CN110571627B - 一种基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡器及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡器及其方法，包括由第一半导体激光器、第一马赫曾德尔调制器、光耦合器、长光纤、波分复用器、掺铒光纤放大器、第一光电探测器、第一微波带通滤波器、第一微波放大器、微波倍频器、第二微波带通滤波器、第二微波放大器、微波移相器及微波耦合器构成的振荡环路，以及由第二半导体激光器、第二马赫曾德尔调制器、光耦合器、长光纤、波分复用器、第二光电探测器、第三微波带通滤波器、第三微波放大器及微波耦合器构成的补偿环路。该发明能够产生低相噪、稳定的高频率微波/毫米波信号，且无需采用传统复杂的基于电控反馈的稳频方式，具有低成本、易实现等特点。
Description
技术领域
本发明涉及微波/毫米波信号发生领域，尤其涉及一种基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡器及其方法。
背景技术
光电振荡器作为一种微波信号发生装置，可以产生高频率、低相噪、可调谐的微波/毫米波信号。与传统的电传输系统相比，微波光子链路的核心优势是体积小、重量轻、在整个微波和毫米波调制频率范围内衰减常数低、抗电磁干扰、低色散和高数据传输容量。在光电振荡器中，由于光纤的折射率和长度等会受外界环境温度变化和振动的影响，导致整个光电振荡器的光学环路长度发生变化，进而导致光电振荡器输出信号的频率发生漂移，因此，光电振荡器并不具有很好的频率稳定性。
为提高光电振荡器的频率稳定性，许多基于温度控制和锁相环的方法被用于稳定光电振荡器输出信号的频率。由于环路中的光纤延迟线和微波移相器的调节范围有限，当光电振荡器长时间或在恶劣环境中工作时，这类方法难以补偿频率漂移。除此之外，用对温度不敏感的实心光子晶体光纤替代普通单模光纤，或在环路中使用Fabry-Perot腔都可以提高频率稳定性。但是光子晶体光纤的传输损耗大，且与现有器件的尾纤不匹配，Fabry-Perot腔的性能受环境影响大，这些因素限制了上述稳频技术在光电振荡器中的应用。
本发明采用被动补偿方式稳定光电振荡器的振荡频率，无需主动反馈调节环路长度或相位，且具有无限补偿范围，为光电振荡器在恶劣环境下的长期稳定工作提供了解决办法。
发明内容
本发明解决其技术问题所采用的方案是：
一种基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡器，其特征在于包括第一半导体激光器、第一马赫曾德尔调制器、光耦合器、长光纤、波分复用器、掺铒光纤放大器、第一光电探测器、第一微波带通滤波器、第一微波放大器、微波倍频器、第二微波带通滤波器、第二微波放大器、微波移相器、微波功分器、微波耦合器、第二半导体激光器、第二马赫曾德尔调制器、外部微波源、第二光电探测器、第三微波带通滤波器、第三微波放大器。
第一半导体激光器、第一马赫曾德尔调制器、光耦合器、长光纤、波分复用器、掺铒光纤放大器、第一光电探测器通过光纤顺次相连；第一光电探测器、第一微波带通滤波器、第一微波放大器、微波倍频器、第二微波带通滤波器、第二微波放大器、微波移相器、微波功分器、微波耦合器、第一马赫曾德尔调制器通过微波同轴线顺次相连；第二半导体激光器、第二马赫曾德尔调制器、光耦合器、长光纤、波分复用器、第二光电探测器通过光纤顺次相连；第二光电探测器、第三微波带通滤波器、第三微波放大器、微波耦合器、第一马赫曾德尔调制器通过微波同轴线顺次相连，外部微波源与第二马赫曾德尔调制器通过微波同轴线相连。
一种基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡器，其特征在于：采用被动补偿方式稳定输出频率。
所述的基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡器，其特征在于：长光纤无需温控；由长光纤引起的相位抖动/频率漂移可以被无限补偿。
所述的基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡器，其特征在于：通过调节外部微波源的频率实现光电振荡器的频率调谐。
