CN110429452A - 一种双环宽带可调谐光电振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双环宽带可调谐光电振荡器，利用注入锁相结构，将主环振荡信号与可调谐低频本振信号源混频，通过可调谐滤波器和放大器，对有用混频频率分量放大；有用混频分量作为从环的参考信号和注入信号，使从环振荡信号的频率为固定频率参考源与可调谐低频本振信号源的频率之和，从环振荡信号与可调谐低频本振信号源混频后注入主环，利用主环中的窄带滤波器抑制主环振荡频率之外的其他杂散信号，系统输出信号为从环的振荡信号。本发明利用上述双环变频互注入结构，通过对可调谐低频本振信号源进行调谐，可以产生低杂散、低相位噪声、宽带可调谐的微波信号。

Description

一种双环宽带可调谐光电振荡器

技术领域

本发明属于光电子和微波技术领域，尤其涉及一种双环宽带可调谐光电振荡器。

背景技术

传统的宽带可调谐微波信号源大多采用频率综合器或YIG(钇铁石榴石)振荡器。频率综合器输出信号的频率准确，可实现精确调谐，但是随着信号频率的增加，输出信号的相位噪声会显著恶化；YIG振荡器能够产生可调谐的微波信号，但其相位噪声较大。

光电振荡器利用长光纤，传输损耗0.2dB/km，与微波器件联合使用，可以实现高Q值的光电混合环形谐振腔，产生超低相位噪声的振荡信号，并且振荡信号的相位噪声具有随振荡频率的增加而不显著恶化的优点，在通信，军事等领域有广泛的应用前景。

目前主要研究报道的光电振荡器，其振荡频率大多为固定频率。为了充分利用光电振荡器的高Q值、低相位噪声，国内外很多专家学者开展了可调谐光电振荡器的研究。现有的可调谐光电振荡器，存在输出信号不能精准调节输出信号的频率，振荡信号的杂散谐振模式不能被很好的抑制，频率不稳定等问题。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种双环宽带可调谐光电振荡器，基于双环变频互注入和锁相环结构，通过调谐低频本振信号源进行输出信号频率的调谐，产生低杂散、低相位噪声、宽带可调谐的微波信号。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种双环宽带可调谐光电振荡器，包括主光电谐振环、从光电谐振环、固定频率参考源、可调谐低频本振信号源、变频组件、第一锁相环控制电路、第二锁相环控制电路、第一功分器、第二功分器、可调谐滤波器、第三放大器、第四功分器、第五功分器；

固定频率参考源连接第一功分器、第一功分器B端口输出信号注入到主光电谐振环，第一功分器A端口连接第一锁相环控制电路R端口，主光电谐振环中第二耦合器C端口连接第二功分器，第二功分器A端口连接第一锁相环控制电路O端口，第一锁相环控制电路输出端连接主光电谐振环中的第一压控移相器；第二功分器B端口输出信号与可调谐低频本振信号源利用变频组件实现上变频，变频输出信号连接可调谐滤波器，可调谐滤波器输出端连接第三放大器，第三放大器输出端连接第四功分器，第四功分器A端口连接第二锁相环控制电路Q端口；从光电谐振环中第五耦合器C端口连接第五功分器，第五功分器B端口连接第二锁相环控制电路P端口，第二锁相环控制电路输出端连接从光电谐振环中第二压控移相器；第五功分器A端口连接变频组件，与可调谐低频本振信号源下变频后，在主光电谐振环中第一耦合器C端口注入主光电谐振环。

进一步地，主光电谐振环包括：第一激光器、第一电光调制器、第一光延时线、第一光电探测器、第一放大器、第一耦合器、窄带滤波器、第二放大器、第二耦合器、第一压控移相器、第三耦合器；

