CN105027471A - 自注入锁定锁相环光电振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的内容涉及到一种维持射频(RF)调制光信号的电路(100)。该电路可以包括具有可供部分光信号传播的光纤延迟线(130)的自注入锁定组件(107)。该电路还包含一个具有至少两条不同长度的可供另外部分光信号传播光纤延迟线(120,140)的自锁相环组件(109)；以及包括一个被耦合到至少两条光纤电缆的相位探测器(150)，该相位探测器用于确定在各自的光纤电缆中传播的信号之间的相位差。该电路可以进一步包括压控振荡器(110)，用于产生稳定的振荡信号来响应自注入锁定组件和自锁相环组件中每一个产生的信号，该稳定的振荡信号用于稳定光信号。

Description

自注入锁定锁相环光电振荡器

技术领域

本发明是基于美国专利申请US13/760,767，申请日是2013年2月6日，并且基于申请日为2012年12月28日的美国临时专利申请US61/746,919的发明创造，上述专利申请公开的内容作为本申请的参考。

背景技术

本发明公开内容涉及一种用于控制光电振荡器(“OEO”)的系统和方法。在优选的实施方案中，光电振荡器能够产生重复的电子正弦波或任意波和/或连续的电调制波或脉冲光信号。

光电振荡器是光学和电子的混合装置，在射频和微波频率下，通过光调制来产生用于输出的振荡的电信号，与传统的射频和微波信号源的比较，可以表现出窄光谱线宽和超低相位噪声。光学谐振器本质上可以支持光的共振模式的变化，该模式称被为回音壁模式(WGMs)，因此许多振荡模式可以在光电振荡器中维持很长时间，主动再生反馈回路的增益补偿且超过了环路损耗。

一般来说，除了电源直流(DC)功率形式的能量外，光电振荡器从光源处，如激光器，获得泵浦持续功率。能量通过滤波机构被转化成射频(RF)和微波信号。在相同的延迟时间下，与传统的电子延迟元件相比，光电振荡器通常表现出低损耗、低温度敏感性的特点，并且能够以相对较小的尺寸实现。与电子振荡器相比，无论是从短期还是长期来说，这些优点通常使得光电振荡器拥有高的品质因数和更好的稳定性。

光电振荡器通常使用调制器，如光调制器，将来自激光器的持续的光能量转换成稳定调制的、频谱纯净的光信号(例如，射频信号、微波信号)。从激光器发出的能量经过调制器，然后回馈到自身。首先，光信号需要传输通过延迟线(例如，光纤电缆)。穿过延迟线的光信号被光电探测器探测并转换成电信号。光电探测器输出的电信号在一个闭环中被放大、滤波并且反馈回调制器。在满足馈送到调制器的电反馈信号满足它自身在振幅和相位上的一些振荡条件的情况下，这种构造能够支持自持续振荡。光电振荡器输出的频率受控于一些因素，例如，光纤延迟长度、调制器的工作条件和用来过滤振荡信号的滤波器的带通特性。

维持任何振荡器中的纯正弦振荡信号的一个重要方面是从周围来源中过滤持续信号，持续信号来自于促进近端载波相位噪声的周围来源。相位噪声的减少可以通过多种方法实现。

一些光电振荡器通过用注入锁定(IL)强制振荡的方式来减少相位噪声。在注入锁定振荡器中，稳定的主振荡器将不太稳定的从属振荡器拉到主振荡器的谐振频率中，谐振频率包含在被称为频率锁定范围的频率失谐范围内。将从属振荡器的频率拉到主振荡器的频率中会在频率锁定范围内减少从属振荡器频率的波动，从而也在频率锁定范围内减少了从属振荡器的相位噪声。

其他一些光电振荡器利用锁相环来减少相位噪声。在锁相环振荡器中，参考信号(例如，来自光电振荡器的主信号)的相位被相位比较器用于与振荡信号的相位进行比较。每一个参考信号和振荡器信号的相位差值被用来产生一个相位误差输出，提供给可变信号用来修正从属振荡器的相位和/或频率的偏差。

众所周知，相位噪声的降低有助于提高品质因数和增加振荡器的稳定性，但这些优点本身独自不能提供一个足够稳定的信号以满足当前和未来技术上的某些振荡器的需求。例如，蜂窝式系统(如，宽带MIMO、UWB、4G LTE等)，需要将不断增加的数据量增加到一个有限的带宽中，以至于随时间推移而变得更加拥挤。为了使数据增加进入这样的带宽，优选的是，将数据传输的频率保持在尽可能较窄的带宽。此外，优选的是，数据传输的频率被尽可能精确的锁定，且不必要的频率和相位偏移保持到最小值。

无论是IL还是PLL的噪声衰减，都不能得到足够稳定的信号来满足持续增长的需求，以适应越来越多的增加数据通过限定的带宽。因此，光电振荡器就需要进一步的提高品质因数、进一步减少相位噪声以及(作为目的)增加稳定性。

发明内容

本发明的一个实施例提供了一种用于维持振荡光信号的光电振荡电路。光电振荡电路包括自注入锁定组件，用于接收光信号的第一部分，且自注入锁定组件还包括用于传播光信号的光纤延迟线。光电振荡电路还包括自锁相环组件，用于接收光信号的第二部分。自锁相环组件还包括至少两条用以传播光信号的光纤电缆和至少一个相位探测器，该相位探测器用以耦合光纤电缆且用于确定在一条光缆之中所传播的信号与在另一条光纤电缆之中所传播的信号之间的相位差。两条光纤电缆有不同的长度。至少一条光纤电缆为光纤延迟线。光电振荡电路还包括用于产生稳定振荡信号的压控振荡器，以响应由自注入锁定组件产生的每一个注入锁定信号和由自锁相环组件产生的一个锁相环信号，稳定的振荡信号用于射频调制光信号。压控振荡器包括有有效可变电容的反向偏置变容二极管。稳定振荡信号至少部分由反向偏置变容二极管的有效可变电容所控制。

在本发明的一些实施例中，光电振荡电路还包括降噪组件，降噪组件电耦合到自注入锁定组件和压控振荡器中，降噪组件用于放大注入锁定信号而不增加大量的相位噪声进入注入锁定信号。降噪组件是负反馈放大器、被动匹配差分放大器和跨阻抗差分放大器中的一种。在一些实施例中，光电振荡电路还包括锁模组件，锁模组件耦合到相位探测器和作为光信号来源的激光器或调制器中的一个，锁模组件用于执行模抑制、模注入、模耦合、模组合、多模注入耦合和消逝模耦合技术中的一种。

本发明的一些实施例中，自注入锁定组件的光纤延迟线是一种基于光子带隙的光纤，光子带隙光纤为具有反向色散斜率。在一些实施例中，自注入锁定组件的光纤延迟线还包括复合光纤，复合光纤包含单模光纤和光子晶体光纤，单模光纤和光子晶体光纤具有相反的温度斜率。单模光纤和光子晶体光纤的长度比为1:8。

本发明的一些实施例中，自注入锁定组件还包括分布式拉曼放大器，分布式拉曼放大器用于将泵浦光功率注入到自注入锁定组件的光纤延迟线中，泵浦光源的的波长要比光纤延迟线中传播的光信号的波长短。光纤延迟线的光衰减降低为大约等于0.05dB/km或更小的量。

