CN107946877A - 一种自偏振态稳定的双环光电振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波光子学领域，公开了一种自偏振态稳定的双环光电振荡器；包括光源，光调制器，双环结构和光电环路；光调制器的光输入端与光源相连，用于接受连续的光波信号，自偏振态稳定双环结构的光输入端与光调制器的光输出端相连，光输出端与光电环路相连，光电环路的输出端与光调制器的电输入端相连，构成一个工作于谐振频率且偏振态稳定，结构紧凑的双环光电振荡电路。本发明拥有更好的边模抑制比且可以增加环路Q因子，本发明利用45度法拉第旋转镜和反射式的结构实现了自偏振态稳定双环结构，无需额外的电域器件大大增加了系统的稳定性，且所用光纤长度减少一半，整体结构更加紧凑。满足了现代微波系统对信号的高稳定性的需求。

Description

一种自偏振态稳定的双环光电振荡器

技术领域

本发明属于微波光子学领域，更具体地，涉及一种自偏振态稳定的双环光电振荡器。

背景技术

高纯度的微波以及毫米波信号在雷达、高速信号处理和光载无线通信系统中具有广泛的应用。目前用来产生这种超低相位噪声的微波以及毫米波的方案主要基于光电振荡器。光电振荡器通过光纤的低损耗特性，实现超高的储能，从而使光电振荡器具有超高的Q因子，产生的微波信号具有超低的相位噪声。

普通的单环结构光电振荡器由激光器、强度调制器、光纤、光探测器、电滤波器和电放大器组成。光纤越长，环路Q因子越高，但随之而来的是，会存在振荡模式间隔变窄的问题，解决方法是用更窄的电滤波器将不需要的振荡模式滤掉，可是目前商业的电滤波器带宽只能达到兆赫兹量级，为了解决这一问题，双环路的光电振荡器结构被提出，双环路的光电振荡器又分为电域耦合和光域耦合两种方式，电域耦合的方式中由于需要两个光探测器，两个电放大器，一个电耦合器，使成本大大增加，所以，光域耦合是更好的选择。在光域耦合方式中又存在基于波分复用技术的双环光电振荡器和基于偏振复用技术的光电振荡器两种。相比于波分复用技术，偏振复用技术不需要额外的激光器以及波分复用器，结构大大简化，并且更方便于推广到其他应用。这种基于偏振分复用技术的双环结构光电振荡器最关键的部分是要保证耦合时的两路光的偏振态正交。然而，用偏振控制器又会使结构复杂、体积增大，并且，光纤由于制作工艺引入的不均与性而产生双折射特性，长光纤更容易受到外界的干扰，温度的变化、机械振动都会使光纤中的光的偏振态发生变化，从而导致偏振耦合器的输出光功率大范围抖动，严重影响光电振荡器的性能。保偏光纤可以保持光纤中光的偏振态，但是价格昂贵，不适于生产。

综上所述，目前的基于偏振复用技术的双环路光电振荡器两条环路的光的偏振态容易受到环境因素(温度变化、机械振动)的影响，导致耦合输出时光功率抖动，极大的影响了光电振荡器的性能以及稳定性。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种自偏振态稳定的双环光电振荡器，旨在解决现有技术中基于偏振复用技术的双环路光电振荡器两条环路的光的偏振态容易受到环境因素的影响，导致耦合输出时光功率抖动，极大的影响了光电振荡器的性能以及稳定性的问题。

本发明提供了一种自偏振态稳定的双环光电振荡器，包括光源、光调制器、双环结构和光电环路；所述光调制器的光输入端与所述光源的输出端相连，所述光调制器用于接受连续的光波信号，所述双环结构的光输入端与所述光调制器的光输出端相连，所述双环结构的光输出端与所述光电环路的输入端相连，所述光电环路的输出端与所述光调制器的电输入端相连；当所述双环结构中两条光路的光信号耦合时，工作于谐振频率、两条光路中光信号的偏振态稳定且垂直，不会受到外界环境影响，提升了结构的稳定性。

