CN108270141B - 一种主从式光电振荡器及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主从式光电振荡器及其方法。包括半导体激光器、电光调制器、长光纤、光电探测器、射频放大器、等效窄带滤波器、1X2功分器及辅助光电振荡器作为高稳定的外参考模块。其中辅助光电振荡器由第二半导体激光器、第二电光调制器、短光纤、第二光电探测器、第二射频放大器及第一射频带通滤波器组成，由稳定的外参考源实现注入锁定，通过1X2功分器将部分信号注入主振荡器中的等效窄带滤波器。主振荡器各模块通过射频线或者光纤连接构成一个闭合的光电环路，由等效窄带滤波器实现稳定的单频射频信号输出，该信号同时拥有很高的杂散抑制比和极低的相位噪声。

Description

一种主从式光电振荡器及其方法

技术领域

本发明属于微波及光电子领域，具体涉及一种主从式光电振荡器及其方法。

背景技术

光电振荡器具有高Q值、低相位噪声等优势，可以广泛应用于雷达、通信、制导、测试与测量等领域。在传统的微波信号产生方法中，往往采用基于石英晶体振荡器或者介质振荡器的倍频技术产生，但是倍频技术同时会导致相位噪声的急剧恶化。相比之下，光电振荡器作为一种新型的光、电结合的振荡器，能直接产生高频的微波信号，其产生信号的原理与传统的方法不同，因而能在产生高频信号的同时保持极低的相位噪声。

近几十年来，随着微波光子技术的发展，光电振荡器的研究越来越受到重视，1994年，美国喷气动力实验室首次提出了光电振荡器，其组成包括低噪声的激光器、电光调制器、长光纤、光电探测器、射频放大器和滤波器等，这些器件构成了闭合正反馈回路并实现振荡。光电振荡器通过光电转换器件将连续光能量转换为周期变换的微波信号。光电振荡器解决了传统射频信号源中不可避免的众多不足，具有高效率和高频谱纯度等优点。

在光电振荡器系统中，光纤环路的储能时间直接决定了振荡器的Q值，根据里森相位噪声模型，振荡器的Q值越大，其输出的相位噪声越低。因此，可以通过增加光纤长度进一步降低光电振荡器的相位噪声。但实际上，由于延迟线振荡器的特性，当环路闭合之后，系统会同时产生很多的起振模式，这些模式之间都满足相位差为2π的整数倍，且振荡模式间隔与光纤长度成反比，模式间会彼此竞争，使得最终的输出频率不确定。理论上，我们可以使用一个足够窄的带通滤波器进行选模，去除不需要的模式，但是由于光电振荡器的模式间隔通常为几十kHz量级，而起振频率往往达到几个GHz或者几十GHz，以目前的技术还很难制作如此高Q值的窄带通滤波器。因此，这也成为目前制约光电振荡器进一步提高环路长度的因素。

在随后的研究中，为了克服这一难题，又不断产生新的光电振荡器结构。2000年，Yao和Maleki提出双谐振腔结构的光电振荡器，它将调制器输出的光信号分配到两个光纤环路中，其中长环路光电振荡器保证较低的相位噪声，由短环路光电振荡器来实现边模抑制，由于考虑到对边模有较高的抑制效果，短环路光电振荡器需分配较多的功率或者使用极短的光纤。理论上，整个双环光电振荡器的相位噪声是由长、短环路光电振荡器同时决定，如果使用较短的环长或者短环光电振荡器的分配功率较高都会恶化整个光电振荡器的相位噪声水平。相关原理在专利“一种基于三光纤环结构的光电振荡器(申请号：201420402958.9)”中有具体说明。

进一步，有研究人员提出采用注入锁定的方式实现单频低相位噪声输出的光电振荡器结构。注入式结构分为两种，一种是采用长、短环注入结构，它的原理和效果与双环结构光电振荡器类似。另一种是基于外部源注入锁定的光电振荡器，如在专利“一种稳定的微波振荡器(申请号：201310559289.6)”和专利“光电振荡器(申请号：201520267124.6)”中所提的方案，由于外部源通常是单频信号，因此能够实现对光电振荡器较好的选频效果，但是，外部源注入锁定的光电振荡器的近载端相位噪声由外部参考源决定，而外部源的近载端噪声往往很难做到很低。因此，这种结构的光电振荡器只能应用在对近载端相位噪声要求不高的场景中。