在另一些实施例中，光纤延迟线具有预定衰减因子和有效折射率，光纤延迟线的长度被选择来产生品质因数，在相同衰减因子和有效折射率的情况下，该品质因数大于长度小于1Km的光纤延迟线的最大品质因数。光纤延迟线的长度根据以下等式选择：Q＝πfoscτ/al。在这样的一些实施例中，光纤延迟线用于为分布式拉曼放大器接收泵浦光功率。光纤延迟线还包括复合光纤，复合光纤至少包含一条单模光纤或实芯光子带隙光纤以及一条空芯光子晶体光纤。光纤延迟线的长度被选择用于协调射频调制振荡光信号短期和长期的稳定。在一些实施例中，光纤延迟线为1km长，在另一些实施例中，光纤延迟线为10km长。

在本发明的另一些实施例中，自注入锁定组件还包括光滤波器，光滤波器过滤在自注入锁定组件的光纤延迟线中传播的光信号。光滤波器包括总环长大约为10米的法布里-珀罗标准具。法布里-珀罗标准具的跳动频率至少部分控制该射频调制的光信号的振荡频率。光滤波器包括至少一个光学横向射频滤波器，光学横向射频滤波器具有由以下公式导出的振荡频率：cos2(2πfΔt)＝1。在一些实施例中，光滤波器包括第二光学横向射频滤波器。光信号的功率在第一和第二光学横向射频滤波器的输入端被第一耦合器分开，在滤波器的输出端被第二耦合器重组。第一和第二耦合器具有不同的光纤延迟长度。第一耦合器和第二耦合器中的每一个都是能够调节光信号的波长的可调变量耦合器。

在一些实施例中，光信号的光功率被均匀地分开到每个横向滤波器中。光纤延迟长度差可以根据以下公式选择：L_N-L₁＝2^N-2ΔL。在另一些实施例中，光信号的光功率被不均匀地分开到每个横向滤波器中。其中光纤延迟长度差可以根据以下公式选择：L_N-L₁＝(N-1)ΔL。在其中的一些实施例中，横向滤波器包括至少一条偏振敏感光纤，两个光信号可以以不同的速度在偏振敏感光纤中传播。偏振敏感光纤的长度可以根据以下公式选择：Δt＝(n₁-n₂)l/c。

在本发明的一些实施例中，相位探测器包括比较电路，比较电路用于产生模拟电压信号，模拟电压信号与输入到相位探测器中的两个射频信号的相位差成比例。模拟电压信号随在自锁相环组件中传播的光信号的频率或相位的改变而波动。在一些实施例中，自注入锁定组件的光纤延迟线为自锁相环组件的光纤延迟线。在一些实施例中，自注入锁定组件的光纤延迟线为自锁相环组件的光纤延迟线。在另一些实施例中，自锁相环组件包括至少三条光纤，其中至少两条为光纤延迟线，每一条光纤延迟线的延迟长度都不同。自锁相环组件还包括一个多路鉴频器。多路鉴频器用于重组每一个在对应光纤中传播的光信号。

在本发明的另一些实施例中，压控振荡器包括可调带通滤波器和功率放大器。功率放大器用于放大注入锁定输入。在这些实施例中，压控振荡器产生的稳定振荡信号由功率大约等于1瓦特或者更大的压控振荡器输出。

在本发明更进一步实施例中，光电振荡电路有20MHz的锁定范围和5°的相位失谐。在一些实施例中，电路的固有共振频率为大约等于f_n0＝50kHz或者更大。

本发明的另一个实施例提供一种光电振荡器，包括提供光信号的调制器，以及接收部分光信号的第一光滤波器和接收部分光信号的第二光滤波器。第一光滤波器的输出被耦合到第一光电探测器，且第二光滤波器的输出被耦合到第二光电探测器。光电振荡器还包括相位探测器，相位探测器，用于接收来自于第一光电探测器的第一射频信号和来自于第二光电探测器的第二射频信号。第二射频信号的延迟比第一射频信号长，相位探测器用于确定第一和第二射频信号之间的相位差。光电振荡器还包括压控振荡器，用于接收来自于第一光电探测器的第一电信号和来自于第二光电探测器的第二电信号中的一个，还用于接收来自相位探测器的第三电信号。压控振荡器用于输出振荡信号以响应第一和第二射频信号中的一个和第三射频信号。振荡信号被用于控制调制器的输出。具体地说，振荡信号被用于射频调制由调制器提供的光信号。振荡信号可以被用来控制射频调制信号的频率和相位中的一个，射频调制信号由光电振荡器产生。

在一些实施例中，压控振荡器包括可调带通滤波器和功率放大器。可调带通滤波器耦合到功率放大器的输入端和输出端。

光电振荡器还包括至少一条复合光纤，复合光纤包括单模光纤或实芯光子带隙光纤和空芯光子晶体光纤。光电振荡器还包括分布式拉曼放大器，复合光纤在其中衰减为大约等于0.05dB/km或者更小。光电振荡器还包括用于改变至少部分光信号的延迟的波长可调激光源，以及改变光滤波器的通带中心频率。光电振荡器还包括用于使调制器提供的光信号的多个模相位上彼此稳定的锁模组件。锁模可以通过调节激光源和调制器的工作条件来实现。

在一些实施例中，第一光滤波器和第二光滤波器中的一个所接收的部分光信号通过长度至少大约为1千米的光纤电缆供给。在另一些实施例中，第一光滤波器或第二光滤波器中的一个所接收的部分光信号通过长度至少大约为10千米的光纤电缆供给。

附图说明

图1a-图1d是本发明光电振荡器实施例的方框图。

图2是本发明光电振荡器实施例的另一方框图。

图3是根据本发明光电振荡器实施例的数据表格。

图4是根据本发明光电振荡器实施例的数据图表。

图5是根据本发明光电振荡器实施例的另一数据图表。

图6是本发明光电振荡器实施例滤波器的方框图。

图7a-图7b是根据本发明光电振荡器实施例的数据图表。

图8a-图8c是根据本发明光电振荡器实施例的数据图表。

图9是本发明光电振荡器实施例的方框图。

图10是根据本发明一方面的数据图表。

图11是根据本发明光电振荡器实施例的数据图表。

图12a-图12c是根据本发明光电振荡器实施例的数据图表。

具体实施方式

本发明与现有系统相比，实现了更窄通道分辨率(由于，例如，减少相位噪声)和更精确锁定频率(由于，例如，减少温度敏感性)所需的频率和相位稳定性。因此，举例来说，更多的数据(如，保真度数据)能够在限定带宽内传输，同时减少传输数据的错误率。

本发明的一个目的是提供一个振荡系统，允许将光功率转化为稳定、频谱纯净并且具有较小近端载波(频率偏移为1MHz或更少)相位噪声的RF/微波参考信号。本发明另一个目的是提供一个振荡系统，能够保持精确锁定的相位，同时保持一个干净的近端载波相位噪声。

本发明还有另一目的是提供一个光电振荡系统，它能够在相对较小的尺寸(与高阶电实现RF滤波器的大尺寸相比)中具有较高的频率选择性、降低温度敏感性、减少频率偏移和/或者增强频散综合特性。

本发明还有另一目的是利用延迟元件(如，光纤或者电子元件)来长时间储存能量，例如，通过消散模式耦合和/或动态模间隔的光学谐振腔来实现零或最小化色散。

与本领域已知的振荡器相比，基于本发明的这些和其他目的实现的光电振荡器有利于得到产生更干净的信号。举例来说，在频率偏移为10kHz的条件下，本领域已知的振荡器至多可以实现的降噪为-110dBC/Hz到-120dBC/Hz之间；相比之下，本发明的光电振荡器能够实现的降噪超过-150dBC/Hz。

