CN107069389A - 一种基于微波锁相的宽带可调谐光电振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电振荡器技术领域，具体涉及一种基于微波锁相的宽带可调谐光电振荡器，包括依次连接的激光源、电光调制器、光纤、光电探测器、微波带通滤波器、微波放大器、耦合器，所述耦合器包括三个输出端口，且所述耦合器的一个输出端口接入所述电光调制器形成环路，一个输出端口输出微波信号，一个输出端口将部分微波信号接入到锁相环路中，用于微波频率锁定。本发明具有宽带范围扫频、调频能力和窄带范围的精确调谐能力，能够将输出频率锁定，精确输出目标频率，提高了光电振荡器系统的稳定性，当工作条件改变时，系统可以实时调整和自我修正以消除环境影响，实用性增强，具备更好的工程应用价值。

Description

一种基于微波锁相的宽带可调谐光电振荡器

技术领域

本发明涉及光电振荡器技术领域，具体涉及一种基于微波锁相的宽带可调谐光电振荡器。

背景技术

光电振荡器是一种新型的振荡器，可直接产生数MHz至上百GHz高纯信号，其概念最早在上世纪九十年代初提出，可以把连续的光信号转变成稳定性高、频谱纯度高的微波信号。光电振荡器由激光光源和光反馈回路构成，光反馈回路组成包括激光光源、长光纤、电光调制器、光电探测器、微波放大器、电带通滤波器。基本原理为，激光光源接受电光调制器的调制，调制后的激光信号在通过长光纤后到达光电探测器转换为电信号，电信号通过放大、滤波后进入电光调制器，完成光电反馈；这种结构能够以特定频率实现自持振荡，振荡频率由光纤长度、调制器偏置和电带通滤波器的带通特性来决定。

光电振荡器可直接产生数MHz至上百GHz的信号，并且相位噪声与频率无关，是一种高性能微波信号产生方法。但高频微波光电振荡器的工程实现过程中面临一些问题。

相位噪声的主要来源是光电子传输链路上有源器件的热噪声、散射噪声等，为提升相噪水平，必须提高光电振荡器的Q值，当前的方法是通过增大光电传输延迟时间来获得高Q值，带来的问题是腔内纵模间距减小，对系统的边模抑制能力提出更严峻的要求。

影响频率输出稳定性的原因主要有两个，一是高Q值元件的环境稳定性差，易受环境影响而恶化；二是系统边模抑制能力不足，系统内可能有多个谐振模式甚至会改变主模的谐振频率。

宽带可调谐是微波信号源关键性能之一。调节电相移器可实现一个模式间隔内的窄带调谐，增加宽带可调的高Q值滤波器可实现宽带范围调谐。目前的实现方案都难以兼顾可调带宽、频率步进、相位噪声、调谐时间等多个关键参数性能。

综上，光电振荡器在工程化过程中，相位噪声、频率输出稳定性、宽带调谐能力是亟需改善的问题，需要更多相关的研究投入。本发明提出了一种基于微波锁相环结构的宽带可调谐光电振荡器的实现方案，可针对性解决输出稳定性，相噪以及宽带可调谐能力等光电振荡器在实际使用中面临的问题。

目前高频微波光电振荡器的工程实现过程中需要提高相噪水平、提高频率稳定性、实现宽带可调谐能力，目前几种解决方案的不足：

相噪改善，直接的解决办法是采用高性能器件，但是受限于当前的工艺水平和实现成本。另外可通过增大光电传输延迟时间来获得高Q值，带来的问题是腔内纵模间距减小，对系统的边模抑制能力提出更严峻的要求。

提高系统稳定性，可以采用低温度敏感甚至不敏感的高Q值元件或者采用系统隔离法，光电振荡器的长光纤、滤波器等高Q值元件与外界环境隔绝，消除环境温度的变化对整个系统的稳定性的影响。为此增加的外部设备昂贵笨重，降低了工程价值。

宽带调谐能力研究，目前已有微波光子滤波器调节，调节电相移器调节，电调滤波器调节等方法。但是上述方法的可实现带宽、连续调谐能力皆有不足。

现有光电振荡器的基本原理为，激光光源接受电光调制器的调制，调制后的激光信号在通过长光纤后到达光电探测器转换为微波信号，微波信号经过滤波放大后进入电光调制器，完成光电反馈。这种结构能够以特定频率实现自持振荡，为实现自持震荡需要系统满足两个条件，第一光电信号的单程增益需要大于单程损耗，即需要获得循环增益，第二光电信号单程时间需要匹配微波信号的周期，即环路相位差满足2π整数倍。上述过程中，光、电环路构成光电谐振腔，微波滤波器用于选频输出，通带内的振荡模式具备振荡条件，通带外的信号模式受到抑制不具备振荡条件。由于环路比较复杂，尤其是光谐振腔-长距离低损耗光纤，易受环境温度、振动条件影响，导致谐振参数改变，带来系统不稳定。

发明内容

本发明提供了一种基于微波锁相环结构的宽带可调谐光电振荡器的实现方案，可针对性解决输出稳定性、相噪指标及宽带调谐能力等光电振荡器在实际使用中面临的问题。

本发明的基于微波锁相环结构的宽带可调谐光电振荡器，包括激光源、电光调制器、光纤、光电探测器、微波带通滤波器、微波放大器、耦合器和锁相环；其中：

所述激光源、电光调制器、光纤、光电探测器、微波带通滤波器、微波放大器和耦合器依次连接，所述耦合器包括三个输出端口，且所述耦合器的一个输出端口接入所述电光调制器形成环路，一个输出端口输出微波信号，一个输出端口将部分微波信号接入到锁相环路中，用于微波频率锁定，该输出端口的微波信号为微波反馈，锁相环生成调节信号，可调带通滤波器被调节用于选频。