第三种实现单模起振光电振荡器的方案是采用将信号下变频到中频来实现滤波选频，再上变频到射频并实现起振。如在专利“一种超窄带低噪声光电振荡器(申请号：201510704413.2)”中所提的方案，但是该方案需要选用外部源作为上下变频的本振信号，而该本振信号是锁相环频率合成器产生的，具有较差的相位噪声表现，因而会导致光电振荡器最终输出信号的远载端相位噪声表现很差，不适合应用在对远载端相位噪声要求较高的场景中。

发明内容

本发明的目的是克服传统光电振荡器的起振频率不确定、难以兼顾杂散抑制和低相位噪声输出的缺陷，提供了一种单一模式起振、具有很高杂散抑制和全频段极低相位噪声输出的光电振荡器。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：

一种主从式光电振荡器及其方法，其特征在于：包括第一半导体激光器，第一电光调制器，长光纤(一般光纤长度可达几千米或者十几千米)，第一光电探测器，第一射频放大器，等效窄带滤波器模块，辅助光电振荡器模块，第一1X2功分器或定向耦合器。第一半导体激光器的输出端连接到第一电光调制器的光输入端，第一电光调制器的输出端连接到长光纤的输入端，长光纤的输出端连接到第一光电探测器的输入端，在所述光电探测器的输出端连接到等效窄带滤波器的一个输入端口，等效窄带滤波器的输出端连接第一射频放大器的输入端，第一射频放大器的输出端连接到第一1X2功分器或定向耦合器的输入端，第一1X2功分器或定向耦合器的其中一个输出端连接到电光调制器的微波输入端，形成振荡反馈环路，第一1X2功分器或定向耦合器的另一个输出端输出微波信号。

进一步的，所述的辅助光电振荡器应具有极低的远载端相位噪声水平，可以为单环光电振荡器、双环或多环光电振荡器、耦合式光电振荡器、回音廊壁结构光电振荡器、法布里波罗腔结构的光电振荡器以及由上述光电振荡器构成的注入锁定式光电振荡器或锁相环稳定光电振荡器。他们的共有特质是能提供极低的远载端相位噪声并且能稳定输出单一频率的射频信号。

更加进一步的，所述的辅助光电振荡器包括第二半导体激光器、第二电光调制器、短光纤(一般光纤长度为几十米或者几百米)、第二光电探测器、第一射频带通滤波器、第二射频放大器、2X1合路器、第二1X2功分器或定向耦合器以及外部参考源；

第二半导体激光器的输出端连接到第二电光调制器的输入端，第二电光调制器的输出端连接到短光纤的输入端，短光纤的输出端连接到第二光电探测器的输入端，第二光电探测器的输出通过第一射频带通滤波器、第二射频放大器连接到2X1合路器的一个输入端，2X1合路器的输出端连接到第二1X2功分器或定向耦合器的输入端，第二1X2功分器或定向耦合器的其中一个输出端连接到第二电光调制器的微波输入端，形成辅助振荡反馈环路，第二1X2功分器或定向耦合器的另一个输出端输出微波信号通入等效窄带滤波器的另一个输入端；稳定的外参考源的输出端连接2X1合路器的另一个输入端。

优选的，所述的等效窄带滤波器包括下变频器、中频带通滤波器、中频放大器、上变频器、镜频抑制滤波器、延时匹配链路、第三1X2功分器或定向耦合器，其中辅助光电振荡器的输出连接到第三1X2功分器或定向耦合器，第三1X2功分器或定向耦合器的其中一个输出端连接到下变频器的一个输入端，下变频器的输出端经中频带通滤波器和中频放大器连接到上变频器的一个输入端，第二1X2功分器或定向耦合器的另一个输出端通过一段延时匹配链路与上变频器的另一输入端口相连，上变频器的输出端与镜频抑制滤波器的输入端相连，镜频抑制滤波器的输出端连接到主光电振荡器的第一射频放大器的输入端。