通过得到更干净的信号，本发明的光电振荡器可以维持密集频道，且表现出足够充分噪声减少、相位控制、相位误差减小以及误码率降低来保持密集频道的相隔。保持频率通道的相隔是特别重要的依靠高阶分频的蜂窝技术，如正交频分复用(OFDM)或高阶相移键控(PSK)。本发明的光电振荡器还可以被运用在基站、雷达系统、高分辨率遥感系统、计时系统或频率合成器。

现在参照附图，附图1a示意性描述了本发明一种情况下光电振荡器100功能的框图。该振荡器100包括激光器102、调制器104和反馈控制电路105。激光器102为振荡器100的工作提供光源(如，高功率光源)。光源的强度可以通过调制器104进行调制，以产生一个时变的光信号，如正弦光波形。调制器104可以是马赫-曾德尔调制器或电吸收调制器，且能够将输入的信号分成多个信号。调制器104也可以是相位调制器，能够调制分开的信号相位，且能够重新合成分开的信号产生一个移相的信号。例如，调制器104可以拥有横电模式以提供180度的相位偏移，或者可以重组拥有横电(TE)模式信号的输入信号以产生180度的信号相位偏移。调制器104可以将重组的信号作为输出的光信号输出。

调制器104输出的光信号可以被分成多个输出信号。在本发明的一些应用中，该信号可以被光定向耦合器(未显示)分开。光定向耦合器可以按50:50的比例分开信号并且将它们馈送到两条不同的光纤电缆中。在本发明的另一些应用中，光信号可以被分开以提供振荡器100外部使用的光输出，如图1a所示。

图1a的实施例中仅示出一个光输出节点。在本发明的其他实施例中，振荡器100可以输出持续的射频调制振荡电信号及持续的射频调制振荡光信号中的一种或两种。持续的电信号输出可以由光电振荡器的电线路中的任意点输出，如图1a和本发明其他附图的实线所示。光信号输出可以由光电振荡器的光学链接(除了激光器102和调制器104之间的连接点)中的任意点输出，如图1a和本发明其他附图的虚线所示。

调制器104输出的光信号可以被输入到振荡器100的反馈控制电路中。反馈控制电路105可处理输入的光信号。处理过程可以包括将光信号转换成电信号，电信号接着可作为电输入被反馈回调制器104中。反馈回调制器104的电信号输入可以提供反馈以适当维持由调制器104输出的信号的稳定性(如，阻止信号的相位偏移、阻止信号的频率偏移等)。

负反馈电路105可以包括每一个自注入锁定(self IL)组件107和自锁相环(self PLL)组件109。更详细的描述如下，自注入锁定组件107通过将光信号传输到预定长度的长延迟线、过滤信号和将光信号转换成电信号的方式来处理输入的光信号。然后，在注入锁定振荡器中，处理信号可以被当作是来自主振荡器的信号来使用，并馈送到包含在压控振荡电路105中的压控振荡器(VCO)110上，强制使压控振荡器110振荡，成为从属振荡器，并同步处理信号。这个特征在注入锁定压控振荡器的锁定范围内显著的减少远端载波相位噪声。

同样更详细的描述如下，通过将光信号分开并进入至少两条光纤中，将至少一个分开的信号传输到有预定长度的长延迟线中，过滤对应的信号且转换对应的光信号进入电信号的方式，自锁相环组件可以处理输入的光信号。每个处理信号的相位可以用一个或多个相位比较器，例如相位探测器或鉴频器，来比较，以产生减少相位噪声特性的组合处理信号。该组合处理信号被馈送到包含在压控振荡电路105中的压控振荡器110中，以产生控制信号用来控制压控振荡器110。这个特征在锁定范围内显著的减少近端载波相位噪声。

压控振荡器110可以是任意在领域中已知的压控振荡器(如克拉普振荡器、科耳波兹振荡器等)。在一个例子中，压控振荡器110包括变容二极管，如MOS变容二极管、肖特基二极管或者反向偏置的PN结二极管变容二极管，其功能是作为压控电容器。变容二极管的有效电容随处理信号的电压变化而变化，处理信号接收自自锁相环组件109。通过调整或重新调整压控振荡器110中的变容二极管的有效电容，压控振荡器110谐振的频率可以反过来重新被调整。

在本发明的一些实施例中，如图1b所示，反馈控制电路105可以进一步包括设置在自注入锁定组件107和压控振荡器110中间的降噪组件116。在一个实施例中，降噪组件可以包括低噪声放大器，如采用SiGe HBT器件的负反馈放大器。低噪声放大器能够增加或放大自注入锁定组件107输出的信号，而不增加大量的相位噪声,如由幅值变化(如AM-PM转换)而引起的相位噪声。设置低噪声放大器有利于进一步增加信号的锁定范围和减少信号的相位噪声，或有利于保持信号中噪声(如，幅度噪声)维持在少量(如，由于自锁相环组件的高AM压缩)。

在本发明的一些实施例中，如图1c和图1d所示，反馈控制电路105可以进一步包含锁模组件118，用于调节反馈控制电路105中光纤延迟线的有效长度。例如，光延迟线从实质上具有温度敏感性，甚至是轻微的温度波动都会导致跳模现象，从而降低了光电振荡器的近端载波相位噪声。锁模减少了这些波动，可以将电信号(如相位探测器的输出信号)引入到激光器和/或调制器的空腔，以产生小多普勒频移使光通过该空腔。假设调制频率与空腔的往返时间匹配(如，模间隔的整数倍)，激光和/或调制器的多个模应该有效地相互干扰，以产生稳定和高质量的短脉冲。在本发明的一些实施例中，锁模组件可从自注入锁定组件107接到激光器102和调制器104中的一个或两个。在其他实施例中，锁模组件可从自锁相环组件109接到激光器102和调制器104中的一个或两个。在上述的这些实施例中，锁模组件118有利于改变激光器102和/或调制器104的工作条件(如，锁定光模)并输出固定的相位。另外，锁模组件109可以利用任何模抑制、模注入、模耦合、模相结合、多模注入耦合或消散模偶联技术等方式来实现信号模式定位的锁定，包括大量的支持模式，因此，它实现锁定信号均匀的固定模间隔、零或最小化频率漂移，并显著减少近端载波相位噪声。

尽管在图1a-图1d中，自注入锁定组件107和自锁相环组件109都是作为分开的组件来描述的，但它们可以共享相同的光学和/或电气电路，下面将结合图2做更详细地描述。

根据本发明的进一步的方案，图2直观的描述了图1a中光电振荡器100的反馈控制电路105。特别是，包含在每一个自注入锁定组件107和自锁相环组件109中的对应的电路都得到更详细的展示。此外，图1a中的压控振荡器110得到更详细的描述，以展示压控振荡器110对应的组件(如，输入和输出端)。

首先描述自注入锁定组件107的电路，自注入锁定组件可以包括光纤延迟线130、光滤波器132和光电探测器134.

