CN106025786A - 一种光电振荡器及其稳频方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种光电振荡器及其稳频方法，其中光电振荡器包括激光器、电光调制器、长光纤、相位调制光外差稳频环路、光电探测器、带通滤波器、电移相器、电放大器、第二电耦合器和原子频标器，相位调制光外差稳频环路包括相位调制器、偏振分束器、锁定放大器和频率综合器；原子频标器包括铷泡、四分之一波片和反射镜单元，四分之一波片置于铷泡和反射镜单元间；相位调制后的光边带信号注入铷泡，四分之一波片旋转泵浦光得45度偏转光，反射镜单元反射偏转光得反射光，反射光经四分之一波片旋转，得偏振正交旋转后的反射光；偏振正交旋转后的反射光注入铷泡，得振荡频率抖动漂移信号，经原子频标器提取并传输至相位调制光外差稳频环路。

Description

一种光电振荡器及其稳频方法

技术领域

本发明涉及光电振荡器技术领域，特别涉及一种光电振荡器及其稳频方法。

背景技术

光电振荡器是一种将激光器的光能量转化为微波能量的新型频率源，具有宽带可调谐、低相位噪声等优点，是一种高频电子系统非常理想的信号源装置。高质量的光电振荡器是现代电子系统的“心脏”，在测控、雷达、通信、导航、电子对抗、仪器仪表、电子测量、天文和近代物理实验等众多领域都有极其广泛的应用价值。光电振荡器不仅提供了本振信号以建立或选择传输通道，还为高速数字系统提供时钟信号，并且可以在同步系统中提供参考频率源。随着新兴无线通信和各种高频电子系统技术的快速发展，频率源输出信号的性能指标也越来越高，这就需要光电振荡器具有更高的输出频率、更低的相位噪声和更好的稳定度。

图1示出典型的光电振荡器组成结构图，如图1所示，光电振荡器主要基于闭环的光电振荡环路，基本构成包括激光器、电光调制器、长光纤、光电探测器、带通滤波器、电放大器和耦合器等。激光器产生的光载波信号通过电光调制后进入长光纤，经传输后由光电探测器转换为电信号，再经过放大、滤波、移相等电域处理后反馈注入电光调制器。当光电振荡环路的增益和腔长满足起振条件时，经过模式选择后光电振荡器就可以生成相应频率的射频信号。由于光电振荡器使用低损耗光纤作为储能单元，因此振荡器可以得到很高品质因子，产生超低相位噪声的射频信号。

尽管光电振荡器具有非常卓越的相位噪声性能，然而要实现光电振荡器的实用化，振荡器相位噪声性能和长期频率稳定性都至关重要。由于长距离高品质因子长光纤对于外界环境非常敏感，所以输出射频信号低频处相位噪声性能较差，同时光电振荡器的长期频率稳定性也将受到严重影响。因此提高光电振荡器频率稳定性是实现光电振荡器实用化需要解决的关键难题之一。提高光电振荡器输出信号的频率稳定性，需要有效控制振荡环路的有效腔长，目前国内外已经对提高光电振荡器的长期频率稳定性进行了大量研究。

图2示出了典型的利用光学频率标准具稳定光电振荡器输出信号频率的方案结构图，采用FP腔作为光学频率标准具。FP腔是一种利用多光束干涉原理制成的光学器件，具有非常高的品质因子和精细度。该方案中将激光器频率与FP参考腔共振频率进行比较，获得鉴频光边带的抖动漂移信号，并通过反馈控制系统中声光移频器，进而调整激光频率，使激光频率锁定到FP参考腔的本振频率上，该方案通过抑制光载波信号频率漂移来实现光电振荡器稳频输出。

该方案主要利用相位调制光外差稳频技术，将低频参考信号调制到光载波信号上，光信号在FP参考腔中来回多次反射，其中透射光在FP参考腔中形成带通滤波效应，经光电振荡器转换成射频信号，通过电域处理后反馈注入电放大器中，使得光电振荡器环路满足起振条件；同时，另一路反射光用来作为光学标准具，并通过光电探测器拍频得到低频光边带的抖动漂移信号，与原参考信号进行鉴相产生误差鉴频误差控制信号。最终，光边带的抖动漂移信号反馈调节激光器频率，使其锁定到FP腔的共振频率。不同于利用主动锁相稳频技术稳定光电振荡器的技术，该方案中FP腔光学频率标准具共振频率与光电振荡器输出信号频率没有直接关系，注入参考信号主要用于提取激光器的频率抖动漂移信号。

因此，这种典型的利用光学频率标准具稳频方案结合了频率调制光谱技术和光外差探测技术，通过稳定激光器输出频率进而抑制长光纤色散对光电振荡器输出信号频率稳定度的影响。但是该方案中核心器件高精细度光学标准具(FP腔)对环境温度敏感度很高，一旦环境温度出现轻微波动就会造成频率失稳。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种光电振荡器及其稳频方法，解决现有利用光学频率标准具的光电振荡器存在的对环境温度敏感度高的问题。

