CN110034758B - 一种基于自振荡光学频率梳的注入锁定毫米波分频器及其分频方法 - Google Patents
一种基于自振荡光学频率梳的注入锁定毫米波分频器及其分频方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于自振荡光学频率梳的注入锁定毫米波分频器及其分频方法，分频器包括一光电混合振荡器，该光电混合振荡器的光链路中设置有光梳调制器，该光电混合振荡器的电链路中设置有带通滤波器；该光电混合振荡器中注入待分频的毫米波信号，该毫米波信号的中心频率为该带通滤波器中心频率的整数倍，该光电混合振荡器产生的光频梳边带与待变频信号的调制边带拍频输出基频信号，且该基频信号位于该光电混合振荡器的锁定带宽范围内。当在振荡环路中注入超谐波信号并锁定时，可实现该注入毫米波信号的分频功能，此分频器具有宽带、低相位噪声、大分频比的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于毫米波分频器及其分频方法。它是基于光电混合振荡器结构的自振荡光频梳实现的。该光频梳可通过时钟提取电路产生具有宽带、低相位噪声性能的基频振荡信号，当在振荡环路中注入超谐波信号并锁定时，可实现该注入毫米波信号的分频功能，此分频器具有宽带、低相位噪声、大分频比的特点，属于微波光子学领域。
背景技术
分频器是微波毫米波电路中的关键器件，其作用是将输入信号的频率实现整数倍或分数倍分频。高频低相位噪声的微波与毫米波分频器在频率综合器、雷达、无线通信等领域中有重要的应用。一般而言，电子学微波毫米波分频器主要采用两大类，一类是数字分频器，另一类是模拟分频器。数字分频器具有工作带宽受限的缺点，通常在GHz量级；模拟分频器很难做大分频系数。随着毫米波应用的快速发展，作为连接低频高稳参考信号和高频毫米波信号的桥梁，毫米波分频器的重要性也日益凸显出来，具有高频、低相位噪声、大分频比的毫米波分频器在各应用系统中显得尤为重要。
以下是一些已有的微波毫米波分频器技术：
如图1是基于LC振荡器的注入锁定分频器，当输入信号与LC振荡器的谐波成分交调输出位于振荡器的锁定带宽时，即可得到分频输出；
英特尔公司申请的中国发明专利申请，公开号为CN 104012004 A，该专利是基于频率计数器的数字分频器，通过计数器实现分频输出；
如图2是北京大学基于光电混合振荡器与YIG带通滤波器结构的分频器，由于调制器和光电探测器的非线性效应产生了谐波分量，当注入信号与振荡器的谐波分量交调成分位于振荡器的锁定带宽范围内时，实现了注入信号的分频，属于注入锁定分频器。
传统的基于LC振荡器的注入锁定分频器在高频范围较难实现较大分频比的分频器；传统的数字分频器虽然可以实现大的分频比，以及分数分频，但是带宽受限，工作频率通常是几个GHz,难以工作在更高的频率范围；基于光电混合振荡器中电光调制器和光电探测器非线性效应实现的分频器，由于产生高阶非线性效应较为困难，故也难以实现较大分频比的分频器。
发明内容
针对现有技术方案中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于光学频率梳置于光电混合振荡器结构的毫米波分频器及其分频方法。本方案适合高频、低相位噪声、大分频比的微波毫米波分频器的实现。本结构中的光频梳由于是将铌酸锂相位调制器置于法布里-珀罗腔中，射频驱动信号输入后可对输入的种子光进行多次重复调制，从而产生很宽的光谱，各光谱成分之间的频率间隔由射频驱动信号决定，宽谱是确保分频器能够工作在高频段，并实现大分频比的基础。此外，基于光电混合振荡器的结构产生的基频信号，具有高频低相位噪声的性能，也能对分频器的性能起到提升作用。
本发明的技术方案为：
