CN108183381A - 一种采用新型反馈控制方式的高稳定光电振荡器及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用新型反馈控制方式的高稳定光电振荡器及其方法。包括激光器、马赫‑曾德调制器、长光纤、光可调延迟线、光电探测器、射频带通滤波器、射频放大器、射频功分器、外部参考源、混频器和控制模块。激光器、马赫‑曾德调制器、长光纤、光电探测器、射频带通滤波器、射频放大器和射频功分器构成一个传统的单环路结构的光电振荡器，产生一个高频谱纯度和低相位噪声的微波信号；外部参考源和混频器构成一个比较系统，产生一个与光电振荡器频率偏移量相关的误差信号；控制模块和光可调延迟线构成一个反馈控制装置，在大幅度提高光电振荡器的频率稳定性的同时，避免引入额外的噪声。其结构简单，易于操作，提升了光电振荡器的实用性。

Description

一种采用新型反馈控制方式的高稳定光电振荡器及其方法
技术领域
本发明涉及微波光子学领域、光电子技术领域和光通信领域，尤其涉及一种采用新型反馈控制方式的高稳定光电振荡器及其方法。
背景技术
随着信息化社会的推进，人们对于通信速率和质量的要求越来越高，这就对电磁波的频率和质量提出了要求。然而，传统的电振荡器产生的微波射频信号由于本身特性的限制，其频谱纯度已经难以满足人们的需要。光电振荡器是一种采用微波光子学方法产生高频谱纯度、低相位噪声的发生装置，有效解决了电振荡器的诸多不足。1996年，美国加州大学喷气动力实验室姚晓天博士等人首次提出了单环路结构的光电振荡器，其采用长光纤作为储能元件，大大提高了系统品质因数。在之后的20余年中，研究者不断提出新结构对光电振荡器进行改进和完善，如电域耦合的双环路光电振荡器、光域耦合的双环路光电振荡器、耦合式光电振荡器和主从式光电振荡器等等。但是，无论什么结构的光电振荡器，都存在着谐振频率不稳定的问题，这是由于光纤、激光器和滤波器等光电器件受外界环境因素影响导致的。为了解决上述问题，目前已经有一些方案，但都存在着一些不足：
(1)第一种方案是利用温度控制手段保证环境的稳定不变，但是操作起来复杂，可行性不高。
(2)第二种方案是采用温度不敏感的实心光子晶体光纤代替普通单模光纤，但是成本较高，效果有限。
(3)第三种方案是采用注入锁定技术。当光电振荡器的起振频率与外部注入信号的频率足够接近时，光电振荡器的输出将跟随注入信号产生相同的频率。这种方式可以保证光电振荡器频率稳定，且大幅度削弱光电振荡器的边模强度。但是保证注入信号锁定的带宽与注入信号的强度有一定的关系，注入功率增强可以使注入信号的锁定带宽变大，然而最终输出信号的质量会变差；注入功率降低可以减小外部信号对输出信号噪声的影响，然而注入信号的锁定带宽将减小，容易引起光电振荡器振荡频率的“失锁”。
(4)第四种方案是采用锁相环技术。如在“一种基于微波锁相的带宽可调谐光电振荡器(申请号：201710392200.X)”、“一种基于光电振荡器的锁相环(申请号：201320733164.6)”等专利中均采用了带有负反馈回路的锁相环电路对输出频率进行控制。但压控器件可调范围有限，难以满足长时间稳定工作的要求。
(5)此外，还有结合使用以上几种方法的方案。如在“用于光电振荡器的控制装置和光电振荡器控制系统(申请号：201410497708.2)”、“一种针对注入锁定光电振荡器的稳定性控制电路(申请号：201410039121.7)”、“一种稳定的微波振荡器(申请号：201310559289.6)”等专利中，采用了锁相环和注入锁定两种技术。但是这些方案采用的都是纯模拟电路实现的，无法人为干预它的控制精度和反馈时间间隔，不能适用于各种应用场景。此外，反馈回路的加入会额外引入噪声，从实际测量的相位噪声曲线来看，锁定带宽附近的相位噪声情况有所恶化。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有光电振荡器反馈控制方式的局限性，提供一种结构更简单、更易于实现的新型反馈控制方式，用于构建高稳定的光电振荡器系统。