为达到上述目的，本发明实施例公开了一种光电振荡器，包括：

激光器、电光调制器、长光纤、相位调制光外差稳频环路、光电探测器、带通滤波器、电移相器、电放大器、第二电耦合器和原子频标器；

所述激光器的输出端与所述电光调制器的输入端连接，所述激光器用于产生光载波信号；

所述电光调制器的输出端与所述长光纤的输入端连接，所述电光调制器用于对所述光载波信号进行电光调制，生成光边带信号；

所述长光纤的输出端与所述相位调制光外差稳频环路连接，所述长光纤用于储能和传输所述光边带信号；

所述相位调制光外差稳频环路包括：相位调制器、偏振分束器、锁定放大器和频率综合器，所述相位调制光外差稳频环路用于对所述振荡频率抖动漂移信号进行处理，生成鉴频误差控制信号；

所述相位调制器的输入端与所述长光纤的输出端连接，所述相位调制器用于对所述光边带信号进行相位调制，生成相位调制后的光边带信号；

所述偏振分束器的输入端与所述相位调制器的输出端连接，所述偏振分束器用于将所述相位调制后的光边带信号和所述振荡频率抖动漂移信号隔离，将所述振荡频率抖动漂移信号传输至光电探测器；

所述原子频标器用于提取并传输所述振荡频率抖动漂移信号至所述偏振分束器，所述原子频标器包括：铷泡、四分之一波片和反射镜单元，其中，所述四分之一波片设置于所述铷泡和反射镜单元之间；所述相位调制后的光边带信号作为泵浦光注入铷泡，所述四分之一波片45度偏振态旋转所述泵浦光，得到45度偏转光；

所述反射镜单元反射所述45度偏转光，得到反射光，所述反射光作为探测光通过所述四分之一波片进行45度偏振态旋转，得到偏振正交旋转后的反射光；所述偏振正交旋转后的反射光注入铷泡，得到所述振荡频率抖动漂移信号；

所述光电探测器的输入端与所述偏振分束器的输出端连接，所述光电探测器用于对所述振荡频率抖动漂移信号进行光电转换，得到电信号；

所述频率综合器的输出端分别与所述相位调制器的输入端及所述锁定放大器的输入端连接，用于向所述相位调制器和锁定放大器注入参考信号；

所述锁定放大器的输入端与所述光电探测器的输出端连接，用于鉴相所述参考信号与所述电信号，输出鉴频误差控制信号；

所述带通滤波器的输入端与光电探测器的输出端连接，所述带通滤波器用于对所述电信号进行滤波处理，得到滤波后的振荡信号；

所述电移相器的输入端与所述锁定放大器的输出端连接，所述电移相器用于通过所述鉴频误差控制信号对所述滤波后的振荡信号进行移相处理，得到移相处理后的信号；

所述电放大器的输入端与电移相器的输出端连接，所述电放大器用于对所述移相处理后的信号进行放大处理，得到放大后的振荡信号；

所述第二电耦合器的输入端与所述电放大器连接，所述第二电耦合器用于对所述放大后的振荡信号分路为两路信号，所述两路信号中的一路信号输出，所述两路信号中的另一路信号注入电光调制器。

优选地，所述的光电振荡器还包括：第一电耦合器，所述第一电耦合器的输入端与光电探测器的输出端连接，所述第一电耦合器的输出端与所述锁定放大器的输入端连接，所述第一电耦合器的输出端还与所述带通滤波器的输入端连接第一电耦合器，所述第一电耦合器用于将所述电信号分路为两路。

优选地，所述锁定放大器的输出端和电移相器的输入端之间连接有PID反馈控制器，所述PID反馈控制器用于对所述相位调制光外差稳频环路输出的信号进行比例微分积分反馈控制处理。

优选地，所述反射镜单元的反射率为30％。

本发明实施例还公开了一种光电振荡器稳频方法，包括：

获取光载波信号；

对所述光载波信号进行电光调制，生成光边带信号；

传输所述光边带信号，对光边带信号进行相位调制，生成相位调制后的光边带信号；

将所述相位调制后的光边带信号作为泵浦光注入铷泡，通过四分之一波片45度偏振态旋转所述泵浦光，得到45度偏转光；

所述45度偏转光经反射镜反射得到反射光，所述反射光作为探测光，通过所述四分之一波片进行45度偏振态旋转，得到偏振正交旋转后的反射光；

所述偏振正交旋转后的反射光注入铷泡，得到振荡频率抖动漂移信号；

隔离所述相位调制后的光边带信号和所述振荡频率抖动漂移信号，得到振荡频率抖动漂移信号；

对所述振荡频率抖动漂移信号进行光电转换，得到电信号；

获取并鉴相参考信号与所述电信号，输出鉴频误差控制信号；

对所述电信号进行滤波处理，得到滤波后的振荡信号；

通过所述鉴频误差控制信号对所述滤波后的振荡信号进行移相处理，得到移相处理后的信号；

所述移相处理后的信号进行放大处理，得到放大后的振荡信号；

对所述放大后的振荡信号分路为两路信号，所述两路信号中的一路信号输出，所述两路信号中的另一路信号注入所述光载波信号中。

优选地，所述通过所述鉴频误差控制信号对所述滤波后的振荡信号进行移相处理，得到移相处理后的信号之前，所述的光电振荡器稳频方法还包括：对所述鉴频误差控制信号进行比例微分积分反馈控制处理。