一种基于自振荡光学频率梳的注入锁定毫米波分频器，其特征在于，包括一光电混合振荡器，该光电混合振荡器的光链路中设置有光梳调制器，该光电混合振荡器的电链路中设置有带通滤波器；该光电混合振荡器中注入待分频的毫米波信号，该毫米波信号的中心频率为该带通滤波器中心频率的整数倍，该光电混合振荡器产生的光频梳边带与待变频信号的调制边带拍频输出基频信号，且该基频信号位于该光电混合振荡器的锁定带宽范围内。
进一步的，该光电混合振荡器包括一光梳调制器，其信号输入端与一激光器连接，用于接收该激光器注入的种子光，其信号输出端与一光放大器连接，用于将输出信号输入该光放大器进行放大；该放大器经一光纤耦合器分别与一段长度为L1、一段长度为L2的单模光纤连接，两光电探测器分别用于探测通过两单模光纤的光信号，将光信号转化为电信号并输入到一微波功率合成器的输入端；该微波功率合成器的输出端经一放大器、该带通滤波器与一微波定向耦合器输入端连接，该微波定向耦合器的输出端依次经功率放大器、微波功率合成器、T型偏置器与该光梳调制器的射频驱动端口连接；其中，该T型偏置器的两个输入端口分别为交流输入端口和直流偏置端口，直流偏置端口与直流输入端连接，其输出端与光梳调制器的射频驱动端口连接；该微波定向耦合器的另一输出端口作为微波信号输出端口；待分频的毫米波信号通过该微波功率合成器中的一个输入端口向振荡环路注入毫米波信号。
进一步的，L1至少为L2的10倍。
进一步的，所述光放大器为掺铒光纤放大器。
进一步的，所述光纤耦合器为50:50的光纤耦合器。
一种基于自振荡光学频率梳的注入锁定毫米波分频器的分频方法，其特征在于，首先调整光电混合振荡器产生光频梳；然后在该光电混合振荡器中注入待分频的毫米波信号；其中，该光电混合振荡器的光链路中设置有光梳调制器，该光电混合振荡器的电链路中设置有带通滤波器；该毫米波信号的中心频率为该带通滤波器中心频率的整数倍；当光频梳边带与该毫米波信号的调制边带拍频输出基频信号，且该基频信号位于振荡器的锁定带宽范围内时，实现注入锁定分频输出。
进一步的，该光放大器经一第一光纤耦合器与所述光纤耦合器连接，该第一光纤耦合器的一输出端与光谱仪连接，用于监测产生的光频梳和分频输出的微波信号。
进一步的，该微波定向耦合器作为微波信号输出的端口与一电谱仪连接，用于监测产生的微波信号。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
1.本发明中基于光电混合振荡器产生的光频梳具有较宽的光谱，也即是具有多个固定频率间隔的光谱成分，它的相应边带与待变频信号的调制边带拍频输出基频信号，当该信号位于振荡器的锁定带宽范围内时，实现注入锁定分频输出，可得到较大分频系数；
2.本发明中由于振荡器是基于光电混合振荡器的结构，该结构在高频偏处具有极低相位噪声的性能，且相位噪声性能与频率无关，因此可以改善分频器的相位噪声性能。
附图说明
图1为基于LC振荡器的注入锁定分频器原理图；
图2为基于光电振荡器结构和YIG带通滤波器结构可变分频比的分频器；
图3为本发明方案的原理图；
图4为本发明方案实验中，光谱仪测得的光频梳光谱图；
图5为本发明方案实验中，45GHz注入信号分频输出到7.5GHz的电谱图；
图6为本发明方案实验中，测量得到的相位噪声对比图，分别是45GHz毫米波信号、光电混合振荡器产生的7.5GHz自由振荡信号，以及45GHz信号注入锁定后的6分频输出微波信号。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的方案进行进一步详细描述。
