、微波放大器；25、压控移相器；26、窄带滤波器；
30、注入锁相模块；31、第一信号源；32、可调衰减器；
40、稳定控制模块；41、第二信号源；42、移相器；43、混频器；44、低通滤波器；45、基带信号处理模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
本发明旨在提供一种能够实现微波振荡信号的低相噪单模稳定输出的光电振荡器，结合注入锁相和导频控制技术来实现，具体地，采用注入锁相方式实现边模抑制，以保证单模输出，采用导频控制技术来克服环境对光电振荡器的影响，以实现稳定输出。
参照图1，本发明的优选实施例提供了一种光电振荡器，包括用于输出光载波的激光器10，激光器10连接用于构成光电混合谐振腔的光电循环回路20，光电振荡器还包括用于注入锁定信号至光电循环回路20以实现边模抑制的注入锁相模块30及用于导频控制以补偿光电循环回路20的延时波动的稳定控制模块40。本实施例光电振荡器结合注入锁相与导频控制技术，通过设置注入锁相模块，通过注入锁定信号至光电循环回路实现边模抑制，保证光电振荡器单模稳定输出，通过设置稳定控制模块，以提取光电循环回路各器件的延时波动并进行相应的延时波动补偿，以达到稳定振荡频率的目的，从而实现了光电振荡器的低相噪单模稳定输出，且由于导频控制与注入锁定信号锁定的循环振荡在不同频段进行，避免了相互干扰，有效地避免了控制电路噪声对振荡信号的寄生效应，不仅如此，采用导频技术来实现OEO的稳定性控制，还可克服传统锁相控制中参考源对振荡信号近载频相噪的制约，保证OEO全频段低相噪性能的实现。。
参照图2，本实施例中，光电循环回路20包括：依次连接的电光调制器21、光纤卷22、光电探测器23、微波放大器24、压控移相器25、窄带滤波器26，窄带滤波器26的输出端连接电光调制器21的电输入端；激光器10提供待调制的光载波，激光器10发送的光载波经电光调制器21后通过光纤卷22进行延时，延时后的光信号通过光电探测器23还原成电信号，电信号经过微波放大器24放大后再通过压控移相器25进行相位调节，压控移相器25根据稳定控制模块40输出信号进行相位调节，经相位调节后的电信号再经窄带滤波器26滤波后反馈给电光调制器21进入下一次循环。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。为了实现振荡回路的低相噪输出，要求环内光纤卷足够长，而长光纤延时造成了模式间隔非常小，在微波频段无法用窄带滤波器抑制杂散模式，造成“多模输出”的问题。
本实施例中，采用注入锁相模块30通过微波源注入锁定的方式来解决OEO“多模并存”的问题，抑制光电振荡器的杂散模式。具体地，参照图3，注入锁相模块30包括用于生成注入信号的第一信号源31及用于调节注入信号的信号功率的可调衰减器32，本实施例中，第一信号源32采用介质振荡器，注入源频率与振荡信号一致，可调衰减器32的输出端耦合至光电循环回路20。本实施例中，参照图5，可调衰减器32的输出端耦合至窄带滤波器26与电光调制器21的电输入端的连接通道上。注入信号作为参考源经可调衰减器32后耦合进入光电循环回路，与振荡信号的某个模式频率对准，完成注入锁定，实现对其它模式的有效抑制，旨在实现振荡信号的单模输出；可调衰减器32用于调节耦合进入光电循环回路20的注入信号的功率大小，这是因为，适当的注入功率是权衡相噪与杂散的有效方式。具体而言，对于6km光纤OEO而言，其模式间隔约为34kHz，如此小的带宽，在微波频段无法用窄带滤波器进行抑制，本发明采用微波源注入锁定的方法，将注入源频率对准振荡信号的某个模式频点，使得该频点对应的种子信号大于其它模式信号，随着循环次数的增加，该模式信号会在“模式竞争”取得优势，最终对其它杂散模式实现有效抑制，实现单模输出。
本实施例中，可选地，参照图4，稳定控制模块40包括用于生成导频参考源的第二信号源41、移相器42、混频器43、低通滤波器44及基带信号处理模块45；其中，第二信号源41输出的信号分为两路，一路通过移相器42进行90度移相后输出给混频器43，另一路通过电光调制器21进入光电循环回路20，电光调制器21对该导频参考源进行强度调制，然后经光纤卷22延时、经光电探测器23还原成电信号，再经微波放大器24放大后输出至混频器43，以与另一路经90度移相后的导频参考源进行混频鉴相；经鉴相后的信号经低通滤波器44输出给基带信号处理模块45进行处理，基带信号处理模块45最终将微波光链路的延时波动信息转变为压控移相器25的控制电压，通过改变控制电压、调节环路相移来实现注入源与长环OEO的某个振荡模式频率的严格对准，以补偿光电循环回路20的延时波动。整个光电振荡器的结构示意图参照图5。
下面对本发明采用导频控制技术以控制振荡信号的稳定输出进行说明：
设混频器43的两输入信号为：
式(1)中，V1与V2分别为反馈支路移相后支路信号；A1、A2分别为两路信号的幅值，ω为导频信号频率；与分别为两支路到达混频器前端信号的相位；为OEO环路的相位波动。
两支路信号混频后为：
通过低通滤波器抑制高频分量后
为两支路的相位差，当其值为π/2的奇数倍时，上式化简为
如果上式继续化简为
是鉴相因子，其值为从上式可以看出，延时波动引起的相位变化最终转换为电压信号，反馈给OEO的压控移相器，通过改变环路相位调节振荡信号频率，实现OEO的稳定性控制。一般而言，电光调制器与光电探测器均为宽带器件，微波放大器也易于实现宽带，基于上述条件，可采用低频探测信号来对微波光子链路的整体延时波动进行提取。