一种所述光电振荡器的基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡方法，其特征在于：由第一半导体激光器发出的单频光信号作为光载波，注入到第一马赫曾德尔调制器的光输入端，第一马赫曾德尔调制器将微波耦合器的输出端口注入的微波信号调制在光载波上，同时产生载波抑制双边带信号；经第一马赫曾德尔调制器调制后的光信号输入到光耦合器的第一输入端；
由第二半导体激光器发出的单频光信号作为另一光载波，注入到第二马赫曾德尔调制器的光输入端，第二马赫曾德尔调制器将外部微波源输出的微波信号调制在光载波上，同时产生双边带信号；经第二马赫曾德尔调制器调制后的光信号输入到光耦合器的第二输入端；
两路调制后的光在光耦合器中耦合后从其输出端输出，经长光纤传输后到达波分复用器；由第一半导体激光器作为光载波的调制光从波分复用器的第一输出端口输出，再经过掺铒光纤放大器放大光信号，补偿了长光纤的损耗及波分复用器的插入损耗；放大后的光信号继续传输到第一光电探测器中，经过光电转换产生微波信号；从第一光电探测器输出的信号再经过第一微波带通滤波器滤波、第一微波放大器放大、微波倍频器倍频、第二微波带通滤波器滤波、第二微波放大器放大、微波移相器移相、微波功分器分路后继续传输到微波耦合器的第一输入端口；
由第二半导体激光器作为光载波的调制光从波分复用器的第二输出端口输出，继续传输到第二光电探测器中，经过光电转换产生微波信号；从第二光电探测器输出的信号再经过第三微波带通滤波器滤波、第三微波放大器放大继续传输到微波耦合器的第二输入端口；微波耦合器将从两个输入端口输入的信号耦合后注入到第一马赫曾德尔调制器的微波输入端口；从微波耦合器的第二输入端口输入的微波信号作为探测信号，其中包含了由长光纤引起的相位抖动信息；光电振荡器产生的振荡信号从微波功分器的第二输出端口输出。
所述的基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡方法，其特征在于：通过调节微波移相器提高光电振荡器的边模抑制比。
一种基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡器，在上述基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡器中移除微波移相器，第二微波放大器与微波功分器通过微波同轴线直接相连；采用光纤延迟线替换所述微波移相器的功能，将光纤延迟线插入波分复用器的第一输出端口和掺铒光纤放大器输入端之间或插入掺铒光纤放大器输出端和第一光电探测器之间的光纤链路中，通过调节光纤延迟线可以提高光电振荡器输出信号的边模抑制比。
另一种基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡器，其特征在于包括由半导体激光器、光耦合器、第一马赫曾德尔调制器、第一光环形器、长光纤、第二光环形器、掺铒光纤放大器、第一光电探测器、第一微波带通滤波器、第一微波放大器、微波倍频器、第二微波带通滤波器、第二微波放大器、微波移相器、微波功分器、微波耦合器顺次相连组成的振荡环路，以及由所述的半导体激光器、所述的光耦合器、第二马赫曾德尔调制器、所述的第二光环形器、所述的长光纤、所述的第一光环形器、第二光电探测器、第三微波带通滤波器、第三微波放大器、微波耦合器顺次相连组成的被动补偿环路，外部微波源与第二马赫曾德尔调制器通过微波同轴线相连；微波耦合器与第一马赫曾德尔调制器通过微波同轴线相连，第一马赫曾德尔调制器将微波耦合器的输出端口注入的微波信号调制在光载波上。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡器的第一种结构示意图。
图2是本发明实施例提供的一种基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡器的第二种结构示意图。
图3是从光耦合器(3)的第一输入端口(21)输入的调制信号的光谱图。
图4是从波分复用器(5)的第一输出端口(23)输出的光谱图。
图5是本发明实施例提供的一种基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡器的第三种结构示意图。
