CN106921106A - 一种轻小型超低相噪光电振荡器及其光学微腔制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种轻小型超低相噪光电振荡器及其光学微腔制作方法，包括：激光器、电光调制器、光放大器、光学微腔、光电探测器、电放大器、电滤波器和电耦合器；激光器输出的光信号经电光调制器调制输出，再经光放大器进行光信号放大，再经由光学微腔进行光延迟、光储能，再由光电探测器进行光电转换，转换后的电信号在电域依次经电放大器、电滤波器后，并由电耦合器反馈至电光调制器。本发明通过采用光电混合链路降噪技术和低损耗、高Q值光学微腔作为储能元件，实现了光电振荡器输出微波信号的超低相噪；通过采用微型化光学微腔，实现了光电振荡器的轻小型化。

Description

一种轻小型超低相噪光电振荡器及其光学微腔制作方法

技术领域

本发明涉及光电技术领域，特别涉及一种轻小型超低相噪光电振荡器及其光学微腔制作方法。

背景技术

高性能的微波振荡信号源是雷达、信息对抗、通讯和现代电子仪器等设备的一个关键部件。在阵列雷达中，高性能信号源可以提高雷达的改善因子，滤除和降低杂波影响，增强弱信号检测能力，提高测速精度并减小临近波段信号干扰；更为突出的是，雷达信号源相位噪声指标已逐渐成为检测杂波下慢、小、隐身目标的技术瓶颈；因此，进一步提升微波振荡信号源的相位噪声性能显得非常重要而迫切。

传统微波信号源技术很难产生低相噪的微波高频信号。常用的晶振、声表面波(SAW)元件，工作频率低，一般为几十到几百兆赫兹，可采用倍频技术获得更高频率，但相位噪声指标恶化严重(相位噪声增加倍数是频率增加倍数的平方)；微波介质谐振器能工作在微波高频，但相位噪声指标不能满足任务需求，如X波段相噪指标典型值仅为-100dBc/Hz@1KHz。光电振荡器(Opto-Electronic Oscillator)类似于激光振荡器，采用低损耗、高Q值(高达10¹⁰)的光学储能单元，构建光电混合反馈环路，使得输出微波信号具有极低的相位噪声；与传统电子振荡器相比，光电振荡器能将振荡器相位噪声指标提升两个数量级以上，如目前X波段传统电子振荡器相位噪声较好指标约为-100dBc/Hz@1KHz，而X波段光电振荡器的相位噪声可优于-120dBc/Hz@1KHz；同时，高Q值光学储能单元内损耗不随微波频率改变而变化，因此，理论上光电振荡器输出信号的性能不会随着频率升高而恶化，光电振荡器在毫米波段将愈发体现优势。综上所述，光电振荡器具有工作频率高、范围广、相位噪声低、频谱纯度高等优点，是一种新颖的、有发展前途的高质量超低相噪微波信号产生方案，将是振荡器领域的革命性突破。

传统光电振荡器采用数千米的长光纤作为储能单元，长光纤延时易受温度影响，使起振模式发生改变造成输出频率不稳定；同时光纤体积较大，难以集成；因此传统光纤式光电振荡器存在稳定性和小型化两大瓶颈技术。光学微腔是一种通过较小的模式体积存储较大光能量的光学谐振器，属于一种回音壁模(WGM：Whispering gallery modes)腔，场在腔内某个区域的内壁和外壁之间形成全反射，从而被约束在腔内并沿腔的周边绕行，当满足一定的相位匹配条件后，将形成角向分布的谐振模式。存在于谐振模式中的能量要经过很长时间才能从微腔内泄露出去，这使得微腔具有较大的时延特性和非常大的能量密度，许多光学效应在腔内得到加强。光波被约束在腔内并沿腔的周边绕行；再加上其材料损耗和辐射损耗均很小，几乎没有能量损失，因而Q值非常高，可达10¹⁰。与此同时，光学微腔还具有良好的寄生模式抑制能力。因此，光学微腔具有Q值高、体积小、重量轻的独特优点。

本发明提出一种新颖轻小型超低相噪光电振荡器及其光学微腔制作方法，采用光学微腔代替光纤，采用链路降噪设计技术，突破了回音壁模微腔及其耦合结构设计和制造难题，解决了传统技术难题，实现了光电振荡器的超低相噪、轻小型、高稳定和高可靠。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种轻小型超低相噪光电振荡器，解决传统光电振荡器的长光纤延时易受温度影响，使起振模式发生改变造成输出频率不稳定；且光纤体积较大，难以集成，不能实现轻小型化的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种轻小型超低相噪光电振荡器，包括：激光器、电光调制器、光放大器、光学微腔、光电探测器、电放大器、电滤波器和电耦合器；