第一激光器输出端连接第一电光调制器，第一电光调制器输出端通过第一光延时线连接第一光电探测器，第一光电探测器将光信号转换为电信号输出，第一光电探测器输出端连接第一放大器，第一放大器连接第一耦合器T端口，第一耦合器I端口连接窄带滤波器，窄带滤波器输出端连接第二放大器，第二放大器输出端连接第二耦合器I端口，第二耦合器T端口连接第一压控移相器，第一压控移相器输出端连接第三耦合器T端口，第三耦合器I端口连接第一电光调制器的微波输入端口。

进一步地，从光电谐振环包括：第二激光器、第二电光调制器、第二光延时线、第二光电探测器、第四耦合器、滤波器、第四放大器、第五耦合器、第二压控移相器、第五放大器、第六耦合器；

第二激光器输出端连接第二电光调制器，第二电光调制器输出端通过第二光延时线连接第二光电探测器，第二光电探测器将光信号转换为电信号输出，第二光电探测器输出端连接第四耦合器T端口，第四耦合器I端口连接滤波器，滤波器输出端连接第四放大器，第四放大器输出端连接第五耦合器I端口，第五耦合器T端口连接第二压控移相器，第二压控移相器输出端连接第五放大器，第五放大器输出端连接第六耦合器I端口，第六耦合器T端口连接第二电光调制器的微波输入端口。

进一步地，变频组件包括第三功分器、第一混频器、第二混频器；第三功分器A端口连接第一混频IF端口，第三功分器B端口连接第二混频IF端口。

可调谐低频本振信号源输出端连接变频组件中第三功分器；第二功分器B端口连接变频组件中第一混频器LO端口；变频组件中第一混频器RF端口连接可调谐滤波器；第五功分器A端口连接变频组件中第二混频器LO端口，变频组件中第二混频器RF端口连接主环振荡器中第一耦合器C端口。

进一步地，第一光延时线和第二光延时线的延时量不同。

进一步地，第一光延时线和第二光延时线为往返式光纤延时结构或光学慢波结构。

进一步地，利用主环振荡信号或者固定频率参考源与可调谐低频本振信号源混频产生的和频信号对从环进行注入锁相控制。

进一步地，利用主环振荡信号或者固定频率参考源与可调谐低频本振信号源混频产生的差频信号对从环进行注入锁相控制。

有益效果：本发明利用两个谐振频率不同且互注入的光电谐振环，可以充分地抑制杂散频率；主环与从环的振荡频率不同，便于在主环及从环分别实现注入锁相，提升系统的稳定性；输出微波信号的频率可以通过可调谐低频本振信号源进行精确调谐；从环输出的微波信号利用注入锁相结构，其频偏大于锁相带宽的相位噪声由光电振荡器自身决定，不受固定频率参考源和可调谐低频本振信号源的影响。

附图说明

图1是双环宽带可调谐光电振荡器结构示意图；

图2是主光电谐振环结构示意图；

图3是从光电谐振环结构示意图；

图4是变频组件结构示意图；

图5是耦合器工作方式示意图，a是耦合器耦合输出工作模式，b是耦合器合波工作模式；

图6是往返式光链路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示，本发明所述的双环宽带可调谐光电振荡器，包括第一激光器1，第一电光调制器2，第一光延时线3，第一光电探测器4，第一放大器5，第一耦合器6，窄带滤波器7，第二放大器8，第二耦合器9，第一压控移相器10，第三耦合器11，固定频率参考源12，第一功分器13，第一锁相环控制电路14，第二功分器15，可调谐低频本振信号源16，第三功分器17，第一混频器18，可调谐滤波器19，第三放大器20，第四功分器21，第二激光器22，第二电光调制器23，第二光延时线24，第二光电探测器25，第四耦合器26，滤波器27，第四放大器28，第五耦合器29，第二压控移相器30，第五放大器31，第六耦合器32，第二锁相环控制电路33，第五功分器34，第二混频器35。

如图1所示，本发明所述的双环宽带可调谐光电振荡器，包括主光电谐振环、从光电谐振环、固定频率参考源12、可调谐低频本振信号源16、变频组件、第一锁相环控制电路14、第二锁相环控制电路33、第一功分器13、第二功分器15、可调谐滤波器19、第三放大器20、第四功分器21、第五功分器34。