本发明的方案原理如图3所示。整个结构由光链路和电链路构成，形成一个闭合的环路。稳定的高功率激光器输出连续的种子光，注入到光梳调制器，该光梳调制器是是日本公司OptoComb的产品，型号为OptoComb WTEC-01-25，它是将铌酸锂相位调制器置于法布里-珀罗腔当中构成，法布里-珀罗腔是通过在铌酸锂调制器的两个端面镀高反膜实现。由于光梳调制器的插损较大，其输出光信号经过掺饵光纤放大器进行放大，放大后的光信号送入5:95的光耦合器1，5％的光信号用于监测光谱的形状，95％的光信号输入到50:50的光耦合器2，光耦合器2的的两个输出端分别输入到两段不同长度的光纤，长光纤的长度要求至少是短光纤的10倍，用于抑制副振荡模式的产生，使得自由振荡的信号更为稳定，本例中选取的光纤长度分别为100米和2米。该单模光纤的功能是增大信号的传输时延，用于提高整个光电振荡环路的品质因数，该单模光纤越长品质因数越高，但同时会引入额外的噪声，也会降低注入锁定分频器的锁定带宽，具体的长度需要优化，才能更好地确保锁定带宽和相位噪声性能的兼顾。两个光电探测器分别用于探测通过两路单模光纤的光信号，将光信号转化为电信号。两个光电探测器输出的电信号通过50:50的微波功率合成器1合并到一起，该合并后的信号经过低噪声电放大器的放大，低噪声放大器可以降低热噪声对信号的影响，确保足够的电信号功率。经过低噪声放大器放大后的电信号，通过电带通滤波器的选频，选取与其中心频率对应的电信号。经过电带通滤波器选频的电信号依次经过微波定向耦合器(10:90)、功率放大器、微波功率合成器2、T型偏置器、光梳调制器的射频驱动端口，从而构成一个完整的振荡环路。其中，功率放大器作为末级放大，用于增大信号的幅度，提供足够的环路增益；T型偏置器的两个输入端口分别为交流输入端口和直流偏置端口，直流偏置端口与直流输入端连接，其输出端与光梳调制器的射频驱动端口连接。微波定向耦合器用于连接环路的同时，它的10％输出端口连接电谱仪，用于对产生的微波信号的监测。对于微波功率合成器2，待分频的毫米波信号通过微波功率合成器中的一个输入端口向振荡环路注入毫米波信号，该毫米波信号由商用射频源产生，其近端相位噪声优于光电振荡器，其频率为电带通滤波器中心频率的整数倍，输入的毫米波信号可对光电混合振荡器的振荡信号实现注入锁定功能，从而实现分频输出。
具体过程是：假设光电混合器自由振荡的角频率为ωFREE，注入毫米波信号的角频率为ωINJ则光梳调制器总的输出电场为
式(1)中R是调制器两个端面高反膜的功率反射系数，A0是输入种子光的幅度，β1,β2分别是相位调制器工作在频率ωFREE,ωINJ时对应的调制指数，该调制指数定义为β1＝(V1/Vπ)·π,β2＝(V2/Vπ)·π,V1,V2,Vπ分别是自由振荡信号对光梳调制器的驱动电压，注入毫米波信号对光梳调制器的驱动电压，光梳调制器的半波电压。
令γ＝β1sin(ωFREEt)+β2sin(ωINJt)，则光梳调制器输出的总的光强为
式(2)中
为
的共轭场，I0为输入光梳调制器的光功率。同时，对cosγ进行展开可得
式(3)中，Jn表示n阶第一类贝塞尔函数。
由于光电混合振荡器中的电带通滤波器可滤除高频项和直流项，因此式(3)中的高频项与直流项不用考虑。自由振荡时光电振荡器的锁定带宽定义为
式(4)中IINJ,IFREE分别是注入毫米波信号的功率和自由振荡信号的功率，Q是光电振荡器的品质因数。
由于ωINJ≈NωFREE,N≥2，假设ωINJ＝NωOSC,ωOSC＝ωFREE+△ω,当△ω≤ωLOCK时，式(3)可进一步推导为
忽略注入毫米波信号的谐波成分，只考虑一阶调制边带,则式(5)可以简化为式(6)
cosγ＝2J1(β2)·[JN-1(β1)+JN+1(β1)]·cos(ωOSCt), (6)
把式(6)带入式(2)，并且不考虑高频项，可得出光电探测器输出的光电流强度为
式(7)中η为光电探测器的响应度。
通过式(7)可得出，通过注入毫米波信号实现了自由振荡光电混合振荡器的频率牵引，同时由于ωINJ＝NωOSC，当注入并锁定时，即实现了注入毫米波信号的N分频。