更进一步地，光源可以为连续波激光器。

更进一步地，光调制器为光强度调制器、光相位调制器或光IQ调制器。

更进一步地，双环结构包括：光环形器、偏振分束器、第一45度法拉第旋转镜、第二45度法拉第旋转镜、第一单模光纤、第二单模光纤、第一45度法拉第旋转反射镜和第二45度法拉第旋转反射镜；所述光环形器的第一端口作为所述双环结构的输入端，所述光环形器的第三端口作为所述双环结构的输出端，所述偏振分束器的第一端口与所述光环形器的第二端口相连，所述偏振分束器的第二端口依次连接所述第一45度法拉第旋转镜、所述第一单模光纤和所述第一45度法拉第旋转反射镜；所述偏振分束器的第三端口依次连接所述第二45度法拉第旋转镜、所述第二单模光纤和所述第二45度法拉第旋转反射镜；所述光环形器用于双环结构的输入与输出；所述偏振分束器用于将输入光分开成偏振态互相垂直两路光信号分别进入两条环路，并将输出的两路光信号进行耦合；所述第一45度法拉第旋转镜用于调整光信号的偏振态使之对准偏振分束器的主轴；所述第一单模光纤用于双环结构中较短的一路的延时；所述第一45度法拉第旋转反射镜用于反射光信号并将光信号的偏振态旋转90度，用于抵消环境对偏振态变化的影响；所述第二45度法拉第旋转镜用于调整光信号的偏振态使之对准偏振分束器的主轴；所述第二单模光纤用于双环结构中较长的一路的延时；所述第二45度法拉第旋转反射镜用于反射光信号并将光信号的偏振态旋转90度，用于抵消环境对偏振态变化的影响。

更进一步地，光电环路包括：依次连接的光探测器、电滤波器和电放大器；所述光探测器的输入端作为所述光电环路的输入端，所述电放大器的输出端作为所述光电环路的输出端；所述光探测器用于将光信号转化为电信号；所述电滤波器用于从所述电信号中滤出所需谐振模式；所述电放大器用于将具有所需谐振模式的电信号放大并反馈回光调制器。

更进一步地，双环结构的琼斯矩阵：其中α传输链路的单程损耗，R(45°)为45度法拉第旋转镜的琼斯矩阵，U和U^T分别为去程和返程的光纤的传输琼斯矩阵。

本发明采用上述技术方案具有以下效益：

(1)采用本发明的自偏振态稳定的双环光电振荡器，双环结构中两条路的光信号耦合时，偏振态始终稳定且垂直，不会受到外界环境(温度变化，机械振动)影响，大大提升结构稳定性。

(2)相比于传统偏振复用的双环光电振荡器，采用本发明的自偏振态稳定的双环光电振荡器，不需要稳定偏振的器件如保偏光纤，大大降低成本；

(3)采用本发明的自偏振态稳定的双环光电振荡器，由于采用反射式的结构，传输光纤长度相比于普通双环光电振荡器减少一半，结构更加紧凑。

附图说明

图1为本发明提供的自偏振态稳定双环光电振荡器框图；

图2为本发明实施例产生的微波信号的频谱图；

图3为本发明实施例产生微波信号的相位噪声图；

图4(a)为自偏振态稳定双环结构稳定性测试结构图，(b)普通偏振复用技术双环结构稳定性测试结构图；

图5为自偏振态稳定双环结构与普通的偏振复用技术双环结构对比实验结果图；

图中标号说明：100为光源，110为光调制器，120为自偏振态稳定双环结构，121为光环形器，122为偏振分束器，123为第一45度法拉第旋转镜，124为第二45度法拉第旋转镜，125为第一单模光纤，126为第二单模光纤，127为第一45度法拉第旋转反射镜，128为第二45度法拉第旋转反射镜，130为光电环路，131为光探测器，132为电滤波器，133为电放大器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明克服了现有技术的不足，提出了一种自偏振态稳定的光电振荡器。通过将自偏振态稳定的双环结构用于双环光电振荡器中，使得耦合输出的两束光偏振态始终垂直并且不会受到环境(温度变化，机械振动)的影响。实现了结构简单、紧凑且稳定的双环光电振荡器。实现了稳定的微波信号输出。