光纤延迟线130可以包括基于光子带隙(PBG)的光纤。在光子带隙光纤中，通过使用空芯光纤中的光子带隙使光得到指引，如七孔空心光纤。因此，某些频率范围内的光被禁止传播，其他一些频率的光被允许传播。此外，由于光子带隙光纤利用波导结构的形式，光子带隙光纤表现出相反的色散斜率，从而导致传播光信号的不规律色散。

光纤延迟线130可以长距离传播调制器输出的光信号，且不会导致信号的显著衰减。光纤延迟线130可以包含某些组件或者被选择为具有阻止和/或减少传输光信号的衰减的某些特性。

可选地，光纤延迟线130可以包含分布式拉曼放大器。分布式拉曼放大器的拉曼泵浦激光器可以将预定波长的能量(例如，泵浦电流以驱动拉曼泵浦激光源)注入到光纤延迟线中。注入能量的波长可以比传播通过光纤延迟线130的信号的波长稍短。随着泵浦能量注入到光纤延迟线130经过非线性受激拉曼散射，该探测波长会由于斯托克斯位移而增加。其结果是，泵浦能量的波长可以被选择为将能量转移到传播信号的波长中。同向传播和反向传播的泵浦光束都可以被使用。因此，传播信号的能量水平可以根据泵浦激光器将能量注入到光缆中的相对的量而增加，且不显著增加的光噪声。

由于拉曼效应或散射的作用，泵浦的波长或频率被选择，使得能量从泵浦激光器的波长转移到光信号的波长中。这通常导致具有泵浦波长的光发生非线性吸收松弛现象，经过非线性现象后，以传播光信号的波长发射。因此，泵浦激光器的波长的选择基于传播的光信号的波长，反之亦然。在本发明的一些实施例中，所注入的泵浦激光信号的波长可以被选择，使得光纤延迟线130中分布式光衰减可以减少到大约等于0.05dB/km或更少。

图3给出了Q因数增强的表格，其中Q因数由分布式拉曼放大器产生，延迟线长为4km。如图3所示的数据分析，光纤延迟线的长度为4km时，利用拉曼放大可以将光纤延迟线130的衰减降低至0.05dB/km，由此可以将振荡器的相位噪声降低至-148dBc/Hz，其中振荡器将10kHz的补偿频率耦合到延迟线中。因此，此类振荡器的Q因数可以增强4dB。如下所述，近端载波的相位噪声可以进一步被削减，例如通过为分布式光纤延迟线给定的衰减选择适当的长度。

另一方面，光纤延迟线可以包括复合光纤。复合光纤可以包含每一种单模光纤(如，康宁SMF-28光纤)或具有正温度斜率的固体芯光子带隙光纤(SC-PBG)和具有负温度斜率的中空芯光子晶体光纤(HC-PCF)。一般来说，温度的波动会影响压控振荡器长期的温度稳定性。通过将拥有相反色散特性的两种光纤组合到复合光纤，使得温度波动得到一些被动补偿。

在组合了SMF/SC-PBG和HC-PCF的被动温度补偿光纤中，为每种光纤的长度选择适当的比例是很重要的。在本发明的一些实施例中，适当的长度比为8:1，就是说，HC-PCF光纤的长度是SMF光纤长度的8倍。

另一方面，光纤延迟线130的长度被选择来产生优化或相对优化的品质因数(Q因数)。谐振器的因数表示为所储存的能量与谐振器消散的功率之比。该比率可以根据以下公式计算：

其中f_osc是光信号的振荡频率，τ＝nl/c(其中τ是环延时；n是光纤的有效折射率；l是光纤130的长度；c是光速)，且a＝10^(α/10)(其中α是光纤延迟线130的衰减因子)。从上面的等式中很明显得出，光信号延迟线130的长度影响到在谐振器储存的能量和谐振器消耗的功率。因为该长度在储存能量中呈线性比例且在消耗功率中呈指数比例，所以为了得到Q因数的最大值，光纤延迟线有一个最佳长度(l)。

图4所示的是Q在一个10GHz的振荡器中，针对一系列的光纤长度(L)，对每一个基于光纤的延迟线几个可能衰减因子的图表。为了说明目的，值得注意的是，光纤在光缆长度约21.7km，衰减因子为0.2dB/km时，得到最大品质因数Q(即，能量存储功耗比)。因此，衰减因子为0.2dB/km的光纤电缆的最佳长度为21.7km。在这个例子中，光纤电缆的Q因数为1.2E6。

为了进一步说明，图5所示的是近端载波相位噪声在图4所示的10GHz的振荡器中的对应衰减因子为0.1dB/km和0.3dB/km的光纤的图表。在图5的实施例中，与1km的光缆长度作比较，当使用光缆长度达到最佳长度(例如，损耗因子为0.3dB/km的光纤最佳长度为14.5km，损耗因子为0.1dB/km的光纤最佳长度为43.4km)时，得到的近端载波相位噪声大幅的减少。

拉曼放大器、最佳延迟长度和复合光纤中每一个都能为光纤延迟线提供有价值的有利因素。然而，在一些实施例中，一个特征的有利因素可以对另一个特征的有利因素相反有效。例如，与纯SMF光纤(如，当在HC-PCF光纤中实质损耗时)的品质因数相比，使用SMF/HC-PCF复合光纤可以减少光纤的所有Q因数。由于SMF/HC-PCF复合光纤而产生的对Q因数的下降可以根据以下公式来测量：

例如，利用上面的公式，选择SMF光纤和HC-PCF光纤的复合光纤的Q因数可被计算出来，其中相位常数比为β_PCF＝0.5β_SMF、衰减常数比为α_PCF＝30α_SMF、α_PCF＝10dB/km且α_SMF＝0.33dB/km。根据以上数据，复合光纤的总品质因数为(Q_S)/48，其中Q_S是标准SMF光纤(即，不包含有HC-PCF光纤)的品质因数。另外的实施例，将长度为30米、衰减常数为α_PCF＝2dB/m的HC-PCF光缆与长度为1km、衰减常数为α_SMF＝0.33dB/km的SMF-28光缆组合，可在1kHz和10kHz之间产生相位噪声的增加。

尽管复合光纤将增加相位噪声，但是有利于通过这种光纤温度补偿的优点来平衡其缺点。因而，光纤延迟线130中的最佳长度和拉曼放大器的选择应该将所有这些优点和缺点考虑进来。例如，SMF和HCPCF电缆中每一条的最佳长度的选择需要折衷考虑复合延迟线的短期稳定性(其表现为近端载波相位噪声(dBC/Hz))和长期稳定性(其表现为由于温度的频率偏移(ppm/C))。此外，分布式拉曼放大器可以被用来减少HC-PCF光纤或SC-PBG光纤的损耗。在一个这样的实施例中，在光损耗为大约等于0.05db/km或更少的范围的条件下，复合光纤的最佳长度可以是在86.9km的范围内，且与长度为4km的光纤延迟线的结果相比，表相出近端载波相位噪声为20dB的减少。在另一个这样的实施例中，长度为1km、长度比为1：8(如上面所述)的复合光纤，在1kHz到10kHz之间可以表现出相位噪声为14dB的减少，即光损耗减少。

在一些实施例中，光纤延迟线130选择的长度可以为1公里或更长，在另一些实施例中，光纤延迟线130选择的长度可以为大约等于10公里或更长。

光滤波器132可以接收和过滤经过光纤延迟线130的光信号。本领域已知的光电振荡器在光信号转换为电信号后，普遍利用标准射频滤波器来过滤振荡信号。相反，图2中的振荡器能够在振荡信号转换为电信号之前将其过滤。

光滤波比使用电学的射频滤波器有几个好处。例如，当光电振荡器包含光纤延迟线(如延迟线130)时，使用超窄带宽射频滤波器来过滤此类信号就变得越来越有必要了。然而，生产此类滤波器在重量、尺寸和制造成本方面花费不少。另外，射频滤波器表现出更大的温度依赖性，致使很小的温度波动也会带来共振频率的显著波动。因此，由射频滤波器主导的相位取决于温度而发生变化。这种相位变化可能反过来影响了微波信号的总往返时间，最终改变振荡频率。

相反，本发明的光滤波器132比选择性超窄带射频滤波器成本更低。另外，光滤波器132表现出较低的温度敏感性，并因此较少的相位和振荡频率波动，同时由于拥有大的Q因数，提供了非常高的频率选择性。随着振荡信号的光源的波长被调节，光学滤波器132可以进一步提供一个更宽的调谐范围。

