CN109768832B - 低噪声相干光学及射频频率标准同时解调装置 - Google Patents
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Abstract
一种低噪声相干光学及射频频率标准同时解调装置，包括锁相环、鉴相器、探测器、声光调制器、光耦合器、环形器、带通滤波器、频率参考电路、半导体激光器和电吸收调制器。本发明基于激光注入锁定和电吸收晶体的弗兰之‑克尔德什效应同时解调恢复光学和射频频率标准信号，将接收到的光载射频信号中的光学频率标准信号进行光谱净化和放大，并同时输出射频频率标准信号，通过使用两级光锁相环实现了输出信号和输入信号的高速、大动态范围相位锁定，保证了接收端光频和射频信号的低噪声输出，大大简化了频率融合传输系统的复杂度，提高了系统的传输精度。
Description
技术领域
本发明涉及频率标准信号传输技术领域，特别涉及一种低噪声光学频率标准及射频频率标准同时解调装置。
背景技术
频率标准的快速发展促进了基础物理、精密导航定位、雷达组网、移动通信、精密计量与测量等研究领域的重大进步。频率标准来源于输出射频频率的Cs或Rb喷泉钟，以及具有更高稳定度和不确定度的光学原子钟。
越来越多的光学原子钟的应用和研究使得光频传递技术和光钟比对技术成为近些年来的研究热点。但是仍然有很多科研、商业和工业的应用需要使用射频频率标准信号以便直接与他们的电学系统相连接。虽然使用飞秒光频梳可以将传递过来的光学频率标准信号转换为射频信号，但是光梳本身的成本很高，暂时无法广泛的使用。
同时传输光学频率标准和射频频率标准最常用的方法是通过强度调制将射频信号调制到光频信号上。但是在接收端需要对经强度调制的光频信号进行光谱净化，并且同时恢复出射频信号。
为了解决以上问题，“P.Krehlik,H.Schnatz,and L.Sliwczynski,"A HybridSolution for Simultaneous Transfer of Ultrastable Optical Frequency,RFFrequency,and UTC Time-Tags Over Optical Fiber,"IEEE Trans UltrasonFerroelectr Freq Control 64,1884-1890(2017)”通过将一个窄线宽光纤激光器锁在接收光频上，从而对接收到的光频信号进行光谱净化，但是其输出光频会受限于净化锁相环的锁相带宽，使得输出光频的稳定性劣化一个量级。并且窄线宽激光器的价格昂贵，大大增加了光频净化单元的成本。射频信号的恢复通过商用光电探测器来实现，但是随着传输射频频率的增加，探测器的成本也会大大的增加。
发明内容
本发明提出一种经济有效的低噪声相干光学及射频频率标准同时解调装置，基于激光注入锁定原理对经调制的光学频率标准信号进行光谱净化和放大，实现高质量解调恢复；基于弗兰之-克尔德什效应通过电吸收调制器恢复出传输的射频信号；通过使用高性能的光锁相环保证了光学频率标准信号和射频频率标准信号的低噪声输出。
本发明的技术解决方案如下：
一种低噪声相干光学及射频频率标准同时解调装置，其特点在于，包括第一光耦合器、声光调制器、光环形器、电吸收调制器、半导体激光器、第二光耦合器、第三光耦合器、探测器、带通滤波器、鉴相器、频率参考电路、第一锁相环、第二锁相环、偏置器；
所述的第一光耦合器的输入端接收到光学和射频频率标准信号后，通过该第一光耦合器的第二输出端口输出光学和射频频率标准信号，并经声光调制器的光学输入端口输入至声光调制器，通过声光调制器调制后，经该声光调制器的光学输出端输出至光环形器的第一端口，光环形器的第二端口的输出光经电吸收调制器的第一光学端口输入该电吸收调制器，并从该电吸收调制器的第二端口输入半导体激光器的光学端口，完成该半导体激光器的注入锁定，此时射频调制信号被抑制，光学频率标准信号的光谱被净化和放大；
所述的经半导体激光器注入锁定效应净化和放大后的光信号经光学端口输出至电吸收调制器的第二光学端口，在该电吸收调制器内与第一光学端口输入的光学和射频频率参考信号相干拍频，产生的射频信号经该电吸收调制器的射频端口输出给偏置器的射频第一端口，并从该偏置器的射频第二端口输出给用户使用，偏置器的直流输入端口输入负电压，用于控制输出给用户使用的射频信号的功率大小；