如图1所示，本发明提供的自偏振态稳定的双环光电振荡器包括：光源100、光调制器110、自偏振态稳定的双环结构120和光电环路130；其中，光调制器110的光输入端与光源100相连，用于接受连续的光波信号，自偏振态稳定双环结构120的光输入端与光调制器110的光输出端相连，自偏振态稳定双环结构120的光输出端与光电环路130相连，光电环路130的输出端与光调制器的电输入端相连，构成一个工作于谐振频率且偏振态稳定，结构紧凑的双环光电振荡电路。

在本发明的自偏振态稳定的双环光电振荡器中，由于双环结构120中两条路的光信号耦合时，偏振态始终稳定且垂直，不会受到外界环境(温度变化，机械振动)影响，大大提升结构稳定性。输入的光信号经过偏振分束器后，会输出两条偏振态互相垂直的光分别进入两条环路，对于其中任意一条环路来说，光信号经过了长距离传输的光纤，光的偏振态会发生改变，并且外界环境的干扰(温度变化，机械振动)会加速这种改变。所以在现有的偏振复用技术中，在输出端两路光耦合时无法保证偏振态依然互相垂直，并且会随机变化。在实际中，这种偏振态的随机变化会使得耦合输出的光功率在几个dB的范围内抖动，不利于系统的稳定。对于本发明的双环结构，输入的光经光纤后偏振态旋转90度再反射回来，原本快轴上的光旋转至慢轴，慢轴上的光旋转至快轴，又由于光纤为互易器件，来回经过同一段光纤，所受外界干扰被抵，所以输出偏振态与输入偏振态始终保持一致，故输出耦合时两束光的偏振态稳定且互相垂直。经过实验测试，在这种双环结构下，无论对传输的光纤做怎样的干扰，输出的光的偏振态几乎不受影响，耦合输出的光功率只在零点零几个dB范围内抖动，系统稳定性大大提高。

自偏振态稳定双环结构120包括：光环形器121、偏振分束器122、第一45度法拉第旋转镜123、第二45度法拉第旋转镜124、第一单模光纤125、第二单模光纤126、第一45度法拉第旋转反射镜127、第二45度法拉第旋转反射镜128。光环形器的第一端口为自偏振态稳定双环结构的输入端，光环形器的第三端口为自偏振态稳定双环结构的输出端，偏振分束器第一端口与光环形器的第二端口相连，偏振分束器的第二端口依次与第一45度法拉第旋转镜、第一单模光纤和第一45度法拉第旋转反射镜相连。偏振分束器的第三端口依次与第二45度法拉第旋转镜、第二单模光纤和第二45度法拉第旋转反射镜相连。形成自偏振态稳定的双环结构。此双环结构中，任意一条环路的琼斯矩阵可表示为：

其中α为传输链路的单程损耗，R(45°)为45度法拉第旋转镜的琼斯矩阵，U和U^T分别为去程和返程的光纤的传输琼斯矩阵。任意一条路的输入与输出偏振态恒定旋转180度，不受任何外界因素(机械振动、温度变化)的影响。

光电环路130包括：光探测器131、电滤波器132和电放大器133；其中，光探测器131依次与电滤波器132、电放大器133相连，电放大器133的输出端与光调制器110的电输入端相连。

双环光电振荡器相比于单环结构拥有更好的边模抑制比并且可以增加环路Q因子，传统电域耦合的双环光电振荡器使用电域器件过多，成本高。基于偏振复用双环光电振荡器存在光纤中光偏振态随外界环境(机械振动，温度变化)变化的问题，大大影响了系统的稳定性。相比于传统双环结构的光电振荡器，本发明利用45度法拉第旋转镜和反射式的结构实现了自偏振态稳定双环结构，无需额外的电域器件，克服了传统偏振复用双环光电振荡器中两路光耦合时由光纤的机械振动和温度变化引起的偏振态变化引入的功率抖动问题，大大增加了系统的稳定性，并且所用光纤长度减少一半，整体结构更加紧凑。满足了现代微波系统对信号的高稳定性的需求。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细描述。实施例具体描述了基于强度调制器的双环结构光电振荡器。