激光源发出激光信号，经电光调制器调制，调制后的激光信号通过光纤到达光电探测器，转换为微波信号，微波信号经微波带通滤波器调谐输出，调谐输出的部分微波信号作为反馈信号进入锁相环进行鉴相，并以鉴相输出的电压调整微波带通滤波器的偏置电压，使微波带通滤波器输出的微波信号锁定在指定的频率点上。

作为优选，所述微波带通滤波器为双调谐宽带YIG带通滤波器。

作为优选，所述锁相环的锁定频率为预置频率，所述预置频率的精度由参考晶振决定。

本发明的基于微波锁相环结构的宽带可调谐光电振荡器，在现有光电振荡器系统中引入双调谐宽带YIG带通滤波器，使光电振荡器拥有宽带范围扫频、调频能力和窄带范围的精确调谐能力；对微波信号的输出增加锁相环路，利用鉴相反馈电压控制YIG带通滤波器，将输出频率锁定，使光电振荡器微波发生系统能精确输出目标频率；组合YIG带通滤波器和锁相环功能，提高了光电振荡器系统的稳定性，当工作条件改变时，系统可以实时调整和自我修正以消除环境影响，实用性增强，具备更好的工程应用价值。

本发明的基于微波锁相环结构的宽带可调谐光电振荡器，具有如下优点：

1.锁相环电路的锁定频率为预置频率，该频率的准确度、稳定性由高性能参考晶振保证，减小了系统所受到的环境影响。

2.YIG带通滤波器是高Q值滤波器，可工作至毫米波段，通带可小于10MHz，连续可调谐，可以以简单直接的方式完成对振荡频率的调节。

3.锁相环路和YIG电调滤波器组合，体积小，环境适应性强，降低了系统对外围电路的配置要求。

附图说明

图1为本发明的基于微波锁相环结构的宽带可调谐光电振荡器的原理框图。

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。

实施例1：

如图1所示，本实施例的基于微波锁相环结构的宽带可调谐光电振荡器，包括激光源1、电光调制器2、低损耗光纤3、光电探测器4、双调谐宽带YIG带通滤波器5、微波放大器6、耦合器7和锁相环8；其中：

所述激光源1、电光调制器2、低损耗光纤3、光电探测器4、双调谐宽带YIG带通滤波器5、微波放大器6和耦合器7依次连接。

该耦合器所指，可以是同向输出双定向耦合器，也可以是三端口耦合器串联，或者是多端口的不等功分器等。此处的耦合器代指上述微波功用组件。

所述耦合器7共有四个端口，其中包括一个输入端口，三个输出端口，输入端口连接微波放大器6，一个输出端口接入所述电光调制器2形成环路，一个输出端口输出微波信号，一个输出端口将部分微波信号接入到锁相环8中，用于微波频率锁定。

激光源1发出激光信号，经电光调制器2调制，调制后的激光信号通过低损耗光纤3，低损耗光纤3的输出功率将被分配为两路，一路用于直接输出光信号即图1所示的“光信号输出”，用于被调制光的功率检测或者远距离传输等扩展应用；另一路调制光信号输送至光电探测器4中，用于实现光电信号的转换。光信号输出和光电探测器4位并列关系。到达光电探测器4的光信号，转换为微波信号，微波信号经双调谐宽带YIG带通滤波器5调谐输出，调谐输出的部分微波信号作为反馈信号进入锁相环8进行鉴相，并以鉴相输出的电压调整双调谐宽带YIG带通滤波器5的偏置电压，最终使双调谐宽带YIG带通滤波器5输出的微波信号锁定在指定的频率点上。

自由状态下的光电振荡器可产生多种模式的微波信号，不同模式之间存在竞争关系，本实施例提供了一种模式优选的方案，可以保证选中的模式快速胜出并对其他模式进行压制，最终实现单一模式的生存，这也是本实施例锁相环8锁定的含义。

本实施例中锁相环8的锁定频率为预置频率。预置频率的准确度、稳定性由高性能参考晶振保证，减小了系统所受到的环境影响，降低了对外围电路的配置要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，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，均应视为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于微波锁相环结构的宽带可调谐光电振荡器，其特征在于：包括激光源、电光调制器、光纤、光电探测器、微波带通滤波器、微波放大器、耦合器和锁相环；其中：

所述激光源、电光调制器、光纤、光电探测器、微波带通滤波器、微波放大器和耦合器依次连接，所述耦合器包括三个输出端口，且所述耦合器的一个输出端口接入所述电光调制器形成环路，一个输出端口输出微波信号，一个输出端口将部分微波信号接入到锁相环路中，用于微波频率锁定；

激光源发出激光信号，经电光调制器调制，调制后的激光信号通过光纤到达光电探测器，转换为微波信号，微波信号经微波带通滤波器调谐输出，调谐输出的部分微波信号作为反馈信号进入锁相环进行鉴相，并以鉴相输出的电压调整微波带通滤波器的偏置电压，使微波带通滤波器输出的微波信号锁定在指定的频率点上。

2.如权利要求1所述的一种基于微波锁相环结构的宽带可调谐光电振荡器，其特征在于：所述微波带通滤波器为双调谐宽带YIG带通滤波器。

3.如权利要求1或2所述的一种基于微波锁相环结构的宽带可调谐光电振荡器，其特征在于：所述锁相环的锁定频率为预置频率，所述预置频率的准确度由参考晶振决定。