优选地，所述探测光的强度为所述泵浦光强度的30％。

由上述的技术方案可见，本发明实施例通过光电振荡环路产生低相噪振荡信号，而基于铷泡和反射镜单元的原子频标器提取振荡频率抖动漂移信号，最后，光外差稳频环路向光电振荡环路中注入参考信号，并将光电探测器拍频出的电信号与参考信号通过锁定放大器进行鉴相处理，提取出鉴频误差控制信号后，反馈控制光电振荡环路中的电移相器，进而稳定整个光电振荡器的环路腔长和输出信号频率。本发明实施例利用基于铷泡的原子频标技术，铷泡的工作频率不受温度变化影响，大大提高了光电振荡环路对温度变化的敏感性，从而使光电振荡器输出信号的长期频率稳定性，克服了高精细度光学频率标准具对环境温度敏感的缺点，并且，本发明实施例具有体积较小，易于集成的特点，适合在光电振荡器稳频领域的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的光电振荡器组成的结构示意图；

图2为现有技术中的利用光学频率标准具稳定光电振荡器的结构示意图；

图3为本发明实施例光电振荡器稳频系统第一种实施例的结构示意图；

图4为现有技术中的利用主动锁相稳频技术稳定光电振荡器的结构示意图；

图5为本发明实施例光电振荡器稳频系统第二种实施例的结构示意图。

附图标记说明：

1.第二电耦合器，2.相位调制光外差稳频环路，3.原子频标器，4.激光器，5.电光调制器，6.长光纤，7.相位调制器，8.偏振分束器，9.反射镜单元，10.铷泡，11.光电探测器，12.锁定放大器，13.频率综合器，14.带通滤波器，15.电移相器，16.电放大器，17.第一电耦合器，18.PID反馈控制器，19.四分之一波片，20.第三电耦合器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例1公开了一种光电振荡器，如图3所示，包括：激光器4、电光调制器5、长光纤6、相位调制光外差稳频环路2、光电探测器11、带通滤波器14、电移相器15、电放大器16、第二电耦合器1和原子频标器3，

其中，相位调制光外差稳频环路2包括相位调制器7、偏振分束器8、锁定放大器12和频率综合器13，所述相位调制光外差稳频环路2用于生成振荡频率抖动漂移信号并对所述振荡频率抖动漂移信号进行处理，生成鉴频误差控制信号，其中，振荡频率抖动漂移信号是指由于光电振荡信号频率抖动漂移导致原子频标部分产生的低频信号；所述原子频标器3包括铷泡10、四分之一波片19和反射镜单元9，所述原子频标器3用于提取并传输所述振荡频率抖动漂移信号至所述相位调制光外差稳频环路2中的偏振分束器8。

所述激光器4的输出端与所述电光调制器5的输入端连接，所述激光器4用于产生光载波信号；

所述电光调制器5的输出端与所述长光纤6的输入端连接，所述电光调制器5用于对所述光载波信号进行电光调制，生成光边带信号；

所述长光纤6的输出端与所述相位调制光外差稳频环路2连接，所述长光纤6用于储能和传输所述光边带信号；

所述相位调制器7的输入端与所述长光纤6的输出端连接，所述相位调制器7用于对所述光边带信号进行相位调制，生成相位调制后的光边带信号；

所述偏振分束器8的输入端与所述相位调制器7的输出端连接，所述偏振分束器8用于将所述相位调制后的光边带信号和所述振荡频率抖动漂移信号隔离，将所述振荡频率抖动漂移信号传输至光电探测器11。具体来说，原子频标器3中，在铷泡10和反射镜单元9之间设置有一个四分之一波片19，因此输入光会有一个45度旋转，再经过反射镜单元9返回时，又经过一次45度旋转，形成共90度正交旋转，反射光再沿光路返回至偏振分束器8处时便不能完全按照原路返回，因此起到隔离输入光和反射输出光的作用；

