CN107039883A - 一种基于中频选频的光电振荡器 - Google Patents

一种基于中频选频的光电振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于中频选频的光电振荡器，包括本振信号源、微波功分器、激光器、保偏光纤、单模光纤、电光调制器、光电探测器、微波带通滤波器、混频器、中频带通滤波器、中频放大器；利用上下变频，通过一个窄带的中频带通滤波器来抑制OEO的边模，使得OEO环路做的更长来实现高Q值；通过相应长度的保偏光纤对中频带通滤波器群时延的匹配，消除本振信号的相位噪声影响。本发明的OEO结构中上变频采用了微波光子链路实现，具有带宽大，插入损耗小的优势，通过提高激光功率可以显著减小变频损耗。

Description

一种基于中频选频的光电振荡器
技术领域
本发明属于光电振荡器技术领域，具体涉及一种基于中频选频的光电振荡器。
背景技术
振荡器是通信系统、导航、雷达、测试仪器、电子对抗等电子系统的关键器件，其相位噪声性能往往直接决定了一个电子系统的性能优劣。振荡器可以为高速数字系统提供时钟信号，作为本振信号实现上、下变频，在同步系统中作为参考源，这些应用都对振荡器的相位噪声指标提出了很高的要求。现代通信技术向高带宽、高频率发展，进一步提高了对微波振荡器性能的要求。1990年代,采用光电反馈环路技术的新型微波振荡器－光电振荡器(optoelectronic oscillator，OEO)出现，在微波/毫米波段表现出了特有的优势，相位噪声远远优于传统微波振荡器,成为一种新型的高质量微波信号源。
相位噪声是OEO性能的关键指标。因为OEO固有的环路结构，振荡信号频率存在离散的模式间隔，模式间隔是环路时间延迟的倒数；OEO中光纤越长，储能时间就越长，产生信号的相位噪声就会越低，但是光纤越长，模式间隔就越小，就需要带宽更窄的滤波器来抑制边模。
然而在高频段目前还没有高Q值的商用滤波器，为了解决这一困难，各国研究者已经提出了若干种方法。较为常见的方法是采用长环与短环相结合的多环谐振结构，多环谐振结构就是利用游标效应在一定程度上抑制主模附近的边模幅度而实现单模振荡。但是多环OEO的总体Q值是长环OEO和短环OEO的平均值，相较于单独的长环OEO，多环OEO的Q值降低，相位噪声会增加。
Mizuma M等人发表的“RF-Down and RF-Up converting OptoelectronicOscillator for Spurious Suppression”(Ieice Technical Report Microwaves 2012年112卷5～10页)一文中提出了通过上下变频的OEO方案来提高边模抑制比的设想，该方案中本振信号先与振荡信号下变频到中频带通滤波器的中心频率处，经过一个窄带的中频滤波器再上变频回到OEO的振荡频率，通过使用一个窄带的中频滤波器很容易抑制了边模，降低了环路的相位噪声，然而其未考虑本振信号相位噪声的影响，也没有对链路的传输关系进行研究。
发明内容
本发明提供了一种基于中频选频的光电振荡器，该光电振荡器能够消除本振信号的相位噪声影响，有效的抑制边模，降低OEO环路的相位噪声，且带宽大，插入损耗小，具有很大的成本优势。
一种基于中频选频的光电振荡器，包括本振信号源、微波功分器、激光器、保偏光纤、电光调制器、单模光纤、光电探测器、微波带通滤波器、混频器、中频带通滤波器、中频放大器；
所述的微波功分器连接本振信号源，将本振信号分为第一本振信号与第二本振信号；所述的第一本振信号输入激光器，对激光器进行直接调制后输入保偏光纤，经过保偏光纤延时后的第一调制光信号输入电光调制器；经电光调制器调制后的第二调制光信号输入单模光纤，经过单模光纤延时后的第二调制光信号输入光电探测器，转换成电信号后经微波带通滤波器输入混频器的RF端口，从混频器IF端口输出的中频信号经中频带通滤波器后输入中频放大器，最后经过滤波和放大的中频信号输入电光调制器的射频调制端口；所述的第二本振信号输入混频器的LO端口，用于实现下变频；
其中，所述的保偏光纤的长度与所述的中频带通滤波器的群时延匹配。