本发明采用如下技术方案：
本发明首先公开了一种采用新型反馈控制方式的高稳定光电振荡器，包括激光器、马赫-曾德调制器、长光纤、光可调延迟线、光电探测器、射频带通滤波器、射频放大器、第一射频功分器、第二射频功分器、外部参考源、混频器、控制模块；激光器的输出端连接到马赫-曾德调制器的光输入端，马赫-曾德调制器的光输出端连接到长光纤的输入端，长光纤的输出端连接到光可调延迟线的光输入端，光可调延迟线的光输出端连接到光电探测器的光输入端，在光电探测器射频输出端和第一射频功分器的输入端之间设置射频带通滤波器和射频放大器，第一射频功分器的一个输出端连接到第二射频功分器的输入端，第一射频功分器的另一个输出端连接到混频器的本振输入端，第二射频功分器的一个输出端连接到马赫-曾德调制器的射频输入端，第二射频功分器的另一个输出端输出微波信号，外部参考源的输出端连接到混频器的射频输入端，混频器的中频输出端连接到控制模块，控制模块控制光可调延迟线的延迟时间，用于补偿外界环境因素对光电振荡器输出频率的影响。
作为优选的方案，所述的采用新型反馈控制方式的高稳定光电振荡器还包括射频衰减器、第三射频功分器、射频合路器；外部参考源的输出端连接到射频衰减器的射频输入端，射频衰减器的射频输出端连接到第三射频功分器的输入端，第三射频功分器的一个输出端连接到射频合路器的另一个输入端，射频合路器的输出端连接到马赫-曾德调制器的射频输入端，第三射频功分器的另一个输出端连接到混频器的射频输入端。
作为优选的方案，所述的控制模块包括测频/测电压模块，模数转换模块、控制器，测频/测电压模块测量混频器中频输出端的信号，并由模数转换模块将采集得到的模拟信号转换为数字信号后送入控制器，控制器通过处理采集得到的信号，控制光可调延迟线的延迟时间。
进一步，所述外部参考源可以是晶振、介质振荡器或原子钟，其输出频率与光电振荡器的输出频率相同或相近。
进一步，所述长光纤的结构可以是单环路结构、双环路结构或多环路结构，类型可以是单模光纤、保偏光纤或高品质因数谐振腔。
进一步，所述控制器是单片机、FPGA、ARM或DSP。
所述的高稳定光电振荡器的反馈控制方法，包括如下步骤：系统正常工作时，光电振荡器的输出频率与外部参考源的输出频率保持一致；当光电振荡器的输出频率由于受外界环境因素变化而发生改变时，混频器输出两者的误差信号，由测频/测电压模块采集，并通过模数转换模块将采集得到的模拟量转换为数字量传送至控制器中，控制器根据采集得到的数据进行判断，并分为以下两种情况进行控制：
第一种情况，测频得到的数值不为0，则控制器记录采集得到的频率数值后，控制光可调延迟线增大延迟量0.05ps，然后再次采集当前的频率数值，并与第一次采集得到的数值进行比较；若第一次采集的数值比第二次采集的数值大，则控制光可调延迟线减小延迟量，减小的延迟量由PID算法计算得出；若第一次采集的数值比第二次采集的数值小，则控制光可调延迟线增大延迟量，增大的延迟量由PID算法计算得出；之后重复上述过程直至系统恢复正常工作。
第二种情况，测频得到的数值为0，则控制器记录采集得到的电压值，若电压值大于20mV时，增大光可调延迟线延迟量0.05ps；若电压值小于﹣20mV 时，减小光可调延迟线延迟量0.05ps；若电压值处于﹣20mV至20mV之间时，不调整光可调延迟线；之后重复上述过程直至系统恢复正常工作。
本发明具有以下有益效果：
相比锁相环电路，本发明在反馈回路中使用模数转换模块进行了数模隔离，大大降低了噪声的引入。此外，控制精度和反馈时间间隔由程序控制，可以自由设定和更改，可以广泛应用于不同的场景。