在一些情况下，光滤波器132可以包含高精细度的法布里-珀罗标准具作为频率选择器。在本发明的一些实施例中，标准具可以具有10.28GHz的自由光谱范围(“FSR”)，精细度为1000，总环长为10米。标准具的差频可以变为光滤波器132的最终振荡频率。

在一些情况下，光滤波器132可以包含如图6所示的光学横向RF滤波器。光学横向RF滤波器是特别有利的，因为它使用色散光纤，能够为长差分延迟提供高品质因数以及宽调谐范围。在这样的实施例中，横向滤波器的振荡频率可以根据以下公式计算出来：

$f_n=\frac{n}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}\·\mathrm{\χ}}$

其中，n是共振频率的阶数，Δλ是光信道间隔，且χ是光纤(如，长度为大约等于1km或更长)的色散。为了说明目的，当Δλ＝0.4nm且χ＝609(ps)/(nm)时，横向滤波器的振荡频率是4.1GHz。为了进一步说明，当Δλ＝0.4nm且χ＝339(ps)/(nm)时,横向滤波器的振荡频率是7.3GHz。当Δλ＝0.3nm且χ＝339(ps)/(nm)时,横向滤波器的振荡频率是9.7GHz。

在一些实施例中，多个如上所述的光学横向射频滤波器可以级联(即，串联或并联)。多个光学横向射频滤波器的级联可以得到纯光学嵌套循环窄带射频滤波器。

图6展示了光学横向射频滤波器的方框图。在图6的实施例中，输入端口205接收光信号。光信号被中继到拥有变量耦合比的第一可调谐耦合器210中。该信号所带的光功率被可调谐耦合器210分开到第一延迟线212和其他延迟线中，如延迟线214。在一些实施例中，可调谐耦合器210可以均匀的分开能量(如，在拥有两条延迟线的实施例中以50：50的比例分开、在拥有四条光纤延迟线的例子中以25:25:25:25的比例分开等)。在其他实施例中，可调谐耦合器210可以非均匀的分开能量(如，在拥有两条延迟线的实施例中以25：75的比例分开等)。分开的信号通过一对光纤延迟线212和214被中继到第二变量耦合器220，光纤延迟线有不均匀的延迟长度。然后分开的光信号被拥有变量耦合比的第二可调谐耦合器220合成。合成的信号从滤波器132的输出端225输出。

可调谐耦合器210和220中的每一个都可以被直流电输入VDC以实现调谐。耦合器210和220的调谐可以改变光滤波器的通带中心频率，反过来可以延迟光信号通过光滤波器132。

着眼于光纤延迟线路212和214，这些延迟线的长度差都可以被选择或适当的合成，使得窄带射频滤波得以实现，且中继的射频信号的插入损耗被降低。

图7a和图7b以图形描绘了类似于图6所述的滤波器的光学横向射频滤波器预期性能的实验结果。在图7a和图7b的一些实施例中，光学横向射频滤波器包含两条长度差为90米的光纤延迟线，且可从光波长为1548.62nm的光源处接收光信号。图7a的横向滤波器包含在工作频率为1000MHz左右的振荡器中。图7b的横向滤波器包含在工作频率为10000MHz左右的振荡器中.

图5中的光学横向射频滤波器可以通过使用更高阶的滤波器的代替来进一步改进。例如，光学横向射频滤波器132可以是N-1阶，拥有N条光纤延迟线。

一些实施例中，n-1阶横向滤波器设计用于不均等地分开光信号能量。在一些实施例中，N条光纤延迟线中的长度差可以用于选择实现L₂–L₁＝ΔL,L_N-L₁＝2^N-2ΔL等。例如，四条延迟线的长度分别为0、38、78和152米。图8a中所示的是此类滤波器在波长为1550nm，工作频率在40000MHz左右时，这些延迟线组合的插入损耗仿真。

其他一些实施例中，n-1阶横向滤波器设计成用于均等分开光信号能量。在这样的实施例中，N条光纤延迟线231-234中的长度差可以被选择来使得L₂–L₁＝ΔL,L_N-L₁＝(N-1)ΔL等。例如，延迟线231-234的长度分别为0、75、150和225米。图8b中所示的是此类滤波器在波长为1550nm、工作频率在40000MHz左右时，这些延迟线组合的插入损耗仿真。

尽管在图6的框图中描述了具有多条延迟线的并行的级联横向滤波器，可以理解的是，同样的结果也可以通过光纤延迟线的串行来实现。例如，三个一阶横向滤波器可以串联排列，每个一阶横向滤波器具有光纤长度差ΔL，且基于上面提供的公式，每个横向滤波器的光纤长度差不同于下一个横向滤波器的光纤长度差。此类串联滤波器的插入损耗仿真如图8c所示。

在一些实施例中，横向滤波器132可以包含一条或多条的偏振敏感光纤。穿过偏振敏感光纤的光的折射率不同，折射率取决于传播波的方向。因此，两个垂直方向的光信号会以不同的速度传播穿过偏振敏感光纤，有效地将偏振敏感光纤转变为具有不同长度的两条平行延迟线。偏振敏感光纤延迟线长度的有效差可利用以下公式计算：

$\mathrm{\Δ}t=\frac{(n_1-n_2)\·l}{c}$

其中n₁是偏振敏感光纤第一轴的折射率，n₂是沿光纤的第一轴垂直于第二轴的折射率，l是光纤的长度，且c是真空中的光速。

利用上面等式得到的Δt的值，横向滤波器的振荡频率可以根据以下公式计算：

cos²(2πf·Δt)＝1。

光电探测器134可以将光信号转换为电信号。在本发明的一些实施例中，光电探测器134可以是1550纳米高速、高功率的处理探测器(如，PIN光电二极管)。光电探测器的输出134可以被耦合到低噪声放大器(未显示)中，使得注入信号的功率增大。使用低噪声放大器和其他低噪声电子组件有利于确保自注入信号在它自身和外来信号的噪声中得到维持。包含在反馈控制电路105的其他低噪声电子组件可以包括采用SiGe HBT器件的负反馈放大器、跨阻抗和反应性匹配放大器以及用于差分光学检测和/或由光学拉曼放大器产生的差分放大(如，用于放大的相对强度噪声和自发噪声的共模抑制)的其他电路。

下面描述自锁相环组件109的电路，自锁相环组件109可以包含一条或多条的光纤延迟线120和130。每条延迟线120、130都被连接到光滤波器122、132和光电探测器124、134中。在自锁相环组件109使用的和在自注入锁定组件107使用的延迟线、光滤波器和光电探测器，可以是相同的或类似的，或者包括相同的或类似的特性。自锁相环组件109还可以包含相位探测器150。

作为一个总体概述，自锁相环组件109的工作原理是在相位探测器150中用它本身的相位延迟重组光信号。相位探测器150可以是比较器电路(如，混频器)，用于产生模拟信号，使两个或多个的输入信号的相位差成比例。在自锁相环情况下，馈送到相位探测器150的每一个信号都来自调制器104。因此，调制器104在一些实施例中可以使用至少具有两个输出频率的双频激光器(DFL)。在这样的实施例中，相位锁定范围会被增加且接收到的信号的边模可以被消除，从而稳定振荡器的微波输出。

重组信号可能随光信号频率和相位的轻微波动而波动。因此，自锁相环组件109提供了一种识别方法以识别由调制器104输出的光信号的轻微波动。纠正这些轻微的波动，在很大程度上提高了振荡器信号的相位稳定性。

