CN109525244A - 一种频率高速可调的耦合型光电振荡信号产生器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种频率高速可调的耦合型光电振荡信号产生器，其利用锁相环将振荡器的信号相位锁定到外置的高稳参考源，实现低相噪，高稳定的射频信号输出，同时利用可编程小数分频器的分频比和可调光滤波器中心波长的同步控制，使得振荡频率和激光腔模的匹配，从而实现耦合型振荡器输出频率的稳定振荡；由于可调光滤波器和锁相环的快速响应，本发明可实现耦合型光电振荡器频率高速可调，可适用于为无线通信、雷达、电子战等系统提供高质量快速可调的射频本振源。
Description
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体涉及一种频率高速可调的耦合型光电振荡信号产生器。
背景技术
高质量的微波信号源在现代通信系统中扮演着重要角色，航空航天、仪器测量、电子对抗、雷达导航等众多领域都对微波信号源的品质提出了很高的要求。然而传统的微波振荡器却存在着品质因数较低，相噪特性受限于工作频率等缺点，这也使得研究人员将目光投向新兴的微波光子学，光电振荡器也应运而生。光电振荡器是一种由光载射频链路与电学放大选频链路构成的光电混合环路，凭借着光纤具有的低传输损耗的优点，光电振荡器显著降低了微波振荡信号的相噪，并且提高了其环路的有载品质因数。因此，光电振荡器在毫米波波段显示出了特有优势。
随着研究的进一步深入，科学家也在不断地改进和优化光电振荡器的结构，这其中比较有代表性的耦合型光电振荡器结构。耦合型光电振荡器是由一个环形主动锁模光纤激光器与光电振荡器相互耦合形成；耦合型光电振荡器结构的最初光信号来自于放大器的自发辐射，光信号再经过循环放大，选频形成一系列光纵模；环形光纤激光器产生的一部分光信号经光耦合器耦合至光电振荡器环路，用于拍频产生射频信号；光电振荡器环路生成的射频信号最终被反馈至调制器来调制光纤激光器的光脉冲，使得光纤激光器进入主动锁模状态。主要是在谐波锁模的作用下，光纤激光器环路中的纵模间隔变为与光电振荡器的振荡频率相同，不满足调制频率间隔的纵模均被抑制，此时光纵模之间的间隔就变为环形光纤激光器固有模式间隔的整数倍，各模式趋于相位同步，这意味着这些模式的拍频信号将同相叠加而产生一个光电振荡器振荡频率上的强信号，因此增强了光电振荡器环路的Q值。相比较于单环的光电振荡器，耦合型光电振荡器在边模抑制比、相噪特性、频率稳定性等方面有着更优的性能。
在实际应用如雷达侦测、无线通信，电子战等系统中，射频本振往往需要根据接收信号的特性，灵活地进行频率调节。由于耦合型振荡器的振荡取决于光纤激光腔和光电回路的模式匹配，因此可调性相对复杂，目前还没有看到文献关于频率可调耦合型光电振荡器的报道。
发明内容
为了使耦合型光电振荡器实现频率可调，本发明提供了一种频率高速可调的耦合型光电振荡信号产生器，利用锁相环将振荡器的信号相位锁定到外置的高稳参考源，实现低相噪，高稳定的射频信号输出，同时利用可编程小数分频器的分频比和可调光滤波器中心波长的同步控制，使得振荡频率和激光腔模的匹配，从而实现耦合型振荡器输出频率的稳定振荡；由于可调光滤波器和锁相环的快速响应，本发明可实现耦合型光电振荡器频率高速可调。
一种频率高速可调的耦合型光电振荡信号产生器，包括：光放大器、光滤波器、光耦合器、电光调制器、可调光滤波器、色散器件、光电探测器、带通滤波器、电放大器、电功分器、电移相器、可编程小数分频器、鉴相器、参考源、低通滤波器以及微处理器；其中：光放大器、光滤波器、光耦合器、电光调制器、可调光滤波器、色散器件通过光纤依次连接并形成环路，光耦合器通过光纤与光电探测器连接，光电探测器、带通滤波器、电放大器、电功分器、电移相器、电光调制器通过射频线依次连接，电功分器、可编程小数分频器、鉴相器、低通滤波器通过射频线依次连接，参考源通过射频线与鉴相器连接，微处理器则通过电导线与低通滤波器、可调光滤波器以及电移相器连接；