附图说明
图1是实施例1的高稳定光电振荡器结构图。
图2是本发明反馈控制方式的结构图。
图3是实施例2的高稳定光电振荡器结构图。
图4是实施例3的高稳定光电振荡器结构图。
图5为艾伦方差的计算结果图。
图中标记：1：激光器；2：马赫-曾德调制器；3：长光纤；4：光可调延迟线；5：光电探测器；6：射频放大器；7：射频带通滤波器；8：第一射频功分器； 9：第二射频功分器；10：混频器；11：外部参考源；12：控制模块；13：测频/ 测电压模块；14：模数转换模块；15：控制器；16：第三射频功分器；17：射频合路器；18：射频衰减器；19：射频移相器；20：数模转换模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的不同方式实施。
实施例1：
如图1和图2，一种采用新型反馈控制方式的高稳定光电振荡器，包括激光器1、马赫-曾德调制器2、长光纤3、光可调延迟线4、光电探测器5、射频带通滤波器6、射频放大器7、第一射频功分器8、第二射频功分器9、外部参考源 11、混频器10、控制模块12。激光器1的输出端连接到马赫-曾德调制器2的光输入端，马赫-曾德调制器2的光输出端连接到长光纤3的输入端，长光纤3的输出端连接到光可调延迟线4的光输入端，光可调延迟线4的光输出端连接到光电探测器5的光输入端，在光电探测器5射频输出端和第一射频功分器8的输入端之间设置射频带通滤波器7和射频放大器6，第一射频功分器8的一个输出端连接到第二射频功分器9的输入端，第一射频功分器8的另一个输出端连接到混频器10的本振输入端，第二射频功分器9的一个输出端连接到马赫-曾德调制器 2的射频输入端，第二射频功分器9的另一个输出端作为微波信号输出端，外部参考源11的输出端连接到混频器10的射频输入端，混频器10的中频输出端连接到控制模块12，控制模块12控制光可调延迟线4的延迟时间，用于补偿外界环境因素对光电振荡器输出频率的影响。
以下对本发明采用的反馈控制方法进行具体说明：
系统正常工作时，光电振荡器的输出频率与外部参考源11的输出频率保持一致；当光电振荡器的输出频率由于受外界环境因素变化而发生改变时，混频器 10输出两者的误差信号，由测频/测电压模块13采集，并通过模数转换模块14 将采集得到的模拟量转换为数字量传送至控制器15中。控制器15根据采集得到的数据进行判断，并分为以下两种情况进行控制：
第一种情况，测频得到的数值不为0，则控制器15记录采集得到的频率数值后，控制光可调延迟线4增大延迟量0.05ps，然后再次采集当前的频率数值，并与第一次采集得到的数值进行比较。若第一次采集的数值比第二次采集的数值大，则控制光可调延迟线4减小延迟量，减小的延迟量由PID算法计算得出；若第一次采集的数值比第二次采集的数值小，则控制光可调延迟线4增大延迟量，增大的延迟量由PID算法计算得出；之后重复上述过程直至系统恢复正常工作。
第二种情况，测频得到的数值为0，则控制器15记录采集得到的电压值，若电压值大于20mV时，增大光可调延迟线4延迟量0.05ps；若电压值小于﹣ 20mV时，减小光可调延迟线4延迟量0.05ps；若电压值处于﹣20mV至20mV 之间时，不调整光可调延迟线4；之后重复上述过程直至系统恢复正常工作。
光电振荡器的输出频率可表示为：
式中fosc表示振荡频率，k表示不同的振荡模式，τ表示整个环路的总延迟量。改变光可调延迟线4的延迟时间，就等效于改变了整个环路的延迟量，实现改变光电振荡器输出频率的目的。
实施例2：