优选的，所述中频滤波器为窄带通滤波器，其频率选通范围与光电振荡器模式间隔为同一数量级。

优选的，所述外部参考源是高稳定微波源，可以为恒温晶振、蓝宝石振荡器、原子钟、介质腔振荡器中的一种或者由上述中的多种构成的合成频率源。

优选的，所述延时匹配链路为光电延时或电延时链路。

本发明还公开了一种所述主从式光电振荡器的信号输出方法，包括如下步骤：

先将外部稳定参考源的输出信号输入2X1合路器的一个输入端口，再闭合辅助光电振荡器的光电链路，由第一射频带通滤波器进行频率选择、第二射频放大器提供环路增益，当振荡器满足起振条件时，辅助光电振荡器输出稳定的射频信号，信号频率与外部参考源的频率保持一致，输出信号通过第二1X2功分器或定向耦合器输入到等效窄带滤波器中；等效窄带滤波器对主光电振荡器的射频信号进行下变频操作，将频率降到中频频段，使用中频滤波器进行选频，选出所要起振的模式，通过上变频器再将经过选频后的中频信号上变频到射频频域，实现主光电振荡器的窄带选模，同时通过镜频抑制滤波器抑制上变频之后的镜像频率，最后闭合主光电振荡器的光电链路，由第一射频放大器提供环路增益，当主振荡器满足起振条件时，整个主从式光电振荡器能够实现稳定的具有低相位噪声的信号输出。

本发明的有益效果是，本发明在传统的单环路光电振荡器结构的基础上增加了辅助光电振荡器，并通过等效窄带滤波器模块进行耦合，实现了光电振荡器高稳定的单模起振，并且使振荡信号具有很高的频谱纯度。由于等效窄带滤波器能够实现极窄的带宽，它的带宽最窄能达到kHz的量级，因此能够使得光电振荡器的环路长度得到极大的扩展，从而进一步降低近载端的相位噪声。另外，当满足滤波器带宽为若干个模式间隔的量级时，就很容易保证精准的起振频率，从而解决光电振荡器起振频率重复性差的问题。

相比于传统采用直接注入方式实现两个光电振荡器耦合的方案，本发明是基于上下变频的方式实现主、从光电振荡器的耦合，从而能够有效克服由辅助振荡器引入的较差的近载端相位噪声的影响。通过上下变频的方式，能够对光电振荡器的输出信号的相位噪声频谱进行分段处理，其中近载端相位噪声由长环路的主光电振荡器决定，而远载端相位噪声由短环路的辅助光电振荡器决定，因为远载端相位噪声主要由激光器的相对强度噪声决定，对光纤长度要求不高，因此，辅助光电振荡器采用传统的外参考源注入锁定式结构。

附图说明

图1是主从式光电振荡器主体结构示意图。

图2是辅助光电振荡器详细说明图。

图3是等效窄带滤波器模块结构示意图。

图4是通过上下变频对光电振荡器频谱分段处理的说明示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施对本发明作进一步说明。

如图1所示，主从式光电振荡器包括半导体光放大器1、第一电光调制器2、长光纤3、第一光电探测器4、等效窄带滤波器5、第一射频放大器6、第一1X2功分器或定向耦合器7、辅助光电振荡器8；第一半导体激光器1的输出端连接到第一电光调制器2的光输入端，第一电光调制器2的输出端连接到长光纤3的输入端，长光纤3的输出端连接到第一光电探测器4的输入端，第一光电探测器4的输出端连接到等效窄带滤波器5的一个输入端口，等效窄带滤波器5的另一个输入端口来自于辅助光电振荡器8的输出，等效窄带滤波器5的输出端连接第一射频放大器6的输入端，第一射频放大器6的输出端连接到第一1X2功分器或定向耦合器7的输入端，第一1X2功分器或定向耦合器7的其中一个输出端连接到第一电光调制器2的微波输入端，形成振荡反馈环路，第一1X2功分器或定向耦合器7的另一个输出端输出微波信号。

光电振荡器的基本工作原理如下：当光电环路闭合时，由于环路内的增益大于1，此时满足环路周期相位为2π的整数倍的频率起振，并产生一系列的共振模式，且环路长度越长，共振模式越多，当没有滤波器进行选频时，所有模式呈现竞争状态。采用如上所述的等效窄带滤波器5能够实现通带内只存在一个起振模式，提高光电振荡器的起振频率的重复性和准确性。另外，长光纤3能够使光电振荡器谐振腔具有极高Q值，从而获得高频谱纯度的信号。

如图2所示，辅助光电振荡器采用注入锁定式结构，它包括第二半导体激光器9、第二电光调制器10、短光纤11、第二光电探测器12、第一射频带通滤波器13、第二射频放大器14、2X1合路器15、第二1X2功分器或定向耦合器16以及外部参考源17；第二半导体激光器9的输出端连接到第二电光调制器10的输入端，第二电光调制器10的输出端连接到短光纤11的输入端，短光纤11的输出端连接到第二光电探测器12的输入端，第二光电探测器12的输出通过第一射频带通滤波器13、第二射频放大器14连接到2X1合路器15的一个输入端，2X1合路器15的输出端连接到第二1X2功分器或定向耦合器16的输入端，第二1X2功分器或定向耦合器16的其中一个输出端连接到第二电光调制器10的微波输入端，形成辅助振荡反馈环路，第二1X2功分器或定向耦合器16的另一个输出端输出微波信号通入等效窄带滤波器5的另一个输入端；稳定的外参考源17的输出端连接2X1合路器15的另一个输入端。它的起振原理与图1所示的主光电振荡器基本一样，不同的是它通过外部源17进行频率选择与锁定。外部源具有较高的频率稳定性，且单一频率工作，将其注入辅助光电振荡器内实现注入锁定。