图6是本发明实施例提供的光电振荡器生成的10GHz微波信号的频率漂移测试图。
具体实施方式
以下结合本发明实施例中的附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡器的振荡环路结构包括第一半导体激光器(1)、第一马赫曾德尔调制器(2)、光耦合器(3)、长光纤(4)、波分复用器(5)、掺铒光纤放大器(6)、第一光电探测器(7)、第一微波带通滤波器(8)、第一微波放大器(9)、微波倍频器(10)、第二微波带通滤波器(11)、第二微波放大器(12)、微波移相器(13)、微波功分器(28)、微波耦合器(14)。
其中，微波移相器(13)的功能可以被光延时线(32)替换，如图2所示，此时光电振荡器的振荡环路结构包括第一半导体激光器(1)、第一马赫曾德尔调制器(2)、光耦合器(3)、长光纤(4)、波分复用器(5)、掺铒光纤放大器(6)、光延时线(32)、第一光电探测器(7)、第一微波带通滤波器(8)、第一微波放大器(9)、微波倍频器(10)、第二微波带通滤波器(11)、第二微波放大器(12)、微波功分器(28)、微波耦合器(14)。
基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡器的被动补偿环路结构包括第二半导体激光器(15)、第二马赫曾德尔调制器(16)、光耦合器(3)、长光纤(4)、波分复用器(5)、第二光电探测器(18)、第三微波带通滤波器(19)、第三微波放大器(20)、微波耦合器(14)、外部微波源(17)。
为分析方便，忽略不会导致光电振荡器输出信号频率漂移的环路相移，只考虑外部环境引起的长光纤(4)的时延抖动。假设从光电振荡器的振荡环路输出的微波信号频率为ω，相位为ωt，其中ω是光电振荡器的输出频率，没有相位波动，输入到耦合器(14)的第一输入端口(25)；从光电振荡器的补偿环路输出的信号频率为ω0，相位为ω0t-ω0τp，相位波动为ω0τp，其中ω0是外部微波源(17)的输出信号频率，τp是由长光纤(4)引起的时延抖动，输入到耦合器(14)的第二输入端口(26)。二者经耦合器(14)耦合后调制到第一半导体激光器(1)输出的光载波上，得到载波抑制双边带信号，如图3所示，其中被调制在第一半导体激光器(1)输出光载波上的从第一输入端口(25)输出的微波信号相位为θOEO＝ωc1t±ωt，ωc1为第一半导体激光器(1)的输出光频率；被调制在第一半导体激光器(1)输出光载波上的从第二输入端口(26)输出的信号相位为θref＝ωc1t±(ω0t-ω0τp)。然后该调制光信号输入到光耦合器(3)的第一输入端口(21)，再经长光纤(4)传输后到达波分复用器(5)的第一输出端口(23)。
然后，继续沿环路传输，如图4所示，在波分复用器(5)的第一输出端口(23)，被调制在第一半导体激光器(1)光载波上的从第一输入端口(25)输出的微波信号相位变为θ′OEO＝ωc1t±(ωt-ωτp)，相位波动为ωτp；被调制在第一半导体激光器(1)上的从第二输入端口(26)输出的信号相位变为θ′ref＝ωc1t±(ω0t-2ω0τp)，相位波动为2ω0τp。经第一光电探测器(7)光电转换、第一微波带通滤波器(8)滤波后，输出的微波信号的频率为ω-ω0，相位为(ω-ω0)t-(ωτp-2ω0τp)。再经微波倍频器(10)二倍频、第二微波带通滤波器(11)滤波后，输出的微波信号的频率为2(ω-ω0)，相位为2(ω-ω0)t-2(ωτp-2ω0τp)。因为已假设从光电振荡器的振荡环路输出的微波信号频率为ω，因此等式ω＝2(ω-ω0)成立，即ω＝2ω0。此时，输出的微波信号的频率为2ω0，相位为2(ω-ω0)t，相位抖动为零。因此从微波功分器(28)的第二输出端口(27)输出的微波信号的频率不受光纤时延抖动(或称相位波动)的影响，为2ω0。