所述的经半导体激光器注入锁定效应净化和放大后的光信号经光学端口输出至电吸收调制器，并从电吸收调制器的第一光学端口输出的光信号依次经环形器的第二端口、第三端口和第二光耦合器的输入端输入第二光耦合器，该第二光耦合器将输入光分为二路，一路从第二光耦合器的第一输出端输出作为光谱净化和放大后的光学频率信号提供给用户使用，另外一路从第二光耦合器的第二输出端输出，和通过该第一光耦合器的第一输出端口输出的光学和射频频率信号在所述的第三光耦合器上合束后，经第三光耦合器的输出端输入到探测器的光学输入端口拍频产生射频信号，该射频信号从探测器的射频输出端口输出经带通滤波器输入鉴相器的第一鉴相端口，和频率参考电路输出到鉴相器的第二鉴相端口的频率参考信号比对后经由鉴相器的第一输出端口输出误差信号至第一锁相环，经该第一锁相环输出控制信号作用于声光调制器，从而驱动声光调制器进行频率调制，实现了输出信号和输入信号的高速相位锁定；鉴相器的第二输出端口输出误差信号至第二锁相环，经该第二锁相环输出控制信号作用于半导体激光器的温度调制口，从而对半导体激光器的工作温度进行控制，实现了输出信号和输入信号的大动态范围锁定。
所述的半导体激光器用于光学频率标准信号的光谱净化及功率放大；所述的电吸收调制器用于射频产生；通过使用两级光锁相环，保证了接收端光频和射频信号的低噪声输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)基于激光的注入锁定原理解调恢复光学频率信号，在锁定状态时，从激光器的输出特性和注入光频的特性相一致，并且其输出光谱中的调制边带会被抑制20-30dB，因此载波与一阶边带的载波边带比可以达到36dB，与二阶边带的载波边带比可以达到48dB，实现了光频信号的光谱净化。同时，光频标准信号实现了低噪声放大，放大增益大于60dB，并且不会劣化输入光频信号的频率稳定性(附加频率波动小于1mHz)。
2)使用电吸收调制器来解调恢复射频频率标准信号。通过对电吸收调制器输入光信号的偏振控制和直流偏置电压的幅度控制，可以实现光电转换响应度达到0.5-0.6A/W。并且其具有高带宽(大于20GHz)高线性动态范围等特性，经济有效，易于使用。
附图说明
图1是本发明低噪声相干光学及射频频率标准同时解调装置的结构示意图；
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1，图1是本发明低噪声相干光学及射频频率标准同时解调装置，由图可知，包括第一光耦合器11、声光调制器12、光环形器13、电吸收调制器14、半导体激光器15、第二光耦合器16、第三光耦合器17、探测器18、带通滤波器19、鉴相器20、频率参考电路21、第一锁相环22、第二锁相环23和偏置器24。第一光耦合器11的输入端111接收到光学和射频频率标准信号后，通过该第一光耦合器11的第二输出端口113输出光学和射频频率标准信号，并经声光调制器12的光学输入端口121输入至声光调制器12，通过声光调制器12调制后，经该声光调制器12的光学输出端122输出至光环形器13的第一端口131，光环形器13的第二端口132的输出光经电吸收调制器14的第一光学端口141输入该电吸收调制器14，并从该电吸收调制器14的第二光学端口142输入半导体激光器15的光学端口151，完成该半导体激光器15的注入锁定，此时射频调制信号被抑制，光学频率标准信号的光谱被净化和放大。
上述过程通过光谱净化和放大实现了光学频率标准信号的高质量解调恢复。在本发明的一个实施例中调制的射频频率标准信号为锁定在铷钟上的4GHz射频信号。声光调制器的中心频率为80MHz，模拟调制带宽为8MHz。使用的半导体激光器和电吸收调制器集成在单片光子集成电路上。在自由运转情况下，半导体激光器输出光线宽为1MHz，输出功率为5dBm。
所述的经半导体激光器15注入锁定效应净化和放大后的光信号经光学端口151输出至电吸收调制器14的第二光学端口142，在该电吸收调制器14内与第一光学端口141输入的光学和射频频率参考信号相干拍频，产生的射频信号经该电吸收调制器14的射频端口143输出给偏置器24的射频第一端口241，并从该偏置器24的射频第二端口242输出给用户使用，偏置器24的直流输入端口243输入负电压，用于控制输出给用户使用的射频信号的功率大小。
上述过程实现了射频信号的高质量解调恢复。在本发明的一个实施例中，输入的光功率为0dBm，电吸收调制器上加载-1V的偏置电压时，产生的射频信号为-14dBm。理论上产生射频信号功率的表达式如下：
其中m是调制深度，是注入EAM的光功率，R是DC相应度，Rd是负载阻抗。
所述的经半导体激光器15注入锁定效应净化和放大后的光信号经光学端口151输出至电吸收调制器14，并从电吸收调制器的第一光学端口141输出的光信号依次经环形器13的第二端口132、第三端口133和第二光耦合器16的输入端161输入第二光耦合器16，该第二光耦合器16将输入光分为二路，一路从第二光耦合器16的第一输出端162输出作为光谱净化和放大后的光学频率信号提供给用户使用，另外一路从第二光耦合器16的第二输出端163输出，和通过该第一光耦合器11的第一输出端口112输出的光学和射频频率信号在所述的第三光耦合器17上合束后，经第三光耦合器17的输出端171输入到探测器18的光学输入端口181拍频产生射频信号，该射频信号从探测器18的射频输出端口182输出经带通滤波器19输入鉴相器20的第一鉴相端口203，和频率参考电路21输出到鉴相器20的第二鉴相端口204的频率参考信号比对后经由鉴相器20的第一输出端口201输出误差信号至第一锁相环22，经该第一锁相环22输出控制信号作用于声光调制器12，从而驱动声光调制器12进行频率调制，实现了输出信号和输入信号的高速相位锁定，鉴相器20的第二输出端口202输出误差信号至第二锁相环23，经该第二锁相环23输出控制信号作用于半导体激光器15的温度调制口152，从而对半导体激光器15的工作温度进行控制，实现了输出信号和输入信号的大动态范围锁定。