所述的本振信号采用Agilent E8257D信号源产生，经过微波功分器分别用于送入直接调制激光器进行强度调制，以及送入混频器中进行下变频处理。
所述的本振信号的输出频率等于微波带通滤波器的中心频率与中频带通滤波器的中心频率之差。
所述的微波功分器为宽带功分器，用于将本振信号等分为第一本振信号和第二本振信号。
所述的激光器为直调分布反馈激光器或者垂直共振腔表面发射激光器，具有较小的噪声与较大的直接调制带宽，用于产生第一调制光信号。
进一步地，所述的直调分布反馈激光器为窄线宽大功率激光器，可显著降低OEO输出信号的相位噪声。
增大激光器输出功率可增加系统环路中的传输功率，有利于降低环路的噪声。激光器最佳功率应略小于光电探测器的饱和功率与保偏光纤、单模光纤以及调制器的插入损耗之和，通常在16dBm到20dBm之间。
所述的保偏光纤的长度等于所述中频带通滤波器的带内群延时对应的电长度，通过对应长度的匹配以消除本振信号相位噪声的影响。
所述的电光调制器为宽带电光调制器，用于对第一调制光信号进行强度调制产生第二光调制信号。
所述的单模光纤采用单模高色散斜率光纤，色散系数高于17ps/nm﹒km,用于对第二光调制信号进行延时。
所述的微波带通滤波器为窄带微波带通滤波器，所述的窄带微波带通滤波器的中心频率为本振信号中心频率与中频带通滤波器中心频率之和，带宽小于中频频率，用于选出需要的振荡信号。所述的中频频率可选择范围为30MHz到1GHz。
所述的混频器为宽带微波混频器，用于本振信号与OEO振荡信号下变频得到中频信号。
所述的中频带通滤波器为窄带中频带通滤波器，带宽小于光电振荡器的模式间隔，具有平坦的带内群延时响应，用于选出下变频得到的中频信号。
所述的中频放大器为高增益低噪声放大器，增益大于60dB，噪声系数小于1，用于放大中频信号。
基于中频选频的光电振荡器的工作过程如下：
本振信号源的输出信号经过微波功分器分为第一本振信号和第二本振信号，第一本振信号进入激光器，对激光器进行直接调制后输入保偏光纤，经过保偏光纤延时后的第一调制光信号进入电光调制器；该电光调制器中的光信号被所述的中频信号调制，经电光调制器输出后的第二调制光信号输入单模光纤，经过单模光纤延时后的第二调制光信号输入光电探测器转换成电信号，该电信号包含所述第一本振信号与所述中频信号的上变频分量以及下变频分量，通过所述的微波带通滤波器滤波后选出上变频分量完成上变频，该分量输入混频器的RF端口，从混频器IF端口输出的中频信号经中频带通滤波器后输入中频放大器，最后经过滤波和放大的中频信号输入电光调制器的射频调制端口；第二本振信号输入混频器的LO端口，用于实现下变频。
本发明的光电振荡器采用了中频的高Q值滤波器后，环路长度可以做的很长，当OEO自身相位噪声非常低的情况下，本振信号相位噪声转化的影响将会显现出来。传统的OEO并未考虑本振信号相位噪声的影响，本发明通过保偏光纤的长度与中频带通滤波器的群时延匹配来消除本振信号的相位噪声影响。
下面对本发明通过保偏光纤的长度与中频带通滤波器的群时延匹配来消除本振信号的相位噪声影响进行说明：
假设中频带通滤波器的延时为τ1，保偏光纤和单模光纤的延时分别为τ2、τ3；OEO振荡信号表示为：
Vo(t)＝Ao·cos(ωot) (1)
其中Ao，ωo分别为OEO振荡信号的幅度与角频率。
本振信号信号表示为有相位噪声的单频信号：
其中As，ωs分别为本振信号的幅度与角频率，fm为偏移载波的频率，Δf为在频偏位置处的频率波动，表示相位波动量。
忽略混频器引入的混频延时，则下变频并经过中频滤波后的信号传输到光电振荡器后可表示为：
第一本振信号经过保偏光纤和单模光纤的延时后表示为：
经过光电探测器的上变频与微波滤波后的输出信号表示为：
其中k为表示光子混频效率的常数，A1，A2分别代表延时中频信号与延时本振信号的幅度。
由公式(5)可知当τ1＝τ2时，OEO环路输出的振荡信号表示为：
Vout(t)＝kA1A2·cos[ωot-ωo(τ1+τ3)] (6)
可见本振信号的相位噪声在滤波器带内被完全抵消，即OEO近载频相位噪声不受本振信号的影响，对本振信号相位噪声具有高通特性。在滤波器的带外，其群时延通常在0附近，而光纤是宽带的，滤波器带宽外本振信号的相位噪声会对OEO相位噪声有影响。
