CN105576478A - 快速扫频的傅里叶域锁模光电振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速扫频的傅里叶域锁模光电振荡器，包括：激光器，用于发出的单一频率且连续的光波；调制器，对来自激光器的光波进行调制，经调制后的信号包括光载波和上下边频；可调陷波滤波器，陷波位置对应从相位调制器输出的已调波的一个边频；可调陷波滤波器控制装置，用于周期性的调节可调陷波滤波器的传输特性；光电探测器，用于将可调陷波滤波器的输出的光信号转换成电信号；功率放大器，其输入端与光电探测器的输出端连接，用于对输入的信号进行放大；电耦合器，其输入端与功率放大器的输出端连接，其一个输出端与调制器的射频信号调制端口连接，从而形成光电振荡回路，产生微波，对调制器当中的光进行反馈调制。

Description

快速扫频的傅里叶域锁模光电振荡器

技术领域

本发明涉及微波光子学技术领域，具体涉及一种快速扫频的傅里叶域锁模光电振荡器。用以产生低相位噪声、高频谱纯度且具有大的时间带宽积的周期性扫频的微波信号。

背景技术

微波信号源是一个微波系统的核心部件，可广泛应用于无线通信网络、高速光通信网络、雷达、生物成像和现代仪器等。在上述应用领域，特别是未来的通信系统和军用雷达系统中，对微波系统提出了宽带宽、高灵敏度和大动态范围等要求。为满足这些要求，可以产生频率高、频率可调范围大和相位噪声低的微波信号的高性能微波振荡器是必须的。比如，在一个先进的快速跳频扩谱通信系统中，宽的操作带宽和大的频率可调性可以增强系统的抗干扰能力、安全性和通信容量。对于微波测量仪器，宽操作带宽和大的频率可调性显然会增加测量的准确性。低相位噪声性能在许多应用领域中是不可或缺的。比如在雷达系统中，在几十赫兹到几十兆赫兹频偏范围内保持低的相位噪声是非常重要的。对于多普勒雷达来说，由于雷达对运动目标的识别是通过测量反射的微波信号的频率变化来实现的，微波信号的相位噪声特性会显著的影响雷达探测的效果。比如，若多普勒雷达使用一个频率为10GHz的X波段的脉冲信号探测一个运动速度约500km/h的朝雷达方向运动的目标，那么雷达接收到的反射波和入射波的频差约10kHz。实际上雷达探测到的反射信号的功率是远小于雷达发出的信号的功率的。为了有效的探测到目标，雷达探测到的反射回来的微波信号的功率应大于雷达发出的信号在10kHz频偏的功率。否则，反射信号会淹没在噪声中，雷达探测到目标的几率变得非常低。同时，快速扫频的微波信号源在上述领域中有广泛的应用需求。比如在雷达系统中，利用扫频的微波信号可以获得更大的时间带宽积，可以增加雷达系统的探测距离和探测精度。

目前，高性能微波振荡器大多基于电子学或声学储能，由于电子器件自身的性能的限制，当这些储能单元工作在GHz以上频率时，其储能性能会急剧下降，振荡器产生的微波信号具有较高的相位噪声和较低频谱纯度，且中心频率和时间带宽积通常较低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种快速扫频的傅里叶域锁模光电振荡器，利用相位调制器的调制特性，可调陷波滤波器的周期可调传输特性，以及光电振荡器的微波发生性能，产生低相位噪声、高频谱纯度且具有大的时间带宽积的周期性扫频的微波信号。

(二)技术方案

本发明提出一种快速扫频的傅里叶域锁模光电振荡器，包括：激光器，用于发出的单一频率且连续的光波；调制器，对来自激光器的光波进行调制，经调制后的信号包括光载波和上下两个边频；可调陷波滤波器，陷波位置对应从相位调制器输出的已调波的一个边频；可调陷波滤波器控制装置，用于周期性的调节可调陷波滤波器的传输特性；光电探测器，用于将可调陷波滤波器的输出的光信号转换成电信号；功率放大器，其输入端与光电探测器的输出端连接，用于对输入的信号进行放大；电耦合器，其输入端与功率放大器的输出端连接，其一个输出端与调制器的射频信号调制端口连接，用于根据频率的变动对陷波滤波器进行反馈控制，从而增加陷波滤波器的控制精度。

优选地，可调陷波滤波器的传输特性受可调陷波滤波器控制装置控制，周期性变化，且变化周期T与信号在光电振荡器环路中传输一周的延时同步：

$nT=\frac{{\mathrm{Ln}}_g}{c}$

上式中，n是正整数，L是光电振荡器环路的长度，n_g是群折射率，c是真空中的光速。

优选地，其中激光器所产生的是窄线宽的连续光信号。

优选地，其中调制器是相位调制器。

优选地，在可调陷波滤波器与光电探测器之间接入一段低损耗长距离光纤。

(三)有益效果

利用光电振荡器产生微波信号，可大幅度降低所产生的微波信号的相位噪声，并提高所产生的微波信号的频谱纯度。通过周期性的调节可调陷波滤波器的传输特性并使可调陷波滤波器的传输特性的变化周期与信号在光电振荡器环路中传输一周的延时同步，使光电振荡器可以产生周期性扫频的微波信号。扫描频率成分在不同的时刻通过可调滤波器，同时存储在光电振荡器环腔内，因此新的频率成分不需要重新经由噪声开始起震，从而实现了快速的微波信号的扫频。