利用固定频率参考源12输出端连接第一功分器13，第一功分器13的B端口连接第三耦合器11的C端口，将固定频率参考源12输出信号注入主光电谐振环；第一功分器13的A端口连接第一锁相环控制电路14的R端口，第二耦合器9的C端口连接第二功分器15，第二功分器15的A端口连接第一锁相环控制电路14的O端口，第一锁相环控制电路14输出端连接第一压控移相器10控制端，利用固定频率参考源12对主光电谐振环锁相控制，从而实现固定频率参考源12对主光电谐振环的注入锁相控制。

第二功分器15的B端口连接第一混频器18的LO端口；可调谐低频本振信号源16输出端连接第三功分器17，第三功分器17的A端口连接第一混频器18的IF端口，第一混频器18的RF端口连接可调谐滤波器19；通过可调谐滤波器19将主光电谐振环产生的振荡信号与可调谐低频本振信号源16混频产生的上变频分量滤出。

可调谐滤波器19的输出端连接第三放大器20，第三放大器20输出端连接第四功分器21，第四功分器21的B端口连接从环中第四耦合器26的C端口，将信号注入从光电谐振环。第四功分器21的A端口连接第二锁相环控制电路33的Q端口，从环中第五耦合器29的C端口连接第五功分器34，第五功分器34的B端口连接第二锁相环控制电路33的P端口，第二锁相环控制电路33输出端连接第二压控移相器30控制端，实现对从光电谐振环的锁相控制，从而实现对从光电谐振环的注入锁相控制。

第五功分器34的A端口连接第二混频器35的LO端口，第三功分器17的B端口连接第二混频器35的IF端口，第二混频器35的RF端口连接主环中第一耦合器6的C端口；即将从光电谐振环产生的振荡信号下变频后注入主光电谐振环。

通过可调谐低频本振信号源16分别与主环振荡信号和从环振荡信号混频，混频结果注入另一个谐振环；从光电谐振环中第六耦合器32的C端口为可调谐微波信号输出端口。本发明通过调节可调谐低频本振信号源16的输出频率，实现对系统输出信号频率的精准调谐。

如图2所示，主光电谐振环包括第一激光器1、第一电光调制器2、第一光延时线3、第一光电探测器4、第一放大器5、第一耦合器6、窄带滤波器7、第二放大器8、第二耦合器9、第一压控移相器10、第三耦合器11。

第一激光器1输出连续光信号，进入第一电光调制器2，第一电光调制器2将微波信号调制到光载波上，并设置第一电光调制器2的工作点使微波基频分量损耗最低。第一电光调制器2输出的被调制的光信号经过第一光延时线3传输到第一光电探测器4，第一光电探测器4将调制的微波信号解调出来并输入第一放大器5。第一放大器5输出端连接第一耦合器6的T端口，第一耦合器6的I端口连接窄带滤波器7，窄带滤波器7输出端连接第二放大器8，第二放大器8输出端连接第二耦合器9的I端口，第二耦合器9的T端口连接第一压控移相器10，第一压控移相器10输出端连接第三耦合器11的T端口，第三耦合器11的I端口连接第一电光调制器2的微波输入端口，形成主光电谐振环。

如图3所示，从光电谐振环包括第二激光器22、第二电光调制器23、第二光延时线24、第二光电探测器25、第四耦合器26、滤波器27、第四放大器28、第五耦合器29、第二压控移相器30、第五放大器31、第六耦合器32。