所述光放大器用于对输入的光信号进行放大；
所述光滤波器用于对放大后的光信号进行滤波，从而输出第一光信号；
所述光耦合器用于将第一光信号分为两路光信号L1和L2；
所述电光调制器用于将光信号L1调制上射频信号，从而输出第二光信号；
所述可调光滤波器在电信号M的控制下选择第二光信号的光谱范围以对其进行滤波，从而输出第三光信号；
所述色散器件用于对第三光信号产生延时后将其输入至光放大器；
所述光电探测器用于将光信号L2转换成电信号；
所述带通滤波器用于对电信号进行带通滤波；
所述电放大器用于对滤波后的电信号进行放大；
所述电功分器用于将放大后的电信号分为电信号E1、E2和E3，其中电信号E3为系统的输出结果；
所述电移相器在电信号N的控制下对电信号E1进行移相，从而得到所述射频信号；
所述可编程小数分频器用于对电信号E2进行分频；
所述参考源用于产生参考信号；
所述鉴相器用于将分频后的电信号E2与参考信号进行鉴相，输出相差信号；
所述低通滤波器用于对相差信号进行低通滤波，输出误差信号；
所述微处理器根据误差信号和光纤激光环参数，通过计算与光纤激光腔匹配所需要的可调光滤波器的中心波长，从而生成电信号M用以控制可调光滤波器；同时微处理器根据误差信号和光电环路参数，计算出光电环路相位锁定误差量，从而生成电信号N用以控制电移相器。
进一步地，所述光放大器采用掺铒光纤放大器或半导体放大器。
进一步地，所述光滤波器采用光带通滤波器，带宽优选为1～4nm。
进一步地，所述可调光滤波器是一种可通过电压控制其中心波长的光滤波器件，优选采用可调梳状光滤波器。
进一步地，所述色散器件采用色散位移光纤或光纤光栅。
进一步地，所述参考源采用低相噪源，如恒温晶振或铷钟。
本发明利用锁相环将耦合型振荡器的振荡信号相位锁定到一个高稳参考源，从而产生低相噪声、高稳定的射频信号，通过改变可调小数分频器的分频比，实现振荡器输出频率的改变，利用可调光滤波器中心波长的调节，实现光纤激光器模式和锁定频率的同步匹配，从而实现振荡器的稳定输出；由于移相器和可调光滤波器的快速响应性能，本发明可以实现频率的高速可调，可适用于为无线通信、雷达、电子战等系统提供高质量快速可调的射频本振源。
附图说明
图1为本发明耦合型光电振荡信号产生器的结构示意图。
图2为本发明实施例中可调光滤波器的传输响应示意图。
图3为本发明实施例中可调光滤波器中心波长频移随电压变化的曲线图。图中：1—光放大器，2—光滤波器，3—光耦合器，4—电光调制器，5—可调光滤波器，6—色散器件，7—光电探测器，8—带通滤波器，9—电放大器，10—电功分器，11—电移相器，12—可编程小数分频器，13—鉴相器，14—参考源，15—低通滤波器，16—微处理器。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明频率可调的耦合型光电振荡信号产生器，包括光放大器1、光滤波器2、光耦合器3、电光调制器4、可调光滤波器5、色散器件6、光电探测器7、带通滤波器8、电放大器9、电功分器10、电移相器11、可编程小数分频器12、鉴相器13、参考源14、低通滤波器15、微处理器16。
其中光放大器1、光滤波器2、光耦合器3、电光调制器4、可调光滤波器5、色散器件6通过光纤依次连接，光耦合器3通过光纤与光电探测器7连接，光电探测器7、带通滤波器8、电放大器9、电功分器10、电移相器11、电光调制器4通过射频线依次连接，电功分器10、可编程小数分频器12、鉴相器13、低通滤波器15通过射频线依次连接，参考源14通过射频线与鉴相器13连接，微处理器16则通过电导线与低通滤波器15、可调光滤波器5以及电移相器11连接。