激光器输出的光信号经电光调制器调制输出，再经光放大器进行光信号放大，再经由光学微腔进行光延迟、光储能，再由光电探测器进行光电转换，转换后的电信号在电域依次经电放大器、电滤波器后，并由电耦合器反馈至电光调制器，其中，电耦合器直通主路输出用于电光调制器的反馈调制，形成光电混合反馈环路；电耦合器的耦合支路输出既定的超低相噪微波信号，

其中，激光器、电光调制器、光放大器、光学微腔、光电探测器构成光电振荡器反馈环路的光路部分，主要功能是实现电光转换和在光域内形成振荡；电放大器、电滤波器、电耦合器构成光电振荡器反馈环路的电路部分；主要功能是构成振荡环路并给回路提供适当增益；

在光电混合反馈环路中，当电磁波满足相位相干且环路增益大于损耗条件时，信号经过不断循环，最终从噪声谱中形成稳定的振荡，实现所需振荡谱的输出。

作为上述方案的进一步改进，激光器是一种Nd：YAG半导体激光器，以实现相对强度噪声小的光信号输出；电光调制器是一种外调制的Mach-Zenhder型LiNbO3强度调制器，以实现大调制带宽；光放大器是一种工作在饱和状态的掺铒光纤放大器，以实现光路的高增益和抑制链路相位噪声；此外，光放大器、电放大器的增益在一定范围内可通过外部控制信号调整，光放大器、电放大器的增益控制相互独立，激光器、电光调制器、光放大器、光学微腔和光电探测器直接安装在光电振荡器装置的金属壳体上，以实现良好的散热和抗振性，光互连采用标准接口的光纤。

作为上述方案的进一步改进，光学微腔是由光腔输入耦合装置、微球腔和光腔输出耦合装置组成，其中，光腔输入耦合装置、微球腔和光腔输出耦合装置采用时域有限差分法精确仿真和设计制成，以实现光信号的输入、延迟储能和输出。

作为上述方案的进一步改进，微球腔是一种回音壁模微球腔，且微球腔的腔体材料属于介质材料。

作为上述方案的进一步改进，微球腔是采用光纤高温熔融冷却法制备，采用两只CO₂激光器相向放置，两光束经透镜聚焦和对准后聚焦在光纤上，将光纤局部加热至融化，经光纤上预加的拉力作用，形成光纤锥；精密调整光纤锥进入聚焦点，通过熔融使玻璃光纤锥融成微球腔。

作为上述方案的进一步改进，光电探测器是一种PIN型光电探测器，以实现微波信号的大带宽、高灵敏探测和匹配输出。

作为上述方案的进一步改进，电放大器是一种低噪声高线性放大器，以在提供适当链路增益的前提下，降低电链路的相位噪声，且电放大器、电滤波器、电耦合器在同一块介质基板上布线安装，采用集成化的MMIC器件，电信号互连采用板上微带线形式，以进一步实现轻小型。

作为上述方案的进一步改进，电滤波器是一种微波窄带、低插损带通滤波器，以实现单模起振和输出。

作为上述方案的进一步改进，电耦合器是一种四端口器件，其中1个端口接匹配负载，电耦合器直通主路输出端口用于电光调制器的反馈调制，形成光电混合反馈环路，耦合器的耦合支路输出端口用于既定微波振荡信号的输出。

本发明还提供一种光学微腔制作方法，包括以下步骤：

步骤S1，制作锥形光纤；构建一套光纤拉锥系统，在氢氧焰的加热下，通过两个步进电机控制，将光纤拉细，锥度控制在1度以内，锥腰直径在3微米以下；

步骤S2，制作微球腔；搭建一个基于CO₂激光器的光纤熔融装置，采用两只CO₂激光器相向放置，两光束经透镜聚焦和对准后聚焦在光纤上，将光纤局部加热至融化，经光纤上预加的拉力作用，形成光纤锥；精密调整光纤锥进入聚焦点，通过熔融使玻璃光纤锥融成微球腔，直径控制在10～600um；

步骤S3，制作光腔输入耦合装置、光腔输出耦合装置；采用精密调节机构配合显微镜观察光纤与微球腔相对位置、微球腔表面光散射，在入射光纤中采用可调谐激光器扫描激光波长，检测出射光纤中光谱；在输出强度较大、谱线宽度合适时固定微球腔和光纤的相对位置，则光纤的一端为光学微腔的光腔输入耦合装置，另一端为光腔输出耦合装置。