在构造自锁相环振荡器时，考虑振荡电路的整体相位噪声是很重要的。该相位噪声可以用以下公式进行分析：

$S_{\mathrm{\φ}}\left(f^{,}\right)=\frac{S_{\mathrm{\φ}0}\left(f^{,}\right)}{{\left(2{\mathrm{\π\τf}}^{,}\right)}^2}$

其中，S_Φ0(f')是自由运行的压控振荡器产生的参考信号的相位噪声，压控振荡器与自锁相环组件连接；所提及的信号f'为偏移频率；且τ是光纤延迟线120、130的反馈延时。根据上面的公式，自锁相环组件109的反馈延时越长，振荡电路的相位噪声越低。

因此，与自注入锁定组件的情况下类似，增加自锁相环组件109的光纤延迟线是可取的。因此，在一些实施例中，自锁相环组件和自注入锁定组件可以共用光纤延迟线。为实现上述目的，通过分开光纤延迟线以允许振荡信号同时被馈送到自锁相环组件109的相位探测器150中以及馈送到自注入锁定组件107中作为主锁定信号。在一些实施例中，信号可以在穿过光纤延迟之后到达相位探测器150之前被分开。该信号可被分开形成光信号(如，在通过光电探测器之前)或电信号(如，在通过光电探测器之后)。

在本发明的其他实施例中，自注入锁定组件107和自锁相环组件109可以不共用光纤延迟线。例如，图5所示的是包含有自注入锁定组件107的结构方框图，该自注入锁定组件107包含在由自锁相环组件109分出来的控制反馈电路105中。图9所示的结构与图1和图2所示的结构略有不同，不同点在于具有图9所示的结构包含有本质上更小延迟的第三条光纤140，且该光纤140通过光电探测器144和放大器146耦合到相位探测器150的输入端。具有较长延迟的第二条光纤电缆130仍然被用来作为注入锁定，且被耦合到压控振荡器110的输入端(如，输入端口I)。

在本发明的一些实施例中，多条光纤延迟线可以被用来增加反馈延时τ。例如，图2所示的振荡器结构中，两条光纤延迟线被接入相位探测器150中。一条光纤延迟线可以是短延迟光纤120(20米长的光纤延迟为1μs)且另一条可以是长延迟光纤(1公里长的光纤延迟为5μs，10公里长的光纤延迟为50μs)。两条延迟线的相位比较可以减少振荡信号的近端载波的相位噪声。

在本发明一些没有在附图中表示出来的实施例中，三条或者更多的光纤延迟线可以与用多个相位探测器组合(例如，连续地)使用，以进一步增加反馈延时，得到更稳定的振荡器。此类实施例可包括一个多路鉴频器，这反过来又可以包括至少两组光纤，且两组光纤插入标准鉴频器一端。此外，在一些实施例中，自锁相环组件可以进一步包含低通滤波器和耦合到相位探测器150输出端的放大器。这些组件有利于进一步过滤掉增加相位噪声的更高频率。

最后描述压控振荡器110的电路，压控振荡器110可以包含具有五个端口I-V的可调谐带通滤波器112。端口I用于接收来自自注入锁定组件107的注入锁定输入。端口II用于接收来自自锁相环组件109的相位锁定环输入。端口III用于将振荡信号输出到调制器104的输入端。结合对图1的描述，端口I和II所接收的信号可以用来控制端口III输出的振荡信号的稳定性。

除了上面描述的三个端口外，可调谐带通滤波器112也可以通过端口IV和V被耦合到功率放大器114中，用以放大核噪声和产生自由运作的振荡信号。功率放大器114可以放大从端口I输入的注入锁定，从而使可调谐带通滤波器112在端口III得到为大约等于1瓦特或更大的功率输出。此外，注入锁定输入的放大可以增加振荡器的锁定范围，而不会为其增加不利的相位噪声。

图10更详细地描述了压控振荡器110中的可调谐带通滤波器112。可调谐带通滤波器112可以包含一对通带滤波器310和312，用以额外过滤来自相位探测器150的相位锁定环输入。可调谐带通滤波器112还可以包含一对反向并联二极管314和316，其功能为可调谐变容。如上所述，锁相环输入表现为电压形式，可调谐二极管314和316的有效电容。二极管有效电容的调谐可以反过来影响由压控振荡器110产生的振信号的谐振频率。进一步执行锁相定环输入进行的调谐，从自注入锁定组件中光电探测器136的注入锁定输入，还可以控制压控振荡器110产生的振荡信号的频率和相位，就像在一个普通的注入锁定结构中，主振荡器控制从属振荡器一样。由压控振荡器110产生的振信号可以从功率放大器114和反向偏置变容二极管316之间的节点被馈送到调制器104中。

如图10所示的实施例中，相位探测器150、光电探测器136和调制器104没有被要求直接连接(即，没有其他组件在中间)到压控振荡器110的输入端口和输出端口I-V。根据本发明，其他组件可以被设置在其中。例如，低通滤波器和放大器可以被安置在相位探测器150和压控振荡器110之间，使得锁相环输入在进入压控振荡器110之前被进一步被过滤和放大。进一步的方案是，在自注入锁定组件和自锁相环组件共用一些组件的情况下，注入锁定输入可以穿过射频耦合器，使得注入锁定输入被分开，一部分分开的信号传送到相位探测器150，且一部分进入压控振荡器110中。

上面的说明论述了在反馈控制电路105中设置自锁相环组件和自注入锁定组件各自产生的好处。图11图示说明了在反馈控制电路105组合这些组件的好处(关于降低相位噪声)。特别是，图11展示了在压控振荡器被直接锁定到10公里长的光缆时，振荡器的相位噪声与仅设置为自锁相环的相位噪声进行的比较。振荡器的相位噪声可以根据以下公式来模拟解析：

其中，S_ref(f')是参考信号的相位噪声；Δf是注入锁定范围；Φ_失谐为本地振荡信号与参考信号的失谐相位；f'是偏移频率。S_PLL是当振荡器仅相位锁定到参考信号使得相位噪声。应该指出的是，S_PLL是由以下公式给出的：

$S_{PLL}\left(f^{,}\right)=\frac{f_{n0}^4{S}_{ref}\left(f^{,}\right)+f^{,4}{S}_0\left(f^{,}\right)}{{(f^{,2}+f_{n0}^2)}^2}$

其中，f_n0是在相位锁定环中的固有共振频率。

更具体的，图11描述了一个10GHz的压控振荡器在Q为100，锁定到一个10公里长的环时的性能。S_ref是10公里环长光电振荡器的相位噪声，而S_PLL是当电子振荡器仅相位锁定到光电振荡器时的相位噪声。实际的固有共振频率为f_n0＝500kHz，锁定范围为f_锁＝10MHz，以及相位失谐限制为Φ_失谐＝45°，其也被认为是代表了在实际使用条件下自由运作的压控振荡器和的光电振荡器之间的频率漂移。

在图11的实施例中，小的相位失谐、高的固有共振频率和高的注入锁定范围被用来实现大量相位噪声的减少。这些参数每一个的影响在图12a-c中进一步被图解说明。图12a显示了在给定f_n0＝20kHz和Φ_失谐＝45°的条件下，自注入锁定自锁相环("ILPLL")振荡器随锁定范围的增加而变化的特性。图12b显示了在给定共振的固有频率为f_n0＝20kHz和锁定范围为f_锁＝10MHz的条件下，自注入锁定自锁相环振荡器随相位失谐的改进而变化的特性。图12c演示了在给定的锁定范围为f_锁＝10MHz和相位失谐为Φ_失谐＝45°的条件下，自注入锁定自锁相环振荡器固有共振频率影响的性能。自注入锁定自锁相环的最佳性能被预期为f_n0＝50kHz(即，一个运算放大器的增益带宽只有200MHz)，锁定范围为f_锁＝20MHz(即，压控振荡器的Q值小于500)，且Φ_失谐＝5°(即，压控振荡器的频率偏移为5000ppm/C)。