公式(5)中最后一个相位项代表了一般情况下输出信号的相位噪声，可见输出相位噪声的强度变为与原OEO信号的相位噪声相比，其变化的倍数为：
N＝20log10[2sinπfm(τ1-τ2)] (7)
进一步地，该OEO结构中由激光器、保偏光纤、电光调制器、单模光纤和光电探测器组成的RoF(Radio over fiber,光载射频)链路，同时提供了延时与上变频两个关键功能，当所述的电光调制器采用相位调制器时，通过光纤链路的色散效应实现相位到强度的转化，输出依然能够实现OEO的功能，避免了强度调制器偏置点的漂移问题。
本发明提供的基于中频选频的光电振荡器，利用上下变频，通过一个窄带的中频带通滤波器而不是微波带通滤波器来抑制OEO的边模，使得OEO环路可以做的更长来实现高Q值。通过相应长度的保偏光纤与中频带通滤波器群时延的匹配，可以消除本振信号的相位噪声影响。该OEO结构中上变频采用了微波光子链路实现上变频，即将两路微波信号分别调制到光载波上，通过光电探测器的拍频得到上变频信号。具有带宽大，插入损耗小的优势，通过提高激光功率可以显著减小变频损耗。
附图说明
图1为本发明基于中频选频的光电振荡器的结构示意图；
图2为本发明实施例根据公式(7)做出的延时不等时本振信号相位噪声到OEO相位噪声的转化效率图；
图3为本发明实施例在本振信号频率为9.554GHz时，有无延时补偿时的OEO相位噪声图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，基于中频选频的光电振荡器包括：本振信号源11、微波功分器10、激光器1、保偏光纤2、电光调制器3、单模光纤4、光电探测器5、微波带通滤波器6、混频器7、中频带通滤波器8、中频放大器9。
激光器1是直调分布反馈激光器或者垂直共振腔表面发射激光器，具有窄线宽大功率，具有很低的相对强度噪声与良好的抗环境干扰能力。
增大激光器输出功率可增加系统环路中的传输功率，有利于降低环路的噪声。激光器最佳功率应略小于光电探测器的饱和功率与保偏光纤、单模光纤以及调制器的插入损耗之和，通常在16dBm到20dBm之间。
保偏光纤2的长度等于中频带通滤波器8的带内群延时对应的电长度。
微波带通滤波器6为窄带微波带通滤波器，其中心频率为本振信号中心频率与中频带通滤波器8中心频率之和，带宽小于中频频率，中频频率选择范围为30MHz到1GHz。
中频带通滤波器8为窄带中频带通滤波器，带宽小于光电振荡器的模式间隔，具有平坦的带内群延时响应。
中频放大器9为高增益低噪声放大器，增益大于60dB，噪声系数小于1，用于放大中频信号。
本振信号源11的输出频率等于微波带通滤波器6的中心频率与中频带通滤波器8中心频率之差。
本振信号源11的输出经过微波功分器10分为第一本振信号和第二本振信号；第一本振信号输入到激光器1上，对激光器1进行直接调制后输入保偏光纤2，经过保偏光纤2延时后的第一调制光信号输入电光调制器3，经电光调制器3调制后的第二调制光信号输入单模光纤4，经过单模光纤4延时后的第二调制光信号输入光电探测器5，转换为电信号后经过微波带通滤波器6，经微波带通滤波器6滤波后的电信号一路输入频谱仪12，一路输入混频器7的RF端口，第二本振信号输入混频器7的LO端口，混频器7的IF端口输出中频信号，中频信号先后经过中频带通滤波器8和中频放大器9输入电光调制器3的射频调制端口，完成OEO的闭环结构。
低相位噪声的光电振荡器被广泛应用于雷达、光载无线、有线电视、射电天文等领域，特别是在军事应用中，电磁环境越来越复杂，往往需要从许多干扰信号中提取有用的弱小信号，如果混频时本振信号的相位噪声很低，就很容易将有用信号提取出来进行处理。本发明设计的光电振荡器能够产生很低的相位噪声，非常适用于需要提供低相位噪声信号的系统中。