可选的，作为本发明的另一个实施例，如图5所示，基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡器可以包括由半导体激光器(1)、光耦合器(29)、第一马赫曾德尔调制器(2)、第一光环形器(31)、长光纤(4)、第二光环形器(30)、掺铒光纤放大器(6)、第一光电探测器(7)、第一微波带通滤波器(8)、第一微波放大器(9)、微波倍频器(10)、第二微波带通滤波器(11)、第二微波放大器(12)、微波移相器(13)、微波功分器(28)、微波耦合器(14)顺次相连组成的振荡环路，以及由所述的半导体激光器(1)、所述的光耦合器(29)、第二马赫曾德尔调制器(16)、所述的第二光环形器(30)、所述的长光纤(4)、所述的第一光环形器(31)、第二光电探测器(18)、第三微波带通滤波器(19)、第三微波放大器(20)、微波耦合器(14)顺次相连组成的被动补偿环路，外部微波源(17)与第二马赫曾德尔调制器(16)通过微波同轴线相连；微波耦合器(14)与第一马赫曾德尔调制器(2)通过微波同轴线相连，第一马赫曾德尔调制器(2)将微波耦合器(14)的输出端口注入的微波信号调制在光载波上。
本实施例与图1所示实施例的工作原理相同，区别在于基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡器的振荡环路和补偿环路使用同一个激光器作为光载波源，并且振荡环路中的光信号与补偿环路中的光信号在长光纤(4)中以相反的方向传输；由半导体激光器(1)发出的光载波经光耦合器(29)后分为两路，分别进入振荡环路和补偿环路。
图6是基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡器生成的10GHz微波信号的实验结果图，由图6可知，本发明的技术方案可以使由光电振荡器生成的微波信号的频率漂移量在6个小时内稳定在5Hz左右，并且在光电振荡器工作4小时后，频率漂移量稳定在2Hz以内。
本发明采用被动补偿方式实现光电振荡器输出信号的频率稳定，不采用有源反馈控制方式，对光电振荡器输出信号的频率漂移具有无限补偿能力，且简化了产生稳定频率的光电振荡器的结构，使其可以应用在复杂环境中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡器，其特征在于包括第一半导体激光器（1）、第一马赫曾德尔调制器（2）、光耦合器（3）、长光纤（4）、波分复用器（5）、掺铒光纤放大器（6）、第一光电探测器（7）、第一微波带通滤波器（8）、第一微波放大器（9）、微波倍频器（10）、第二微波带通滤波器（11）、第二微波放大器（12）、微波移相器（13）、微波功分器（28）、微波耦合器（14）、第二半导体激光器（15）、第二马赫曾德尔调制器（16）、外部微波源（17）、第二光电探测器（18）、第三微波带通滤波器（19）、第三微波放大器（20）；
第一半导体激光器（1）、第一马赫曾德尔调制器（2）、光耦合器（3）、长光纤（4）、波分复用器（5）、掺铒光纤放大器（6）、第一光电探测器（7）通过光纤顺次相连；第一光电探测器（7）、第一微波带通滤波器（8）、第一微波放大器（9）、微波倍频器（10）、第二微波带通滤波器（11）、第二微波放大器（12）、微波移相器（13）、微波功分器（28）、微波耦合器（14）、第一马赫曾德尔调制器（2）通过微波同轴线顺次相连；第二半导体激光器（15）、第二马赫曾德尔调制器（16）、光耦合器（3）、长光纤（4）、波分复用器（5）、第二光电探测器（18）通过光纤顺次相连；第二光电探测器（18）、第三微波带通滤波器（19）、第三微波放大器（20）、微波耦合器（14）、第一马赫曾德尔调制器（2）通过微波同轴线顺次相连，外部微波源（17）与第二马赫曾德尔调制器（16）通过微波同轴线相连。
2.如权利要求1所述的基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡器，其特征在于：长光纤（4）无需温控；由长光纤（4）引起的相位抖动/频率漂移可以被无限补偿。
3.如权利要求1所述的基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡器，其特征在于：通过调节外部微波源（17）的频率实现光电振荡器的频率调谐。