如图2和图3，本发明可以结合注入锁定技术构成高稳定光电振荡器，其包括激光器1、马赫-曾德调制器2、长光纤3、光可调延迟线4、光电探测器5、射频带通滤波器6、射频放大器7、第一射频功分器8、第二射频功分器9、外部参考源11、混频器10、控制模块12、射频衰减器18、第三射频功分器16、射频合路器17。激光器1的输出端连接到马赫-曾德调制器2的光输入端，马赫- 曾德调制器2的光输出端连接到长光纤3的输入端，长光纤3的输出端连接到光可调延迟线4的光输入端，光可调延迟线4的光输出端连接到光电探测器5的光输入端，在光电探测器5射频输出端和第一射频功分器8的输入端之间设置射频带通滤波器7和射频放大器6，第一射频功分器8的一个输出端连接到第二射频功分器9的输入端，第一射频功分器8的另一个输出端连接到混频器10的本振输入端，第二射频功分器9的一个输出端连接到射频耦合器17的一个输入端，第二射频功分器9的另一个输出端作为微波信号输出，外部参考源11的输出端连接到射频衰减器18的射频输入端，射频衰减器18的射频输出端连接到第三射频功分器16的输入端，第三射频功分器16的一个输出端连接到射频合路器17 的另一个输入端，射频合路器17的输出端连接到马赫-曾德调制器2的射频输入端，第三射频功分器16的另一个输出端连接到混频器10的射频输入端，混频器10的中频输出端连接到控制模块12，控制模块12控制光可调延迟线4的延迟时间，用于补偿外界环境因素对光电振荡器输出频率的影响。
按照图2和图3的结构图搭建了实验系统进行测试，实验首先断开反馈装置，让光电振荡器自由运行，并使用频谱仪对其输出信号的频率进行记录，每秒钟记录1次，共记录1小时。1小时后连接反馈装置，重新记录1小时的数据。最后，将记录得到的数据进行艾伦方差的计算，结果如图5所示。
实验结果图中，虚线所示的曲线是采用反馈控制装置后，光电振荡器输出信号的艾伦方差曲线；实线所示的曲线是自由运行情况下，光电振荡器输出信号的艾伦方差曲线。从实验结果图中可以明显看出，采用反馈控制装置后，光电振荡器输出信号的艾伦方差能够达到10-10量级，而自由运行的光电振荡器输出信号的艾伦方差仅能够达到10-6量级。实验结果说明，采用反馈控制装置的光电振荡器系统的稳定性要明显优于未使用反馈控制装置的光电振荡器系统。
实施例3：
如图4，本发明可以结合压控器件构成高稳定光电振荡器，其包括激光器1、马赫-曾德调制器2、长光纤3、光电探测器5、射频带通滤波器6、射频放大器 7、射频移相器19、第一射频功分器8、第二射频功分器9、外部参考源11、混频器10、控制模块12、数模转换模块20。激光器1的输出端连接到马赫-曾德调制器2的光输入端，马赫-曾德调制器2的光输出端连接到长光纤3的输入端，长光纤3的输出端连接到光电探测器5的光输入端，在光电探测器5射频输出端和第一射频功分器8的输入端之间设置射频带通滤波器7、射频放大器6和射频移相器19，第一射频功分器8的一个输出端连接到第二射频功分器9的输入端，第一射频功分器8的另一个输出端连接到混频器10的本振输入端，第二射频功分器9的一个输出端连接到马赫-曾德调制器2的射频输入端，第二射频功分器 9的另一个输出端作为微波信号输出端，外部参考源11的输出端连接到混频器 10的射频输入端，混频器10的中频输出端连接到控制模块12，控制模块12根据误差信号输出控制信号并连接到数模转换模块20，以控制射频移相器的移相范围，用于补偿外界环境因素对光电振荡器输出频率的影响。

Claims (7)

1.一种采用新型反馈控制方式的高稳定光电振荡器，其特征在于：包括激光器(1)、马赫-曾德调制器(2)、长光纤(3)、光可调延迟线(4)、光电探测器(5)、射频带通滤波器(6)、射频放大器(7)、第一射频功分器(8)、第二射频功分器(9)、外部参考源(11)、混频器(10)、控制模块(12)；激光器(1)的输出端连接到马赫-曾德调制器(2)的光输入端，马赫-曾德调制器(2)的光输出端连接到长光纤(3)的输入端，长光纤(3)的输出端连接到光可调延迟线(4)的光输入端，光可调延迟线(4)的光输出端连接到光电探测器(5)的光输入端，在光电探测器(