本发明提供的光电振荡器为阵列雷达用光电振荡器，通过运用光电混合振荡技术、高Q值的回音壁模微球腔技术、光电混合链路降噪技术、光电阻抗匹配技术、链路增益调整、单模起振技术，实现了光电振荡器的超低相噪；采用锥形光纤耦合技术、光纤高温熔融烧结技术、高集成单片化、单板化、模块化设计技术、光电阻抗匹配技术，实现了光电振荡器的轻小型、高稳定和高可靠。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的轻小型超低相噪光电振荡器内部的连接示意图；

图2为图1中光路部分的连接示意图；

图3为图1中电路部分的连接示意图；

图4为图1中光学微腔耦合方式原理示意图；

图5为图1中光学微腔耦合系统示意图；

图6为本发明实施例的轻小型超低相噪光电振荡器的外部接口示意图；

图7为本发明实施例的光学微腔制作方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明实施例基于光电混合振荡原理，采用光学微腔技术、光电混合链路降噪技术、链路增益调整技术、高集成设计技术、光电阻抗匹配技术，实现了光电振荡器的超低相噪、轻小型和高稳定。因而本发明所提供的光电振荡器具有超低相噪、轻小型、高稳定、高可靠的特质。

本发明提供一种轻小型超低相噪光电振荡器。图1为光电振荡器内部的连接示意图。主要包括光路部分和电路部分，光路部分用以实现电光转换和在光域内形成振荡，电路部分用以构成振荡环路并给回路提供适当增益。本发明的一种轻小型超低相噪光电振荡器装置包括激光器1、电光调制器2、光放大器3、光学微腔4、光电探测器5、电放大器6、电滤波器7和电耦合器8。激光器1输出的光信号经电光调制器2调制输出，再经光放大器3进行光信号放大，再由光学微腔4进行光延迟、光储能，再由光电探测器5进行光电转换，转换后的电信号在电域进行电放大器6、电滤波器7再经电耦合器8；其中，电耦合器8直通主路输出用于电光调制器2的反馈调制，形成光电混合反馈环路；电耦合器8的耦合支路输出所需的超低相噪微波振荡信号。

图2为光电振荡器光路部分的连接示意图。光路部分主要由激光器1、电光调制器2、光放大器3、光学微腔4、光电探测器5等组成。微波信号经电光调制器2后，以光波作为载波，经光学微腔4进行光延迟、光储能后，再经光电探测器5后转化为微波信号。此部分光路对外共有4个接口，1个电压输入口Vcc-IN1，用于电光调制器2的偏置和工作状态调整；1个SMA型电输入口RFIN1，信号来自电路部分的输出RF信号，用于提供电光调制器2的电反馈；1个调谐输入口Tune-IN1，用于光放大器3的增益调整；1个电输出口PD-OUT1。其中，激光器1是一种Nd：YAG半导体激光器，以实现相对强度噪声小的光信号输出；电光调制器2是一种外调制的Mach-Zenhder型LiNbO3强度调制器，以实现大调制带宽；光放大器3是一种工作在饱和状态的掺铒光纤放大器，以实现光路的高增益和抑制链路相位噪声；光学微腔4实现光信号的输入、延迟和输出；光电探测器5是一种输出50欧姆阻抗的PIN型光电探测器，以实现微波信号的大带宽、高灵敏探测和匹配输出。

图3为光电振荡器的电路部分的连接示意图。电路部分主要由电放大器6、电滤波器7、电耦合器8组成，主要功能是构成振荡的电环路和给振荡回路提供足够的增益。此部分电路对外共有4个接口，1个电压输入口Vcc-IN2，用于电放大器6的工作偏置和增益调整；1个SMA型电输入口RFIN2，RFIN2与光路部分的输出信号PD-OUT1相连，用于构造光电回路；2个电输出口，RFOUT1作为电耦合器8的直通支路信号(与光路部分中RFIN1相连)输出后反馈给电光调制器形成环路，RFOUT2作为耦合器8的耦合支路输出所需的超低相噪微波信号。其中，电放大器6是一种低噪声(NF≤3dB)高线性放大器，以降低电路的相位噪声；电滤波器7是一种微波窄带(3dB带宽≤30M)、低插损带通滤波器，以实现单模起振；电耦合器8是一种四端口器件，其中1个端口接匹配负载，耦合器直通主路用于电光调制器的反馈调制，形成光电混合反馈环路，耦合器的耦合支路用于超低相噪微波振荡信号的输出。