4.一种权利要求1所述光电振荡器的基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡方法，其特征在于：由第一半导体激光器（1）发出的单频光信号作为光载波，注入到第一马赫曾德尔调制器（2）的光输入端，第一马赫曾德尔调制器（2）将微波耦合器（14）的输出端口注入的微波信号调制在光载波上，同时产生载波抑制双边带信号；经第一马赫曾德尔调制器（2）调制后的光信号输入到光耦合器（3）的第一输入端（21）；
由第二半导体激光器（15）发出的单频光信号作为另一光载波，注入到第二马赫曾德尔调制器（16）的光输入端，第二马赫曾德尔调制器（16）将外部微波源（17）输出的微波信号调制在光载波上，同时产生双边带信号；经第二马赫曾德尔调制器（2）调制后的光信号输入到光耦合器（3）的第二输入端（22）；
两路调制后的光在光耦合器（3）中耦合后从其输出端输出，经长光纤（4）传输后到达波分复用器（5）；由第一半导体激光器（1）作为光载波的调制光从波分复用器（5）的第一输出端口（23）输出，再经过掺铒光纤放大器（6）放大光信号，补偿了长光纤（4）的损耗及波分复用器（5）的插入损耗；放大后的光信号继续传输到第一光电探测器（7）中，经过光电转换产生微波信号；从第一光电探测器（7）输出的信号再经过第一微波带通滤波器（8）滤波、第一微波放大器（9）放大、微波倍频器（10）倍频、第二微波带通滤波器（11）滤波、第二微波放大器（12）放大、微波移相器（13）移相、微波功分器（28）分路后继续传输到微波耦合器（14）的第一输入端口（25）；
由第二半导体激光器（15）作为光载波的调制光从波分复用器（5）的第二输出端口（24）输出，继续传输到第二光电探测器（18）中，经过光电转换产生微波信号；从第二光电探测器（18）输出的信号再经过第三微波带通滤波器（19）滤波、第三微波放大器（20）放大继续传输到微波耦合器（14）的第二输入端口（26）；微波耦合器（14）将从两个输入端口输入的信号耦合后注入到第一马赫曾德尔调制器（2）的微波输入端口；从微波耦合器（14）的第二输入端口（26）输入的微波信号作为探测信号，其中包含了由长光纤（4）引起的相位抖动信息；光电振荡器产生的振荡信号从微波功分器（28）的第二输出端口（27）输出。
5.如权利要求4所述的基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡方法，其特征在于：通过调节微波移相器（13）提高光电振荡器的边模抑制比。
6.如权利要求1所述的基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡器，其特征在于在权利要求1所述光电振荡器中移除微波移相器（13），第二微波放大器（12）与微波功分器（28）通过微波同轴线直接相连；采用光纤延迟线（32）替换所述微波移相器（13）的功能，将光纤延迟线（32）插入波分复用器（5）的第一输出端口（23）和掺铒光纤放大器（6）输入端之间或插入掺铒光纤放大器（6）输出端和第一光电探测器（7）之间的光纤链路中，通过调节光纤延迟线提高光电振荡器输出信号的边模抑制比。
7.一种基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡器，其特征在于包括由半导体激光器（1）、光耦合器（29）、第一马赫曾德尔调制器（2）、第一光环形器（31）、长光纤（4）、第二光环形器（30）、掺铒光纤放大器（6）、第一光电探测器（7）、第一微波带通滤波器（8）、第一微波放大器（9）、微波倍频器（10）、第二微波带通滤波器（11）、第二微波放大器（12）、微波移相器（13）、微波功分器（28）、微波耦合器（14）顺次相连组成的振荡环路，以及由所述的半导体激光器（1）、所述的光耦合器（29）、第二马赫曾德尔调制器（16）、所述的第二光环形器（30）、所述的长光纤（4）、所述的第一光环形器（31）、第二光电探测器（18）、第三微波带通滤波器（19）、第三微波放大器（20）、微波耦合器（14）顺次相连组成的被动补偿环路，外部微波源（17）与第二马赫曾德尔调制器（16）通过微波同轴线相连；微波耦合器（14）与第一马赫曾德尔调制器（2）通过微波同轴线相连，第一马赫曾德尔调制器（2）将微波耦合器（14）的输出端口注入的微波信号调制在光载波上。
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