除了振荡器中自注入锁定自锁相环反馈的好处外，通过对激光器102和/或调制器104的输出的锁模还可以产生额外的好处。这样的振荡器结构在图9的实施例中得到展示。在这结构中，相位探测器150的输出不仅可以用来控制压控振荡器110的有效电容，还可以用来调整激光器102或调制器104的工作点。这样的工作点的调整适用于外部和直接调制光链路、电吸收调制器以及为马赫-曾德尔调制器。

参考上面图1a-1d、图2和图9的方框图中描述的组件，本发明的光电振荡器的工作原理描述如下。激光器102可以产生馈送到调制器104的光束。在调制器104中，振荡的光信号可以由光功率产生。调制器104接着将在振荡频率中射频调制的光信号输出到光纤延迟线130。光信号可以从光纤延迟线130传播到光滤波器132中以将光信号的相位噪声被过滤出去。过滤后的光信号接着可以被馈送到光电探测器134，使光信号转换为电信号，其中光电探测器134被耦合到光滤波器132的输出端。转换得到的电信号接着可以作为注入锁定输入被馈送到压控振荡器110的一个输入端。在一些实施例中，转换得到的电信号在输送到压控振荡器110的过程中可以通过其他电子组件，例如降噪组件(如，低噪声滤波器)。

此外，调制器104可以将在振荡频率中射频调制的光信号输出到两条或者更多拥有不同延迟长度的光纤中。其中一条光纤是光纤延迟线130。根据前面对注入锁定组件的描述，光纤延迟线的温度敏感性可以通过利用无源温度补偿来减少，且这些光纤中的损耗也可以通过使用分布式拉曼放大器来降低到极低水平。每个光信号可以传播通过对应的光纤到达对应的光滤波器122和132，使得每条光纤的强度噪声可以被过滤掉，且选择允许通过的横向射频滤波器的模。已过虑的射频调制光信号接着可以分别被馈送到光电探测器124和134，其中光电探测器124和134被分别耦合到光滤波器122和132。随着光源(即，激光器102)的波长被调整，光滤波器的中心频率可以通过使用光纤延迟的色散特性被调整。在光电探测器124和134中，每一个光信号都可以被转换为电信号。转换得到的电信号接着可以被馈送到相位探测器或鉴频器150的输入端，使得对应信号的相位差可以被探测到。在一些实施例中，转换得到的电信号在输送到相位探测器150的过程中可以通过其他电子组件，例如降噪组件(如，低噪声滤波器)。为了响应输入的电信号的相位差，相位探测器150接着可以输出一个电压，用以馈送到压控振荡器110的输入控制端，且被用来调节可调谐带通滤波器112中组件的有效电容，如变容二极管，其中可调谐带通滤波器包含在压控振荡器110中，从而使得相位锁定振荡频率。在本发明的一些实施例中，相位探测器150输出的电压还可以被馈送到激光器102(如激光器102的控制电路)，用以控制激光器102的工作条件，从而在激光器102中表现出光模锁定。在进一步的实施例中，相位探测器150输出的电压可以被馈送到调制器104，用以控制调制器104的工作条件，从而在调制器104中表现出光模锁定。

接着描述压控振荡器110和所接收的输入信号，压控振荡器110可以产生稳定的振荡信号以响应注入锁定信号和相位锁定环信号。该稳定的振荡信号可以通过压控振荡器110的输出端口V被馈送到调制器104。该稳定的振荡信号接着可以被调制器104用来控制光信号的相位和频率，其中光信号在调制器104的振荡频率下被RF调制。通过使用上面描述的机制和程序，调制器输出的振荡射频信号可以在近端载波相位噪声方面被显著的改进。

前述的电路可以被制成小巧的外形。这个可以用来做成基于马赫–曾德尔调制器的电光聚合产品，或者是具有电吸收的调制器长单片集成的激光器。

前述的电路可以应用在无数的应用中。其中的一个应用是无线数据传输。随着无线宽带需求的增加，更有效的使用有效带宽变得更加重要。特别是，系统将需要保持信号在其要求的频率和相位上，以防止偏差。本发明的一个好处是，由光电振荡器输出的信号是稳定的，且可以以非常低的近端载波相位噪声水平来工作。因此，举例来说，在基站中使用本发明，系统的性能可以得到提高，例如更多的用户可以使用同一带宽。

本发明还可以被运用于雷达探测。在此类系统中，稳定的信号可以在探测目标和位置时得到更好的精确度。本发明在这样的系统中有利的提高空域和时域的分辨率。在此类系统中，本电路可以运用在发射机和/或接收机中。随着雷达在大量应用中被使用，包括空中交通管制、遥感、射电天文学、太空飞船对接，一般来说，还包括各种航空航天、环境感知和军事应用等；本发明可以在这些应用中有深远的影响。

尽管本发明参照具体的实施例在此得到描述，但应理解的是，这些实施例仅说明本发明的原理和应用。因此，应当理解的是，说明性的实施例可以有其他的修改，且其它设计可在不脱离本发明的权利要求所限定的精神和范围内被设计出来。

Claims (44)

1.一个用于维持振荡信号的光电振荡电路，该电路包括：

自注入锁定组件，用于接收光信号的第一部分，自注入锁定组件还包括用于传播光信号的光纤延迟线；

自锁相环组件，用于接收光信号的第二部分，自锁相环组件还包括：

至少两条光纤电缆，用于传播光信号，其中，两条光纤电缆的长度不同，并且至少有一条光纤电缆是光纤延迟线；以及

至少一个相位探测器，相位探测器耦合到至少两条光纤电缆，相位探测器用于确定在一条光缆之中所传播的信号与在另一条光纤电缆之中所传播的信号之间的相位差；以及

压控振荡器，用于产生稳定的振荡信号，以响应由自注入锁定组件产生的每一个注入锁定信号和由自锁相环组件产生的一个锁相环信号，稳定的振荡信号用于射频调制光信号。

2.根据权利要求1所述的光电振荡电路，其特征在于：压控振荡器包括有效可变电容的反向偏置变容二极管，稳定振荡信号至少部分由反向偏置变容二极管的有效可变电容所控制。

3.根据权利要求1所述光电振荡电路，还包括降噪组件，降噪组件电耦合到自注入锁定组件和压控振荡器中，降噪组件用于放大注入锁定信号而不增加大量的相位噪声进入注入锁定信号。

4.根据权利要求3所述的光电振荡电路，其特征在于：降噪组件是负反馈放大器、被动匹配差分放大器和跨阻抗差分放大器中的一种。

5.根据权利要求1所述的光电振荡电路，还包括锁模组件，锁模组件耦合到相位探测器和作为光信号来源的激光器，锁模组件用于执行模抑制、模注入、模耦合、模组合、多模注入耦合和消逝模耦合技术中的一种。

6.根据权利要求1所述光电振荡电路，还包括锁模组件，锁模组件耦合到相位探测器和作为光信号来源的光信号调制器，锁模组件用于执行模抑制、模注入、模耦合、模组合、多模注入耦合和消逝模耦合技术中的一种。

7.根据权利要求1所述的光电振荡电路，其特征在于：自注入锁定组件的光纤延迟线是一种基于光子带隙的光纤，光子带隙光纤为具有反向色散斜率。

8.根据权利要求7所述的光电振荡电路，其特征在于：自注入锁定组件的光纤延迟线还包括复合光纤，复合光纤包含每一单模光纤和光子晶体光纤，其中，每一单模光纤和光子晶体光纤具有相反的温度斜率。