所述光电探测器11的输入端与所述偏振分束器8的输出端连接，所述光电探测器11用于对所述振荡频率抖动漂移信号进行光电转换，得到电信号；

所述频率综合器13的输出端分别与所述相位调制器7的输入端及所述锁定放大器12的输入端连接，用于向所述相位调制器7和锁定放大器12注入参考信号；

所述锁定放大器12的输入端与所述光电探测器11的输出端连接，用于鉴相所述参考信号与所述电信号，输出鉴频误差控制信号；

所述带通滤波器14的输入端与光电探测器11的输出端连接，所述带通滤波器14用于对所述电信号进行滤波处理，得到滤波后的振荡信号；

所述电移相器15的输入端与所述锁定放大器12的输出端连接，所述电移相器15用于通过所述鉴频误差控制信号对所述滤波后的振荡信号进行移相处理，得到移相处理后的信号；

所述电放大器16的输入端与电移相器15的输出端连接，所述电放大器16用于对所述移相处理后的信号进行放大处理，得到放大后的振荡信号；

所述第二电耦合器1的输入端与所述电放大器16连接，所述第二电耦合器1用于对所述放大后的振荡信号分路为两路信号，所述两路信号中的一路信号输出，所述两路信号中的另一路信号注入电光调制器5。

本发明实施例1中，激光器4、电光调制器5、长光纤6、光电探测器11、电放大器16、电移相器15和带通滤波器14组成基本光电振荡环路，当光电振荡环路满足增益条件，起振频率和相位条件以及腔长条件，即可实现环路起振。

其中，上述的增益条件为：

将光电振荡环路1等效为高品质谐振腔，光电振荡器起振的条件之一为开环增益G_S必须大于1，即满足：

$G_s\frac{{\mathrm{dV}}_{out}}{{\mathrm{dV}}_{in}}{|}_{V_{in}=0}=-\frac{{\mathrm{\η\πV}}_{ph}}{V_{\mathrm{\π}}}\cos \left(\frac{{\mathrm{\πV}}_B}{V_{\mathrm{\π}}}\right)$

式中，V_in是电光调制器的输入电压，V_out、V_ph分别为电放大器和光电探测器的输出电压，V_π和V_B分别为电光调制器的半波电压和偏置电压，η决定了调制器的消光比。通过合理的设置电放大器的增益即可满足起振的增益条件。

其中，上述的起振频率和相位条件为：

τ+φ(ω_k)+φ₀＝2kπ，k＝0，1，2，3...，

式中：ω_k是起振信号角频率，k为模式数，φ(ω_k)是环路中色散器件引起的相位变化，φ₀是起振信号的初始相位，τ为环路延时。通过合理的设置带通滤波器及调节电移相器即可满足环路起振的相位条件(带通滤波器用于选择ω_k起振信号角频率，调节电移相器用于选择τ环路延时)；

其中，上述的腔长条件为：

利用光电振荡器振荡频率与环路光纤长度的关系，通过长光纤6长度的变化将导致振荡频率的改变，其关系如下：

$\frac{{\mathrm{\Δf}}_{osc}}{f_{osc}}=\frac{-\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}}{\mathrm{\τ}}=\frac{-\mathrm{\Δ}L}{L}$

式中，f_osc为光电振荡器的输出信号频率，L为环路的有效腔长，τ为环路延时，Δf_osc、τ、ΔL分别为光电振荡器输出频率、有效腔长和环路延时的偏移量。通过上式表明，光电振荡器中长光纤6的时延变化是导致其输出频率发生漂移的主要原因。高稳定激光器能够输出稳定频率光载波信号(f_L)，光电振荡器输出信号的频率(f_ose)漂移主要反映在光调制边带(f_L-f_osc)上。因此，通过稳定调制光边带的方法来对光电振荡器频率漂移进行补偿，就可对光电振荡器稳频。光电振荡器中普遍采用长光纤来提高环路储能时间，进而改善光电振荡器的相位噪声性能，所以相对于环路中其他器件，光纤产生的延时抖动是环路腔长漂移的主要原因。

本发明实施例1的工作原理详述如下：

激光器4输出的光载波信号经过电光调制器5进行电光调制，生成光边带信号，再经长光纤6储能及传输至相位调制器7，光边带信号被频率综合器13发出的低频的参考信号调制，生成相位调制后的光边带信号，相位调制后的光边带信号作为泵浦光注入原子频标器3的铷泡10中，通过四分之一波片19经45度偏振态旋转，得到45度偏转光；45度偏转光经反射镜单元9反射，30％左右的反射光作为探测光沿传输路径反向传输，再经四分之一波片19进行45度偏振态旋转，得到偏振正交旋转后的反射光，偏振正交旋转后的反射光注入铷泡10，当相位调制后的光边带信号的频率不等于铷泡吸收频率时，由于多普勒效应，泵浦光和探测光被沿传输方向速度分量相反的原子吸收；当相位调制后的光边带信号的频率等于铷泡吸收频率时，根据多普勒效应，在传输方向上速度为零的铷泡，由于纵向多普勒频移为零，能够同时与泵浦光和探测光发生共振作用，由于共振作用，更强的泵浦光使这部分原子处于饱和状态，减少了对探测光的吸收，从而在铷泡的吸收谱上呈现出“尖峰”效应。利用相位调制光外差稳频环路将光调制边带频率锁定在此“尖峰”上，将很大程度上提高光电振荡器的频率稳定度，可达到10^-12或10^-13量级，而一般的利用主动锁相稳频技术稳定光电振荡器技术，往往只能达到10^-6量级。

