CN109616855A - 一种四倍频注入锁定光电振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四倍频注入锁定光电振荡器，包括：双平行马赫‑曾德尔调制器DPMZM，其一个射频输入端口连接单频注入信号；光源，用于向所述DPMZM提供光载波；光电探测器，其输入端通过光纤延迟线与DPMZM的输出端连接；移相器，用于对所述电信号相位进行调整；微波滤波器，用于对所述电信号进行滤波，其为通带在所述单频注入信号频率的四倍频率处的窄带滤波器；微波放大器，用于对所述电信号进行放大；功分器，用于将经过移相器、微波滤波器以及微波放大器之后的电信号分为两路，一路输入至所述DPMZM的另一个射频输入端口，另一路作为所述单频注入信号四倍频的振荡信号输出。本发明可实现注入信号四倍频的稳定输出，且结构简单，实现成本低。

Description

一种四倍频注入锁定光电振荡器

技术领域

本发明涉及一种光电振荡器(Optoelectronic Oscillator，简称OEO)，尤其涉及一种四倍频注入锁定光电振荡器。

背景技术

20世纪90年代，随着通信、信息行业的飞速发展，人类已经正式地进入了信息社会，海量的信息传输、处理都将成为科学技术进步的必然方向。同时，人类对于通信品质和准确度的期待也越来越高。为了适应高速通信和宽带通信的需求，人类对于电磁波频率和质量的要求也变得更加严格。然而，利用传统高速振荡产生的微波毫米波，其频谱纯度已经很难达到未来通信的需求。传统的高质量微波信号源几乎都采用了微波储能元件(如介质腔)或声储能元件(如石英振荡器)构成谐振腔。这些元件的频带有限，仅适于数吉赫兹以下频带，并且其频率品质因数积近似为常数。介质振荡器在低噪声、高频谱纯度或可调谐的条件下，表现往往不尽如人意。石英虽然可以获得品质因数(Q值)很高的稳定晶振，却不能直接得到高频信号。这时光电子技术的快速发展可以用来解决传统微波技术遇到的局限，微波光子技术应运而生。

微波信号的光学产生和处理是微波光子学最重要的研究内容之一，有着广泛的应用前景。利用光子学技术产生微波信号的方法主要有光学拍频法[Yao,Jianping."Microwave photonics."Journal of Lightwave Technology 27.3(2009):314-335.]，利用两组频率不同的线宽极窄的光源在光电探测器(Photodetector，PD)内部拍频产生微波，该信号的频率等于两个光源的频差，该方法可以产生射频信号的频率很高且具有可调谐性，但是这种方法对于两束光的相干度和稳定性有很高要求，光频的变化会导致微波信号的频率发生波动。相应地，光波的相位噪声也会转换成微波信号的相位噪声，降低了微波信号的频谱纯度。因此这种方法通常需要利用光锁相环、光注入锁定或光注入锁相法来控制激光器的频率稳定性。采用以上光学拍频方法产生的微波、毫米波信号一般用于无线收发机或者射电天文学等领域，这些领域对本振信号的频谱纯度要求不是太高，而像雷达、电子战系统或电子测量系统等，则对本振信号的频谱纯度即相位噪声、杂散抑制度等指标提出了更高要求。光电振荡器是一种可以产生超低相噪微波、毫米波信号的新型光生微波技术。其最大的优势在于它的低相位噪声特性以及较低的制作成本。它能产生频率从几个到上百吉赫兹，Q值高达10¹⁰，低相位噪声(工作频率为10GHz时，低于-140dBc/Hz@10kHz)的高品质信号并具有可调谐性和光、电两种输出，是一种非常理想的信号发生装置[X.Steve Yao,Lute Maleki.Optoelectronic microwave oscillator[J].J.Opt.Soc.Am.B,1996,13(8):1725～1735.]。