光学微腔腔内场模式属于回音壁模场，当光在光学微腔内传播时，通过光学微腔表面不断的发生全反射，光学微腔将光约束在赤道平面附近并沿大圆绕行，当满足相位匹配条件时，会激发出特有的回音壁模式，一部分能量以倏逝波的形式渗透到微腔的外面传输。

图4为光学微腔的耦合方式原理示意图。光学微腔4由光腔输入耦合装置9、微球腔10和光腔输出耦合装置11组成，以实现光信号的输入、延迟和输出。直接光照因效率很低而无法激发出微腔的回音壁模，需要采用倏逝波耦合，即利用一个全反射器件产生的倏逝波与微腔的回音壁模式的倏逝波交叠来产生模式耦合。当激光通过全反射器件耦合进微腔时，只有特定波长的光满足相位匹配条件，可以不断的耦合进微腔并叠加，产生很高的能量密度及Q值。常用耦合方式有三种，分别为棱镜耦合、倾角光纤耦合和锥形光纤耦合；棱镜耦合方式高效，但装置尺寸很大；倾角光纤容易激发出基模，但耦合效率低，尺寸也在毫米量级；锥形光纤耦合效率最高，可以达到99％以上，尺寸为微米量级，具有效率高、尺寸小、成本低的优点，非常适合高Q值微球腔的模式激发。图4为本发明使用的锥形光纤耦合方式原理图。

图5为微腔-光纤耦合系统示意图。微球腔10粘接在一个可实现三维运动调节的平台上，光纤12粘贴在压电片13上。设计的三维运动调节平台的调节精度约为1微米，而粘贴在压电片13上的光纤12的位移精度可达到纳米量级，这样，对于光纤-微球腔的耦合间距，可以实现了纳米量级的精密调节。

图6为本发明实施例的轻小型超低相噪光电振荡器的外部接口示意图。对外接口有3个，包括：1个电输出接口，用于微波振荡信号输出；1个光输出接口，用于回路中光信号的输出和监测；1个低频控制接口，用于供电、调谐控制信号、故障监测信号的传输。

本发明还提供一种光学微腔制作方法，如图7所示，包括以下步骤：

步骤S1，制作锥形光纤；构建一套光纤拉锥系统，在氢氧焰的加热下，通过两个步进电机控制，将光纤拉细，锥度控制在1度以内，锥腰直径在3微米以下；

步骤S2，制作微球腔；搭建一个基于CO₂激光器的光纤熔融装置，采用两只CO₂激光器相向放置，两光束经透镜聚焦和对准后聚焦在光纤上，将光纤局部加热至融化，经光纤上预加的拉力作用，形成光纤锥；精密调整光纤锥进入聚焦点，通过熔融使玻璃光纤锥融成微球腔，直径可以控制在10～600um；

步骤S3，制作光腔输入耦合装置、光腔输出耦合装置；采用精密调节机构配合显微镜观察光纤与微球腔相对位置、微球腔表面光散射，在入射光纤中采用可调谐激光器扫描激光波长，检测出射光纤中光谱；在输出强度较大、谱线宽度合适时固定微球腔和光纤的相对位置，则光纤的一端为光学微腔的光腔输入耦合装置，另一端为光腔输出耦合装置。

本发明实施例提供了一种光电振荡器装置，至少能够带来以下有益效果。

1、本发明综合运用光电混合振荡技术、高Q值的回音壁模微球腔技术、光电混合链路降噪技术、光电阻抗匹配技术、链路增益调整技术和单模起振技术，实现了光电振荡器在X及其以上波段的相位噪声指标优于现有传统产生方式2个数量级以上。因而本发明所提供的光电振荡器具有超低相噪的特质。

2、本发明采用锥形光纤耦合技术、光纤高温熔融烧结技术、高集成单片化、单板化、模块化设计技术、光电阻抗匹配技术，实现了光电振荡器的轻小型和高稳定。因而本发明所提供的光电振荡器具有轻小型、高稳定、高可靠的特质。

3、本发明采用光学微腔代替光纤，采用链路降噪设计技术，突破了回音壁模微腔及其耦合结构设计和制造难题，解决传统光电振荡器的长光纤延时易受温度影响，使起振模式发生改变造成输出频率不稳定；且光纤体积较大，难以集成，不能实现轻小型化的问题。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。

Claims (10)

1.一种轻小型超低相噪光电振荡器，其特征在于，包括：激光器、电光调制器、光放大器、光学微腔、光电探测器、电放大器、电滤波器和电耦合器；

激光器输出的光信号经电光调制器调制输出，再经光放大器进行光信号放大，再经由光学微腔进行光延迟、光储能，再由光电探测器进行光电转换，转换后的电信号在电域依次经电放大器、电滤波器后，并由电耦合器反馈至电光调制器，其中，电耦合器直通主路输出用于电光调制器的反馈调制，形成光电混合反馈环路；电耦合器的耦合支路输出既定的超低相噪微波信号；