附图说明

图1是本发明的快速扫频的傅里叶域锁模光电振荡器的结构示意图。

图2是本发明的快速扫频的傅里叶域锁模光电振荡器中的可调陷波滤波器的工作原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1为本发明的快速扫频的傅里叶域锁模光电振荡器的结构示意图。如图1所示，本发明提供一种快速扫频的傅里叶域锁模光电振荡器，包括：激光器1；调制器2，其输入端与激光器1的输出端连接；可调陷波滤波器3，其输入端与相位调制器2的输出端连接；可调陷波滤波器控制装置4，其输出端与可调陷波滤波器3的控制输入端连接；光电探测器5，其输入端与可调陷波滤波器4的输出端连接；功率放大器6，其输入端与光电探测器5的输出端连接；电耦合器7，其输入端与功率放大器6的输出端连接，其输出端a与调制器2的射频信号调制端口连接，从而形成光电振荡回路，产生微波，对调制器当中的光进行反馈调制。示波器8，其输入端与电耦合器的b端连接。其中激光器1，调制器2，可调陷波滤波器3，光电探测器5通过光纤连接。光电探测器5、电放大器6，电耦合器7，示波器8，相位调制器2之间用射频连接线连接。

从激光器1发出的单一频率且连续的光波在相位调制器2上被调制，在数学上，假设相位调制器的驱动信号为：

E_RF(t)＝V_ecos(ω_et)(2)

其中ω_e为驱动信号的角频率，V_e是驱动信号的振幅。则相位调制器2的输出端得到的信号为：

$\begin{array}{c}{\tilde{E}}_{PM}\left(t\right)=E_0\exp \{j\[{\mathrm{\ω}}_{0}t+\mathrm{\π}\frac{V_e}{V_{\mathrm{\π}}}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{e}t\right)\]\}\\ =E_0\exp \left({\mathrm{j\ω}}_{0}t\right)\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\[j^n{J}_n\left(k\right)\exp \left({\mathrm{jn\ω}}_{e}t\right)\]\end{array}---\left(3\right)$

其中E₀是光载波的幅度，ω₀是光载波的角频率，V_π是调制器的半波电压，k＝πV_e/V_π是调相指数。J_n(k)是关于k的n阶Bessel函数。当调相指数较小，即当k＜0.5时，二阶及二阶以上的Bessel函数的值很小，可以忽略。因此式(3)可以简化为：

$\begin{array}{c}{\tilde{E}}_{PM}\left(t\right)\≈E_0\{J_0\left(k\right)\exp ({\mathrm{j\ω}}_{0}t-)+J_1\left(k\right)\exp \[j({\mathrm{\ω}}_{0}t-+{\mathrm{\ω}}_{e}t-+\frac{\mathrm{\π}}{2})\]\\ -J_1\left(k\right)\exp \[j({\mathrm{\ω}}_{0}t-{\mathrm{\ω}}_{e}t-\frac{\mathrm{\π}}{2})\]\}\end{array}---\left(4\right)$

可以看出，相位调制器2的输出信号包括光载波和上下两个边频。如果将相位调制器2的输出信号直接送入光电探测器5探测，那么光电探测器5的输出端只能得到一个直流信号，因为上下两个边频是反相的，光载波与上边频拍频得到的信号刚好与光载波与下边频拍频得到的信号相互抵消。而可调陷波滤波器3在已调波通过光电探测器5之前，滤掉一个边带，从而使光电探测器5输出对应频率的微波信号。具体的讲，可调陷波滤波器3的陷波位置对应从相位调制器2输出的已调波的一个边带，假设下边带被滤除，如图2所示，在理想条件下陷波滤波器的输出为：

${\tilde{E}}_{NF}\left(t\right)\≈E_0\{J_0\left(k\right)\exp \left({\mathrm{j\ω}}_{0}t\right)+J_1\left(k\right)\exp \[j({\mathrm{\ω}}_{0}t+{\mathrm{\ω}}_{e}t+\frac{\mathrm{\π}}{2})\]\}---\left(5\right)$

经光电探测器5探测后转化为电信号，然后电信号经功率放大器6放大，放大后的信号为：

$V_{out}\left(t\right)={\mathrm{\ρE}}_{NF}^2\left(t\right)RG=2{\mathrm{\ρRGE}}_0^2{J}_0\left(k\right)J_1\left(k\right)sin\left({\mathrm{\ω}}_{e}t\right)---\left(6\right)$