如图3所示是等效窄带滤波器模块结构示意图，在本发明实施例中，所述的等效窄带滤波器5包括下变频器18、中频带通滤波器19、中频放大器20、上变频器21、镜频抑制滤波器22、延时匹配链路23、第三1X2功分器或定向耦合器24，其中辅助光电振荡器8的输出连接到第三1X2功分器或定向耦合器24，第三1X2功分器或定向耦合器24的其中一个输出端连接到下变频器18的一个输入端，下变频器18的输出端经中频带通滤波器19和中频放大器20连接到上变频器21的一个输入端，第二1X2功分器或定向耦合器24的另一个输出端通过一段延时匹配链路23与上变频器21的另一输入端口相连，上变频器21的输出端与镜频抑制滤波器22的输入端相连，镜频抑制滤波器22的输出端连接到主光电振荡器的第一射频放大器6的输入端。因为长环路光电振荡器的起振模式间隔很小，很难直接用射频滤波器进行有效选频，所以使用如图3所示的等效窄带滤波器进行选频，它的基本原理是，先通过下变频器18和辅助光电振荡器信号对主光电振荡器信号进行下变频操作，将频率降到中频频段，再使用中频滤波器进行选频，选出所要起振的模式，最后通过上变频器将经过选频后的中频信号重新上变频到射频频域，这样就等效实现了主光电振荡器在射频域的选频选模，能够精准确定起振频率并且使起振频率拥有很高的边摸抑制比。

同时，等效窄带滤波器对信号相位噪声实施分段处理，具体如图4所示。从第一光电探测器4过来的信号同时拥有较低的近载端相位噪声水平和远载端相位噪声水平，如图4峰形(a)所示。由辅助光电振荡器输出的信号经过第三1X2功分器或定向耦合器24一分为二，如图4峰形(b)所示，由于辅助光电振荡器需要通过外部注入锁定实现长期稳定工作，它的近载端相位噪声水平受到外部源的影响表现较差。两路信号通过下变频器18之后，相位噪声水平由表现较差的辅助光电振荡器的信号决定，如图4峰形(c)中实线所示。另外，图4峰形(c)中虚线表示主光电振荡器的近载端相位噪声水平，与辅助光电振荡器信号的相位噪声进行对比。然后信号输入到中频带通滤波器19和中频放大器20中，该过程保留了中频滤波器带宽内部的相位噪声水平，接着将该信号输入到上变频器的一个输入端。来自辅助光电振荡器输出的另一路信号经过一段延时匹配链路23之后输入到上变频器21的另一个输入端，如图4峰形(f)所示。中频信号经过上变频后又恢复成射频信号，此时再通过镜频抑制滤波器22选择出其中一个频率信号，其相位噪声曲线如图4峰形(e)所示。该信号的相位噪声已经经过分段处理，其近载端相位噪声通过上下变频进行抵消，消除了外部源的影响，保留了主光电振荡器的近载端低相位噪声水平。其远载端相位噪声由于不受外部源的影响，只保留原始主从式光电振荡器的水平。经过一系列操作，能够实现远、近载端都具有低相位噪声的射频信号的稳定输出。

Claims (6)

1.一种主从式光电振荡器，其特征在于包括第一半导体激光器（1）、第一电光调制器（2）、长光纤（3）、第一光电探测器（4）、等效窄带滤波器（5）、第一射频放大器（6）、第一1X2功分器或定向耦合器（7）、辅助光电振荡器（8）；第一半导体激光器（1）的输出端连接到第一电光调制器（2）的光输入端，第一电光调制器（2）的输出端连接到长光纤（3）的输入端，长光纤（3）的输出端连接到第一光电探测器（4）的输入端，所述光电探测器（4）的输出端连接到等效窄带滤波器（5）的一个输入端口，等效窄带滤波器（5）的输出端连接第一射频放大器（6）的输入端，第一射频放大器（6）的输出端连接到第一1X2 功分器或定向耦合器（7）的输入端，第一1X2 功分器或定向耦合器（7）的其中一个输出端连接到电光调制器（2）的微波输入端，形成振荡反馈环路，第一1X2 功分器或定向耦合器（7）的另一个输出端输出微波信号，其中，辅助光电振荡器（8）的输出端连接到等效窄带滤波器（5）的另一个输入端；