9.根据权利要求8所述的光电振荡电路，其特征在于：单模光纤和光子晶体光纤的长度比为1:8。

10.根据权利要求7所述的光电振荡电路，其特征在于：自注入锁定组件还包括分布式拉曼放大器，分布式拉曼放大器用于将泵浦光功率注入到自注入锁定组件的光纤延迟线中，泵浦光源的波长要比光纤延迟线中传播的光信号的波长短。

11.根据权利要求8所述的光电振荡电路，其特征在于：光纤延迟线的光衰减是为大约等于0.05dB/km或者更小。

12.根据权利要求1所述的光电振荡电路，其特征在于：光纤延迟线具有预定衰减因子和有效折射率，其中光纤延迟线的长度被选择来产生品质因数，在相同衰减因子和有效折射率的情况下，该品质因数大于长度小于1Km的光纤延迟线的最大品质因数。

13.根据权利要求12所述的光电振荡电路，其特征在于：光纤延迟线的长度根据以下等式选择：

14.根据权利要求12所述的光电振荡电路，其特征在于：光纤延迟线用于为分布式拉曼放大器接收泵浦光功率，并且光纤延迟线包括复合光纤，复合光纤包括至少一条单模光纤或一条实心光子带隙光纤，复合光纤还包括一条空心光子晶体光纤。

15.根据权利要求14所述的光电振荡电路，其特征在于：光纤延迟线的长度被选择用于协调射频调制振荡光信号短期和长期的稳定。

16.根据权利要求15所述的光电振荡电路，其特征在于：光纤延迟线为1Km长。

17.根据权利要求15所述的光电振荡电路，其特征在于：光纤延迟线为10Km长。

18.根据权利要求1所述的光电振荡电路，其特征在于：自注入锁定组件还包括光滤波器，光滤波器过滤在自注入锁定组件的光纤延迟线中传播的光信号。

19.根据权利要求18所述的光电振荡电路，其特征在于：光滤波器包括总环长大约为10米的法布里-珀罗标准具，其中，法布里-珀罗标准具的跳动频率至少部分控制该持续的光信号的振荡频率。

20.根据权利要求18所述的光电振荡电路，其特征在于：光滤波器包括至少一个光学横向射频滤波器，光学横向射频滤波器具有由以下公式导出的振荡频率：

cos²(2πf·Δt)＝1。

21.根据权利要求20所述的光电振荡电路，光滤波器还包括至少一个第二光学横向射频滤波器，光信号的功率在第一和第二光学横向射频滤波器的输入端被第一耦合器分开，在滤波器的输出端被第二耦合器重组，第一和第二滤波器具有不同的光纤延迟长度。

22.根据权利要求21所述的光电振荡电路，其特征在于：第一耦合器和第二耦合器中的每一个都是能够调节光信号的波长的可调变量耦合器。

23.根据权利要求21所述的光电振荡电路，其特征在于：光信号的光功率被均匀地分开到每个横向滤波器中，其中光纤延迟长度差可以根据以下公式选择：L_N-L₁＝2^N-2ΔL。

24.根据权利要求21所述的光电振荡电路，其特征在于：光信号的光功率被不均匀地分开到每个横向滤波器中，其中光纤延迟长度差可以根据以下公式选择：L_N-L₁＝(N-1)ΔL。

25.根据权利要求20所述的光电振荡电路，其特征在于：横向滤波器包括至少一条偏振敏感光纤，两个光信号可以以不同的速度在偏振敏感光纤中传播。

26.根据权利要求25所述的光电振荡电路，其特征在于：偏振敏感光纤的长度可以根据以下公式选择：

$\mathrm{\Δ}t=\frac{(n_1-n_2)\·1}{c}.$

27.根据权利要求1所述的光电振荡电路，其特征在于：相位探测器包括比较电路，比较电路用于产生模拟电压信号，模拟电压信号与输入到相位探测器中的两个射频信号的相位差成比例，其中，模拟电压信号随在自锁相环组件中传播的光信号的频率或相位的改变而波动。

28.根据权利要求1所述的光电振荡电路，其特征在于：自注入锁定组件的光纤延迟线为自锁相环组件的光纤延迟线。

29.根据权利要求1所述的光电振荡电路，其特征在于：自锁相环组件包括至少三条光纤，其中至少两条为光纤延迟线，每一条光纤延迟线的延迟长度都不同。

30.根据权利要求1所述的光电振荡电路，其特征在于：电路的锁定频率范围为f_锁＝20MHz，相位失谐为Φ_失谐＝5⁰。

31.根据权利要求1所述的光电振荡电路，其特征在于：电路的固有共振频率大约为f_n0＝50kHz或者更大。

32.根据权利要求29所述的光电振荡电路，其特征在于：自锁相环组件还包括多路鉴频器，鉴频器用于重组每一个在对应光纤中传播的光信号。

33.根据权利要求1所述的光电振荡电路，其特征在于：压控振荡器包括可调带通滤波器和用于放大注入锁定输入的功率放大器，其中，压控振荡器产生的稳定振荡信号由功率大约等于1瓦特或者更大的压控振荡器输出。

34.光电振荡器包含：

调制器，提供光信号；

第一光滤波器，用于接收部分光信号，第一光滤波器具有被耦合到第一光电探测器的输出；

第二光滤波器，用于接收部分光信号，第二光滤波器具有被耦合到第二光电探测器的输出；

相位探测器，用于接收来自于第一光电探测器的第一射频信号和来自于第二光电探测器的第二射频信号，第二射频信号的延迟比第一射频信号长，相位探测器用于确定第一和第二射频信号之间的相位差；以及

压控振荡器，用于接收来自于所述的第一光电探测器的第一电信号和来自于第二光电探测器的第二电信号中的一个，还用于接收来自相位探测器的第三电信号，其中，压控振荡器用于输出振荡信号以响应第一和第二射频信号中的一个和第三射频信号，其中，振荡信号被用于控制调制器的输出。

35.根据权利要求34所述的光电振荡器，其特征在于：振荡信号被用于射频调制由调制器提供的光信号。

36.根据权利要求34所述的光电振荡器，还包括至少一条复合光纤，复合光纤包括：

单模光纤或实芯光子带隙光纤(SC-PBG)；以及

空芯光子晶体光纤(HC-PCF)。

37.根据权利要求36所述的光电振荡器，还包括分布式拉曼放大器，其中，复合光纤的衰减为大约等于0.05dB/km或者更小。

38.根据权利要求34所述的光电振荡器，还包括用于改变至少部分光信号的延迟的波长可调激光源，以及改变光滤波器的通带中心频率。

39.根据权利要求34所述的光电振荡器，还包括用于使调制器提供的光信号的多个模相位上彼此稳定的锁模组件。

40.根据权利要求34所述的光电振荡器，其特征在于：振荡信号用于控制由光电振荡器产生的射频调制的光信号的频率或相位中的一个。

41.根据权利要求34所述的光电振荡器，其特征在于：第一光滤波器或第二光滤波器中的一个所接收的部分光信号通过长度至少大约为1千米的光纤电缆供给。

42.根据权利要求34所述的光电振荡器，其特征在于：第一光滤波器和第二光滤波器中的一个所接收的部分光信号通过长度至少大约为10千米的光纤电缆供给。

43.根据权利要求34所述的光电振荡器，其特征在于：压控振荡器包括可调带通滤波器和功率放大器，可调带通滤波器被耦合到功率放大器的输入端和输出端。

44.根据权利要求34所述的光电振荡器，其特征在于：锁模是通过调整激光源和调制器的工作条件来实现的。