此后，光电振荡器的发展尤为迅速，其中主要有Weimin Zhou等提出了采用两个光电荡器的注入锁定方案[Weimin Zhou,Gregory Blasche.Injection-locked dual opto-electronic oscillator with ultra-low phase noise and ultra-low spurious level[J].IEEE Trans.on Microwave Theory and Techniques,2005,53(3):929～933.]，改进了双环路结构在抑制边模的同时不能有效利用长腔降低相位噪声的缺陷，但是该方案的系统结构比较复杂，成本为普通光电振荡器的两倍，系统体积也大，进而温度控制比较难，导致输出频率的稳定性较差；还有注入锁定到外部电振荡器方案[Fleyer M,Sherman A,Horowitz M,et al.Wideband-frequency tunable optoelectronic oscillator basedon injection locking to an electronic oscillator[J].Optics Letters,2016,41(9):1993.]，如图1所示，由于注入的影响虽然可以有效的抑制边模，但对注入信号的质量要求较高，且要求注入和输出信号频率相同，结构复杂，实现成本高。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种四倍频注入锁定光电振荡器，可实现注入信号四倍频的稳定输出，且结构简单，实现成本低。

本发明的四倍频注入锁定光电振荡器，包括：

双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM，其一个射频输入端口连接单频注入信号；光源，用于向所述DPMZM提供光载波；

光电探测器，其输入端通过光纤延迟线与DPMZM的输出端连接，用于将所述DPMZM的输出信号转换为电信号；

移相器，用于对所述电信号相位进行调整；

微波滤波器，用于对所述电信号进行滤波，其为通带在所述单频注入信号频率的四倍频率处的窄带滤波器；

微波放大器，用于对所述电信号进行放大；

功分器，用于将经过移相器、微波滤波器以及微波放大器之后的电信号分为两路，一路输入至所述DPMZM的另一个射频输入端口，另一路作为所述单频注入信号四倍频的振荡信号输出。

优选地，所述DPMZM中与单频注入信号连接的马赫-曾德尔调制器被设置为工作在最大传输点，与功分器连接的马赫-曾德尔调制器被设置为工作在线性点。

优选地，所述四倍频注入锁定光电振荡器满足以下条件：

4ω₀、E₀分别为无注入情形下该光电振荡器的自由振荡频率和幅度，E₁为单频注入信号的幅度，Q＝2πfT为光纤延迟线的品质因数，T为光纤延迟线的延时，Δω₀为自由振荡信号与单频注入信号的初始频率差。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明能够产生高性能的高频微波信号输出，由于DPMZM的使用，使得注入信号与输出信号相互耦合小以及抗外部干扰的优点，且结构简单，实现成本较低。此外，利用低频注入，可以实现低杂散，低相噪的高频稳定输出。同时由于系统移相器的使用，本发明可以产生可调谐振荡信号输出。

附图说明

图1为一种现有的注入锁定光电振荡器结构原理示意图；

图2为本发明四倍频注入锁定光电振荡器的基本结构示意图；

图3为本发明四倍频注入锁定光电振荡器的注入锁定原理示意图。

具体实施方式

针对现有技术的不足，本发明的思路是利用双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM,Dual-parallel Mach-Zehnder modulator)来构建光电振荡器，通过在光电环路中产生四倍频模式的正反馈振荡，一方面实现了频率为注入信号四倍的微波信号的高品质稳定输出，另一方面大幅简化了系统结构，降低了系统实现成本。由于DPMZM独特的双平行MZM结构，使得它既能做外部注入单元又能做振荡反馈环路终端。如图2所示，本发明的四倍频注入锁定光电振荡器包括：光源、DPMZM、光纤延时线、光电探测器、移相器、微波带通滤波器、微波放大器、功分器。DPMZM中的其中一个马赫-曾德尔调制器MZM-1的射频输入端口用于注入外部单频ω₀的信号，DPMZM中另一个马赫-曾德尔调制器MZM-2的射频输入端口与功分器的一个输出端连接，DPMZM的输出端通过光纤延时线与光电探测器连接，光电探测器的输出信号经过移相器、微波带通滤波器、微波放大器后进入功分器；功分器的另一个输出端即为光电振荡器的输出端。其中微波带通滤波器为通带在4ω₀处的窄带滤波器，用于滤除除了四倍频振荡模式以外的其他杂散模式。