所述的辅助光电振荡器（8）为由外部源注入锁定的或者经由锁相环稳定的单环光电振荡器、双环或多环光电振荡器、耦合式光电振荡器、回音廊壁结构光电振荡器、法布里波罗腔结构的光电振荡器；

所述的等效窄带滤波器（5）包括下变频器（18）、中频带通滤波器（19）、中频放大器（20）、上变频器（21）、镜频抑制滤波器（22）、延时匹配链路（23）、第三1X2 功分器或定向耦合器（24），其中辅助光电振荡器（8）的输出连接到第三1X2 功分器或定向耦合器（24），第三1X2 功分器或定向耦合器（24）的其中一个输出端连接到下变频器（18）的一个输入端，下变频器（18）的输出端经中频带通滤波器（19）和中频放大器（20）连接到上变频器（21）的一个输入端，第二1X2 功分器或定向耦合器（24）的另一个输出端通过一段延时匹配链路（23）与上变频器（21）的另一输入端口相连，上变频器（21）的输出端与镜频抑制滤波器（22）的输入端相连，镜频抑制滤波器（22）的输出端连接到主光电振荡器的第一射频放大器（6）的输入端。

2.如权利要求1所述的主从式光电振荡器，其特征在于：所述的辅助光电振荡器（8）包括第二半导体激光器（9）、第二电光调制器（10）、短光纤（11）、第二光电探测器（12）、第一射频带通滤波器（13）、第二射频放大器（14）、2X1合路器（15）、第二1X2 功分器或定向耦合器（16）以及外部参考源（17）；

第二半导体激光器（9）的输出端连接到第二电光调制器（10）的输入端，第二电光调制器（10）的输出端连接到短光纤（11）的输入端，短光纤（11）的输出端连接到第二光电探测器（12）的输入端，第二光电探测器（12）的输出通过第一射频带通滤波器（13）、第二射频放大器（14）连接到2X1合路器（15）的一个输入端，2X1合路器（15）的输出端连接到第二1X2 功分器或定向耦合器（16）的输入端，第二1X2 功分器或定向耦合器（16）的其中一个输出端连接到第二电光调制器（10）的微波输入端，形成辅助振荡反馈环路，第二1X2 功分器或定向耦合器（16）的另一个输出端输出微波信号通入等效窄带滤波器（5）的另一个输入端；稳定的外参考源（17）的输出端连接2X1合路器（15）的另一个输入端。

3.如权利要求1所述的主从式光电振荡器，其特征在于：所述中频带通滤波器（19）为窄带通滤波器，其频率选通范围与光电振荡器模式间隔为同一数量级。

4.如权利要求2中所述的主从式光电振荡器，其特征在于：所述外部参考源（17）为恒温晶振、蓝宝石振荡器、原子钟、介质腔振荡器中的一种或者由上述中的多种构成的合成频率源。

5.如权利要求1所述的主从式光电振荡器，其特征在于：所述延时匹配链路（23）为光电延时或电延时链路。

6.一种如权利要求1所述的主从式光电振荡器的信号输出方法，其特征在于包括如下步骤：

先将外部稳定参考源（17）的输出信号输入2X1合路器（15）的一个输入端口，再闭合辅助光电振荡器的光电链路，由第一射频带通滤波器（13）进行频率选择、第二射频放大器（14）提供环路增益，当振荡器满足起振条件时，辅助光电振荡器输出稳定的射频信号，信号频率与外部参考源的频率保持一致，输出信号通过第二1X2 功分器或定向耦合器（16）输入到等效窄带滤波器（5）中；等效窄带滤波器（5）对主光电振荡器的射频信号进行下变频操作，将频率降到中频频段，使用中频滤波器进行选频，选出所要起振的模式，通过上变频器再将经过选频后的中频信号上变频到射频频域，实现主光电振荡器的窄带选模，同时通过镜频抑制滤波器（22）抑制上变频之后的镜像频率，最后闭合主光电振荡器的光电链路，由第一射频放大器（6）提供环路增益，当主振荡器满足起振条件时，整个主从式光电振荡器能够实现稳定的具有低相位噪声的信号输出。

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