图4示出了一种利用主动锁相稳频技术稳定光电振荡器的结构示意图，参见图4，利用外部参考信号与光电振荡环路的输出信号进行鉴相处理，提取误差鉴频误差控制信号，通过PID反馈控制器调节电移相器来稳定光电振荡器环路的有效腔长，由第三电耦合器20输出，达到光电振荡器稳频输出的目的。该方案中的外部参考信号通常由稳定度较高的晶体振荡器产生，其输出低频参考信号需要经过倍频后与光电振荡器输出频率一致，光电振荡器的输出信号的稳定度主要决定于晶体振荡器的频率稳定性。普通石英晶体振荡器频率稳定度通常在10^-5量级，若要得到10^-6～10^-7甚至更高频率稳定度，需要采取高精度温控和压控等相应技术。这种典型的主动锁相稳频技术方案能在一定程度上提高光电振荡器输出信号的频率稳定性，其优势在于结构简单，成本低，但仅适用于对振荡器频率稳定度要求不高的系统中。

本发明的实施例1，通过利用原子频标技术大大提高了传统光电振荡器输出信号的长期频率稳定性，解决了利用光学频率标准具的光电振荡器存在的对环境温度敏感度高的问题。并且，铷气体可以封装成很小的体积，价格相对便宜，克服了现有高精细度光学频率标准具体积较大、加工难度大、成本高及不易集成等缺点；同时通过提取光电振荡器中调制光边带的抖动信息，稳定光边带频率即可实现光电振荡器输出信号的稳频。

本发明实施例2还公开了一种光电振荡器，如图5所示，包括：激光器4、电光调制器5、长光纤6、相位调制光外差稳频环路2、光电探测器11、带通滤波器14、电移相器15、电放大器16、第二电耦合器1、原子频标器3和第一电耦合器17，

其中，相位调制光外差稳频环路2包括相位调制器7、偏振分束器8、锁定放大器12和频率综合器13，所述相位调制光外差稳频环路2用于生成振荡频率抖动漂移信号并对所述振荡频率抖动漂移信号进行处理，生成鉴频误差控制信号；所述原子频标器3包括铷泡10、四分之一波片19和反射镜单元9，所述原子频标器3用于提取并传输所述振荡频率抖动漂移信号至所述相位调制光外差稳频环路2中的偏振分束器8。

所述激光器4的输出端与所述电光调制器5的输入端连接，所述激光器4用于产生光载波信号；

所述电光调制器5的输出端与所述长光纤6的输入端连接，所述电光调制器5用于对所述光载波信号进行电光调制，生成光边带信号；

所述长光纤6的输出端与所述相位调制光外差稳频环路2连接，所述长光纤6用于储能和传输所述光边带信号；

所述相位调制器7的输入端与所述长光纤6的输出端连接，所述相位调制器7用于对所述光边带信号进行相位调制，生成相位调制后的光边带信号；

所述偏振分束器8的输入端与所述相位调制器7的输出端连接，所述偏振分束器8用于将所述相位调制后的光边带信号和所述振荡频率抖动漂移信号隔离，将所述振荡频率抖动漂移信号传输至光电探测器11。具体来说，原子频标器3中，在铷泡10和反射镜单元9之间设置有一个四分之一波片19，因此输入光会有一个45度旋转，再经过反射镜单元9返回时，又经过一次45度旋转，形成共90度正交旋转，反射光再沿光路返回至偏振分束器8处时便不能完全按照原路返回，因此起到隔离输入光和反射输出光的作用；

所述光电探测器11的输入端与所述偏振分束器8的输出端连接，所述光电探测器11用于对所述振荡频率抖动漂移信号进行光电转换，得到电信号；

所述频率综合器13的输出端分别与所述相位调制器7的输入端及所述锁定放大器12的输入端连接，用于向所述相位调制器7和锁定放大器12注入参考信号；

所述锁定放大器12的输入端与所述光电探测器11的输出端连接，用于鉴相所述参考信号与所述电信号，输出鉴频误差控制信号；

所述带通滤波器14的输入端与光电探测器11的输出端连接，所述带通滤波器14用于对所述电信号进行滤波处理，得到滤波后的振荡信号；

所述电移相器15的输入端与所述锁定放大器12的输出端连接，所述电移相器15用于通过所述鉴频误差控制信号对所述滤波后的振荡信号进行移相处理，得到移相处理后的信号；

所述电放大器16的输入端与电移相器15的输出端连接，所述电放大器16用于对所述移相处理后的信号进行放大处理，得到放大后的振荡信号；

所述第二电耦合器1的输入端与所述电放大器16连接，所述第二电耦合器1用于对所述放大后的振荡信号分路为两路信号，所述两路信号中的一路信号输出，所述两路信号中的另一路信号注入电光调制器5。