需要说明的是，图2中微波放大器、移相器以及微波滤波器的先后次序可根据实际需要灵活调整。

假设输入到DPMZM的外部注入信号为：

x_in(t)＝E₁cos(ω₁t+θ₁) (1)

其中ω₁、E₁、θ₁分别为外部注入信号的频率、幅度、相位。

同时我们假设环路中振荡的信号为V_osc(t)，这里外部注入信号与环路振荡信号分别注入DPMZM的两个射频端口，并实现不同的载波调制。理想情况下，经过光电振荡器稳定后，假设重新调制在DPMZM的振荡信号为：

V_osc＝E₀cos(4ω₁t+θ₀) (2)

其中4ω₁、E₀、θ₀分别表示振荡信号的频率、幅度、相位。则此时的DPMZM的光输出端可以表示为：

其中E_c，ω_c是为激光器发出的光载波的幅度和频率。经过延时光纤τ后，上式可以变为：

这里令其中 分别为DPMZM对应射频端口的偏置电压工作点，为MZM-3的偏置电压工作点。调节MZM-1的直流偏压使其工作在最大传输点即MZM-2工作在线性点即并调节MZM-3的直流偏压使得cosσ＝0，则经过光电探测器(photodetector,PD)光电转换后的输出电流为：

为PD的响应度，α为光纤衰减系数。去除直接分量，通过Jacobi公式展开，可得：

通过微波放大器和滤波器的放大，滤波，展开式(6)，我们知道直流分量以及多余的频率分量都会被滤除，因此可以简化为：

从式(7)中可以看出，前一项是注入信号所带来的拍频信号，后一项是光电振荡器环路振荡的信号。可知，前一项可做后一项的注入锁定。

由上面的稳态推导，我们需要有三个前提条件：(1)外注入信号的频率必须与自由振荡频率非常接近，即ω₀/2Q>>Δω₀；(2)谐振腔的响应时间应该小于拍频周期T<<1/Δω₀；(3)外注入信号的幅度应远小于自由振荡信号幅度E₁/E₀<<1。稳态条件下，我们可以得出最大注入锁定范围：

因此可知其稳态条件：

图3给出了本发明实现注入锁定的原理图，光电振荡器中，由于DPMZM的调制非线性导致的增益竞争效应，会使注入谐振模的种子信号取得增益优势，而其他频率的信号被显著抑制。当谐振环路因增益压缩进入稳态时，这个注入谐振模的功率接近于环路总功率，成为主模；而其他谐振模在增益竞争中处于弱势，幅度远小于主模，成为杂散模，甚至被完全抑制。

Claims (3)

1.一种四倍频注入锁定光电振荡器，其特征在于，包括：

双平行马赫-曾德尔调制器DPMZM，其一个射频输入端口连接单频注入信号；

光源，用于向所述DPMZM提供光载波；

光电探测器，其输入端通过光纤延迟线与DPMZM的输出端连接，用于将所述DPMZM的输出信号转换为电信号；

移相器，用于对所述电信号相位进行调整；

微波滤波器，用于对所述电信号进行滤波，其为通带在所述单频注入信号频率的四倍频率处的窄带滤波器；

微波放大器，用于对所述电信号进行放大；

功分器，用于将经过移相器、微波滤波器以及微波放大器之后的电信号分为两路，一路输入至所述DPMZM的另一个射频输入端口，另一路作为所述单频注入信号四倍频的振荡信号输出。

2.如权利要求1所述四倍频注入锁定光电振荡器，其特征在于，所述DPMZM中与单频注入信号连接的马赫-曾德尔调制器被设置为工作在最大传输点，与功分器连接的马赫-曾德尔调制器被设置为工作在线性点。

3.如权利要求1所述四倍频注入锁定光电振荡器，其特征在于，其满足以下条件：

4ω₀、E₀分别为无注入情形下该光电振荡器的自由振荡频率和幅度，E₁为单频注入信号的幅度，Q＝2πfT为光纤延迟线的品质因数，T为光纤延迟线的延时，Δω₀为自由振荡信号与单频注入信号的初始频率差。