上述过程输出了光谱净化后的光频信号，并且通过光锁相环技术消除了注入锁定过程引入的相位噪声。在本发明的一个实施例中，经过光谱净化后输出的光频信号的载波与一阶边带的载波边带抑制比可以达到36dB，载波与二阶边带的载波边带抑制比可以达到48dB，载波与三阶边带的载波边带抑制比可以达到60dB。通过光锁相环的作用，该接收机输出光频的2000s频率稳定性可以达到6.5×10-20，输出射频的2000s频率稳定性可以达到5.2×10-16，从而实现了光频信号和射频信号的低噪声输出。
Claims (2)
1.一种低噪声相干光学及射频频率标准同时解调装置，其特征在于，包括第一光耦合器(11)、声光调制器(12)、光环形器(13)、电吸收调制器(14)、半导体激光器(15)、第二光耦合器(16)、第三光耦合器(17)、探测器(18)、带通滤波器(19)、鉴相器(20)、频率参考电路(21)、第一锁相环(22)、第二锁相环(23)、和偏置器(24)；
所述的第一光耦合器(11)的输入端(111)接收到光学和射频频率标准信号后，通过该第一光耦合器(11)的第二输出端口(113)输出光学和射频频率标准信号，并经声光调制器(12)的光学输入端口(121)输入至声光调制器(12)，通过声光调制器(12)调制后，经该声光调制器(12)的光学输出端(122)输出至光环形器(13)的第一端口(131)，光环形器(13)的第二端口(132)的输出信号经电吸收调制器(14)的第一光学端口(141)输入该电吸收调制器(14)，并从该电吸收调制器(14)的第二光学端口(142)输入半导体激光器(15)的光学端口(151)，完成该半导体激光器(15)的注入锁定，此时射频调制信号被抑制，光学频率标准信号的光谱被净化和放大；
所述的经半导体激光器(15)注入锁定效应净化和放大后的光信号经光学端口(151)输出至电吸收调制器(14)的第二光学端口(142)，在该电吸收调制器(14)内与第一光学端口(141)输入的光学和射频频率参考信号相干拍频，产生的射频信号经该电吸收调制器(14)的射频端口(143)输出给偏置器(24)的射频第一端口(241)，并从该偏置器(24)的射频第二端口(242)输出给用户使用，偏置器(24)的直流输入端口(243)输入负电压，用于控制输出给用户使用的射频信号的功率大小；
所述的经半导体激光器(15)注入锁定效应净化和放大后的光信号经光学端口(151)输出至电吸收调制器(14)，并从电吸收调制器的第一光学端口(141)输出的光信号依次经光环形器(13)的第二端口(132)、第三端口(133)和第二光耦合器(16)的输入端(161)输入第二光耦合器(16)，该第二光耦合器(16)将输入光分为二路，一路从第二光耦合器(16)的第一输出端(162)输出经光谱净化和放大后的光学频率信号提供给用户使用，另外一路从第二光耦合器(16)的第二输出端(163)输出，和通过该第一光耦合器(11)的第一输出端口(112)输出的光学和射频频率信号在所述的第三光耦合器(17)中合束后，经第三光耦合器(17)的输出端(171)输入到探测器(18)拍频产生射频信号，该射频信号从探测器(18)的射频输出端口(182)输出经带通滤波器(19)输入鉴相器(20)的第一鉴相端口(203)，和频率参考电路(21)输出到鉴相器(20)的第二鉴相端口(204)的频率参考信号比对形成误差信号，经该误差信号由鉴相器(20)的第一输出端口(201)输出至第一锁相环(22)，经该第一锁相环(22)输出控制信号作用于声光调制器(12)，从而驱动声光调制器(12)进行频率调制，实现了输出信号和输入信号的高速相位锁定；所述的误差信号经鉴相器(20)的第二输出端口(202)输出至第二锁相环(23)，经该第二锁相环(23)输出控制信号作用于半导体激光器(15)的温度调制口(152)，从而对半导体激光器(15)的工作温度进行控制，实现了输出信号和输入信号的大动态范围锁定。
2.根据权利要求1所述的低噪声相干光学及射频频率标准同时解调装置，其特征在于，所述的半导体激光器(15)用于光学频率标准信号的光谱净化及功率放大；所述的电吸收调制器(14)用于射频产生；通过使用两级光锁相环，保证了接收端光频和射频信号的低噪声输出。
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