实施例的结构示意图参见图1。自偏振态稳定的双环光电振荡器包括：光源100、光调制器110、光环形器121、偏振分束器122、第一45度法拉第旋转镜123、第二45度法拉第旋转镜124、第一单模光纤125、第二单模光纤126、第一45度法拉第旋转反射镜127、第二45度法拉第旋转反射镜128、光探测器131、电滤波器132和电放大器133；其中，光调制器110为马赫-曾德尔强度调制器。光源100和马赫-曾德尔强度调制器的光输入端相连，马赫-曾德尔强度调制器的输出端和光环形器121的光环形器的第一端口相连，偏振分束器122的第一端口与光环形器121的第二端口相连，偏振分束器122的第二端口依次与第一45度法拉第旋转镜123、第一单模光纤125和第一45度法拉第旋转反射镜127相连。偏振分束器122的第三端口依次与第二45度法拉第旋转镜124、第二单模光纤126和第二45度法拉第旋转反射镜128相连，光环形器121的第三端口依次与光探测器131、电滤波器132、电放大器133相连，电放大器133的输出端与马赫-曾德尔强度调制器的电输入端相连。

光源100发出直流光进入马赫-曾德尔强度调制器对光载波进行强度调制，被调制的光信号进入自偏振态稳定的双环结构，此结构将光信号分成两个互相垂直的偏振态，分别通过两段不同长度的单模光纤传输，实现不同的延时。此结构中，两路光信号耦合时偏振态正交且不随外界环境(温度变化，机械扰动)的影响。输出的光信号进入光电环路130反馈回马赫-曾德尔强度调制器的电输入端形成自偏振态稳定的双环光电振荡器。用本实施例产生的微波信号具有高稳定性、高边模抑制比和低相位噪声的特性。

在实施例中，测得的频谱图和相位噪声曲线分别参见图2和图3。从图2中我们可以看到，实施例中产生了9.9985GHz的微波信号，并且由于使用了基于自偏振态稳定技术的双环结构，边模抑制比达到了66.5dB。图3是实施例所产生信号的相位噪声曲线，在10kHz的频率偏移处其相位噪声可以达到-116dBc/Hz。

为了解决基于偏振复用的双环光电振荡器中两条光路偏振态不稳定的问题，基于自偏振态稳定技术的双环结构被用于本实施例中。自偏振态稳定的双环结构的琼斯矩阵可以表示为：其中α是传输链路的单程损耗，R(45°)为45度法拉第旋转镜的琼斯矩阵，U和U^T分别为去程和返程的光纤的传输琼斯矩阵光纤的归一化传输矩阵。U可以表示为：其中，θ1，θ2，和φ分别是描述光纤中双折射变化的参数，θ1，θ2分别表示光纤的快轴和慢轴延迟参数，φ表示光信号的偏振态与光纤快轴(或慢轴)的失配角。可以得到往返的琼斯矩阵：

从上式中可以看出输出的光的偏振态与输入的光的偏振态恒定的相差180度，可以理解为输出的光的偏振态与输入的保持一致。而且这个差值与任何光纤双折射参数无关，换句话说，无论光纤受到怎样的外界扰动，都不会改变输出的偏振态。

另一方面，由于两条光路的输入光分别是偏振分束器的两个输出光，所以，两者是正交的，经过我们的自偏振态稳定的结构，输出光的偏振态与输入光相同，所以在输出耦合时两路光也是正交的，从而可以避免由于两路光不正交引入的光拍频噪声。