5)射频输出端和第一射频功分器(8)的输入端之间设置射频带通滤波器(7)和射频放大器(6)，第一射频功分器(8)的一个输出端连接到第二射频功分器(9)的输入端，第一射频功分器(8)的另一个输出端连接到混频器(10)的本振输入端，第二射频功分器(9)的一个输出端连接到马赫-曾德调制器(2)的射频输入端，第二射频功分器(9)的另一个输出端输出微波信号，外部参考源(11)的输出端连接到混频器(10)的射频输入端，混频器(10)的中频输出端连接到控制模块(12)，控制模块(12)控制光可调延迟线(4)的延迟时间，用于补偿外界环境因素对光电振荡器输出频率的影响。
2.如权利要求1所述的一种采用新型反馈控制方式的高稳定光电振荡器，其特征在于：还包括射频衰减器(18)、第三射频功分器(16)、射频合路器(17)；外部参考源(11)的输出端连接到射频衰减器(18)的射频输入端，射频衰减器(18)的射频输出端连接到第三射频功分器(16)的输入端，第三射频功分器(16)的一个输出端连接到射频合路器(17)的另一个输入端，射频合路器(17)的输出端连接到马赫-曾德调制器(2)的射频输入端，第三射频功分器(16)的另一个输出端连接到混频器(10)的射频输入端。
3.如权利要求1或2所述的一种采用新型反馈控制方式的高稳定光电振荡器，其特征在于：所述的控制模块(12)包括测频/测电压模块(13)，模数转换模块(14)、控制器(15)，测频/测电压模块(13)测量混频器(10)中频输出端的信号，并由模数转换模块(14)将采集得到的模拟信号转换为数字信号后送入控制器(15)，控制器(15)通过处理采集得到的信号，控制光可调延迟线(4)的延迟时间。
4.根据权利要求1或2所述的一种采用新型反馈控制方式的高稳定光电振荡器，其特征在于：所述外部参考源(11)可以是晶振、介质振荡器或原子钟，其输出频率与光电振荡器的输出频率相同或相近。
5.根据权利要求1或2所述的一种采用新型反馈控制方式的高稳定光电振荡器，其特征在于：所述长光纤(3)的结构可以是单环路结构、双环路结构或多环路结构，类型可以是单模光纤、保偏光纤或高品质因数谐振腔。
6.根据权利要求3所述的一种采用新型反馈控制方式的高稳定光电振荡器，其特征在于：所述控制器(15)是单片机、FPGA、ARM或DSP。
7.一种如权利要求3所述的高稳定光电振荡器的反馈控制方法，其特征在于包括如下步骤：系统正常工作时，光电振荡器的输出频率与外部参考源(11)的输出频率保持一致；当光电振荡器的输出频率由于受外界环境因素变化而发生改变时，混频器(10)输出两者的误差信号，由测频/测电压模块(13)采集，并通过模数转换模块(14)将采集得到的模拟量转换为数字量传送至控制器(15)中，控制器(15)根据采集得到的数据进行判断，并分为以下两种情况进行控制：
第一种情况，测频得到的数值不为0，则控制器(15)记录采集得到的频率数值后，控制光可调延迟线(4)增大延迟量0.05ps，然后再次采集当前的频率数值，并与第一次采集得到的数值进行比较；若第一次采集的数值比第二次采集的数值大，则控制光可调延迟线(4)减小延迟量，减小的延迟量由PID算法计算得出；若第一次采集的数值比第二次采集的数值小，则控制光可调延迟线(4)增大延迟量，增大的延迟量由PID算法计算得出；之后重复上述过程直至系统恢复正常工作；
第二种情况，测频得到的数值为0，则控制器(15)记录采集得到的电压值，若电压值大于20mV时，增大光可调延迟线(4)延迟量0.05ps；若电压值小于﹣20mV时，减小光可调延迟线(4)延迟量0.05ps；若电压值处于﹣20mV至20mV之间时，不调整光可调延迟线(4)；之后重复上述过程直至系统恢复正常工作。
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