根据参考文献S.Kalia,M.Elbadry,B.Sadhu,S.Patnaik,J.Qiu and R.Harjani,"A simple,unified phase noise model for injection-locked oscillators,"2011IEEERadio Frequency Integrated Circuits Symposium,Baltimore,MD,2011,pp.1-4，可给出本发明中分频输出信号的相位噪声如式(8)所示
其中
IINJ,IFREE分别是注入毫米波信号的功率和自由振荡信号的功率，α是注入毫米波信号与自由振荡信号的相位差，Q是光电振荡器的品质因数，LINJ(△ω),LFREE(△ω)分别是注入毫米波信号的相位噪声和自由振荡光电混合振荡器的相位噪声。
由式(8)可知，N分频输出信号的近频偏相位噪声由输入信号决定，远频偏相位噪声由光电混合振荡器决定。
为了验证方案的有效性，本发明在实验中实现了一个45GHz毫米波信号的6分频，即分频输出信号为7.5GHz。由于光梳调制器中法布里-玻罗腔的自由光谱范围FSR为2.5GHz，则自由振荡光电混合振荡器中带通滤波器的中心频率选择为2.5GHz的整数倍，这样可以确保光梳调制器可输出最大的光谱带宽。本例选取的带通滤波器中心频率为7.5GHz，3dB带宽为2MHz，也即是自由振荡光电混合振荡器的频率为7.5GHz。本例中注入的毫米波信号频率为45GHz,功率在-15dBm到-5dBm之间。
45GHz的毫米波信号通过微波功率合成器2注入时，其可以与邻近的边带(自由振荡OEO信号的±5阶和±7阶边带)，拍频输出到7.5GHz,当其该拍频输出的信号位于光电混合振荡器的自由振荡信号的锁定带宽内时，即可实现锁定，此时输入信号与输出信号具备相位锁定关系。该锁定带宽由如下几方面决定：自由振荡OEO的品质因数、注入毫米波信号与环路中本振信号强度的比值，以及分频比共同决定。其中，分频输出信号的近频偏相位噪声由输入信号决定，远频偏相位噪声由光电混合振荡器决定。当光电振荡器稳定振荡时，光耦合器1的5％输出端口，微波定向耦合器10％的输出端口，可分别观测到低相位噪声的光频梳和分频输出的微波信号。
结构图3中光谱仪监测到的光谱如图4所示。光谱关于种子激光器的中心波长具有对称边带，梳齿间的频率间隔为7.5GHz，与电滤波器的中心频率一致，根据不同分频系数的需要，可以选择不同中心频率的电带通滤波器实现梳齿间隔的调整。激光器中心波长左右的边带数均大于6阶。其中，实线为光电混合振荡器自由振荡时的光谱图，虚线为45GHz毫米波信号注入时的光谱图，在6阶边带处和更高阶边带处观测到光谱强度的增大。
结构图3中电谱仪监测到的电谱如图5所示。本例中设置电谱仪的测试频率范围为10MHz,分辨率带宽9.1kHz时，观测到未注入参考源信号时输出的振荡信号如图5中的实线所示，注入45GHz毫米波信号锁定后输出的振荡信号如图5中的虚线所示，两图对比可知，注入信号后对应的分频输出信号较自由振荡信号有一定的频率偏移，是由于注入的毫米波信号对自由振荡信号频率牵引的结果，该输出信号的频率与注入毫米波信号的频率保持严格的1/6的关系。此外，采用本发明中的结构，分频输出信号的近载波处的边模也有一定程度地降低。
通过信号源分析仪可以测试电信号的单边带相位噪声，结构图3中注入的45GHz毫米波信号对应的相位噪声图如图6中虚线所示，未注入毫米波信号时环路的振荡输出信号对应的相位噪声如图6中的细实线所示，注入毫米波信号并且锁定时环路的振荡输出信号(分频输出信号)对应的相位噪声如图6中粗实线所示。通过对比可知，注入毫米波信号并锁定后，分频输出信号的性能得到了改善，其中锁定带宽之内的相位噪声，受益于注入毫米波信号的近载波端噪声较低(商用射频源在低频偏处的相位噪声优于光电混合振荡器产生的射频信号的相位噪声)；锁定带宽之外的相位噪声性能受益于光电振荡环路的极高品质因子，因此有效地优化了分频输出信号的低频偏和高频偏处的相位噪声性能。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。
Claims (8)