更进一步，为更好说明本发明实施的实际效果，基于图5所示结构进行实物验证。电光调制器采用Optilab公司型号为IM-1550-12-PM的强度调制器，工作带宽为12GHz、插入损耗为4dB；光电探测器采用Picometrix公司型号为P-40A/HP的高速探测器，工作带宽为40GHz、响应度为0.65A/W@1550nm；激光器采用EM4公司型号为AA1401-080-P的窄线宽激光器，线宽为1MHz、输出功率为80mW、相对强度噪声为-150dBc/Hz；光纤卷采用Corning公司的单模通信光纤，损耗为0.2dB/km、长度为6km；其它器件均采用商用国产系列。
结合图6来分析本发明所涉OEO的边模抑制情况。首先，构成OEO的闭合回路，保证环路增益大于1，此时，窄带滤波器内满足巴克豪森条件的模式将会产生振荡，振荡信号的频谱如图6(a)所示；然后，采用商用的介质振荡器(振荡频率为10GHz)对OEO进行注入，调节环内压控移相器的控制电压，使得某个模式的频率与注入信号频率对准，直到完成“注入锁定”，最终实现单模输出，如图6(b)所示；最后，可通过调节注入功率、调制器偏置电压等对振荡信号的相噪实现进一步优化。由图6所示，通过本发明所涉微波注入锁定方案后，振荡信号的边模得到了明显抑制，解决OEO面临的“多模共存”问题，实现了单模输出。
结合图7来分析本发明所涉OEO的长期稳定性情况。本实施例中，第二信号源41采用400MHz商用晶振源，即本发明图5提及的探测信号，作为OEO的导频参考源。将该探测信号分为两路，一路通过电光调制器进入OEO回路，在电光调制器对光载波进行强度调制后经过6km长光纤卷延时，在光电探测器输出端恢复，通过放大器放大后与另一路探测信号实现混频鉴相；另一路信号混频前需通过一移相器实现90o移相，旨在达到鉴相的目的。鉴相后的基带信号通过低通滤波器进行噪声抑制后，达到基带信号处理模块，在该模块实现放大、适配等处理后反馈至环内压控移相器，通过调节压控移相器的控制电压来“间接补充”环内的延时波动。如图7所示，本发明实施例所涉OEO的阿伦方差在1s内约为2.7×10-12、10s内约为6.7×10-13、100s内约为1.9×10-13以及1000s内低至8.0×10-14。
结合图7来分析本发明所涉OEO的相噪情况。经过注入锁定与导频控制的方式解决了OEO的“多模共存”与“环境敏感”的问题，本实施例涉及的OEO相噪指标如图8所示。边模抑制比高于95dBc；相噪指标为-125dBc/Hz@1kHz、-140dBc/Hz@10kHz，实现了低相噪单模稳定输出。
以上所述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 (4)

1.一种光电振荡器，包括用于输出光载波的激光器(10)，所述激光器(10)连接用于构成光电混合谐振腔的光电循环回路(20)，其特征在于，
所述光电振荡器还包括用于注入锁定信号至所述光电循环回路(20)以实现边模抑制的注入锁相模块(30)及用于导频控制以补偿所述光电循环回路(20)的延时波动的稳定控制模块(40)；
所述注入锁相模块(30)包括用于生成注入信号的第一信号源(31)及用于调节所述注入信号的信号功率的可调衰减器(32)，所述可调衰减器(32)的输出端耦合至所述光电循环回路(20)；
所述稳定控制模块(40)包括用于生成导频参考源的第二信号源(41)、移相器(42)、混频器(43)、低通滤波器(44)及基带信号处理模块(45)，
所述第二信号源(41)输出的信号分为两路，一路通过所述移相器(42)移相后输出给所述混频器(43)，另一路通过电光调制器(21)进入所述光电循环回路(20)，并经微波放大器(24)输出至所述混频器(43)；
所述混频器(43)的输出端连接所述低通滤波器(44)，所述低通滤波器(44)连接所述基带信号处理模块(45)，所述基带信号处理模块(45)生成压控信号给压控移相器(25)的电压输入端，以补偿所述光电循环回路(20)的延时波动。
2.根据权利要求1所述的光电振荡器，其特征在于，
所述光电循环回路(20)包括：依次连接的电光调制器(21)、光纤卷(22)、光电探测器(23)、微波放大器(24)、压控移相器(25)、窄带滤波器(26)，所述窄带滤波器(26)的输出端连接所述电光调制器(21)的电输入端；
所述激光器(10)发送的光载波经所述电光调制器(21)后通过所述光纤卷(22)进行延时，延时后的光信号通过所述光电探测器(23)还原成电信号，所述电信号经过所述微波放大器(24)放大后再通过所述压控移相器(25)进行相位调节，所述压控移相器(25)根据所述稳定控制模块(40)输出信号进行相位调节，经相位调节后的电信号再经所述窄带滤波器(26)滤波后反馈给所述电光调制器(21)进入下一次循环；
所述可调衰减器(32)的输出端耦合至所述窄带滤波器(26)与所述电光调制器(21)的电输入端的连接通道上。
3.根据权利要求1所述的光电振荡器，其特征在于，
所述移相器对所述第二信号源(41)输出的信号移相的角度为90度。
4.根据权利要求1所述的光电振荡器，其特征在于，
所述第一信号源(31)采用介质振荡器，所述第二信号源(41)采用晶振源。
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