光放大器1用于放大输入的光信号，并输出放大后的光信号；光滤波器2用于选择通过的光谱范围，限制带外噪声，输出第一光信号；光耦合器3用于将第一光信号分为两路光信号L1和L2；电光调制器4用于将光信号L1调制上射频信号，输出第二光信号；可调光滤波器5在被电信号M控制下，用于选择第二光信号的光谱范围，输出第三光信号；色散位移器件6用于对第三光信号产生延时；光电探测器7用于将光信号L2转换成电信号；带通滤波器8用于对电信号进行带通滤波、选通；电放大器9用于对滤波后的电信号进行放大；电功分器10用于将放大后的电信号分为电信号E1、E2和E3，电信号E3为输出结果；电移相器11在被电信号N控制下，用于将电信号E1移相，从而得到所述的射频信号；可编程小数分频器12用于对电信号E2进行分频；参考源14用于产生参考信号；鉴相器13用于将分频后的电信号E2与参考信号进行鉴相，输出相差信号；低通滤波器15用于对相差信号进行低通滤波，输出误差信号；微处理器16根据误差信号和光纤激光环参数，通过计算与光纤激光腔匹配所需要的可调光滤波器的中心波长，从而生成电信号M用以控制可调光滤波器，根据误差信号和光电环路参数，计算出光电环路相位锁定误差量，从而生成电信号N用以控制电移相器。
本实施方式中光放大器1采用掺铒光纤放大器或者半导体放大器；光滤波器2采用光带通滤波器，带宽优选为1～4nm；可调光滤波器5是一种可通过电压控制其中心波长的器件，可采用可调梳状光滤波器，其传输响应特性如图2所示，其中心波长频移随电压变化特性如图3所示；色散器件6采用色散位移光纤或者光纤光栅；参考源14采用低相噪源，如恒温晶振或铷钟。
本实施方式光电振荡信号产生器的工作原理如下：
光放大器1输出的光通过光纤耦合进光滤波器2、光耦合器3、电光调制器4、可调光滤波器5和色散器件6，最终反馈回光放大器1构成光纤激光器腔。在光纤激光器腔中，光放大器1的自发辐射产生了最初的光信号，经过循环放大、选频，形成一系列光纵模。光纤激光腔产生的部分光信号经光耦合器3引出，由光电探测器7拍频形成射频信号，再进行带通滤波、射频放大后，又耦合至电光调制器4的射频调制端口，形成一个闭合的光电环路。光纤激光器腔的光纵模经光电探测器7拍频形成腔基频倍数的一组射频频率，由于光电环路中带通滤波器8的选通作用，只有少数的几个模式保留；但由于增益竞争，只有距离选出的激光纵模拍频频率最近的那个振荡模式才能获取足够的能量而维持稳定的振荡，这个振荡模式被反馈至电光调制器4来调制环形光纤激光器环路的增益，迫使光纤激光器进入谐波锁模状态。在谐波锁模作用下，光纤激光器环路中的纵模间隔变为与光电振荡器的振荡频率相同，不满足调制频率间隔的纵模均被抑制，此时光纵模之间的间隔就变为光纤激光腔固有模式间隔的整数倍，即耦合型振荡器振荡的条件除了相位、增益等，还需要满足振荡频率和光纤激光腔的模式匹配。
电功分器10、电移相器11、可编程小数分频器12、鉴相器13、参考源14、低通滤波器15和微处理器16构成了锁相环，锁相环将耦合型光电振荡器产生的射频信号相位和外置的高稳定参考源14相位锁定，使得耦合型光电振荡器产生的射频信号具有更优的相噪性能，同时具有更好的长期稳定性。耦合型光电振荡器的频率调节过程如下：改变可编程小数分频器12的分频比，该耦合型光电振荡器预锁定的振荡频率发生变化。微处理器16根据误差信号和光纤激光环参数，计算出光纤激光腔匹配所需要的的时延量，从而计算出所需要的可调光滤波器的中心波长，生成控制电信号M用以调节可调光滤波器5的中心波长，可调光滤波器5后的光经过色散器件6后产生新的时延，从而改变了光纤激光腔的基模，从而使锁定的新射频频率和光纤激光腔形成新的匹配，匹配后的光纤激光腔满足谐波锁模条件。微处理器16根据误差信号和光电环路参数，计算出光电环路相位锁定误差量，从而生成电信号N用以控制电移相器的相移量。在锁相环反馈控制下，光纤激光腔环路和光电环路参数将逐渐满足设定的振荡频率，最终整个耦合型光电振荡器将会锁定。当外界环境变化引起振荡器参数变化时，在锁相环的控制下，耦合型光电振荡器的信号相位将被锁定到和参考源14的相位一致；由于可调光滤波器5和锁相环的快速响应，耦合型光电振荡器可在微处理器16的控制下实现频率的高速调节。