1.一种基于自振荡光学频率梳的注入锁定毫米波分频器，其特征在于，包括一光电混合振荡器，该光电混合振荡器的光链路中设置有光梳调制器，该光电混合振荡器的电链路中设置有带通滤波器；该光电混合振荡器中注入待分频的毫米波信号，该毫米波信号的中心频率为该带通滤波器中心频率的整数倍，该光电混合振荡器产生的光频梳边带与待变频信号的调制边带拍频输出基频信号，且该基频信号位于该光电混合振荡器的锁定带宽范围内；其中该光电混合振荡器包括该光梳调制器，其信号输入端与一激光器连接，用于接收该激光器注入的种子光，其信号输出端与一光放大器连接，用于将输出信号输入该光放大器进行放大；该放大器经一光纤耦合器分别与一段长度为L1、一段长度为L2的单模光纤连接，两光电探测器分别用于探测通过两单模光纤的光信号，将光信号转化为电信号并输入到一微波功率合成器的输入端；该微波功率合成器的输出端经一放大器、该带通滤波器与一微波定向耦合器输入端连接，该微波定向耦合器的输出端依次经功率放大器、微波功率合成器、T型偏置器与该光梳调制器的射频驱动端口连接；其中，该T型偏置器的两个输入端口分别为交流输入端口和直流偏置端口，直流偏置端口与直流输入端连接，其输出端与光梳调制器的射频驱动端口连接；该微波定向耦合器的另一输出端口作为微波信号输出端口；待分频的毫米波信号通过该微波功率合成器中的一个输入端口向振荡环路注入毫米波信号。
2.如权利要求1所述的注入锁定毫米波分频器，其特征在于，L1至少为L2的10倍。
3.如权利要求1所述的注入锁定毫米波分频器，其特征在于，所述光放大器为掺铒光纤放大器。
4.如权利要求2所述的注入锁定毫米波分频器，其特征在于，所述光纤耦合器为50:50的光纤耦合器。
5.一种基于自振荡光学频率梳的注入锁定毫米波分频器的分频方法，其特征在于，首先调整光电混合振荡器产生光频梳；然后在该光电混合振荡器中注入待分频的毫米波信号；其中，该光电混合振荡器的光链路中设置有光梳调制器，该光电混合振荡器的电链路中设置有带通滤波器；该毫米波信号的中心频率为该带通滤波器中心频率的整数倍；当光频梳边带与该毫米波信号的调制边带拍频输出基频信号，且该基频信号位于振荡器的锁定带宽范围内时，实现注入锁定分频输出；其中该光电混合振荡器包括该光梳调制器，其信号输入端与一激光器连接，用于接收该激光器注入的种子光，其信号输出端与一光放大器连接，用于将输出信号输入该光放大器进行放大；该放大器经一光纤耦合器分别与一段长度为L1、一段长度为L2的单模光纤连接，两光电探测器分别用于探测通过两单模光纤的光信号，将光信号转化为电信号并输入到一微波功率合成器的输入端；该微波功率合成器的输出端经一放大器、该带通滤波器与一微波定向耦合器输入端连接，该微波定向耦合器的输出端依次经功率放大器、微波功率合成器、T型偏置器与该光梳调制器的射频驱动端口连接；其中，该T型偏置器的两个输入端口分别为交流输入端口和直流偏置端口，直流偏置端口与直流输入端连接，其输出端与光梳调制器的射频驱动端口连接；该微波定向耦合器的另一输出端口作为微波信号输出端口；待分频的毫米波信号通过该微波功率合成器中的一个输入端口向振荡环路注入毫米波信号。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，L1至少为L2的10倍。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，该光放大器经一第一光纤耦合器与所述光纤耦合器连接，该第一光纤耦合器的一输出端与光谱仪连接，用于监测产生的光频梳和分频输出的微波信号。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，该微波定向耦合器作为微波信号输出的端口与一电谱仪连接，用于监测产生的微波信号。
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