所述第一电耦合器17的输入端与光电探测器11的输出端连接，所述第一电耦合器17的输出端与所述锁定放大器12的输入端连接，所述第一电耦合器17的输出端还与所述带通滤波器14的输入端连接第一电耦合器17，所述第一电耦合器17用于将所述电信号分路为两路；

所述锁定放大器12的输出端和电移相器15的输入端之间连接有PID反馈控制器18，所述PID反馈控制器18用于对所述相位调制光外差稳频环路2输出的信号进行比例微分积分反馈控制处理。

实施例2采用的稳频原理详述如下：相位调制光外差稳频环路2中，将相位调制后的光边带信号对准铷泡吸收谱线，经过铷泡10的饱和吸收光路，将相位调制后的光边带信号的频率与铷泡吸收频率比对，不同频偏将会产生不同相频和幅频响应，若相位调制后的光边带信号的频率等于铷泡吸收频率，边带平衡对称，没有拍频电流输出；若相位调制后的光边带信号的频率偏离铷泡吸收频率，边带平衡对称性被破坏，则有拍频电流输出；振荡频率抖动漂移信号经光电探测器11转换后，反映在光电流(i)中的参考频率分量中，再经过锁定放大器12和PID反馈控制器18即可得到频率漂移的鉴频误差控制信号(e)，这里，振荡频率抖动漂移信号可表示为：

i∝|E|²＝DC+A sin(Ωt)+B sin(2Ωt)

式中，E是输入PD的光的电场形式，DC是PD输出的直流成分，A是PD输出低频调制信号的基频成分的幅度，其大小正比于频率漂移大小，B是谐波分量的幅度，Ω为参考信号的角频率，t为时间；

上述振荡频率抖动漂移信号经过锁定放大器和PID后输出的鉴频误差控制信号，可表示为：

e∝Δω＝ω₀-ω_k

式中，Δω是频率漂移量，ω₀和ω_k分别为原子吸收谱和相位调制后的光边带信号的频率。因此本实施例的技术方案可以高灵敏地检测出环路腔长抖动引起的频率漂移，通过反馈控制器动态调节环路腔长，可以使光电振荡器高稳定输出射频信号。

光电振荡器由于光纤时延等抖动导致的射频信号频率漂移直接反应在调制光边带上，本发明采用高稳定度激光器产生频率为f_L的光载波信号，铷泡的饱和吸收峰的频率为f_ru，光电振荡器的输出频率为f_osc。当光载波信号频率满足f_L＝f_ru-f_osc，即可通过铷泡的饱和吸收特性来探测光边带信号的抖动漂移，通过光外差技术提取出抖动漂移信号，通过电移相器调节光电振荡器环路的有效腔长，最终实现光电振荡器的稳定输出，提高光电振荡信号的长期频率稳定性。

本发明的实施例2，通过在锁定放大器12和光电探测器11之间设置第一电耦合器17，将电信号分成两路，一路用于光电振荡环路1中的信号流，另一路用于相位调制光外差稳频环路2的信号流；通过在锁定放大器12和电移相器15之间设置PID反馈控制器18，能够对电移相器15进行实时调节，进而进一步精确控制光电振荡器环路1有效腔长，提高光电振荡器输出射频信号的长期频率稳定性。

本发明实施例3还公开了一种光电振荡器，具体为，选定激光器4输出波长在795nm附近，对应铷泡D1线；通过电放大器16和电移相器15调节光电振荡环路1的增益和相位，使其满足起振条件；调节激光器4输出波长使光边带信号(上边带或下边带)频率对应铷泡5S_1/2,F＝2→5P_1/2,F＝2的能级跃迁；为了动态补偿光电振荡环路1腔长抖动引起的频率漂移，引入基于原子频标器3的相位调制光外差稳频环路2：低频的参考信号通过相位调制器7调制光边带信号后注入铷泡10，相位调制后的光边带信号与铷泡频标比对后，振荡频率抖动漂移信号经过光电探测器11转换成电信号后，经过锁定放大器12锁相放大鉴频和PID反馈控制器18控制输出；光外差稳频环路实时反馈控制电移相器15，动态调节光电振荡环路1腔长，即可补偿光电振荡器输出射频信号的频率漂移。若激光频率等于铷泡10吸收峰频率，相位调制后的光边带信号的边带平衡对称，拍频输出为零；若激光频率偏离铷泡10吸收峰频率，失谐量仍在吸收曲线线宽内，则边带平衡对称性被破坏，则光电探测器11有拍频电流输出，光电探测器11产生的电信号，其中一路信号与低频的参考信号完成鉴相并输出鉴频误差控制信号；另一路信号经过带通滤波器14滤波、电移相器15移相和电放大器16放大后，反馈注入电光调制器5中，构成了高品质光电振荡器环路。

实施例3中，抖动漂移信号与参考信号鉴相后得到的鉴频误差控制信号，通过PID反馈控制后对电移相器进行实时调节，进而精确控制光电振荡器环路有效腔长，提高光电振荡器输出射频信号的长期频率稳定性。