其中ρ为光电探测器的响应度，R是光电探测器的负载阻抗，G是功率放大器的电压增益。

在振荡器环路中可以自激振荡的信号每通过环路一次，便重复一次上述过程。因此频率为ω_e的自激振荡信号是各个分波的相干叠加：

${\tilde{V}}_{osc}\left(t\right)=\exp \left({\mathrm{j\ω}}_{e}t\right){\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{\mathrm{\∞}}\[{G_{loop}}^n\×\exp \left(jn\frac{{\mathrm{Ln}}_g}{c}\right)\]---\left(7\right)$

其中为环路增益，L是光电振荡器环路的长度，n_g是群折射率，c是真空中的光速，当G_loop＜1时有：

${\tilde{V}}_{osc}\left(t\right)=\frac{\exp \left({\mathrm{j\ω}}_{e}t\right)}{1-G_{loop}\exp \left(j\frac{{\mathrm{Ln}}_g}{c}\right)}---\left(8\right)$

震荡功率为：

$P_{osc}\∝|{\tilde{V}}_{osc}\left(t\right){|}^2=\frac{1}{1+{G_{loop}}^2-2G_{loop}cos\left(\frac{{\mathrm{Ln}}_g}{c}\right)}---\left(9\right)$

当式(9)的分母取最小值时频率为ω_e的微波信号才能震荡，因此有Ln_g/c＝2kπ，即信号在光电振荡器环路传输一周后应相干叠加。

进一步的，可调陷波滤波器控制装置4，周期性的调节可调陷波滤波器3的传输特性，使在同一周期内不同的时刻存在不同的环腔模式可以通过滤波器3。同时使滤波器3传输特性的变化周期与信号在腔内传输一周的延时T同步：

$nT=\frac{{\mathrm{Ln}}_g}{c}---\left(10\right)$

因此，在某一时刻通过光滤波器的扫频信号在环腔内传输一段时间后再次通过滤波器3时，滤波器3的传输特性是不变的。在频域上，某一时刻通过滤波器3的模式中只有和滤波器3瞬时的传输特性相匹配的频率组分可以通过滤波器3，其余的频率组分相干相消。在此方法中，环腔内的频谱被周期性的调制，称为傅里叶域锁模。最终光电振荡器的输出信号是一系列扫频的微波信号，扫频的速度是信号在光电振荡器环腔内传输一周的延时的倒数。由于扫频微波信号频谱中不同频率成分同时存储在光电振荡器环腔内，因此新的频率成分不需要重新经由噪声开始起震，从而实现了快速的微波信号的扫频。

进一步的，在可调陷波滤波器3与光电探测器5之间接入一段低损耗长距离光纤，可进一步提高光电振荡回路的品质因子，从而增加输出微波信号的稳定性。

进一步的，在可调陷波滤波器3与光电探测器5之间加入放大器，从而增加光电谐振腔内的增益，促进起振。

更近一步的，在电耦合器7处加入频率分析装置，根据频率的变动对陷波滤波器进行反馈控制，从而增加陷波滤波器的控制精度。使环内扫频更加稳定。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域的普通技术人员可对其结构进行简单地熟知地替换，如：可在放大器6与电耦合器7之间加入可调电滤波器调谐。并且，所附的附图是简化过且作为例示用。附图中所示的器件件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且器件的配置可能更为复杂。

以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非一次限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明之形状、结构所做的等效变化均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种快速扫频的傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，所述快速扫频的傅里叶域锁模光电振荡器包括：

激光器(1)，用于发出单一频率且连续的光波；

调制器(2)，对来自激光器(1)的光波进行调制，经调制后的信号包括光载波和上下边频；

可调陷波滤波器(3)，陷波位置对应从相位调制器(2)输出的已调波的一个边频；

可调陷波滤波器控制装置(4)，用于周期性的调节可调陷波滤波器(3)的传输特性；

光电探测器(5)，用于将可调陷波滤波器(4)的输出的光信号转换成电信号；

功率放大器(6)，其输入端与光电探测器(5)的输出端连接，用于对输入的信号进行放大；

电耦合器(7)，其输入端与功率放大器(6)的输出端连接，其一个输出端与调制器(2)的射频信号调制端口连接，用于根据频率的变动对陷波滤波器(3)进行反馈控制，从而增加陷波滤波器的控制精度。

2.根据权利要求1所述的快速扫频的傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，可调陷波滤波器(3)的传输特性受可调陷波滤波器控制装置(4)控制，周期性变化，且变化周期T与信号在光电振荡器环路中传输一周的延时同步：

$nT=\frac{{\mathrm{Ln}}_g}{c}$

上式中，n是正整数，L是光电振荡器环路的长度，n_g是群折射率，c是真空中的光速。

3.根据权利要求1所述的快速扫频的傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，其中激光器(1)所产生的是窄线宽的连续光信号。

4.根据权利要求1所述的快速扫频的傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，其中调制器(2)是相位调制器。

5.根据权利要求1所述的快速扫频的傅里叶域锁模光电振荡器，其特征在于，在可调陷波滤波器(3)与光电探测器(5)之间接入一段低损耗长距离光纤。