其中，激光器、电光调制器、光放大器、光学微腔、光电探测器构成光电振荡器反馈环路的光路部分，主要功能是实现电光转换和在光域内形成振荡；电放大器、电滤波器、电耦合器构成光电振荡器反馈环路的电路部分；主要功能是构成振荡环路并给回路提供适当增益；

在光电混合反馈环路中，当电磁波满足相位相干且环路增益大于损耗条件时，信号经过不断循环，最终从噪声谱中形成稳定的振荡，实现所需振荡谱的输出。

2.如权利要求1所述的轻小型超低相噪光电振荡器，其特征在于：激光器是一种Nd：YAG半导体激光器，以实现相对强度噪声小的光信号输出；电光调制器是一种外调制的Mach-Zenhder型LiNbO3强度调制器，以实现大调制带宽；光放大器是一种工作在饱和状态的掺铒光纤放大器，以实现光路的高增益和抑制链路相位噪声；此外，光放大器、电放大器的增益在一定范围内可通过外部控制信号调整，光放大器、电放大器的增益控制相互独立，激光器、电光调制器、光放大器、光学微腔和光电探测器直接安装在光电振荡器装置的金属壳体上，以实现良好的散热和抗振性，光互连采用标准接口的光纤。

3.如权利要求1所述的轻小型超低相噪光电振荡器，其特征在于：光学微腔是由光腔输入耦合装置、微球腔和光腔输出耦合装置组成，其中，光腔输入耦合装置、微球腔和光腔输出耦合装置采用时域有限差分法精确仿真和设计制成，以实现光信号的输入、延迟储能和输出。

4.如权利要求3所述的轻小型超低相噪光电振荡器，其特征在于：微球腔是一种回音壁模微球腔，且微球腔的腔体材料属于介质材料。

5.如权利要求3或4所述的轻小型超低相噪光电振荡器，其特征在于：微球腔是采用光纤高温熔融冷却法制备，采用两只CO₂激光器相向放置，两光束经透镜聚焦和对准后聚焦在光纤上，将光纤局部加热至融化，经光纤上预加的拉力作用，形成光纤锥；精密调整光纤锥进入聚焦点，通过熔融使玻璃光纤锥融成微球腔。

6.如权利要求1所述的轻小型超低相噪光电振荡器，其特征在于：光电探测器是一种PIN型光电探测器，以实现微波信号的大带宽、高灵敏探测和匹配输出。

7.如权利要求1所述的轻小型超低相噪光电振荡器，其特征在于：电放大器是一种低噪声高线性放大器，以在提供适当链路增益的前提下，降低电链路的相位噪声；且电放大器、电滤波器、电耦合器在同一块介质基板上布线安装，采用集成化的MMIC器件，电信号互连采用板上微带线形式，以进一步实现轻小型。

8.如权利要求1所述的轻小型超低相噪光电振荡器，其特征在于：电滤波器是一种微波窄带、低插损带通滤波器，以实现单模起振和输出。

9.如权利要求1所述的轻小型超低相噪光电振荡器，其特征在于：电耦合器是一种四端口器件，其中1个端口接匹配负载，电耦合器直通主路输出端口用于电光调制器的反馈调制，形成光电混合反馈环路，耦合器的耦合支路输出端口用于既定微波振荡信号的输出。

10.一种光学微腔制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1，制作锥形光纤；构建一套光纤拉锥系统，在氢氧焰的加热下，通过两个步进电机控制，将光纤拉细，锥度控制在1度以内，锥腰直径在3微米以下；

步骤S2，制作微球腔；搭建一个基于CO₂激光器的光纤熔融装置，采用两只CO₂激光器相向放置，两光束经透镜聚焦和对准后聚焦在光纤上，将光纤局部加热至融化，经光纤上预加的拉力作用，形成光纤锥；精密调整光纤锥进入聚焦点，通过熔融使玻璃光纤锥融成微球腔，直径控制在10～600um；

步骤S3，制作光腔输入耦合装置、光腔输出耦合装置；采用精密调节机构配合显微镜观察光纤与微球腔相对位置、微球腔表面光散射，在入射光纤中采用可调谐激光器扫描激光波长，检测出射光纤中光谱；在输出强度较大、谱线宽度合适时固定微球腔和光纤的相对位置，则光纤的一端为光学微腔的光腔输入耦合装置，另一端为光腔输出耦合装置。