图2为根据公式(7)做出的延时不等时本振信号相位噪声到OEO相位噪声的转化效率图。第一曲线和第二曲线分别表示当本振信号两个支路的延时差分别为6us与0.6us时，本振信号相位噪声到OEO相位噪声的转化量。从图中可以发现，本振信号相位噪声到OEO相位噪声的转化量随频率的升高而线性升高,且延时每增加10倍，转化效率升高20dB。即使窄带中频带通滤波器带内的群延时是不完全平坦的，只要其群延时波动引起的本振信号相位噪声转化量小于OEO自身在某个频点处的相位噪声，那么本振信号相位噪声依然没有影响，这大大降低了对窄带中频带通滤波器的群延时平坦度的要求。当窄带中频带通滤波器的带外群延时与带内群延时很小时，带外本振信号相位噪声的转化率依然很低，对OEO远端相位噪声的影响较小。
图3为当本振信号频率为9.554GHz时，利用本发明基于中频选频的光电振荡器，测量有无延时补偿时的OEO相位噪声图。第一曲线为OEO自身的相位噪声，第二曲线为有补偿时的OEO相位噪声，第三曲线为没有补偿时的OEO相位噪声，第四曲线为本振信号相位噪声。通过对比可以发现，无补偿时的OEO相位噪声在1kHz和10kHz频偏处分别为-82dBc/Hz和-105dBc/Hz，而有补偿时的OEO相位噪声在1kHz和10kHz频偏处分别达到了-84dBc/Hz和-112dBc/Hz，具有较低的相位噪声水平，这说明补偿后本振信号相位噪声没有对OEO造成影响，即补偿是有效的。此外，无补偿时OEO相位噪声在10kHz频偏处应该为本振信号相位噪声降低30dB，也就是-102dBc/Hz，而实测值为-105dBc/Hz，考虑到相位噪声测量自身存在的1dB不确定度，该实测值与理论值吻合度很好。以上结果证明了本发明基于中频选频的光电振荡器的可行性以及低相位噪声的特点。
值得注意的是，本发明的光电振荡器采用了中频的高Q值滤波器后，环路长度可以做的很大，当OEO自身相位噪声非常低的情况下，本振信号相位噪声转化的影响将会显现出来，因此将两路延时进行精确匹配在超低相位噪声OEO的设计中依然是必要的。
上述的对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过改造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于中频选频的光电振荡器，其特征在于，包括本振信号源、微波功分器、激光器、保偏光纤、电光调制器、单模光纤、光电探测器、微波带通滤波器、混频器、中频带通滤波器、中频放大器；所述的微波功分器连接本振信号源，将本振信号分为第一本振信号与第二本振信号；所述的第一本振信号输入激光器，对激光器进行直接调制后输入保偏光纤，经过保偏光纤延时后的第一调制光信号输入电光调制器；经电光调制器调制后的第二调制光信号输入单模光纤，经过单模光纤延时后的第二调制光信号输入光电探测器，转换成电信号后经微波带通滤波器输入混频器的RF端口，从混频器IF端口输出的中频信号经中频滤波器后输入中频放大器，最后经过滤波和放大的中频信号输入电光调制器的射频调制端口；所述的第二本振信号输入混频器的LO端口；
其中，所述的保偏光纤的长度与所述的中频带通滤波器的群时延匹配。
2.根据权利要求1所述的基于中频选频的光电振荡器，其特征在于，所述的激光器的功率略小于光电探测器的饱和功率与保偏光纤、单模光纤以及调制器的插入损耗之和。
3.根据权利要求2所述的基于中频选频的光电振荡器，其特征在于，所述的激光器的功率为16dBm到20dBm。
4.根据权利要求1所述的基于中频选频的光电振荡器，其特征在于，所述的本振信号的输出频率等于所述的微波带通滤波器的中心频率与所述的中频带通滤波器中心频率之差。
5.根据权利要求1所述的基于中频选频的光电振荡器，其特征在于，所述的保偏光纤的长度等于所述中频带通滤波器的带内群延时对应的电长度。
6.根据权利要求1所述的基于中频选频的光电振荡器，其特征在于，所述的微波带通滤波器为窄带微波带通滤波器，所述的窄带微波带通滤波器的中心频率为所述的本振信号中心频率与所述的中频带通滤波器中心频率之和，带宽小于中频频率，所述的中频频率为30MHz到1GHz。
7.根据权利要求1所述的基于中频选频的光电振荡器，其特征在于，所述的中频带通滤波器为窄带中频带通滤波器，带宽小于所述的光电振荡器的模式间隔，具有平坦的带内群延时响应。
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