第二激光器22输出连续光信号，进入第二电光调制器23，第二电光调制器23将微波信号调制到光载波上，并设置第二电光调制器23的工作点使微波基频分量损耗最低。第二电光调制器23输出端通过第二光延时线24连接第二光电探测器25，第二光电探测器25将光信号转换为电信号，在第二光电探测器25的输出端连接第四耦合器26的T端口。第四耦合器26的I端口连接滤波器27，滤波器27输出端连接第四放大器28，第四放大器28输出端连接第五耦合器29的I端口，第五耦合器29的T端口连接第二压控移相器30，第二压控移相器30输出端连接第五放大器31，第五放大器31输出端连接第六耦合器32的I端口，第六耦合器32的T端口连接第二电光调制器23的微波输入端口，形成从光电谐振环。

如图4所示，变频组件包括第三功分器17、第一混频器18、第二混频器35；第三功分器A端口连接第一混频IF端口，第三功分器B端口连接第二混频IF端口。

可调谐低频本振信号源16输出端连接变频组件中第三功分器17；第二功分器B端口连接变频组件中第一混频器LO端口；变频组件中第一混频器RF端口连接可调谐滤波器19；第五功分器A端口连接变频组件中第二混频器LO端口，变频组件中第二混频器RF端口连接主环振荡器中第一耦合器C端口。

耦合器有两种工作方式，如图5所示，(a)中信号由耦合器I端口与输入，从T端口和C端口输出，C端口为耦合输出端口，C端口输出功率比T端口输出功率低；(b)中耦合器将T端口输出信号和C端口输入信号合波，合波产生的信号从I端口输出。

根据上述配置，可以实现主光电谐振环与从光电谐振环的稳定振荡。利用主环振荡信号与可调谐低频本振信号源16混频产生的和频信号对从环进行注入锁相控制；该和频信号也可以由固定频率参考源12与可调谐低频本振信号源16混频产生。利用主环振荡信号或者固定频率参考源12与可调谐低频本振信号源16混频产生的差频信号对从环进行注入锁相控制。

当第一光延时线3与第二光延时线24的延时量不一致，是往返式光纤延时结构或者光学慢波结构，利用游标卡尺效应可以实现主环杂散与从环中杂散谐振模式的抑制。往返式光纤延时结构中的反射镜可以为但不限于金属反射镜、多层介质膜反射镜、法拉第反射镜和布拉格反射镜。

光延时线可以通过往返式光纤延时线结构实现，如图6所示。光环形器201的b端口连接光纤202，光纤202的另一端连接反射镜203，反射镜可以使用但不限于：全反射镜或者法拉第反射镜或者Bragg光栅。输入光信号从光环形器201的a端口输出，从光环形器201的c端口输出，从而往返式光纤延时线。

Claims (9)

1.一种双环宽带可调谐光电振荡器，其特征在于，包括主光电谐振环、从光电谐振环、固定频率参考源(12)、可调谐低频本振信号源(16)、变频组件、第一锁相环控制电路(14)、第二锁相环控制电路(33)、第一功分器(13)、第二功分器(15)、可调谐滤波器(19)、第三放大器(20)、第四功分器(21)、第五功分器(34)；

固定频率参考源(12)连接第一功分器(13)、第一功分器B端口输出信号注入到主光电谐振环，第一功分器A端口连接第一锁相环控制电路R端口，主光电谐振环中第二耦合器C端口连接第二功分器(15)，第二功分器A端口连接第一锁相环控制电路O端口，第一锁相环控制电路(14)输出端连接主光电谐振环中的第一压控移相器(10)；第二功分器B端口输出信号与可调谐低频本振信号源(16)利用变频组件实现变频，变频输出信号连接可调谐滤波器(19)，可调谐滤波器(19)输出端连接第三放大器(20)，第三放大器(20)输出端连接第四功分器(21)，第四功分器A端口连接第二锁相环控制电路Q端口；从光电谐振环中第五耦合器C端口连接第五功分器(34)，第五功分器B端口连接第二锁相环控制电路P端口，第二锁相环控制电路(33)输出端连接从光电谐振环中第二压控移相器(30)；第五功分器A端口连接变频组件，与可调谐低频本振信号源(16)变频后，在主光电谐振环中第一耦合器C端口注入主光电谐振环。