本发明实施例4公开了一种光电振荡稳频方法，包括：获取光载波信号；

对所述光载波信号进行电光调制，生成光边带信号；

传输所述光边带信号，对光边带信号进行相位调制，生成相位调制后的光边带信号；

将所述相位调制后的光边带信号作为泵浦光注入铷泡，通过四分之一波片45度偏振态旋转所述泵浦光，得到45度偏转光；

所述45度偏转光经反射镜反射得到反射光，所述反射光作为探测光，通过所述四分之一波片进行45度偏振态旋转，得到偏振正交旋转后的反射光；

所述偏振正交旋转后的反射光注入铷泡，得到振荡频率抖动漂移信号；

隔离所述相位调制后的光边带信号和所述振荡频率抖动漂移信号，得到振荡频率抖动漂移信号；

对所述振荡频率抖动漂移信号进行光电转换，得到电信号；

获取并鉴相参考信号与所述电信号，输出鉴频误差控制信号；

对所述电信号进行滤波处理，得到滤波后的振荡信号；

通过所述鉴频误差控制信号对所述滤波后的振荡信号进行移相处理，得到移相处理后的信号；

所述移相处理后的信号进行放大处理，得到放大后的振荡信号；

对所述放大后的振荡信号分路为两路信号，所述两路信号中的一路信号输出，所述两路信号中的另一路信号注入所述光载波信号中。

本发明的实施例4，通过利用原子频标技术大大提高了传统光电振荡器输出信号的长期频率稳定性，解决了利用光学频率标准具的光电振荡器存在的对环境温度敏感度高的问题。

本发明实施例5公开了一种光电振荡稳频方法，包括：

获取光载波信号；

对所述光载波信号进行电光调制，生成光边带信号；

传输所述光边带信号，对光边带信号进行相位调制，生成相位调制后的光边带信号；

将所述相位调制后的光边带信号作为泵浦光注入铷泡，通过四分之一波片45度偏振态旋转所述泵浦光，得到45度偏转光；

所述45度偏转光经反射镜反射得到反射光，所述反射光作为探测光，通过所述四分之一波片进行45度偏振态旋转，得到偏振正交旋转后的反射光；

所述偏振正交旋转后的反射光注入铷泡，得到振荡频率抖动漂移信号；

隔离所述相位调制后的光边带信号和所述振荡频率抖动漂移信号，得到振荡频率抖动漂移信号；

对所述振荡频率抖动漂移信号进行光电转换，得到电信号；

获取并鉴相参考信号与所述电信号，输出鉴频误差控制信号；

对所述电信号进行滤波处理，得到滤波后的振荡信号；

对所述鉴频误差控制信号进行比例微分积分反馈控制处理，得到处理后的鉴频误差控制信号；

通过所述处理后的鉴频误差控制信号对所述滤波后的振荡信号进行移相处理，得到移相处理后的信号；

所述移相处理后的信号进行放大处理，得到放大后的振荡信号；

对所述放大后的振荡信号分路为两路信号，所述两路信号中的一路信号输出，所述两路信号中的另一路信号注入所述光载波信号中。

本发明实施例5，通过对锁定放大器输出端电信号进行PID反馈控制处理，能够对电移相器进行实时调节，进而进一步精确控制光电振荡器环路有效腔长，提高光电振荡器输出射频信号的长期频率稳定性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种光电振荡器，其特征在于，包括：

激光器(4)、电光调制器(5)、长光纤(6)、相位调制光外差稳频环路(2)、光电探测器(11)、带通滤波器(14)、电移相器(15)、电放大器(16)、第二电耦合器(1)和原子频标器(3)；

所述激光器(4)的输出端与所述电光调制器(5)的输入端连接，所述激光器(4)用于产生光载波信号；

所述电光调制器(5)的输出端与所述长光纤(6)的输入端连接，所述电光调制器(5)用于对所述光载波信号进行电光调制，生成光边带信号；

所述长光纤(6)的输出端与所述相位调制光外差稳频环路(2)连接，所述长光纤(6)用于储能和传输所述光边带信号；

所述相位调制光外差稳频环路(2)包括：相位调制器(7)、偏振分束器(8)、锁定放大器(12)和频率综合器(13)，所述相位调制光外差稳频环路(2)用于生成振荡频率抖动漂移信号并对所述振荡频率抖动漂移信号进行处理，生成鉴频误差控制信号；

所述相位调制器(7)的输入端与所述长光纤(6)的输出端连接，所述相位调制器(7)用于对所述光边带信号进行相位调制，生成相位调制后的光边带信号；

所述偏振分束器(8)的输入端与所述相位调制器(7)的输出端连接，所述偏振分束器(8)用于将所述相位调制后的光边带信号和所述振荡频率抖动漂移信号隔离，将所述振荡频率抖动漂移信号传输至光电探测器(11)；