通过一个对比实验验证了自偏振态稳定双环结构相比于普通的偏振复用技术双环结构具有更好的稳定性。对比实验结构图参见图4。此实验中，将直流光分别输入到普通偏振复用双环和自偏振态稳定的双环中，用风扇吹动传输的单模光纤用来模拟环境中的机械扰动的温度变化，在输出端用光功率计测量功率的变化。对比实验结果参见图5。可以看到，普通偏振复用的双环结构在受到外界环境(风扇吹)的扰动下，输出光功率变化剧烈，然而，自偏振态稳定的双环结构在同样的条件下输出光功率变化只有0.05dB，可以忽略不计。此实验验证了自偏振态稳定的双环结构可以有效的抵抗外界环境(机械扰动、温度变化)对光的偏振态的影响，实现高的稳定性。

综上，本发明提出的自偏振态稳定的双环光电振荡器无需额外的光或电有源器件，实现了自偏振态稳定的双环结构的光电振荡器，并且可以获得高边模抑制比、低相位噪声的微波信号。这使得本发明可以广泛应用于光载无线系统，信号处理，航空、航天领域。

本领域的技术人员容易理解，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种自偏振态稳定的双环光电振荡器，其特征在于，包括光源、光调制器、双环结构和光电环路；

所述光调制器的光输入端与所述光源的输出端相连，所述光调制器用于接受连续的光波信号，

所述双环结构的光输入端与所述光调制器的光输出端相连，所述双环结构的光输出端与所述光电环路的输入端相连，所述光电环路的输出端与所述光调制器的电输入端相连；

当所述双环结构中两条光路的光信号耦合时，工作于谐振频率、两条光路中光信号的偏振态稳定且垂直，不会受到外界环境影响，提升了结构的稳定性。

2.如权利要求1所述的双环光电振荡器，其特征在于，所述光源为连续波激光器。

3.如权利要求1或2所述的双环光电振荡器，其特征在于，所述光调制器为光强度调制器、光相位调制器或光IQ调制器。

4.如权利要求1-3任一项所述的双环光电振荡器，其特征在于，所述双环结构包括：光环形器、偏振分束器、第一45度法拉第旋转镜、第二45度法拉第旋转镜、第一单模光纤、第二单模光纤、第一45度法拉第旋转反射镜和第二45度法拉第旋转反射镜；

所述光环形器的第一端口作为所述双环结构的输入端，所述光环形器的第三端口作为所述双环结构的输出端，所述偏振分束器的第一端口与所述光环形器的第二端口相连，所述偏振分束器的第二端口依次连接所述第一45度法拉第旋转镜、所述第一单模光纤和所述第一45度法拉第旋转反射镜；所述偏振分束器的第三端口依次连接所述第二45度法拉第旋转镜、所述第二单模光纤和所述第二45度法拉第旋转反射镜；

所述光环形器用于双环结构的输入与输出；

所述偏振分束器用于将输入光分开成偏振态互相垂直两路光信号分别进入两条环路，并将输出的两路光信号进行耦合；

所述第一45度法拉第旋转镜用于调整光信号的偏振态使之对准偏振分束器的主轴；

所述第一单模光纤用于双环结构中较短的一路的延时；

所述第一45度法拉第旋转反射镜用于反射光信号并将光信号的偏振态旋转90度，用于抵消环境对偏振态变化的影响；

所述第二45度法拉第旋转镜用于调整光信号的偏振态使之对准偏振分束器的主轴；

所述第二单模光纤用于双环结构中较长的一路的延时；

所述第二45度法拉第旋转反射镜用于反射光信号并将光信号的偏振态旋转90度，用于抵消环境对偏振态变化的影响。

5.如权利要求1所述的双环光电振荡器，其特征在于，所述光电环路包括：依次连接的光探测器、电滤波器和电放大器；

所述光探测器的输入端作为所述光电环路的输入端，所述电放大器的输出端作为所述光电环路的输出端；

所述光探测器用于将光信号转化为电信号；

所述电滤波器用于从所述电信号中滤出所需谐振模式；

所述电放大器用于将具有所需谐振模式的电信号放大并反馈回光调制器。

6.如权利要求1-5任一项所述的双环光电振荡器，其特征在于，所述双环结构的琼斯矩阵：

其中α传输链路的单程损耗，R(45°)为45度法拉第旋转镜的琼斯矩阵，U和U^T分别为去程和返程的光纤的传输琼斯矩阵。