上述对实施例的描述是为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创造性的劳动。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 (6)
1.一种频率高速可调的耦合型光电振荡信号产生器，其特征在于：包括光放大器、光滤波器、光耦合器、电光调制器、可调光滤波器、色散器件、光电探测器、带通滤波器、电放大器、电功分器、电移相器、可编程小数分频器、鉴相器、参考源、低通滤波器以及微处理器；其中：光放大器、光滤波器、光耦合器、电光调制器、可调光滤波器、色散器件通过光纤依次连接并形成环路，光耦合器通过光纤与光电探测器连接，光电探测器、带通滤波器、电放大器、电功分器、电移相器、电光调制器通过射频线依次连接，电功分器、可编程小数分频器、鉴相器、低通滤波器通过射频线依次连接，参考源通过射频线与鉴相器连接，微处理器则通过电导线与低通滤波器、可调光滤波器以及电移相器连接；
所述光放大器用于对输入的光信号进行放大；
所述光滤波器用于对放大后的光信号进行滤波，从而输出第一光信号；
所述光耦合器用于将第一光信号分为两路光信号L1和L2；
所述电光调制器用于将光信号L1调制上射频信号，从而输出第二光信号；
所述可调光滤波器在电信号M的控制下选择第二光信号的光谱范围以对其进行滤波，从而输出第三光信号；
所述色散器件用于对第三光信号产生延时后将其输入至光放大器；
所述光电探测器用于将光信号L2转换成电信号；
所述带通滤波器用于对电信号进行带通滤波；
所述电放大器用于对滤波后的电信号进行放大；
所述电功分器用于将放大后的电信号分为电信号E1、E2和E3，其中电信号E3为系统的输出结果；
所述电移相器在电信号N的控制下对电信号E1进行移相，从而得到所述射频信号；
所述可编程小数分频器用于对电信号E2进行分频；
所述参考源用于产生参考信号；
所述鉴相器用于将分频后的电信号E2与参考信号进行鉴相，输出相差信号；
所述低通滤波器用于对相差信号进行低通滤波，输出误差信号；
所述微处理器根据误差信号和光纤激光环参数，通过计算与光纤激光腔匹配所需要的可调光滤波器的中心波长，从而生成电信号M用以控制可调光滤波器；同时微处理器根据误差信号和光电环路参数，计算出光电环路相位锁定误差量，从而生成电信号N用以控制电移相器。
2.根据权利要求1所述的耦合型光电振荡信号产生器，其特征在于：所述光放大器采用掺铒光纤放大器或半导体放大器。
3.根据权利要求1所述的耦合型光电振荡信号产生器，其特征在于：所述光滤波器采用光带通滤波器，带宽为1～4nm。
4.根据权利要求1所述的耦合型光电振荡信号产生器，其特征在于：所述可调光滤波器为一种通过电压控制其中心波长的光滤波器件，其采用可调梳状光滤波器。
5.根据权利要求1所述的耦合型光电振荡信号产生器，其特征在于：所述色散器件采用色散位移光纤或光纤光栅。
6.根据权利要求1所述的耦合型光电振荡信号产生器，其特征在于：所述参考源为低相噪源，其采用恒温晶振或铷钟。
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2018
- 2018-10-10 CN CN201811177780.1A patent/CN109525244B/zh active Active
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