所述原子频标器(3)用于提取并传输所述振荡频率抖动漂移信号至所述偏振分束器(8)，所述原子频标器(3)包括：铷泡(10)、四分之一波片(19)和反射镜单元(9)，其中，所述四分之一波片(19)设置于所述铷泡(10)和反射镜单元(9)之间；所述相位调制后的光边带信号作为泵浦光注入铷泡(10)，所述四分之一波片(19)45度偏振态旋转所述泵浦光，得到45度偏转光；

所述反射镜单元(9)反射所述45度偏转光，得到反射光，所述反射光作为探测光通过所述四分之一波片(19)进行45度偏振态旋转，得到偏振正交旋转后的反射光；所述偏振正交旋转后的反射光注入铷泡(10)，得到所述振荡频率抖动漂移信号；

所述光电探测器(11)的输入端与所述偏振分束器(8)的输出端连接，所述光电探测器(11)用于对所述振荡频率抖动漂移信号进行光电转换，得到电信号；

所述频率综合器(13)的输出端分别与所述相位调制器(7)的输入端及所述锁定放大器(12)的输入端连接，用于向所述相位调制器(7)和锁定放大器(12)注入参考信号；

所述锁定放大器(12)的输入端与所述光电探测器(11)的输出端连接，用于鉴相所述参考信号与所述电信号，输出鉴频误差控制信号；

所述带通滤波器(14)的输入端与光电探测器(11)的输出端连接，所述带通滤波器(14)用于对所述电信号进行滤波处理，得到滤波后的振荡信号；

所述电移相器(15)的输入端与所述锁定放大器(12)的输出端连接，所述电移相器(15)用于通过所述鉴频误差控制信号对所述滤波后的振荡信号进行移相处理，得到移相处理后的信号；

所述电放大器(16)的输入端与电移相器(15)的输出端连接，所述电放大器(16)用于对所述移相处理后的信号进行放大处理，得到放大后的振荡信号；

所述第二电耦合器(1)的输入端与所述电放大器(16)连接，所述第二电耦合器(1)用于对所述放大后的振荡信号分路为两路信号，所述两路信号中的一路信号输出，所述两路信号中的另一路信号注入电光调制器(5)。

2.根据权利要求1所述的光电振荡器，其特征在于，所述的光电振荡器还包括：第一电耦合器(17)，所述第一电耦合器(17)的输入端与光电探测器(11)的输出端连接，所述第一电耦合器(17)的输出端与所述锁定放大器(12)的输入端连接，所述第一电耦合器(17)的输出端还与所述带通滤波器(14)的输入端连接第一电耦合器(17)，所述第一电耦合器(17)用于将所述电信号分路为两路。

3.根据权利要求2所述的光电振荡器，其特征在于，所述锁定放大器(12)的输出端和电移相器(15)的输入端之间连接有PID反馈控制器(18)，所述PID反馈控制器(18)用于对所述相位调制光外差稳频环路(2)输出的信号进行比例微分积分反馈控制处理。

4.根据权利要求1所述的光电振荡器，其特征在于，所述反射镜单元(9)的反射率为30％。

5.一种光电振荡器稳频方法，其特征在于，包括：

获取光载波信号；

对所述光载波信号进行电光调制，生成光边带信号；

传输所述光边带信号，对光边带信号进行相位调制，生成相位调制后的光边带信号；

将所述相位调制后的光边带信号作为泵浦光注入铷泡，通过四分之一波片45度偏振态旋转所述泵浦光，得到45度偏转光；

所述45度偏转光经反射镜反射得到反射光，所述反射光作为探测光，通过所述四分之一波片进行45度偏振态旋转，得到偏振正交旋转后的反射光；

所述偏振正交旋转后的反射光注入铷泡，得到振荡频率抖动漂移信号；

隔离所述相位调制后的光边带信号和所述振荡频率抖动漂移信号，得到振荡频率抖动漂移信号；

对所述振荡频率抖动漂移信号进行光电转换，得到电信号；

获取并鉴相参考信号与所述电信号，输出鉴频误差控制信号；

对所述电信号进行滤波处理，得到滤波后的振荡信号；

通过所述鉴频误差控制信号对所述滤波后的振荡信号进行移相处理，得到移相处理后的信号；

所述移相处理后的信号进行放大处理，得到放大后的振荡信号；

对所述放大后的振荡信号分路为两路信号，所述两路信号中的一路信号输出，所述两路信号中的另一路信号注入所述光载波信号中。

6.根据权利要求5所述的光电振荡器稳频方法，其特征在于，所述通过所述鉴频误差控制信号对所述滤波后的振荡信号进行移相处理，得到移相处理后的信号之前，所述的光电振荡器稳频方法还包括：对所述鉴频误差控制信号进行比例微分积分反馈控制处理。

7.根据权利要求5所述的光电振荡器稳频方法，其特征在于，所述探测光的强度为所述泵浦光强度的30％。