2.根据权利要求1所述的双环宽带可调谐光电振荡器，其特征在于，主光电谐振环包括：第一激光器(1)、第一电光调制器(2)、第一光延时线(3)、第一光电探测器(4)、第一放大器(5)、第一耦合器(6)、窄带滤波器(7)、第二放大器(8)、第二耦合器(9)、第一压控移相器(10)、第三耦合器(11)；

第一激光器(1)输出端连接第一电光调制器(2)，第一电光调制器(2)输出端通过第一光延时线(3)连接第一光电探测器(4)，第一光电探测器(4)将光信号转换为电信号输出，第一光电探测器(4)输出端连接第一放大器(5)，第一放大器(5)连接第一耦合器(6)T端口，第一耦合器(6)I端口连接窄带滤波器(7)，窄带滤波器(7)输出端连接第二放大器(8)，第二放大器(8)输出端连接第二耦合器(9)I端口，第二耦合器(9)T端口连接第一压控移相器(10)，第一压控移相器(10)输出端连接第三耦合器(11)T端口，第三耦合器(11)I端口连接第一电光调制器(2)的微波输入端口。

3.根据权利要求2所述的双环宽带可调谐光电振荡器，其特征在于，从光电谐振环包括：第二激光器(22)、第二电光调制器(23)、第二光延时线(24)、第二光电探测器(25)、第四耦合器(26)、滤波器(27)、第四放大器(28)、第五耦合器(29)、第二压控移相器(30)、第五放大器(31)、第六耦合器(32)；

第二激光器(22)输出端连接第二电光调制器(23)，第二电光调制器(23)输出端通过第二光延时线(24)连接第二光电探测器(25)，第二光电探测器(25)将光信号转换为电信号输出，第二光电探测器(25)输出端连接第四耦合器(26)T端口，第四耦合器(26)I端口连接滤波器(27)，滤波器(27)输出端连接第四放大器(28)，第四放大器(28)输出端连接第五耦合器(29)I端口，第五耦合器(29)T端口连接第二压控移相器(30)，第二压控移相器(30)输出端连接第五放大器(31)，第五放大器(31)输出端连接第六耦合器(32)I端口，第六耦合器(32)T端口连接第二电光调制器(23)的微波输入端口。

4.根据权利要求3所述的双环宽带可调谐光电振荡器，其特征在于，变频组件包括第三功分器(17)、第一混频器(18)、第二混频器(35)；第三功分器A端口连接第一混频IF端口，第三功分器B端口连接第二混频IF端口。

可调谐低频本振信号源(16)输出端连接变频组件中第三功分器(17)；第二功分器B端口连接变频组件中第一混频器LO端口；变频组件中第一混频器RF端口连接可调谐滤波器(19)；第五功分器A端口连接变频组件中第二混频器LO端口，变频组件中第二混频器RF端口连接主环振荡器中第一耦合器C端口。

5.根据权利要求4所述的双环宽带可调谐光电振荡器，其特征在于，第一光延时线(3)和第二光延时线(24)的延时量不同。

6.根据权利要求4所述的双环宽带可调谐光电振荡器，其特征在于，第一光延时线(3)和第二光延时线(24)为往返式光纤延时结构或光学慢波结构。

7.根据权利要求4所述的双环宽带可调谐光电振荡器，其特征在于，利用主环振荡信号或者固定频率参考源(12)与可调谐低频本振信号源(16)混频产生的和频信号对从环进行注入锁相控制。

8.根据权利要求4所述的双环宽带可调谐光电振荡器，其特征在于，利用主环振荡信号或者固定频率参考源(12)与可调谐低频本振信号源(16)混频产生的差频信号对从环进行注入锁相控制。

9.根据权利要求6所述的双环宽带可调谐光电振荡器，其特征在于，往返式光纤延时结构中的反射镜为金属反射镜、多层介质膜反射镜、法拉第反射镜和布拉格反射镜。